电子科技大学韦云凯局域网与城域网-C03-架构

第三章协议体系结构通信学院韦云凯局域网与城域网主要内容3.1引言13.2OSI协议体系结构23.3802协议体系结构3LanMan2017SCIE,UESTC3.4LLC子层概要43.5MAC子层概要53.6物理层概要63.7802标准体系的演变73.8小结8LanMan2017YKWeiUESTC3.1引言本章讨论局域网的协议体系结构网络的标准化基础均是：网络的协议体系结构不管是局域网还是广域网循序渐进的方法自顶向下的方法：从体系结构开始展开局域网的协议讨论LanMan2017YKWeiUESTC3.1引言局域网标准的两个重要方面Architecture：体系结构、架构EmphasizingthelogicaldivisionsofthesystemandhowtheyfittogetherImplementation：实现Emphasizingactualcomponents,theirpackaging,andinterconnection本章重点是局域网的体系结构后续章节会涉及一些实现结合具体的局域网技术讲述LanMan2017YKWeiUESTC3.1引言什么是体系结构？Emphasizingthelogicaldivisionsofthesystemandhowtheyfittogether-IEEE802.3强调：系统的逻辑划分，划分的协同网络体系结构分层结构、层次性模型、参考模型层与协议的集合着重逻辑功能，而不是实现细节协议栈实现系统使用的特定协议列表：每层通常是一个协议LanMan2017YKWeiUESTC3.1引言OSI参考模型抽象严格的框架，是很好的概念模型TCP/IP参考模型以N层为中心的实现模型简洁实用802网络参考模型802网络参考模型是DL/Ph层协议的模型DL层：LLC子层、MAC子层当初，适应了介质访问的复杂性Ph层：PMI与PMD两大部分以适应多种介质的高性能网络LanMan2017YKWeiUESTC3.2OSI协议体系结构3.2.1基本模型要点3.2.2七层模型3.2.3服务与协议3.2.4数据单元3.2.5逐层封装3.2.6小结LanMan2017YKWeiUESTC3.2OSI协议体系结构ISO/OSIOSI（OpenSystemInterconnection）：开放系统互连ISO/OSI是ISO在OSI领域的一系列标准20世纪90年代对OSI标准系列进行了大规模的修订和扩充ISO7498扩充了安全、系统管理等，文本也分为4个部分ISO7498-1984OSI/BRM：OSIBasicReferenceModelISO/IEC7498-1-1994（ISO7498-1）OSIBasicReferenceModel：TheBasicModel继承ISO7498的主体ISO/OSI的基本概念和基本模型泛通信网络体系结构的基础ISO7498：对网络体系结构有深刻的影响ISO7498-1：网络体系结构的最为核心的内容LanMan2017YKWeiUESTC3.2.1基本模型要点OSI/BRM：概念要点七层模型根据开放系统功能从逻辑上划分为七个有序层组成一个严格的层次性模型服务访问点（SAP）相邻层之间的服务通过SAP提供与使用数据单元（DataUnit）实体间数据转移的基本形式PDU：协议数据单元SDU：服务数据单元LAN/MAN中的DU：分组，这是基于分组的通信之基本特点OSI/BRM：过程要点每一层中的实体使用下一层实体提供的服务通过与对等实体的协议交互向上一层实体提供增强了的服务LanMan2017YKWeiUESTC3.2.2七层模型：图物理层数据链路层网络层传送层会话层表示层应用层中继系统（中间系统）端系统端系统网络层网络层数据链路层物理层物理层数据链路层物理层数据链路层网络层传送层会话层表示层应用层LanMan2017YKWeiUESTC3.2.2七层模型端系统：ESEndSystem端系统是信息转移的终端－信源或信宿典型的端系统是联网的计算机中继系统：RS、ISRelaySystem、IntermediateSystems中继系统是信息转移途中的转发设施典型的中继系统是交换机和路由器LanMan2017YKWeiUESTC3.2.2七层模型：虚拟通信物理介质应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层物理介质运输层协议会话层协议表示层协议应用层协议端系统A端系统BLanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务与协议(N)服务(N)实体向(N+1)实体提供(N)实体间通信的能力对等(N+1)实体间的通信只能通过相邻的对等(N)实体完成相邻层的直接通信(N)实体向(N+1)实体提供服务(N+1)实体使用且只使用(N)实体提供的服务服务在SAP上、通过原语交互提供(N)协议对等实体执行(N)功能的应答一组规则（语义）和格式（语法）LanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务与协议服务/协议的协同作用(N)实体使用(N-1)服务，执行(N)协议，对(N+1)实体提供增强的服务物理通信(N+1)实体与(N)实体通过SAP直接通信，逐次递推在物理介质进行数据传输，形成OSI的物理通信虚拟通信(N)实体之间的协议交换(N-1)实体提供服务但屏蔽了内部细节(N+1)实体可以认为是(N)对等实体之间的虚拟通信LanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务与协议：图示系统A系统B(N-1)层第1层(N)层(N+1)层物理介质(N-1)层第1层(N)层(N+1)层物理通信虚拟通信(N)协议(N)服务LanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务与协议服务访问点SAP在(N)层和(N+1)层交界的边界上设置许多(N)SAP(N+1)实体和(N)实体通过(N)SAP请求和提供服务每个SAP使用不同的地址作为唯一标志一个SAP同时只能连接一对实体(N)层(N-1)层系统A系统BLanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务与协议服务类型连接模式（CM）：提供可靠服务Connection-Mode相当文献称为“面向连接”（CO）的服务无连接模式（CL）：提供快捷服务，但不够可靠Connectionless-Mode服务原语ServicePrimitive服务通过原语交互实现实体在SAP上发送/接收服务原语原语类型四种基本原语类型：请求/指示/响应/证实Request/indication/response/confirmLanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务原语交互：证实型证实型服务使用全部4个原语(N+1)实体请求服务证实服务已经提供典型应用：建立连接(N)-Connectionrequest(N)-Connectionindication(N)-Connectionresponse(N)-Connectionconfirm(N)ServiceUser(N)ServiceUserrequestindicationresponseconfirm(N)ServiceProviderConfirmedServiceLanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务原语交互：非证实型非证实型服务使用2个原语(N+1)实体请求服务不能证实服务已提供典型应用：交换数据(N)-DATArequest(N)-DATAindication(N)ServiceUser(N)ServiceUserrequestindication(N)ServiceProviderNonconfirmedServiceLanMan2017YKWeiUESTC3.2.3协议交换：带确认确认型协议发出1个请求PDU等待接收确认PDU典型应用：建立连接CR(N)PDUCC(N)PDU(N+1)Layer(N+1)LayerCR(N)PDU(N)LayerCC(N)PDULanMan2017YKWeiUESTC3.2.3协议交换：无确认无确认协议发出1个请求PDU不等待确认PDU典型应用常规数据传送DT(N)PDU(N+1)Layer(N+1)LayerDT(N)PDU(N)LayerLanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务与协议：图例1证实型服务使用带确认协议(N)-DATArequest(N)-DATA

indication(N)-DATA

response(N)-DATA

confirm(N)ServiceUser(N)ServiceProvider(N)ServiceUserDataTransferDT

(N)PDUAK

(N)PDUDJ(N)PDULanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务与协议：图例2非证实型服务使用无确认协议(N)-DATArequest(N)-DATA

indication(N)ServiceUser(N)ServiceProvider(N)ServiceUserDataTransferDT

(N)PDULanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务与协议：图例3非证实型服务使用带确认协议注意：(N+1)(N)层间接口本地DU交换未列出(N)-DATArequest(N)-DATA

indication(N)ServiceUser(N)ServiceProvider(N)ServiceUserDataTransferDT

(N)PDUAK

(N)PDUDJ(N)PDULanMan2017YKWeiUESTC3.2.3服务交互与协议交换(N) 服务通过(N)协议实现服务与协议密切相关通常证实型服务使用带确认协议非证实型服务使用无确认协议特定情况时，不一定如此今后举例(N)SU(N)SU(N)Connectionrequest(N)SPService&ProtocolCR(N)PDUCC(N)PDU(N)Connectionindication(N)ConnectionComfirm(N)ConnectionresponseLanMan2017YKWeiUESTC3.2.4数据单元数据单元实体之间信息传送的基本形式基于分组（packetbased）的通信已是大势所趋IEEE802-2001、ITU-TY.2001，等等数据单元的基本类型协议数据单元PDU：用于对等实体之间的协议交互服务数据单元SDU：用于相邻实体之间的原语交互接口数据单元新版标准（ISO7498.1-1994）中已经取消IDU：只有本地含义是系统内部无需开放的部分OSI只关注系统之间相互开放的部分LanMan2017YKWeiUESTC3.2.4数据单元服务数据单元：(N)SDU最简单时就是：(N+1)PDU协议数据单元：(N)PDU最简单时就是：(N)PCI+(N)SDU(N+1)-PDU(N)-SDU(N)-UD(N)-PCI(N)-PDUN协议控制信息＋N用户数据＝N协议数据单元LanMan2017YKWeiUESTC3.2.4数据单元数据单元之间的关系：最简关系(N-1)-SDU=(N)-PDU(N-1)-PDU=(N-1)-PCI+(N-1)-SDU最简关系体现了逐层加封的概念(N)层(N)-PDU(N-1)-PCI(N-1)-SDU(N-1)层(N-1)-PDULanMan2017YKWeiUESTC3.2.4数据单元数据单元之间的关系分段/合段segmenting/reassemblingIEEE802.11中使用了此概念合块/拆块（分块）blocking/deblockingIEEE802.11n中使用了此概念拼接/拆拼（分割）concatenation/separationIEEE802.11n中使用了此概念LanMan2017YKWeiUESTC3.2.4数据单元分段(N)-PDU=(N)-PCI+1/m(N)-SDU即：(N)-UD=1/m(N)SDU合块(N)-PDU=(N)-PCI+m(N)-SDU即：(N)-UD=m(N)-SDU802.11n中称为：aggregateSDU拼接(N-1)-SDU=(N)-PDU1+…+(N)-PDUm802.11n中称为：aggregatePDULanMan2017YKWeiUESTC3.2.4数据单元合块与拼接的差别处理对象合块：仅能合并SDU拼接：可拼各类PDU，包括SDU、ACK、M-PDU处理结果合块：形成一个PDU受损、确认均针对这个PDU整体拼接：仍然是多个PDU仅仅是连发（burst）而已受损、确认均针对连发中的每一个PDULanMan2017YKWeiUESTC3.2.5逐层封装数据单元的封装与拆封源于：层次模型与数据单元的结合逐层加封数据沿物理通信的方向逐层向下传递并逐层加封头部，直到通过物理介质传输到对端系统逐层拆封则反之实通信逐层加封与逐层拆封的机制虚拟通信各层交换的PDUOSI协议族的逐层封装如下图所示LanMan2017YKWeiUESTC3.2.5逐层封装：图APSTNDLPhDL-PDUNHT-PDUTHS-PDUAPSTNDLPhESESDLHN-PDUSHP-PDUPHA-PDUAHUDPhHLanMan2017YKWeiUESTC3.2.6小结服务与协议OSI模型最基本的概念服务：相邻层实体之间，原语交互，SDU传递协议：对等实体之间，PDU交换定义服务、区分服务与协议：越来越重要服务访问点与服务访问点地址服务是在服务访问点（SAP）上通过原语交互实现的服务访问点用服务访问点地址（SAP地址）标识为某些重要的用户固定分配的保留地址是“众所周知”的使用特定的SAP地址来标识特定的服务用户是经常使用的有效机制SDU与PDUSDU用于相邻层实体之间的服务交互PDU用于对等实体之间的协议交互OSI的物理通信：相邻层实体间的SDU逐层递交形成的OSI的虚拟通信：对等实体使用下层服务构成的PDU逻辑交互而形成LanMan2017YKWeiUESTC3.3 802协议体系结构3.3.1802标准族3.3.2802参考模型3.3.3802实现模型3.3.4802中的端系统与中继系统LanMan2017YKWeiUESTC3.3.1802协议族802标准族802标准定义了多种LAN/MAN的特定标准每一种具体的标准通常有各自特定的MAC和PHY层802标准定义了一个通用的LLC子层，和可选的桥接子层LanMan2017YKWeiUESTCLanMan2017YKWeiUESTC3.3.2802参考模型802参考模型：802/RMReferenceModel，RM缩写：IEEE802LAN&MAN/RMIEEE802委员会提出、802标准的参考模型802/RM表达了局域网协议体系结构在局域网领域得到广泛接受数据链路层LLCMAC物理层Ph物理介质PhSAPMSAPLSAPLanMan2017YKWeiUESTC3.3.2802参考模型模型只对应了OSI/RM的最低两层DL层与Ph层模型划分DL层LLC子层、MAC子层模型未对Ph层进行划分模型定义了各层的服务访问点但未得到广泛的应用模型包括了传输介质LanMan2017YKWeiUESTC3.3.2802参考模型802参考模型只对应了OSI模型的最低两层OSI高层：L4～L7，面向端系统、面向应用OSI低层：L1～L3，面向中继系统、面向网络L3：独立于网络的物理结构TCP/IP是最著名的独立于物理网络的协议定义一个IP逻辑网络而不具体涉及具体的物理网络L1～L2则与物理网络相关例如局域网、城域网与广域网802参考模型只包括DL层与Ph层，是合理的802协议标准系列是多种物理网络的规范LanMan2017YKWeiUESTC3.3.2802参考模型802参考模型划分L2：LLC子层、MAC子层逻辑链路控制子层：LogicalLinkControl，LLC与具体的局域网技术无关介质访问控制子层：mediumaccesscontrol，MAC与具体的局域网技术相关单一的LLC协议为所有的802网络共用为所有的高层协议提供一致的服务访问点多种MAC协议可更好的适应不同的局域网技术可以适应各种不同的介质访问技术这种设置的初衷似乎不错，但后来的发展未能如愿LanMan2017YKWeiUESTC3.3.2802参考模型参考模型未对Ph层进行子层划分Ph层过于复杂，无法恰当地归入一个模型将Ph层的子层划分放入了802实现模型参考模型定义了各层的服务访问点物理服务访问点：PhSAPMAC服务访问点：MSAP链路服务访问点：LSAP参考模型包括了对传输介质的讨论OSI模型：通常不予以讨论传输介质不属于七层模型的一部分模型起源于广域网，并不直接面对物理介质局域网标准直接规范物理介质上的比特传输在802参考模型中应当包括对传输介质LanMan2017YKWeiUESTC3.3.3802实现模型802实现模型：802/IMImplementationModel，IM指导实现的功能性模型定义在各个802MAC的技术规范标准中802/IM是指导实现的逻辑模型而非实现的规定802/IM并无一个得到广泛承认的统一模型典型的最简模型：802.12中的实现模型LanMan2017YKWeiUESTC3.3.3802.3的实现模型IEEE802.3标准中的实现模型摘自fig2-1/802.3LanMan2017YKWeiUESTC3.3.3802实现模型：图802实现模型特别细化了物理层的划分DLPHY高层MIIMDImediumLLCMACPMIPMDLanMan2017YKWeiUESTC3.3.4802中的端系统与中继系统端系统与中继系统OSI模型中称为：ES、RS/ISLAN/MAN模型：应当注意区分802模型中称为端站（Station）网桥（Bridge）或交换机（Switch）TCP/IP中的习惯称呼主机（Host），简写为H路由器（Router），以简写为RLanMan2017YKWeiUESTC3.2.4802端系统参考模型802网络端系统参考模型摘自：Fig1-IEEEstd802LanMan2017YKWeiUESTC3.2.4802中继系统参考模型802网络中继系统（桥）参考模型摘自：Fig4-IEEEstd802LanMan2017YKWeiUESTC3.4LLC层概要3.4.1基本概念3.4.2基本服务3.4.3LLCPDU3.4.4LLC地址LanMan2017YKWeiUESTC3.4.1基本概念LLC提供一般DL层的功能两个站点间DL_PDU的传送802标准中的LLC由HDLC演变而来LLC的特定功能支持共享介质上的多路访问提供组播/广播功能一般性服务的特定实现LLC试图提供一致的服务支持为多种MAC协议，统一向上接口当前，正在演变、简化到一致的以太型接口LanMan2017YKWeiUESTC3.4.2基本服务LLC提供的基本服务无确认无连接模式服务Unacknowledgedconnectionless-modeservices连接模式服务Connection-modeservices有确认无连接模式服务Acknowledgedconnectionless-modeservicesOSI定义的其他服务多路复用：提供。为什么？多个用户是谁？组播/广播：提供。必须利用共享信道？分段/拼装、检错：未提供。可以减少复杂性LanMan2017YKWeiUESTC3.4.3LLCPDULLCPDU逐层封装、PCI、地址。见图3.4用户数据LLC头含LLC地址（宿，目的）LLCPDULanMan2017YKWeiUESTC3.4.4LLC地址LLC地址LLC的每一个SAP都有自己的LSAP地址LLC/SAP地址简称LLC地址LLC地址标识一个LLC用户LLC用户LLC用户通常是N层的一个实体N层的多个用户：通常是多种网络层协议LLC用户通常不是应用层协议！举例：Assignednumbers摘自RFC1700LanMan2017YKWeiUESTC3.4.4LLC地址举例LSAP分配：RFC1700LSAP 说明 备注00000000 NullLSAP IEEE01000000 IndivLLCSublayerMgt IEEE11000000 GroupLLCSublayerMgt IEEE00100000 SNAPathControl IEEE01100000 Reserved(DODIP) RFC768/JBP01110000 PROWAY-LAN IEEE01110010 EIA-RS511 IEEE01111010 SIIP JBP01110001 PROWAY-LAN IEEE01010101 SNAP IEEE01111111 SOCLNSIS8473 RFC926/JXJ11111111 GlobalDSAP IEEESNAP：SubnetworkAccessProtocolLanMan2017YKWeiUESTC3.5 MAC子层概要3.5.1概述3.5.2MAC技术3.5.3MAC地址基础3.5.4MAC地址认识LanMan2017YKWeiUESTC3.5.1概述早期：MAC协议是必要的局域网大都使用共享信道必须提供对传输介质进行访问控制的机制目前高性能局域网正在使用独享信道高性能局域网标准中MAC协议名存实亡以太网的CSMA/CD在点对点电路中并不使用万兆位以太网已经不支持共享信道MAC协议仍然是重要的研究课题在新的接入技术中使用是论文的重要题材LanMan2017YKWeiUESTC3.5.2MAC技术MAC协议要素Where：在哪里控制集中式控制与分布式控制目前多使用分布式仲裁机制How：如何控制静态分配与动态分配典型机制轮转、预约、竞争LanMan2017YKWeiUESTC3.5.2典型MAC技术－轮转时间片轮转各站点轮流得到传输时间片使用时间片长度受限，当然可以不用仲裁：集中、分布皆可优点各站点普遍需要发送数据重载性能好典型实例集中式：轮询分布式：令牌环LanMan2017YKWeiUESTC3.5.2典型MAC技术－争用争用技术基本特点各站点竞争成功立即使用仲裁：通常是分布式仲裁优点轻载网络时延短典型实例是局域网最常用的MAC机制CSMA系列LanMan2017YKWeiUESTC3.5.2典型MAC技术－预约预约技术的基本特点各站点预约成功后方可传输数据仲裁：集中、分布皆可优点适应长时延信道典型实例预约ALOHA：用于卫星信道LanMan2017YKWeiUESTC3.5.2介质访问控制技术MAC帧通用格式MACControlDestinationMACAddressSourceMACAddressLLCPDUCRCLanMan2017YKWeiUESTC3.5.3MAC地址－基本含义MAC地址一般使用站点接口的物理地址网络接口：硬件地址、网卡地址是LAN站点间识别的唯一标识在一个LAN中地址唯一，只在一个物理网中使用地址长度：通常采用48位地址标准定义了16位、48位两种地址地址分类按管理策略分类：全局地址和局部地址（本地地址）按通信对象分类：广播、组播和单播地址LanMan2017YKWeiUESTC3.5.3MAC地址－表示法802标准中的传送顺序高八位组先传、低八位组后传每八位组中，低位先传、高bit位后传MAC地址示例001101010111101100010010000000000000000000000001MAC地址表示法十六进制表示法：Hexdecimalrepresentation

AC-DE-48-00-00-80

比特反转表示法：Bit-reversedrepresentation

35:7B:12:00:00:01高八位组低八位组线路上:高八位组先，低八位组后低位高位50-46-5D-90-D4-BELanMan2017YKWeiUESTC3.5.3MAC地址－单播/组播/广播单播地址（Uncast)表示一个站的唯一地址组播地址（mulitcast)表示一组站的地址广播地址(boardcast)LAN所有站的地址48位全1FF-FF-FF-FF-FF-FF单播为0组播为1高6位判断单播地址还是组播地址：01-80-C2-00-00-0050-46-5D-90-D4-BELanMan2017YKWeiUESTC3.5.4MAC地址认识认识MAC地址的两个深入问题MAC地址的含义与OSI地址一致吗？MAC地址究竟是物理地址还是逻辑地址？LanMan2017YKWeiUESTC3.5.4MAC地址认识OSI模型中的地址定义(N)服务访问点地址用以标识(N)服务访问点的标识符(N)地址(N)服务访问点地址的简称从OSI定义可以推论：LLC地址是LSAP地址，用以标识LLC用户、即N层实体MAC地址是MSAP地址，用以标识MAC用户、即LLC实体Ph地址是PhSAP地址，用以标识物理层用户、即MAC实体通常，在局域网中物理地址是识别传输双方的硬件地址LanMan2017YKWeiUESTC3.5.4MAC地址认识MAC地址概念MAC地址标识一个站点到局域网的物理接口对比OSI定义：MAC地址是MSAP地址，用以标识MAC用户、即LLC实体MAC地址认识802标准中，MAC层未定义复用功能SAP只有一个，不需要使用地址来标识MSAP点MAC帧中，使用MAC地址标识MAC实体这是早期讨论MAC算法文献中的惯例通常，都使用网卡中的物理地址LanMan2017YKWeiUESTC3.5.4MAC地址认识MAC地址：物理地址还是逻辑地址？MAC地址本质上是逻辑地址MAC地址在MAC软件中，是逻辑地址MAC算法用以标识MAC实体MAC地址的初始值，缺省是物理地址值注意：网络接口地址是物理地址是存放在网卡中的硬件地址，用以标识物理实体MAC地址可以改变而物理地址很难改变黑客和病毒就经常改变MAC地址LanMan2017YKWeiUESTC3.6 物理层概要LAN标准中的物理层OSI物理层通常不包括传输介质然而802模型的物理层包括传输介质的使用规范介质的使用在LAN标准中十分重要LAN技术强烈地依赖于传输介质LAN直接在传输介质上传输位，这是LAN与WAN的区别LAN性能的提升强烈依赖于在介质上的传输技术更新802模型的物理层功能调制解调、高效编解码位同步与位传输LanMan2017YKWeiUESTC3.6 物理层概要几个基本概念比特（bit）：binarydigit，二进制位数字通信均为二进制，所以比特也是数据基本单位符号（symbol）、码元（codeelement）码元有多种进制数据率：bit/s、b/s、bps，（单位）波特（baud）率：Bd，symbol/s，（单位）位传输率、比特率、位元率：bps、bit/s码元率、波特率、符号率：baud、BdLanMan2017YKWeiUESTC3.6 物理层概要编码率（编码效率）：encodingrate定义：比特率/波特率最简单时为1FSK：一个符号承载一个位元可以低于1曼彻斯特编码：两个符号承载一个位元可以高于14PSK：一个符号承载两个位元QAM256：一个符号承载8个位元LanMan2017YKWeiUESTC3.6 物理层概要物理层的详细内容十分复杂本课程不作深入讨论在具体章节中分别有进一步内容以太网无线局域网LanMan2017YKWeiUESTC3.7 802标准体系的演变3.7.1LLC的中心地位3.7.2LLC中心地位的弊端3.7.3802系统体系的演进LanMan2017YKWeiUESTC3.7.1LLC的中心地位LLC设立的初衷多个MAC层标