计算机网络体系结构第1讲

计算机基础课程内容安排1计算机网络体系结构2物理通信3局域网4广域网及IP地址5VLAN及路由（配置）1第1章计算机网络体系结构2主要内容1.1网络体系结构1.2开放系统互联参考模型(OSI/RM)1.3TCP/IP参考模型1.4OSI与TCP/IP参考模型的比较1.1网络体系结构主要内容1.1.1定义1.1.2协议1.1.3协议分层1.1.4相关概念3网络体系结构(NetworkArchitecture)是计算机网络的分层、各层协议、功能和层间接口的集合。不同的计算机网络具有不同的体系结构，其层的数量、各层的名称、内容和功能以及各相邻层之间的接口都不一样。然而，在任何网络中，每一层都是为了向它相邻的上层提供一定的服务而设置的，而且每一层都对上层屏蔽实现协议的具体细节。这样，网络体系结构就能做到与具体的物理实现无关，哪怕连接到网络中的主机和终端的型号及性能各不相同，只要它们共同遵守相同的协议就可以实现互通信和互操作。41.1.1定义计算机网络体系结构（NA－NetworkArchitecture）是层和协议的集合51.1.1定义1.1.2协议1.定义协议是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合协议是关于通信双方通信过程的一组约定和规则61.1.2协议协议是指通信双方就如何进行通信的一种约定。作个比喻，当一个女士被介绍给一位先生时，她可能会选择伸出她的手；然后，这位男士可以握她的手或者亲吻她的手，具体的行为要取决于（比如说）她是一次商务会议中的美国律师还是一场正式舞会上的欧洲公主。任何一方违反协议将使得通信更加困难，如果不是完全不可能的话。--《ComputerNetworks》AndrewS.Tanenbaum著71.1.2协议2.协议三要素（关键成分）1)语法（Syntax）-----------握手或亲吻手数据与控制信息的格式、数据编码、信号电平2)语义（Semantics）------握手或亲吻手所有表达的意思控制信息的内容，需要做出的动作及响应3)时序（Timing）-----------握手或亲吻手的时机事件先后顺序和速度匹配一些规则、规定81.1.3协议分层网络分层结构中，每一层都由一些实体组成，这些实体抽象地表示了通信时的软件元素(如进程或子程序)或硬件元素(如智能I/O芯片等)。实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施。系统的顶层执行用户要求做的工作，直接与用户接触，可以是用户编写的程序或发出的命令。除顶层外，各层都支持其上一层的实体进行工作，这就是服务。(下层对上一层提供服务)分层结构中各相邻层之间要有一个接口，它定义了较低层向较高层提供的原始操作和服务。相邻层通过它们之间的接口交换信息，高层并不需要知道低层是如何实现的，仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务，这样使得两层之间保持了功能的独立性。（层与层之间的通道）9举例：10发报人语言、格式等规则收报人编码编码规则译码发报文传输方式、电平收报文电报网1.1.3协议分层总体上来讲，采用层次化结构方法来设计实现计算机网络体系结构具有以下优点：（1）各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，可以真正作到各尽其职。（2）某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。（3）结构上可以分割，各层都可以采用最合适的技术来实现。（4）各层的功能简单，易于实现和维护。（5）有利于促进标准化。111.1.4相关概念实体和系统协议栈接口和服务面向连接服务和无连接服务服务原语协议数据单元服务和协议的关系121.1.4相关概念1.实体和系统实体－能够发送和接收信息的任何物体软件实体：应用程序硬件实体：网卡对等实体－位于不同系统的同一层次的实体系统－包容一个或多个实体，而且在物理上是实际存在的物体。计算机网络设备131.1.4相关概念2.协议栈协议－同一层次的对等实体之间的通信协议协议栈－特定系统中所有层次的协议集合141.1.4相关概念3.接口和服务接口－相邻两层之间的边界，低层通过接口为上层提供服务，上层通过接口调用低层提供的服务。服务访问点（SAP－ServiceAccessPoint）相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务的联系点151.1.4相关概念16IDUICISDUICISDUSAP接口n+1层n层服务提供者服务用户1.1.4相关概念4.面向连接服务和无连接服务面向连接服务－建立连接、维护连接和拆除连接电话系统TCP协议无连接的服务－不需要建立、维持连接的开销电报系统UDP协议171.1.4相关概念5.服务原语请求（Request）：表示某实体希望开始调用服务指示（Indication）：表示某实体被通知有事件发生响应（Response）：表示某实体对事件做出响应确认（Confirm）：表示对发回响应的确认。181.1.4相关概念6.协议数据单元(PDU)PDU－ProtocolDataUnit对等实体之间通过协议传送的数据单元191.1.4相关概念7.服务和协议的关系服务－同一开放系统中相邻层之间的操作，它由一系列服务原语组成，位于层接口，表示低层为上层提供哪些操作功能协议－同一层次对等实体之间，有关协议数据单元的格式、意义及控制规则的集合服务是由协议支持的2021计算机网络的层次模型图既然我们已经讨论了抽象的层次网络，现在看一些网络实例。我们将讨论两个重要的网络体系结构：OSI参考模型和TCP/IP参考模型。虽然与OSI模型相关的协议没有被任何人所用，但实际上，该参考模型本身具有相当普遍意义，并仍然有效；它对讨论网络体系结构中每一层的功能还是很重要的。TCP/IP协议模型则具有相反的特性：模型本身没有多大用处，但它的协议却已经广为流传。正是基于这样的原因，我们将详细考察这两个模型。221.2开放系统互连（OSI）参考模型主要内容1.2.1OSI参考模型概述1.2.2物理层1.2.3数据链路层1.2.4网络层1.2.5传输层1.2.6会话层1.2.7表示层1.2.8应用层1.2.9OSI参考模型的数据传输1.2.10OSI参考模型的意义及缺陷231.2.1概述开放系统互连参考模型（OSI/RM）OSI－OpenSystemInterconnectionRM–ReferenceModelOSI参考模型定义了开放系统的层次结构和各层所提供的服务，而它仅仅定义每层应该“作什么”（计划），而没有明确制定每一层的服务和协议（实施细节）241.2.1概述25数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层7-6接口6-5接口5-4接口4-3接口3-2接口2-1接口物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层7-6接口6-5接口5-4接口4-3接口3-2接口2-1接口物理层系统A系统B应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议物理传输信道应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层第7层第6层第5层第4层第3层第2层第1层OSI1.2.1概述OSI参考模型几个特点：每个层次的对应实体之间通过各自的协议通信各个计算机系统都有相同的层次结构不同系统的相应层次有相同的功能同一系统的各层次之间通过接口联系相邻的两层之间，下层为上层提供服务，同时上层使用下层提供的服务261.2.2物理层27这是OSI模型的最低层，向下直接与物理传输介质相连接，它不是软件。物理协议是各种网络设备进行互连时必须遵守的低层协议。设立物理层的目的是实现两个物理设备之间二进制比特流的透明传输，对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有最大的透明性。在发送端，物理层将来自链路层的比特流逐位发送给传输介质；在相邻的下一个节点，物理层逐位接收比特流。无论是发送端还是接收端，物理层都并不过问这些比特流的结构与含义。物理层规定了传输介质的接口特性，包括机械、电气、功能与规程特性，以建立、保持和释放数据链路实体之间的物理连接。其基本功能包括：物理连接的建立、保持和释放，比特的发送和接收，差错控制以及内部管理等。该层涉及通信介质的机电、特性参数与规格，包括介质，数据传输速率及特性阻抗，连接器的引脚数目及功能分配，信号的约定、信号允许传输的最大距离及其调制或编码方式等。1.2.2物理层物理层（physicallayer)负责在计算机之间传递数据位（即，比特），它为在物理媒体上传输的比特流建立规则。1.主要作用建立物理连接，确保二进制比特流的正确传输281.2.2物理层2.主要功能•负责建立、维持和释放物理连接，提供建立物理连接所需要的接口特性•在物理连接上进行二进制比特流（“1”、“0”）的传输•为数据链路层提供物理连接、物理服务数据单元、顺序化、错误指示等服务•物理层管理291.2.2物理层3.物理接口的四个特性物理层协议规定了DTE与DCE之间标准接口的特性机械特性电气特性功能特性规程特性30DTEDCE交换机RJ-451.2.2物理层31DTE（数据终端设备）DataTerminalEquipment）具有一定数据处理能力和发送、接收数据的能力计算机(Computer)网卡(NIC)路由器(Router)DCE（数据电路端接设备）DataCircuit-TerminalEquipment在DTE与介质之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、维护和释放物理连接。调制解调器（Modem）交换机（Switch）集线器（HUB）1.2.2物理层1）机械特性规定了物理连接时所使用的可接插连接器（接口）的形状和规格尺寸，连接器中引脚的数量与排列顺序、固定和锁定装置等2)电气特性规定在物理连接上传输二进制位流时，线路上的信号电平，输出阻抗、输入阻抗、平衡特性、负载要求、传输速率和连接距离限制距离等321.2.2物理层33DCE侧插孔（母）DTE侧插针（公）1.2.2物理层3)功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。数据线控制线定时线地线4)规程特性定义了利用信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序341.2.3数据链路层35链路层软件运行于插入主机与插入路由器的网卡中。在发送端，链路层将来自网络层的分组，加上帧头、帧尾组织成一帧，向下发送给物理层；在相邻的接收节点，链路层将来自物理层的比特流重新组织成一帧，并校验其是否正确。若正确，则剥去帧头、帧尾，再向上传送给网络层，并向相邻的前一节点发回正确收到该帧的应答；若不正确，则向相邻的前一节点发回收到错误帧的应答。前一节点若收到正确应答，则发送下一帧；若收到错误应答，则重发该帧。节点每发出一个帧，就启动定一个时器，若定时时间到还没有收到应答，也重发该帧。若节点收到正确的帧，但应答帧丢失，前一节点也会重发该帧。这样，接收节点将会收到重复的帧，并将其丢弃。定时器的定时时间是系统根据相邻的下一节点的距离自动计算出来的，是传送一个帧、并收到应答帧的往返时间之和。设立数据链路层的主要目的是将一条原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路。为了实现这个目的，数据链路层必须具备以下基本功能：在相邻的两个网络实体之间建立、保持和释放数据链路，确定信息怎样在链路中传输、信息的格式、成帧和拆帧、产生校验码、差错控制、数据流量控制及链路管理等。1.2.3数据链路层数据链路层（Data-linklayer)负责帧在计算机之间的无差错传递1.主要作用将一条原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路,确保在一段物理链路上数据帧的正确传输361.2.3数据链路层2.主要功能数据链路建立、维护与释放的链路管理数据链路层服务数据单元帧的传输差错检测与控制数据流量控制在多点连接或多条数据链路连接的情况下，提供数据链路端口标识的识别，支持网络层实体建立网络连接帧接收顺序控制371.2.3数据链路层3.帧（Frame)是数据链路层的基本数据单位是具有一定长度和格式的信息块是放置数据的、逻辑的、结构化的包HDLC协议的帧格式38帧标志字段F帧标志字段F地址A控制C信息Info校验和FCS888可变1681.2.3数据链路层4.数据链路层协议1）面向字符型协议协议：ANSI