中南大学网络技术与应用课件第3章计算机网络体系结构与协议

OSI将整个通信功能划分为七个层次，划分层次的原则是：I．网中各结点都有相同的层次II．不同结点的同等层具有相同的功能III．同一结点内相邻层之间通过接口通信IV．每一层使用高层提供的服务，并向其下层提供服务A）I、II与IVB）I、II与IIIC）II、III与IVD）I、III与IVOSI将整个通信功能划分为七个层次，划分层次的原则是：1第3章

网络体系结构与协议第3章

网络体系结构与协议3.3物理层的功能和特性3.3.1物理层功能物理层定义实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。DTE——数据终端设备,用于处理用户数据的设备。如计算机、路由器。DCE——数据通信设备,用于把DTE发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式。如MODEM。3.3物理层的功能和特性3.3.1物理层功能32.物理层向数据链路层提供的服务(1)建立、维持和释放物理连接(2)物理服务数据单元(3)通报故障与差错物理层要解决的主要问题（1）数据信号传输（2）接口设计（3）实现位操作（4）信号传输规程2.物理层向数据链路层提供的服务43.3.2物理层特性（1）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、固定和锁定装置等等。（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。（3）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。（4）规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

3.3.2物理层特性（1）机械特性：指明接口所用接线器53.3.3常用物理层标准1.EIA-232-DRS-232-C标准（协议）的全称是EIA-RS-232-C标准RS-232-C标准广泛应用于30m内的计算系统间的信息传送，以及用作计算机通信中数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DEC）之间的物理接口。DTE通过DCE连接到通信传输线路3.3.3常用物理层标准1.EIA-232-D63.4数据链路层在相邻节点之间建立链路，传送以帧(Frame)为单位的数据信息，并且对传输中可能出现的差错进行检错和纠错，向网络层提供无差错的透明传输。数据链路层是将一条原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路；3.4.1数据链路层的基本概念线路—链路物理线路—数据链路3.4数据链路层在相邻节点之间建立链路，传送以帧(Fr7链路管理帧同步流量控制差错控制帧的透明传输寻址

数据链路层协议—为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。链路管理8停止等待协议（stopandwait）是最基本的数据链路层协议。3.4.2停止等待协议停止等待协议（stopandwait）是最基本的数据链路9实用的停止等待协议1、实用的停止等待协议需解决两个问题：数据传送的差错控制数据传送的流量控制2、解决办法接收方收到正确数据，向发送方发送ACK帧接收方发现循环冗余检验出错，向发送方发送NCK帧，并由发送方重发。用超时记时器设置重传时间tout采用发送序号处理重复帧。实用的停止等待协议1、实用的停止等待协议需解决两个问题：103.4.3连续ARQ协议接收方从出错帧起丢弃所有后继帧；发送方仃止数据帧的发送，并从出错帧开始重发N个帧。对于出错率较高的信道，浪费带宽。3.4.3连续ARQ协议接收方从出错帧起丢弃所有后继帧；113.4.4面向比特的HDLC面向字符型数据链路层协议的缺点：报文格式不一样；传输透明性不好；等待发送方式，传输效率低。面向比特型协议的设计目标：以比特作为传输控制信息的基本单元；数据帧与控制帧格式相同；传输透明性好；连续发送，传输效率高。3.4.4面向比特的HDLC面向字符型数据链路层协议12HDLC的帧结构

F（flag）：固定格式—01111110

作用—帧同步(从收到的比特流中正确判断出一个帧的开始和结束的位置) 何谓传输数据的透明性? 实现透明传输办法:零比特插入与删除 A（address）：地址.首位为0:8位,1:16位.C（control）：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息I（information）：网络层数据，Nmax=256BFCS:采用CRC（checksum）：校验A、C、I字段的数据

G(X)=X16+X12+X5+1HDLC的帧结构13零比特填充零比特填充14帧类型及控制字段的意义帧类型及控制字段的意义153.4.5点对点协议PPPPoint-to-PointProtocolPPP协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面向比特型协议,可以支持IP协议及其他一些网络层协议（例如IPX协议）；PPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器─路由器之间的专用线上广泛应用;PPP协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用的协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分。3.4.5点对点协议PPPPoint-to-Point16PPP信息帧格式标志（flag）：01111110地址（address）：值为“FF”（11111111），表示网中所有的站都接收该帧控制（control）：值为“03”（00000011）协议（protocol）：长度为2字节，它标识出网络层协议数据域的类型。常用的网络层协议的类型主要有：0021H—TCP/IP0023H—OSI0027H—DEC数据字段：长度可变PPP信息帧格式标志（flag）：01111110173.5 网络层协议通信子网的最高层；位于数据链路层和传输层之间，使用数据链路层提供的服务，为传输层提供服务；处理端到端传输的最低层。网络层的作用屏蔽各种不同类型网络之间的差异，实现互连了解通信子网的拓扑结构，选择路由，实现报文的网络传输网络层提供的服务面向连接的服务无连接的服务。3.5 网络层协议通信子网的最高层；183.5.3路由算法在通信子网内部，分组从一个网络节点转移到另外一个网络节点，直至到达目的用户所连接的网络节点，分组在其中的转发过程成为路由选择转发过程。路由算法的目的是找到一条从源到目的地的一条“最好”路径。花费可能是距离、信道带宽、平均通信量、通信开销、队列平均长度、测量到的时延和其它一些因素的综合。路由算法应具有的特性正确性（correctness）简单性（simplicity），减小路由算法的复杂度以及系路由系统的开销健壮性（robustness），能够适应网络结构的变化，保证路由选择的有效性稳定性（stability），能够适度反映网络的变化，不会因为网络结构的变化而导致动荡的路由选择。公平性（fairness），找到一种合适的网络路由选择策略最优性（optimality）高效性（efficiency），能够充分利用网络链路资源，减少分组在通信子网中的传递时间3.5.3路由算法在通信子网内部，分组从一个网络节点转移19静态路由算法：预先计算好路由表，下载到路由器中，此后不再改变；算法简单，适应性差。洪泛算法固定路由算法：在网络中每个节点中都存放一张事先确定好的路由表。静态路由算法：预先计算好路由表，下载到路由器中，此后不再改变20动态路由算法：根据网络当前的拓扑结构和流量特点计算路由表；适应性强，算法复杂，实现难度大。距离向量路由算法让每个路由器维护一张表，表中给出了到每个目的地已知的最佳距离和路线，通过与相邻路由器来更新表的信息。链路状态路由算法将自己对邻居的认识洪泛给全网动态路由算法：根据网络当前的拓扑结构和流量特点计算路由表；适213.5.4 流量控制与死锁拥塞控制（congestioncontrol）需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是一个全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素；流量控制（flowcontrol）与点到点的通信量有关，主要解决快速发送方与慢速接收方的问题，是局部问题，一般都是基于反馈进行控制的。3.5.4 流量控制与死锁拥塞控制（congestionc222.流量控制的实现开环控制拥塞预防策略：数据链路层、网络层、传输层都策略可以进行预防通信量整形强迫分组以某种可以预见的速率传送。漏桶和令牌桶均可实现通信量整形。流说明闭环控制虚电路网络中的拥塞控制许可控制、绕开拥塞、资源预留抑制分组：向源主机发送抑制分组。为了公平，可以采用加权公平算法(字节轮巡)。为了得到快速的抑制效果，可采用Hop-by-Hop抑制分组，抑制分组对其所经过的路由器都起作用。负载丢弃：对不同服务采用不同的丢弃策略。2.流量控制的实现开环控制233.6运输层协议运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层物理层网络层运输层应用层数据链路层面向信息处理面向通信用户功能网络功能3.6运输层协议运输层向它上面的应用层提供通信服务，它属24运输层的主要功能运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）54321运输层提供应用进程间的逻辑通信应用进程应用进程IP层AP1AP2AP4端口端口54321AP3复用分用运输层的主要功能运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（25两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作传输协议数据单元TPDU(TransportProtocolDataUnit)TCP传送的数据单位协议是TCP报文段(segment)UDP传送的数据单位协议是UDP报文或用户数据报

两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作传输协议数据单元26端口的概念在Internet中，传输层服务访问点TSAP为端口（IPaddress,localport）端口的作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给运输层，以及让运输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程从这个意义上讲，端口号（portnumber）是用来标志应用层的进程的进程地址，端口用一个16bit端口号进行标志端口的概念在Internet中，传输层服务访问点TSAP为27ACBIP=3

端口1500端口1501IP=2端口1500IP=5端口25连接1连接2连接3为了在通信时不至于发生混乱，必须把端口号和主机的IP地址结合在一起使用ACBIP=3端口端口IP=128.36283.6.2用户数据报协议UDPUDP只在IP的数据报服务之上增加了端口的功能和差错检测的功能UDP的特点：无需建立连接，提供有限的差错检验功能；无拥塞控制，只提供不可靠的交付，但UDP的主机不需要维持复杂的连接状态表UDP用户数据报只有8个字节的首部开销网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的

//IP电话、实时视频会议设计比较简单的UDP协议的目的是希望以最小的开销来达到网络环境中的进程通信目的；使用条件：进程发送的报文较短，同时对报文的可靠性要求不高，那么可以使用UDP协议3.6.2用户数据报协议UDPUDP只在IP的数29UDP用户数据报的首部格式

伪首部源端口目的端口长度检验和数据首部UDP长度源IP地址目的IP地址017IP数据报字节44112122222字节发送在前数据首部UDP用户数据报UDP用户数据报的首部格式伪首部源端口目的端口长度检303.6.3传输控制协议TCP面向连接的、可靠的、端到端的、基于字节流的传输协议；TCP将所要传送的报文看成是字节组成的数据流，并使每一个字节对应于一个序号传输实体之间使用段(segment)（TPDU）交换数据；TCP每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认，就要重传这一报文段3.6.3传输控制协议TCP面向连接的、可靠的、端到端31TCP首部20字节的固定首部目的端口数据偏移检验和选项（长度可变）源端口序号紧急指针窗口确认号保留FIN32bitSYN