第三章网络体系结构

第三章网络体系结构第一页，共56页。学习目标了解计算机网络开放系统互联/参考模型（OSI/RM）7层协议结构；弄清层与层之间的关系，包括相邻层、对等层之间的关系，层间通信等；了解各层的主要功能和提供的服务，以及实现这些功能和服务各层所采用的技术。了解其他著名网络体系结构2023/4/192第二页，共56页。3.1OSI参考模型什么是OSI？概述：国际标准化组织的简称，该组织成立于1947年4月，其成员为各国在标准化方面最有代表性的团体，是国际上最大的标准化机构之一。成立目的：促使标准化工作的进展，方便国际物资交流和互助。OSI/RM：开放系统互联/参考模型定义：由OSI提出的计算机网络体系结构的参考模型，该模型定义和描述了一组用于计算机及其通信设施之间互联的规范和标准。作用：规范不同公司开发的网络产品，提高产品的兼容性和互操作性。优点：用户能够根据性价比灵活选择不同厂商的设备；厂家可获得更广阔的市场空间。2023/4/193第三页，共56页。3.1OSI参考模型OSI/RM的确立目标：支持异种计算机之间的互连和通信支持多种通信介质（不同的通信规程、线制和通信要求）支持多种业务处理（交互式分时处理、远程批处理、联机处理）支持高级的人机界面（图形用户界面、文字处理、语音识别等）具有可扩充能力（扩充的应用要求、新工艺、新技术等）目前OSI模型的推广不如人意标准化组织仅提供了标准，厂家才是具体实施者各厂家更希望标准也能适用于自己的早期产品，导致分歧巨大标准的要求覆盖到各个方面，厂家从自身利益出发仅实现了部分标准标准推出前已有得到认可的工业标准2023/4/194第四页，共56页。3.1OSI参考模型实际的使用标准是：TCP/IP协议族TCP/IP协议族为四层协议，是七层OSI协议的简化版2023/4/195第五页，共56页。3.2OSI参考模型的设计原理分解（计算机网络是分层的体系结构）分层的必要性协议设计的复杂性关于协议的举例：蓝军白军对战网络构成的复杂性不同的网路结构不同的网络设备不同的应用程序……如何为这样一个复杂的体系结构设计行为规范呢？答案是：分层

即：将大问题划分为无数个简单的小问题2023/4/196第六页，共56页。分层的网络体系结构邮政系统分层模型用户（写信人）用户间的约定用户（收信人）用户子系统用户/邮局约定邮局邮局之间的约定邮局邮政子系统邮局/运输部门约定运输部门运输部门之间的约定运输部门运输子系统甲地实际运输乙地分层:每层实现一个服务通过它自己本层的具体实现仅依赖于下层提供的服务2023/4/197第七页，共56页。分层的网络体系结构分层的好处（原则）：各层之间是独立的某一层不需要知道下一层的服务方式，只需要知道它提供什么服务。灵活性好任何一层变化时，只要层间接口关系不变，则其他层均不受影响。结构上可分割开各层都可以采用最合适的技术来实现基于分层原则的OSI/RM特点：互连的系统必须具有相同的层次结构只有相同层次的实体才能进行有意义的通信，并且只能借助于下层的服务来实现2023/4/198第八页，共56页。OSI的层次七层OSI协议物理层：确定物理设备结构，提供“点—点”的比特流传输的物理链路数据链路层：利用差错处理技术，提供“点—点”的可靠传输的数据链路网络层：利用路由技术，实现用户数据的“端—端、网—网”传输运输层：屏蔽子网、用户要求和网络服务间的差异。即实现“进程—进程”的传输会话层：提供控制会话和数据传输的手段表示层：解决异种系统之间的信息表示问题，屏蔽系统间在数据表示方面的差异应用层：利用下层服务，满足具体的应用需求2023/4/199第九页，共56页。OSI的层次OSI/RM与快递服务的类比物理层：交通工具（汽车、火车、飞机、轮船）数据链路层：司机（保证本段传输过程的安全性和可靠性）网络层：快递集散中心（接收、存储、转发包裹，具备指路功能）运输层：电商购物平台（完成不同买卖双方的信息沟通，确认传输方式）会话层、表示层、应用层：买卖双方在实际的TCP/IP协议中会话层、表示层、应用层直接划分为应用层，由应用程序借助指定协议(如HTTP、FTP等)内容完成这部分工作。2023/4/1910第十页，共56页。OSI参考模型示意图示例主机A与主机B通过7层协议实现网络互连主机A主机B网络互连拓扑图路由器A路由器B交换机网络A网络B2023/4/1911第十一页，共56页。OSI参考模型示意图协议模型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网络层数据链路层物理层主机A主机B中继系统数据链路层物理层进程到进程的传送点到点的传送网到网的传送2023/4/1912第十二页，共56页。报文数据段分组帧源主机applicationtransportnetworklinkphysicalHtHnHlMHtHnMHtMM目的主机applicationtransportnetworklinkphysicalHtHnHlMHtHnMHtMMnetworklinkphysicallinkphysicalHtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnMHtHnHlMHtHnHlM路由器交换机在五层协议模型中的数据传输2023/4/1913第十三页，共56页。3.3OSI层与层之间的通信OSI层的基本概念在OSI参考模型中，层是开放系统的逻辑划分，代表功能上相对独立的一个子系统。N层表示协议层次结构中的任一层；N+1层表示特定层次的上邻层；N-1层表示特定层次的下邻层。层中包含层功能和层服务层功能：本层具有的通信功能层服务：本层向上邻层提供的服务（N）服务=（N）功能+（N-1）服务2023/4/1914第十四页，共56页。3.3OSI层与层之间的通信OSI层间通信两类层间通信相邻层层间通信：独立系统内部的通信，特定N层次依赖于下邻N-1层服务实现N层功能，从而其上邻N+1层提供服务。对等层层间通信：不同开放系统间相同层之间的通信，从而实现数据的实际通信过程。就整体数据通信而言：相邻层之间的通信是手段，对等层之间的通信是目的2023/4/1915第十五页，共56页。3.3OSI层与层之间的通信数据的封装与分解（组包和拆包）N层封装好的数据包由N层的控制数据和N+1层的数据包构成。N+1层数据包被称为服务数据单元（SDU）N层的控制数据称为协议数据单元（PDU）由于每层都需要实现自身独立的功能内容，因此需要在数据中加入某些控制数据方便其他开发系统的对等层读取。例如：当你通过电商平台购物时，你的包裹会通过以下方式到达你的手中：商家从仓库按顾客要求的款式、数量取货并包装，包装中一般会附上清单或发票。发出地快递公司揽货，确认寄件人和收件人信息后再次包装商品并附上快递单。顾客收到商品，拆开快递包装及商品包装，根据商家清单及事先约定确认商品是否符合要求。所以有：(N)层SDU=(N)层PDU+(N+1)层SDU2023/4/1916第十六页，共56页。计算机

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2应用程序数据应用层首部H5101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链路层尾部数据封装过程2023/4/1917第十七页，共56页。计算机

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2101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应用程序数据数据拆解过程2023/4/1918第十八页，共56页。H3H4H5应用程序数据计算机

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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应用程序数据数据拆解过程2023/4/1919第十九页，共56页。H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据计算机

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2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层数据拆解过程2023/4/1920第二十页，共56页。H5应用程序数据H4H5应用程序数据计算机

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2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层数据拆解过程2023/4/1921第二十一页，共56页。应用程序数据H5应用程序数据计算机

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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数据拆解过程2023/4/1922第二十二页，共56页。计算机

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2我收到了

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发来的应用程序数据！数据拆解过程2023/4/1923第二十三页，共56页。OSI数据传输方式两种传输方式面向连接的传输：虚电路服务面向无连接的传输：数据报服务OSI参考模型的物理映射物理层、数据链路层、网络层：实现通信子网的服务，常见设备：传输介质（光纤、电缆、无线电波）、路由器、交换机会话层、表示层、应用层：直接面向用户，协助用户合理使用各类资源，利用下层协议实现数据传送，常见设备：终端运输层：屏蔽通信子网性能和用户对网络性能的需求差异，常见设备：终端2023/4/1924第二十四页，共56页。3.4物理层物理层的作用：物理层用于屏蔽各类通讯设备和传输媒体带来的传输差异，使链路层可以接收到等效的服务。物理层的服务：规定网络设备之间和物理接口的特征及通信规则接收链路层的数据帧，执行物理层协议：建立连接，按序传输比特流（维持），释放连接。2023/4/1925第二十五页，共56页。物理层协议机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序2023/4/1926第二十六页，共56页。物理设备之间的连接两类物理设备数据终端设备（DTE）：指希望通过网络互连的设备，即入网设备，包括计算机、手机等终端。数据电路终接设备（DCE）：指网络中的通信设备，即网内设备，包括调制解调器、交换机、路由器等。数据终端设备DTE数据电路终接设备2023/4/1927第二十七页，共56页。利用RS-232C接口实现的设备互连RS-232-C接口1973年由美国电子工业协会（EIA）提出的串行通信接口标准，用于数字设备间的数据传送。特性：机械特性：9针、15针、25针，两头使用螺栓固定电气特性：使用负逻辑，1为负电平、0为正电平功能特性：规定了每个针脚的作用过程特性：规定了如何协调使用各针脚的功能共同完成数据传输任务。15692023/4/1928第二十八页，共56页。利用RS-232C接口实现的设备互连RS-232-C接口9针脚功能说明DB-9插针功能说明标记1信号检测DCD2接收数据RD3发送数据SD4数据终端就绪DTR5信号地SG6数据传输设备就绪DSR7请求发送RTS8允许接收CTS9振铃提示RI2023/4/1929第二十九页，共56页。利用RS-232C接口实现的设备互连DTE-DCE(直线连接、标准接法)123456789DTE123456789DTE2023/4/1930第三十页，共56页。利用RS-232C接口实现的设备互连DTE-DTE(交叉线连接、非标准接法)123456789DTE123456789DTE2023/4/1931第三十一页，共56页。利用RS-232C接口实现的设备互连DTE-DTE(两终端间通过多台DCE连接)利用RS-232C接口的直连实现串口连接网线连接2023/4/1932第三十二页，共56页。补充RJ-45接口该接口通常用于数据传输，共有8个针脚，与4对双绞线项链，主要用于网卡、接线器接口和网线。就是俗称的水晶头。RJ-45接口8个针脚的功能特性针脚序号名称功能针脚序号名称功能1TX+发信号+5n/c空脚2TX-发信号-6RX-发信号-3RX+发信号+7n/c空脚4n/c空脚8n/c空脚2023/4/1933第三十三页，共56页。3.5数据链路层物理层的服务与缺陷服务：定义了接口规范，实现了物理设备间的比特流传输缺陷：传输出错，如比特错误、噪音干扰等。不同物理设备间信息处理速度的差异问题。如何完成用户间离散型的数据交换过程。数据链路层的功能提供差错控制：校验码提供流量控制：停等协议或滑动窗口协议提供数据链路：节点间的链路管理和数据成帧定义了终端的物理地址，即MAC地址关于数据链路层的具体问题，将在第四章局域网详细论述2023/4/1934第三十四页，共56页。3.6网络层概述：网络层的作用是在链路提供的点到点的服务基础上，实现数据的远距离传输即端到端服务（网络的一端到另一端的数据传输）。网络层的功能提供编址和路由技术利用多路复用/解复用技术，使得用户共享链路分组交换技术的主要实施者：提供分组和组装的功能网络层的协议X.25协议：基于虚电路的分组交换网络协议IP协议：基于数据报网络internet使用的网路层协议2023/4/1935第三十五页，共56页。3.6网络层网络层的核心网络地址在因特网的IP协议中，为保证连接到网络上的每台主机都具有访问和被访问的能力，网络中的设备都被分配了一个唯一的标识即网络地址（IP地址）IP地址与MAC地址：IP地址是动态地址，当设备连网时由网络服务提供商为其临时分配。MAC地址是固定地址，由生产厂家直接固化在网卡之上，不可改变。类比：IP地址相当于邮政地址MAC地址相当于身份证号码2023/4/1936第三十六页，共56页。3.6网络层网络层的核心：路由选择路由算法的图形抽象:节点是路由器边是物理链路链路代价:延迟,成本,或者拥塞程度目标:

确定从源到目的地经过网络的“好”路径(路由器顺序).路由协议AEDCBF2213112535“好”路径:典型表示－最小代价路径其他的可能2023/4/1937第三十七页，共56页。路由算法分类全局还是分散的信息?全局的:所有的路由器都有完整的拓扑、链路代价信息“链路状态”算法分散的:

路由器知道物理相连的邻居,到邻居的链路代价。邻居间反复进行计算处理，交换信息“距离向量”算法静态的还是动态的?静态的:

路由变化很慢动态的:

路由变化很快周期性更新响应链路代价的变化2023/4/1938第三十八页，共56页。3.7传输层概述OSI的低3层（物理层、数据链路层、网络层）主要面向数据通信，其构成的网络被称为通信子网。为降低网络构建的成本并提高灵活性。通信子网提供了无差别的简单通信服务，即数据报服务。网络用户的不同需求：有的用户要求高速传输有的用户要求低廉的网络使用费有的用户要求无差错的数据传输……以上这一切均交由端系统的运输层处理！2023/4/1939第三十九页，共56页。3.7运输层定义：运输层也称传输层，提供了不同主机上应用程序进程之间的端到端的逻辑通信。所谓的进程到进程通信，即发送端到接收端之间进程的通信。网络中：物理层：实际通信线路数据链路层：点到点的通信网络层：端到端通信（网络到网络）传输层：端到端通信快递系统：交通工具——物理层快递公司员工——数据链路层分拣中心——网络层用户——传输层2023/4/1940第四十页，共56页。运输层功能传输层利用以下几类技术手段满足用户的不同需求：分流/合流技术利用多条数据链路才支持一条运输连接上的数据传输，满足用户对高速传输的要求。复用/解复用技术将多个用户数据复用到同一条数据链路上传输，到达目的端时再利用解复用技术分发给不同接收方，以满足用户低成本传输的要求。拼接/分割技术将多个用户数据拼接为一个数据传输单元，在一条链路上传输。这同样用于满足用户低成本传输的要求。分段/合段技术将用户的超长数据切割为多个满足分组长度的数据包，然后独立发送，以保证用户的超长数据正常发送。2023/4/1941第四十一页，共56页。运输层功能差错检测和纠错技术基于端系统的差错检测和纠错技术，可保障用户对可靠传输的要求。流量控制技术利用端系统的流量控制系统（如滑动窗口协议）降低网络负载、消除拥塞和平衡数据交换双方在数据处理速度上的差异。传输层需向应用层提供可靠的通信服务，避免报文的出错、丢失、延迟时间紊乱、重复、乱序等现象Internet的运输层提供两类服务：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP服务内容包括：标识和维护传输连接（TCP）提供流量控制和常规数据/加速数据的传输（TCP）提供差错检测和纠错服务（TCP/UDP）针对用户要求，提供分流、复用等技术（TCP/UDP）2023/4/1942第四十二页，共56页。运输层服务面向连接的服务类似于电话通信建立逻辑上的通信链路连接三步骤建立连接、维持连接、结束连接优点：通过可靠传输机制保证报文传输的可靠性，报文不易丢失缺点：由于需要管理和维护连接，因此协议复杂，通信效率不高请注意：传输层的面向连接服务与网络层的虚电路服务不同，其连接信息仅在端系统中存在。第四十三页，共56页。运输层服务无连接服务无需事先建立连接各分组携带完整目的地址，独立转发分组的传递是失序的缺点：可靠性差，容易出现报文丢失现象优点：协议简单、通信效率高无连接服务实际上是网络层“尽最大努力交付”服务的进一步扩展第四十四页，共56页。运输层寻址——端口概述：传输层的地址、应用进程的地址是一个16位的正整数端口的作用：实现传输层的分用与复用一台主机上拥有多个进程，但仅有一个网卡发送数据时：多个进程的数据复用同一网卡接收数据时：同一网卡负责将其分发给不同进程网络层无差别的帮助不同应用程序发送和接收数据，而数据之间通过端口进行区别。请注意：传输层的端口是软件端口交换机、路由器上的硬件端口第四十五页，共56页。运输层寻址——端口多路分解与多路复用MSN5QQIEMSN300020004000QQ应用层传输层网络层多路分解与多路复用H1H2H3分组包含端口4000分组包含端口3000分组包含端口2000第四十六页，共56页。3.8会话层概述通过运输层的实现，网络向用户提供了非常完善的通信环境，因此会话层需考虑的问题是：通信双方如何进行数据与控制信息的交互。会话层功能：利用令牌技术保障数据交换、会话同步的有序性利用活动和同步技术保障用户数据的完整性利用分段和拼接技术来提高数据交换的效率利用重新同步技术来实现用户会话的延续性2023/4/1947第四十七页，共56页。3.8会话层会话层的技术会话会话指用户之间的信息交换过程，将用户之间的信息交换分成若干逻辑工作段或活动，活动内容具有相对的独立性和完整性。每个活动中均可包含一个或多个会话单元

如：请求连接、发送数据、确认接收、请求释放连接等同步技术同步是对会话层实体的一种控制方法，保证会话的时序性。同步技术将用户数据按逻辑语义切割，便于接收方对信息进行验证。此外利用同步技术在数据中形成多个恢复点，还可减少差错重传的数据量。2023/4/1948第四十八页，共56页。3.8会话层会话层的技术令牌技术利用该技术可在半双工工作方式下，通过数据令牌的申请和分配，保证用户信息交换的时序性协议执行流程：设置令牌在环网上旋转当某节点需要发送数据时，抓取令牌获得数据发送权限节点将令牌数据与要发送的数据结合并发送到接收端