第3章网络体系结构

第三章计算机网络体系结构一、协议和体系结构1、网络协议问题：为何要使用网络协议？概念：为计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议的特点：具有层次性和可靠性。协议的三要素：语法：数据和控制信息的结构与格式。即“如何讲”语义：对具体事件应发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。即“讲什么”时序：对事件实现顺序的详细说明。网络协议实质上是实体间通信时使用的语言。一、协议和体系结构2、开放系统互联参考模型在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织：国际电报与电话咨询委员会（ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone，CCITT）；国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）开放系统互联参考模型以层次（Layer）观念为主，将计算机网络的体系结构划分为7层，每层都有独自负责的功能，但又息息相关。一、协议和体系结构（1）计算机网络系统采用层次结构及其原则分层的原因：将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，是工程中常用的方法。每一层实现一种相对独立的功能，同时互相联系。分层原则：网络中各结点都具有相同的层次。不同结点的同等层具有相同功能。同一结点内相邻层之间通过接口通信。

每层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。不同结点的同等层通过协议来实现通信。层数应适中。层数太少，则每层的协议太复杂；层数太多，则体系结构复杂。一、协议和体系结构（2）OSI/RM七层模型一、协议和体系结构说明：“开放”的含义：只要遵守OSI标准，一个系统可以位于世界任何地方，与遵循同样标准的系统通信。OSI/RM定义了开放系统的层次结构、层次间关系，以及各层所包括的可能服务。OSI/RM并没有提供一个可以实现的方法，它只是描述了网络构建标准的一个概念性的框架。一、协议和体系结构（3）几个概念实体：每层中具有数据收发能力的活动单元，可以是软实体（如进程）或硬件实体（网卡）。对等实体：不同计算机中同一层的实体叫做对等（Peer）实体。服务：网络中各层向上层提供的一组功能（操作）。在网络中服务分为：面向连接的服务和无连接服务服务定义了两层之间的接口，上层是服务的用户，下层是服务的提供者。服务访问点（SAP）：上层访问本层服务的地址。服务原语：上层通过与下层交换一些命令来使用下层为它提供的服务，这些命令称为服务原语。分为四种：请求、指示、响应和确认。一、协议和体系结构例：1.COENNCT.request：呼叫方请求建立连接

2.CONNECT.indication：被呼叫方指示有人请求建立连接

3.CONNECT.response：被呼叫方表示接受/拒绝建立连接请求

4.CONNECT.confirm：通知呼叫方建立连接的请求是否被接受

一、协议和体系结构数据单元：网络中信息传送的单位，分为协议数据单元、服务数据单元和接口数据单元。协议数据单元PDU：传输的数据信息称为PDU。协议控制信息PCI:在PDU进入下层之前，会在PDU中加入新的控制信息，这种控制信息称为PCI。接口控制信息ICI：在PDU中加入发送给下层的指令。接口数据单元IDU：PDU、PCI与ICI共同构成了IDU，它为经过层间接口的数据单元。服务数据单元SDU：下层接收到IDU后，从中除掉ICI，此时的数据包称为SDU。面向连接的服务特点（类似于电话系统服务模式）：1、数据传输过程必须经过建立连接、连接维护与终止连接的三个过程；2、面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；3、数据传输时，数据包不必携带目的结点的地址；4、接收到的数据与发送方发出的数据在内容和顺序上保持一致，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。无连接服务特点（类似于邮政系统服务模式）：1、无连接服务中的数据传输过程不需要经过建立连接、连接维护与终止连接三个过程；2、无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；3、数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；4、无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。一、协议和体系结构（4）OSI各层物理层物理层为OSI的最底层，直接面向通信介质。物理层的功能利用传输介质为网络结点之间建立、管理和释放物理连接利用物理介质为数据链路层提供物理连接，利用物理连接透明地传输比特流；物理层的数据传输单元是比特（位）。物理层常用的设备：DTE和DCE。DTE为数据终端设备，如计算机、终端等；DCE为数据电路连接设备，如调制解调器、中继器、集线器等。一、协议和体系结构数据链路层为何设置数据链路层？原因：在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；目的：将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。数据链路层的功能数据链路管理：通信的两个实体之间数据链路的建立、维护与释放。采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。数据链路层数据传送单位为帧。思考：数据链路与物理线路有什么区别？一、协议和体系结构网络层网络中通信的两个计算机之间要经过许多的节点和链路或几个通信子网，由于网络层数据传送单位是分组，因此网络层的主要任务是在复杂的网络环境中选择合适的路由，使得数据分组能够正确的到达目的结点。网络层的特点完成网络中任意结点间的数据传输；数据传送单位是分组；通过路由选择算法为分组在通信子网中选择最适当的路径为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。说明：OSI七层模型中的物理层、数据链路层和网络层是面向网络通信的低三层协议，该三层构成通信子网，一般由硬件完成。一、协议和体系结构传输层传输层是7层中最关键的一层，位于面向网络通信的通信子网和面向网络应用的资源子网之间。传输层功能传输层向高层屏蔽下层数据通信的细节；传输层以上层不再管理信息的传送问题。接收会话层发来的数据，把其分成更小的单元，根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，以可靠的方式，建立一个端到端的连接；传输层数据传输单位是报文。一、协议和体系结构会话层“会话”的含义：两个应用进程为交换数据信息而按一定的规则建立起来的一个暂时联系。会话层功能会话层不参与具体的网络传输，主要功能是对数据进行管理，它为相互通信的两个进程之间提供一套会话设施，组织和同步他们的会话活动，管理他们的数据交换过程。一、协议和体系结构表示层处理实体间交换数据的语法，解决格式和数据表示的差别，从而为应用层提供一个一致的数据格式。主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换；数据加密与解密；数据压缩与恢复。一、协议和体系结构应用层应用层功能为应用程序提供网络服务;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。说明：OSI七层模型中的会话层、表示层和应用层是面向网络应用的高层，将这三层合并为应用层，组成网络的资源子网,一般由软件方式实现。传输层是通信子网和资源子网的接口，负责两个子网之间的沟通。一、协议和体系结构（5）OSI环境中数据的传输过程OSI环境一、协议和体系结构步骤：进程A要与进程B交换数据。进程A、进程B分别处于主机A与主机B的本地系统中。主机A的应用层将进程A的通信请求传输到表示层，表示层再向会话层传送，直至物理层。物理层通过与主机A连接的路由器A，将数据传输到路由器A上。路由器A的物理层接收到数据后，通过数据链路层进行检测，若没有错误由网络层确定下面应该把数据传输到哪个路由器。通过路由选择算法，确定下一个结点是路由器B，则把数据传输到路由器B。路由器B采用同样的方法，将数据传输到主机B上。主机B将接到的数据从物理层传输到应用层。应用层再将数据传输给主机B的进程B。一、协议和体系结构OSI环境中的数据传输过程计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层

PDU计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层PDU再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机1向计算机2发送数据

应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体计算机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机

2计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应用程序数据H4H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应用程序数据H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程计算机1向计算机2发送数据

5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！二、TCP/IP参考模型TCP/IP协议是美国国防部高级计划研究局为实现ARPANET(后来发展为Internet)互连网而开发的。目前，ITERNET采用TCP/IP协议，它成为一个事实