第1章通信模型与OSI模型

第1页第1章通信模型与OSI模型本章概述本章的学习目标主要内容第2页本章概述物流公司管理物品的收集仓储、包装加工、中转配送；交通系统管理交通规则、运输秩序、决定两地之间的交通方式、运输距离和时间；运输工具关注物品的数量体积、物品包装、决定承载能力和运输速度；邮递双方则关心物品完好程度、损坏丢失、到达时间、资费合理等问题。如果在两地之间，传输文本、音频、图像、视频等数字化信息，需要什么样的系统来实现。本章全面研究通信系统的基本模型和组成原理，分析OSI网络参考模型，为数据通信所涉及的各方面技术问题，提供一个完善和标准的参考体系。第3页本章的学习目标掌握通信系统结构组成理解通信模型的结构与服务类型理解通信服务质量的重要参数掌握计算机网络发展阶段的特征理解计算机网络的基本组成掌握OSI层次结构原理理解OSI模型服务与功能第4页主要内容1.1通信系统1.2通信模型1.3通信服务质量1.4计算机网络发展1.5计算机网络基本概念1.6OSI层次结构1.7OSI模型1.8本章小结1.1通信系统

1.1.1通信系统的结构通信系统的基本组成和工作流程，是一个简单的信息通信的基本模型。模型由消息源即信源、发送终端即发送变换器、信道、接收终端即接收变换器和收信者即信宿五个主要部分组成。通信过程中的干扰、失真和差错可以统一规划为进入信道的噪声，虽然实际的现象更为复杂。

第5页通信系统的基本框图第6页通信系统组成交换设备是现代通信网的核心，其基本功能是汇集、转接和分配用户信号，实现用户间的选择性连接和自由通信，完成多个信源和信宿之间通信信道的分配。不同属性的通信业务要求不同的交换设备。实时性强的电话业务使用直接接续话路的电路交换设备。实时性要求不高的数据业务，采用分组交换设备把数据信号分组、存储和交换，利用各信道的空闲时隙“见缝插针”地传送，经常应用于即时通信。第7页通信系统组成传输系统是由物理链路和连接交换节点组成，在通信双方的传输终端设备之间，提供信号的传输通道、补偿线路衰耗、延长传输距离。为了提高传输系统的效率，现代通信采用了各种先进的复用技术和设备，扩大一个通信系统的服务范围或覆盖。第8页1.1.2通信系统的分类通信系统一般参照所用的传输媒介、信源的种类、所传信号的属性、结构和复用方式等特征进行分类。第9页1.1.3数字通信系统和数据通信系统

1数字通信系统模型在发信端，模拟信号数字化功能可包含在信源编码器内，而收信端，从数字信号恢复出模拟信号的功能则包含在信宿译码器内。并且，这一对编译码器还具有数字复用/去复用，加密/解密，码型变换/反变换，同步、控制信令、维护和管理、开销数据的插入/分出等功能，以提高数字通信效率和安全性。第10页1数字通信系统模型数字信号具有不限距离的远程传输能力，数字通信系统除包括上述信源编码器、信宿译码器外，为了远程传输，还包括由信道编码器、调制器、信道解调器和信道译码器组成的传输系统，以及保证接收和发送两端设备协调一致，同步工作的数字同步系统、控制信令通道和网管数据通道等。第11页数字通信系统模型图第12页2.数据通信系统数据通信是计算机和通信相结合的一种通信方式，是通过数据终端与计算机或计算机与计算机间的通信，自动化实现大部分通信过程，及相关通信对象的通信事务处理，诸如检测传输差错，甚至能自动校正传输差错。数据通信系统的基本结构如图所示，这是一个远端的数据终端设备DTE通过一个由传输信道和其两端的数据电路终接设备DCE组成的数据电路，与另一个计算机系统相连的基本通信模型。第13页数据通信系统基本结构图第14页3.数字通信系统和数据通信系统的统一性数字通信系统是实现数字信号交换和传输的系统，主要任务是电路交换和高速率宽带大容量实时传输。数据通信系统是实现数据信号交换和传输的系统，主要任务是高速分组交换和宽带传输。二者有联系，但是，面对的对象和功能目标差异较大。第15页第16页主要内容1.1通信系统1.2通信模型1.3通信服务质量1.4计算机网络发展1.5计算机网络基本概念1.6网络体系结构模型1.7OSI模型1.8本章小结1.2通信模型通信服务基于一个抽象的通信模型，该模型通过规定参与者的行为和作用、允许交换数据的数目和顺序、信息流的方向和对话的持续时间，制定通信双方的实施次序、状态、流程。通信模型中联系通信双发的第三方，即由数据链路组成的传输系统，是通信模型中的关键和枢纽，这个通信对象类似于物流系统，具有两个重要的特性。第17页通信模型特征其一，对服务对象数量的限制，即是为通信双方两者服务，还是为多个通信对象服务。类似于实物运输中的专用交通服务和公共交通服务。其二，对数据链路传输数据，提供的可靠、有序、时效的管理方式。服务对象可以是通信双方，也可以是通信多方，类似于实物运输中，为了保障物品可靠、时效运输，设置的交付确认、签收制度。在数据通信中，设置了数据传输序号确认机制，保证传输的有序性。通信模型广泛使用的面向连接和面向数据报两种服务。第18页1.2.1服务对象对于通信模型的组成结构，可以采用面向对象的方法进行分析，包括我们可见的通信参与的发送、接收、中转对象；传输信息的媒介对象；传输的信息对象；高层的人类对象。也有我们在实物传输中可见的包装物品的包裹，而在数据通信中不容易看见的封装信息的数据包裹。数据通信的过程是无人参与的，因此实物传输中人工的工作，同样需要执行者进行实时的交流，为通信提供服务。模块化通信系统提供两类服务：组装服务和通信服务。第19页组装服务定义为组装器类的服务对象提供组装服务，组装服务能配置用户定制的通信服务。通信服务允许对相应的用户进行寻址、维护连接和交换SDU，它的服务是由不同类的服务对象提供的，包括服务访问点类、连接端点类、数据流源类和数据流汇聚类。组装器类对象配置和控制用户定制的通信系统。每个通信服务可能拥有不同的能力。在同一时刻组装器能控制和维护多个通信服务以应对用户的需求。第20页通信服务通信服务是由多个相应的服务访问点(SAP)对象表示的。每个SAP对象提供对它所代表的服务的访问能力，它使用户能建立和释放通信连接。每个SAP对象上绑定了一个惟一的通信地址，用来在服务提供者的作用范围内识别相关的用户。通信参与方的一个连接是由多个相应的连接端点(CEP)对象表示的。每个CEP对象提供对一个特定的连接的访问能力。与一个CEP对象相联的用户可以在连接生命期内改变通信模式，或修改所代表的连接QoS。通信传输的对象一个数据流，是由一个数据流源(SRC)对象和一个或多个数据流汇聚(SNK)对象表示的。SRC对象可以在所代表的流上发送SDU，这些SDU以后能被相应的SNK对象接收。第21页通信系统构架在北电网络模块化通信系统构架(ModularCommunicationSystem,MCS)参考体系结构中基本对象类和语义关系如图所示。参考模型描述了数据通信系统模拟人工服务时，所需的功能单元和相互关系，为我们学习通信任务的结构组成，提供了一个层次的分解参考模型。第22页MCS构架的参考服务对象图第23页1.2.2连接类型通信模型中，两点之间的连接比较简单，但是网络中大多是多点连接，连接的服务模型有：灵活的通信服务质量QoS连接、多点连接、临时连接。第24页多点连接模型所有的通信服务都基于一个多点连接的抽象模型。一个多点连接代表一个有两个或多个用户参与的通信联系，只有加入到同一连接的用户才能通过交换信息进通信。用户信息由提供者作为服务数据单元(servicedataunit,SDU)进行传递。SDU被提供者透明地传送，即它对信息内容、格式和编码方面不能作任何的限制。除非SDU含有高级别的通信服务质量需求。第25页多点播送在任何时刻，能够存在拥有不同参与者的多个连接，连接本身只提供用户间的逻辑联系，信息交换的方法是由一个抽象的数据流来定义。数据流是一个SDU序列，它从一个数据流源端口单向地流到一个或多个数据流汇聚端口。具有多个数据流汇聚汇集的流被称为多点播送流（multicaststream）。如图所示在一个数据流源端口和多个数据流汇聚端口之间的单向数据管道。第26页多点播送的数据流图第27页连接特性原则上讲，一个连接可以包含无限数目的数据流，可以自由地对它们进行布局和重新调整。在一个连接的生命期内，可以创建新数据流，也可以终止已经存在的数据流。一个连接中数据流的布局是通信模式定义的，通信模式包含连接中所有参与者的地址，指定了特定参与者之间存在着数据流，也可以指定点到点或点到多点性质不同的通信结构和方向性。第28页连接特性类似于实物传输中破损和传递时间等问题，对于通信多方是传输效果，称为通信的服务质量，定义了连接及流在可靠性、安全性和性能方面的性质。同一连接上的不同的数据流可以赋予不同的服务质量。第29页1.2.3通信阶段通信服务模型定义通信对象的关系之后，需要考虑的是通信的流程与状态。通信服务有服务组装、连接建立、数据传输、连接释放和服务删除五个阶段第30页1.2.4通信设施连接建立、数据传输和连接释放是一种通信服务所必备的通信设施，除此之外，通信服务还可以定义一些附加的、可选设施。诸如连接转发、连接迁移、连接搜寻、连接合并、连接分离、连接再协商、加入数据流汇聚、删除数据流汇聚、流转发、划分子流、代理建立、第三方建立等。第31页1.2.5寻址寻址是一种在一个已定义的范围内标识和定位对象的概念。通信服务的用户需要用地址来指定与之建立连接的参与者。通信服务的提供者用这些地址，定位相应的服务用户所在的节点和服务访问点。通信地址可以按单一地址和组地址来分类。第32页第33页主要内容1.1通信系统1.2通信模型1.3通信服务质量1.4计算机网络发展1.5计算机网络基本概念1.6网络体系结构模型1.7OSI模型1.8本章小结1.3通信服务质量服务质量指的是涉及可靠性、安全性和性能方面的通信属性（称为QoS属性），这些属性用一组QoS参数表征,为通信效果提供了参考标准。第34页1.3.1可靠性完全性非二义性时间有序第35页1.3.2安全性1.访问控制2.鉴别3.完整性4.保密性5.不可否认性第36页1.3.3性能通信服务质量的性能是可测量、可计算的质量参数。假设在一个生产者和一个消费者之间存在一个单点播送的数据流。设n表示该流上第n个SDU，其中n=1,2,3，...。定义treq,n和tind,n分别表示第n个SDU在数据流源的传输请求，和数据流汇聚的传输指示发生的时刻，如图1-8所示。第37页请求时间和指示时间关系图1-8第38页1.吞吐率一个数据流的吞吐率定义为在一定的时间单位里，在数据流源和数据流汇聚之间所传输的用户数据总量。最大吞吐量参数只能用来描述一个数据流在最坏情况下的通信量。基于这一流通信量的描述，服务提供者分配资源，通常也用来决定对这个数据流的收费。因此，如果通信量是突发性的，为了节省资源和减少代价，希望采用一种更加精细的表征方法。服务提供者也会用一种适当的收费策略，来刺激服务用户更加精确地说明它们的通信量。第39页2.时延在数据流源和数据流汇聚之间传输SDU会消耗一些时间，用于对它进行处理、在节点中排队和在网络中传输。因此每个SDU在其传输请求和指示之间将经历一定的延迟时间。时延的上界Dmax，表示一个数据流上任意SDU被传输时所需要的最大时间延迟。第40页3.抖动同一数据流的各个SDU可能经历不同的传输时延，时延的变化通常称为抖动。抖动可以看成是在一个数据流中，任意SDU的传输请求和指示之间所经历的时延最大值Dmax和时延最小值Dmin之间的差值。换言之，抖动可以看成是用D表示的平均时延的偏差。如果偏差是对称的，可以推出传输延迟的上界是D+J，下界是D-J。以后我们把抖动J定义为Dmax和Dmin之间的差值。第41页SDU最大时间延迟图1-10，SDU抖动图1-11第42页4.差错率由于损坏、拥塞和错过最后期限，SDU可能丢失。SDU是由服务提供者放入一个或多个协议数据单元(protocoldataunit,PDU)在网络上传输的，因此只有当一个SDU的所有的PDU都丢失时，该SDU才丢失。如果只有几个PDU丢失，该SDU称为不完全的SDU。网络中的传输干扰和节点中硬件的差错会造成PDU被损坏。受损坏的PDU是否要丢弃依赖于该PDU的哪些部分受到了影响。每个PDU除了所携带的SDU信息外，还会包含一些协议信息：如序号和数据流标识。第43页第44页主要内容1.1通信系统1.2通信模型1.3通信服务质量1.4计算机网络发展1.5计算机网络基本概念1.6网络体系结构模型1.7OSI模型1.8本章小结1.4计算机网络发展

1.4.1身边的网络计算机网络根据其距离和复杂性可以分成四类局域网、城域网、广域网、个人域网。第45页1.4.1网络发展标志性阶段

1.第一阶段：资源共享早期的集中式计算机网络，一般也称为以大型机为中心的面向终端的集中式分时计算模式。它最典型的特征是：计算机网络技术和通信技术的相结合，但是通过主机系统形成大部分的通信流程，构成系统的所有通信协议都是系统专有的，大型主机在系统中占据着绝对的支配作用，所有控制和管理功能都是由主机来完成。第46页计算机网络的组成

第47页图1-13计算机网络的组成2.第二阶段：计算机与通信技术融合1962-1965年，美国国防部的高级研究计划署（AdvancedResearchProjectsAgency，ARPA）和英国的国家物理实验室（NationalPhysicsLaboratory，NPL）都在对新型的计算机通信技术进行研究。英国NPL的戴维德（David）于1966年首次提出了“分组”（packet）这一概念。到1969年12月，DARPA的计算机分组交换网ARPANET投入运行。第48页ARPR网ARPANET连接了美国加州大学洛杉机分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学和犹他大学4个结点的计算机。ARPR网是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，ARPANET的成功，标志着计算机网络的发展进入了一个新纪元。第49页特点完成了对计算机网络的定义、分类与子课题研究内容的描述；提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念；研究了报文分组交换的数据交换方法；采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。第50页3第三阶段：网络体系标准完善与协议融合，互联网IT产业融入生活ISO正式制订、颁布了ISO/IEC7498国际标准“开放系统互连参考模型”OSI/RM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）。ISO的OSI/RM已被国际社会所公认，成为研究和制订新一代计算机网络标准的基础。第51页4第四阶段：需求与技术融合，泛在应用1991年，XeroxPARC首席科学家MarkWeiser在“Thecomputerforthe21stCentury”一文中，提出了21世纪的计算将是一种无所不在的（UbiquitousComputing）的计算模式。第52页1.4.2计算机网络定义我们在本书中将把计算机网络定义为：依据网络协议，以资源共享传输为目的，利用通信设备，将地理上分散且独立的计算机系统互相连接起来形成的集合体。第53页第54页主要内容1.1通信系统1.2通信模型1.3通信服务质量1.4计算机网络发展1.5计算机网络基本概念1.6网络体系结构模型1.7OSI模型1.8本章小结1.5计算机网络基本概念

1.5.1网络体系的基本组成我们称由物理介质组成的通信线路为链路（link），并称被连的计算机（或通信设备）为结点（node）如图所示。结点的作用是对数据信息的控制（接收、发送、处理），链路的作用是为数据信息传输提供有效和稳定的通道，链路是一个结构上的概念，一般在有应用进程准备或正在通过结点和链路进行数据通信时，我们称从源结点到目标结点的一条或多条链路为信道（CHANNEL）。第55页结点与链路图第56页1.5.2基本概念在讨论数据信息是如何从一个结点传送到另一个结点的过程之前，清楚通信结点、链路的工作方式和关系十分重要。数据信息在结点和链路上的传输工作方式和结点与链路的组合方式产生了下面几个概念：传输模式、线路配置、拓扑结构、网络类型、互连网络。第57页1传输模式

数据信息在计算机网络中传输和共享的工作是从发送结点，以不同的模式、速度、流量向目的结点传输的，这里我们先了解数据的传输模式“传输模式”这个术语是用来对两个互相连接的通信结点之间的信号流动的方式进行定义的，共有三种传输模式：单工模式、半双工模式和全双工模式。第58页2线路配置线路配置是指两个或两个以上的结点连接到链路的方式。一条链路是数据信息从一个结点传输到另一个结点的物理路径。为了直观起见，可以以最简单的方式设想每条链路都由一条连接两个点的线段表示。为实现通信，两个结点必须以某种方式同时连接到同一条链路上。线路配置定义了结点连接到链路上的方式，有两种线路配置方式：点到点连接和多点连接。第59页点到点链路图第60页一个交换网（switchednetwork）交换网有很多种，最普通的两种是电路交换（circuit-switched）和分组交换（packet-switched）。前者主要用于电话系统，而后者多用于计算机网络。交换网络一般以云形图。第61页交换网图

第62页3拓扑结构“拓扑”这个术语是指计算机网络结构物理或逻辑布置的方式。拓扑结构着重于结点之间的链路组合方式，两个或两个以上的结点连接到一条或两条以上的链路形成网络拓扑。网络拓扑是所有链路和连接的所有结点互相之间关系的几何表示。共有五种可能的基本网络拓扑：网状、星型、树型、总线型以及环型。由基本拓扑组合成了星型环、混合型。第63页混合型拓扑图第64页4网络类型拓扑结构是体现了计算机网络结点和链路的布局，当谈到网络时，我们需要一个称谓，一般定义以下三大类：局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、个人域网（PAN）。网络的分类由网络的大小、所有权、覆盖范围和实际体系构架决定。第65页第66页主要内容1.1通信系统1.2通信模型1.3通信服务质量1.4计算机网络发展1.5计算机网络基本概念1.6网络体系结构模型1.7OSI模型1.8本章小结1.6网络体系结构模型

1.6.1协议概念我们将通信双方在通信时需要遵循的一组规则和约定称为协议。协议主要由语义、语法和定时三部分组成，语义规定通信双方准备“讲什么”，亦即确定协议元素的种类；语法规定通信双方“如何讲”，确定数据的信息格式、信号电平等；定时则包括速度匹配和排序等。第67页1.6.2协议的分层结构第N层的实体在实现自身定义的功能时，只使用N-1层提供的服务。N层向N+1层提供服务，此服务不仅包括N层本身所执行的功能，还包括由下层服务提供的功能总和。最低层只提供服务，是提供服务的基础；最高层只是用户，是使用服务的最高层；中间各层既是下一层的用户，又是上一层服务的提供者。仅在相邻层间有接口，且下层所提供服务的具体实现细节对上层完全屏蔽。第68页层次结构图第69页SAP服务是在服务访问点（SAP）提供给上层使用的。N层SAP就是N+1层可以访问N层服务的地方。每个SAP都有一个能够唯一地标识它的地址。类似地，在运输过程中SAP地址也就是发送和接收搬运物品的目的地址，是物品接收和发送地点的街名地址，每个层面都有各自的SAP。其中要说明的是，在计算机网络中发送方和接收方的信息都是必须的。第70页SAP第71页1.6.3服务的分类下层向上层提供的服务可以划分为面向连接的和无连接的两大类别。面向连接的服务类似于打电话。要和某人通话，拿起电话，拨号码，谈话，然后挂断。同样，在使用面向连接的服务时，用户首先要建立连接，传送数据，然后释放连接。第72页相反，无连接服务类似于邮政系统和运输系统中普通信件（物品）的投递。每个报文（信件）带有完整的目标地址，并且每一个报文都独立于其他报文，经由系统选定的路线传递。在正常情况下，当两个报文发往同一目的地时，先发的先收到。但是，也有可能先发的报文在途中延误了，后发的报文反而先收到，这种情况与物品运输非常相似，而这种情况在面向连接的服务中是绝不可能发生的。第73页第74页主要内容1.1通信系统1.2通信模型1.3通信服务质量1.4计算机网络发展1.5计算机网络基本概念1.6网络体系结构模型1.7OSI模型1.8本章小结1.7OSI模型

1.7.1层次化结构体系目前比较著名的体系结构是国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互联（OSI）参考模型和美国国防部研制的TCP/IP协议体系。另外IBM公司的SNA体系（系统网络结构）、DEC公司的DNA体系（数字网络结构）以及Novell公司和微软公司提出的前局域网协议结构也很有影响。国际标准化组织（ISO）发布了关于开放系统互连（OSI）的标准构架，如图所示。该模型被称为开放系统互联（OSI）参考模型。第75页OSI参考模型图第76页不同层次对数据的称谓在网络体系中，对于传输的信息经常有“数据信息”、“消息”、“分组”、“帧”等不同称谓。这是因为数据信息软资源包含“数据”和“信息”两层含义，在网络体系中被传输和处理的方式不同，在不同层面的存在形式完全不同，在通信子网中强调被传输的现实数据概念，在资源子网则被赋予抽象的数据集合和资源信息的含义。第77页1.7.2OSI系统组成OSI系统是兼容的开放系统的互连，在功能上分解为七个层次和两个面。层次提供了OSI系统的垂直功能结构，而面则提供了OSI系统的水平功能结构。结构化将整个系统的复杂性分解成更容易处理的各个组件。每层或每个面的组件是构造计算机网络的粗粒度的标准构件。OSI系统有两个面：管理面和操作面。管理面包含层次和系统管理功能。一般来说，OSI管理由故障管理、记账管理、配置和名字管理、性能管理及安全管理功能等领域组成。操作面包含了通信功能。第78页1.对等层的通信在每一系统中，每一层调用直接下层提供的服务。比如，第三层使用第二层提供的服务，同时也向第四层提供服务。而通信设备的第N层与另一台通信设备的第N层进行通信。这种通信由同一对等层的协议控制。因此通信设备间的通信就成为使用给定层次对应协议的对等过程。第79页2.层间接口在发送端数据和网络信息从高层向低层传递，而在接收端这些信息由低层向高层传递都是通过相邻两层间的接口来实现的。每一层的接口都定义了这一层必须向上一层提供的数据信息和服务。定义良好的接口和层功能使网络模块化。只要一个层的功能仍能为上一层提供所需的服务，该层内功能的具体实现就可以在不影响周围层次的基础上修改和替换。第80页3.层次组织七个层次分为三个子功能组。第一、二、三层（物理层、数据链路层和网络层）为网络支持层；它们处理从一个设备到另一个设备数据传输的物理方面的问题。第五、六、七层（会话层、表示层和应用层）为用户支持层；它们允许不相关的软件系统间的互操作。第四层，即传输层，将这两个子功能组连接起来并保证将下层传送来的数据以上层能识别的形式传送给上一层使用。OSI的高层常常通过软件实现，而低层则是硬件和软件的复合体，但物理层几乎都是由硬件组成。第81页OSI七层协议封装图第82页1.7.3OSI通信模型OSI模型定义了两类通信，一类基于连接抽象而另一类基于数据报抽象。OSI通信QoS的OSI通信QoS的属性覆盖性能、可靠性、安全性和优先级通信各个方面。第83页1.7.4OSI参考模型功能和特性

1.物理层数据通信模式，拓扑结构，信号，编码，接口，传输介质第84页2.数据链路层数据链路层（DataLinkLayer）指定在网络上沿着网络链路在相邻节点之间移动数据要串的技术规范。数据链路层负责将数据单元（比特组）无差错地从一个站点送达下一个相邻站点的对等层。它的主要任务是加强物理层传输原始位的功能，使之对网络层显现为