网络体系结构培训教学

2023/12/29page1第三章网络体系结构§3.1网络体系结构§3.2开放系统互联参考模型§3.3OSI各层概述§3.4物理层§3.5数据链路层§3.6网络层§3.7传输层及高层协议§3.8其它网络系统结构2023/12/29page23.1网络体系结构

网络体系结构发展的背景——网络的状况多种通信媒介——有线、无线。不同种类的设备——通用、专用。不同的操作系统——Unix、Windows。不同的应用环境——固定、移动。不同种类业务——分时、交互、实时。用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏它们互相交织，形成了非常复杂的系统应用环境。2023/12/29page3

网络异质性问题的解决

网络体系结构就是使这些用不同媒介连接起来的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现互操作性，并满足各种业务的需求的一种粘合剂，它营造了一种“生存空间”——任何厂商的任何产品、以及任何技术只要遵守这个空间的行为规则，就能够在其中生存并发展。网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方法——把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。就像编程时把问题分解为很多小的模块来解决一样。2023/12/29page4

层次结构方法要解决的问题1.网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）2.各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务与层间接口，协议。2023/12/29page5

层次结构方法的优点把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于实现和维护定义并提供了具有兼容性的标准接口使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块独立性强——上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务—黑箱方法适应性强——只要服务和接口不变，层内实现方法可任意改变一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络，因此每个区域的网络可单独升级或改造2023/12/29page6

分层原则

层次结构虽然有它的优点，但是如果划分的不合理，反而会带来许多负面影响。通常要遵循如下一些通用的原则：1.层次的数量不能过多。真正需要的时候才划分一个层次，2.层次的数量也不能过少。层次的数量应该保证能够从逻辑上将功能分开，截然不同的功能最好不要合在同一层。3.类似的功能放在同一层。2023/12/29page7

分层原则4.在实现技术经常变化的地方增加层次。这看起来有些抽象，但是我们只要想一想为什么每家公司都要设置秘书这个职位就明白了。原因是两公司之间的通信手段经常变化，以前是信函、传真，后来出现了电子邮件，以后可能是视频电话或某些更先进的东西，这些当然聘请秘书做比较好一些，如果这些都由高级管理人员来做，表面上省了一个人的工资，实际上是分散了管理人员的大量精力，无法完成好本职工作。另外，如果以前的秘书不会用电子邮件，换一个也比较容易，但总不能因为一个经理不会用计算机就换掉他吧。5.层次边界要选得合理，使层次之间的信息流量最小。注意，这里不是要求数据流量小，而是指用于控制、交流的额外信息流量要尽量少。

划分层次的必要性计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(networkprotocol)，简称为协议。划分层次的概念举例计算机

1

向计算机

2

通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。两个计算机交换文件文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块再设计一个通信服务模块文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入模块文件传送模块计算机

1计算机

2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层的好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。层数多少要适当若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。2023/12/29page15网络体系结构的几个基本概念

协议：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定。协议代表着标准化，是进行交互的双方必须遵守的约定,实质上是实体间通信时所使用的一种语言。

(=语义+语法+规则)不同层具有各自不同的协议。语义：对构成协议的协议元素含义的解释，即“讲什么”语法：如何将若干个协议元素和数据组合在一起来表示一个更完整的内容，即“怎么讲”规则：它规定了事件的执行顺序, 如源站发送的数据报文 如果目标站收到的是正确的，就利用协议元素ACK 来回答对方，如果收到的是错误报文，就按照协议 用NAK协议元素回答。2023/12/29page16

实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。

对等层：两个不同系统的同名层次。

对等实体：位于不同系统的同名层次中的两个实体。

协议作用在对等实体之间。

接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的 操作及下层对上层的服务。

服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供 给其相邻上层。每一层都直接使用内层向他提供的服务，并完成其自身确定的功能，然后向外层提供“增值”后的更高级的服务。N层是N-1层的用户，又是N+1层的服务提供者。

2023/12/29page173.2开放系统互联参考模型（OSI/RM）OSI参考模型将网络的不同功能划分为7层应用层Application表示层Presentation会话层session传输层transport物理层Physical数据链路层DataLink网络层Network7654321处理网络应用数据表示主机间通信端到端的连接寻址和最短路径介质访问二进制传输关于开放系统互连参考模型

OSI/RM只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面OSI却失败了。OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。两种国际标准法律上的(dejure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。是非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。2023/12/29page20对等通信的实质

OSI参考模型禁止不同主机的对等层之间的直接通信。实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信。上层使用下层提供的服务——Serviceuser；下层向上层提供服务——Serviceprovider。以不同国籍的人进行信息交流为例。(见下页图)2023/12/29page21“你好”“Hello”传真中国教师翻译秘书“Hallo”“Hello”传真德国教师翻译秘书对交谈内容的共识用英语对话使用传真通信P3P2P1物理通信线路对等通信示例：中德教师之间的对话问题：中国教师与德国教师之间、翻译之间，他们是在直接通信吗？翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务？2023/12/29page221中国教师与德国教师之间只意识到他们在进行通信，这种通信能够进行的前提是他们对所交谈的内容有共同的认识，如果抽象地说就是他们遵循着共同的协议。他们交谈不是直接进行的，所以称为虚通信。这种虚通信是通过翻译提供的语言翻译及翻译间的交谈来实现的，抽象地说就是上一层的虚通信是通过下一层接口处提供的服务以及下一层的通信来实现的。2、翻译必须把交谈的内容翻译为共同懂得的第三国语言，这个第三国语言就是它们之间所要遵守的协议，他们之间也进行的是虚通信。这种虚通信是通过秘书提供的服务以及它们之间的通信来实现的。3、秘书按事先须订好的约定，用传真进行通信，这个约定就是他们之间的协议，他们之间仍进行的是虚通信。真正的实通信是电信号在物理通信线路上进行的。归纳：1、除了在物理通信线路上进行实通信，其它各对等层进行虚通信2、对等层的虚通信必须遵守该层的协议3、N层的虚通信是通过N-1层的服务以及N-1层的通信来实现的

2023/12/29page23P3P2P1

对等层通信的实质：

对等层实体之间虚拟通信下层向上层提供服务实际通信在最底层完成右图给出了对等层通信更一般的抽象。21321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1系统A系统B消息2023/12/29page24服务用户：(N)用户服务提供者：（N）服务SAPSAP(N)层(N+1)层服务用户：(N)用户服务访问点（ServiceAccessPoint)2023/12/29page25OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,ProtocolDataUnit)。而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层——数据段（Segment）网络层——分组（数据报）（Packet）数据链路层——数据帧（Frame）物理层——比特（Bit）2023/12/29page26

服务原语

当（N+1）实体向（N）实体请求服务时，服务用户与服务提供者之间要进行一些交互。OSI中规定了每一层均可使用的4个原语类型：Request请求原语（服务用户发往服务提供者，请求他完

成某项工作）

Indication指示原语（服务提供者发往服务用户，指示发生

了某些事情）Response响应原语（服务用户发往服务提供者，作为对

前面发生的指示的响应）Confirm证实原语（服务提供者发往服务用户，作为对

前面发生的请示的响应）2023/12/29page27RequestConfirmResponseIndication1432(N-1)层(N)层(N+1)层(N)实体(N)实体系统A系统B四类原语可用于不同的功能，例子：1、连接请求—呼叫方的服务用户请求建立一个连接2、连接指示–连接请求通过服务提供者的虚通信传到被叫对方后，服务提供者向被叫服务用户指示有建立连接的请求2023/12/29page283、连接响应—若被叫方的服务用户准备建立连接，则通过此原语告诉本服务提供者4、连接证实–呼叫方服务提供者通过虚通信得知被叫方同意建立连接后，通过此原语告诉呼叫方服务用户通过以上四步，建立了一条连接，从而可以传输数据5、数据请求–呼叫方服务用户通过此原语请求本方服务提供者将数据送给被叫方6、数据指示—被叫方服务提供者收到对方送来的数据后通知服务用户其中5，6可以反复进行7、断连请求—任何一方用户可通过此原语请求释放连接，由服务提供者传至对等方8、断连指示--对等方服务提供者通过此原语告诉本方服务用户释放连接2023/12/29page29从上例可看出：1、服务有证实的和非证实之分。连接服务是证实的服务，要使用请求、指示响应和证实四类原语；而数据传输和断连服务是非证实的，只使用请求和指示量类原语。2、证实的服务需在对等方间来回一次，花费较多的时间，但增加了可靠性。建立连接的服务通常都是证实的服务，被叫方既可以同意建立连接，也可以拒绝建立连接。计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。五层协议的体系结构TCP/IP是五层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合

OSI和

TCP/IP

的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层计算机

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！2023/12/29page52数据封装一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程成为封装。封装就是在数据前面加上特定的协议头部。数据协议头发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，还要写明用航空或挂号…数据2023/12/29page53OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成数据传输所需的控制信息，称为：PCI（ProtocolControlInformation)。这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。由此可知，在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包封了多层“信封”。但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。2023/12/29page54数据

段头数据

段头数据网络头帧头

段头数据网络头帧尾数据数据段数据包帧比特电脉冲011101000011000010100101111010110数据多层封装封装拆封PDUPCIPDU2023/12/29page55

TCP头应用层数据应用层数据

TCP头应用层数据IP头帧头

TCP头应用层数据IP头帧尾实际例子：TCP/IP协议的封装应用层传输层网际层数链层2023/12/29page56物理层：其作用是在物理媒体上传输原始的数据比特流。是为在物理媒体上建立、维持和终止传输数据比特流的物理连接提供机械、电气、功能和过程的手段。数据链路层：通过校验、确认和反馈重发等手段将原始的物理连接改造为无差错的数据链路。包括：如何标示一个帧（怎么产生）如何传送和接收一个帧（怎么发送和接收）

流量控制问题（对方如何有效的接收）§3.3OSI各层概述2023/12/29page57网络层：通信子网的运行控制，主要任务是如何把网络协议数据单元（分组）从源传送到目标。其要处理的3大问题：

路由处理（中间节点在进行数据传输时的路由选择问题）

拥塞处理（分组过多时造成的阻塞问题）

网—网处理（分组跨越多个通信子网时的网际互联问题）2023/12/29page58传输层：

第一个端到端的层次，为上层用户提供透明的端对端的数据传输。屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响。处理的问题：整合数据：发送方的拆分，把大的数据分为小的，以适合网络层传输；因网络层的路由选择而要进行的相应处理。流量处理：作为主机方，从源头进行数据流量控制分流和复用：当需要高的吞吐量或节省费用时进行2023/12/29page59会话层：组织并协调对话—对话是双向同时进行还是任何时刻只能单方进行（后者采用令牌控制）同步处理—在大型文件传输而通信子网故障率又较高时，会话层提供在数据流中插入同步点机制，在每次网络出现故障后可以仅重发最近一个同步点以后的数据，而不必从头开始。2023/12/29page60表示层：

处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义。因为不同的机器采用不同的编码方式和数据结构，如有必要，使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。例如：在日期、货币、数值（特别是浮点数）等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换应用层：为特定的网络应用提供访问OSI环境的手段例如：文件传输协议FTP、简单邮件传输协议SMTP、邮局协议POP3等page61物理层

1物理层基本功能

2常用的传输介质

3无线传输

4ISDN及ATM简介

5物理层协议举例

主要学习内容

：page62

物理层基本功能1物理层基本概念

机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列方式，定义接插及锁紧方式等。

电气特性指明在接口电缆的线路上出现的电压、电流等范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压信号表示何种意义，通信过程中完成何种功能。规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。是功能事件时序的描述。page63物理层中的传输媒体有线同轴电缆双绞线光纤

无线卫星无线红外通信激光通信微波

分类page643.2物理层中的传输媒体(a)Category3UTP.(b)Category5UTP.双绞线page65

无线网络无线局域网PC-PCpage66

无线网络无线局域网PC-LANpage67ISDN和ATMHighbandwidthUpto128KbpsperbasicrateinterfaceDialondemandMultiplechannelsFastconnectiontimeMonthlyratepluscost-effective,

usage-basedbillingStrictlydigitalLAN

ServerCompanyNetworkTelecommuter/After-Hours,Work-at-HomeBRI

2B+DBRI/PRI

23B+D

30B+D(Europe)ISDNISDNIntegratedServicesDigitalNetworkpage683.4ISDN和ATMOnephysicalconnectiontotheISDNnetwork23logicalconnections

(U.S./Canada)30logicalconnections(Europe)UsedatcentralsiteISDNIntegratedServicesDigitalNetworkPrimaryRateInterface(PRI)1.536

Mbps23B30BD64Kbps64Kbps}Onephysicalconnection

totheISDNnetworkTwologicalconnectionsUsedatremotetelecommutersite64Kbps64Kbps16Kbps144

Kbps2BD}{BasicRateInterface(BRI)page69ISDN和ATMATMAsynchronousTransferModel

固定信元l

简化数据链路层功能l

高效灵活的复用技术l

能支持不同速率的各种业务l

面向连接主要特点：page70

物理层协议举例RS-232接口应用位置——DTE与DCE间的接口page713.5物理层协议举例RS-232接口——机械特性2023/12/29page72(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE就绪(22)振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器page73物理层协议举例引脚号信号名称缩写方向功能说明123456782022保护地线发送数据接收数据请求发送清除发送数据设备就绪信号地线载波检测数据终端就绪振铃指示PGTXDRXDRTSCTSDSRGNDDCDDTRRI→DCE

→DTE

→DCE

→DTE

→DTE

→DTE

→DCE

→DTE机壳地终端发送串行数据终端接收串行数据DTE请求DCE切换到发送状态DCE已经切换到发送状态DCE已经准备好接收数据信号地线DCE已检测到远程载波DTE已准备好，可以接收DCE通知DTE线路已接通RS-232接口——功能特性2023/12/29page74插头插头插座插座计算机虚调制解调器计算机（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃指示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃指示利用虚调制解调器

与两台计算机相连2023/12/29page75EIA-232/V.24

接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/V.24

接口调制解调器网络

数据链路层1介质访问控制子层2逻辑链路控制子层

2数据链路层数据链路层规定了物理地址、网络拓扑结构、错误警告机制、所传数据帧的排序和流量控制等。介质访问控制（MAC—MediaAccessControl）子层

负责物理寻址和对传输介质的物理访问，规定了诸如MAC地址、访问控制方式等。MAC地址：对于计算机，这个地址是存储在网络接口卡（NIC卡）上，即通常所说的网卡。

网络接口卡

每块网卡都有唯一的物理地址，通常称为MAC（MediaAccessControl）地址或也称为物理地址。通常网卡地址中前24位是分配给厂商的，后24位是由厂商自己分配的，这样就保证每块了网卡地址的唯一性。MAC地址解释MAC（