第四章计算机网络体系结构要点

第4章计算机网络体系结构与协议2本章主要内容计算机网络体系结构及协议的概念；开放系统互连（OSI）参考模型OSI模型中各层的功能介绍；TCP/IP协议的体系结构；TCP/IP协议的层次功能介绍；OSI模型与TCP/IP协议模型的比较；3计算机网络体系结构将计算机网络功能划分为若干个层次，较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能。网络中的每一层都起到隔离作用，使得低层功能具体实现方法的变更不会影响到高一层所执行的功能。网络体系结构完成计算机间的通信合作，把每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务；6网络体系结构的相关概念协议（Protocol）协议就是为实现网络中的数据交换建立的规则标准或约定。协议由语法、语义和时序三部分组成，即协议的三要素：语义:控制信息的内容，需要做出的动作及响应。(举例：打电话时的拨通电话，振铃，接电话等控制信号、响应动作等)语法：数据与控制信息的格式、数据编码等。（电话号码，区号、国家代码）时序：事件先后顺序和速度匹配（先拨号、再振铃、接电话、挂电话）8实体（Entity）实体（Entity）在网络分层体系结构中，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。9接口(Interface)分层结构中各相邻层之间要有一个接口，接口是相邻两层之间的边界，底层通过接口为上层提供服务。服务的使用者和提供者通过服务访问点直接联系。它定义了较低层向较高层提供的原语操作和服务。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。SAP（服务访问点）所谓服务访问点SAP（ServiceAccessPoint)是指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。也就是同一系统相邻两层实体交换信息的地方。它是相邻两层实体的逻辑接口。10服务网络分层结构中的单向依赖关系，使得网络的底层总是向他的上层提供服务。而每一层的服务又都是借助于其下层提供的服务。1.服务原语服务通常是由一系列的服务原语来描述的。所谓原语，就是不可再细分的意思。在接口的服务访问点上，服务使用者看到的只是几个简单的原语，关于原语是如何实现的，完全是服务提供者自己层次内部的事情，在接口上完全不必考虑。常用原语的例子如下。○请求（Request）：表示某实体希望开始调用服务做事。○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（Confirmation）：表示对发回响应的确认是否成功。2.面向连接的服务和无连接的服务服务分为面向连接的服务和无连接的服务。面向连接的服务就像打电话，有一个明显的拨通电话、讲话、再挂断电话的过程，面向连接服务的提供者也要做建立连接、维护连接和拆除连接的工作，这种服务的最大好处就是可靠性高，而且保证数据顺序传输；无连接的服务就像发电报，电报发出后你并不能马上确认对方已经收到，无连接的服务不需要维持连接的额外开销，但是可靠性较低，也不保证数据的传输顺序。11开放系统互连参考模型(OSI/RM)为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，国际标准化组织ISO对各类计算机网络体系结构进行了研究，并于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，称为开放系统互连参考模型(OSI/RM)，也称为ISO/OSI。“开放”表示任何两个遵守OSI/RM的系统都可以进行互连，当一个系统能按OSI/RM与另一个系统进行通信时，就称该系统为开放系统。12OSI的分层模型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OSI/RM13OSI各层的功能概述第1层：物理层(PhysicalLayer)在物理信道上传输原始的数据比特（bit）流，提供为建立、维护和拆除物理链路连接所需的各种传输介质、通信接口特性等。第2层：数据链路层(DataLinkLayer)在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻节点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧在信道上无差错地传输，并进行数据流量控制。14OSI各层的功能概述（二）第3层：网络层(NetworkLayer)为传输层的数据传输提供建立、维护和终止网络连接的手段，把上层来的数据组织成数据包(Packet)在节点之间进行交换传送，并且负责路由控制和拥塞控制。第4层：传输层(TransportLayer)为上层提供端到端(最终用户到最终用户)的透明的、可靠的数据传输服务。所谓透明的传输是指在通信过程中传输层对上层屏蔽了通信传输系统的具体细节。15OSI各层的功能概述（三）第5层：会话层(SessionLayer)为表示层提供建立、维护和结束会话连接的功能，并提供会话管理服务。第6层：表示层(PresentationLayer)为应用层提供信息表示方式的服务，如数据格式的变换、文本压缩、加密技术等。第7层：应用层(ApplicationLayer)为网络用户或应用程序提供各种服务，如文件传输、电子邮件(E-mail)、分布式数据库、网络管理等。16OSI/RM的信息流动SHPHNHDHL7L6L5L4L3L2L1L7L6L5L4L3L2L1传输媒体交换数据单元的名称系统A数据L7DATAPHL6DATASHL5DATAPHL4DATANH01010110101001011010110110101010DTL3DATADH比特数据帧数据包报文报文报文报文AH系统B数据L7DATAPHL6DATAL5DATAL4DATA01010110101001011010110110101010L3DATAAHDT数据应用进程数据应用进程17物理层物理层是OSI/RM的最低层。它直接与物理信道相连，起到数据链路层和传输媒体之间的逻辑接口作用，提供建立、维护和释放物理连接的方法，实现在物理信道上进行比特流传输的功能。传输媒体01001011010110110101010L2DATA比特流发送端数据链路层的数据物理层01001011010110110101010L2DATA比特流物理层接收端数据链路层的数据18物理层涉及的内容一通信接口与传输媒体的物理特性除了不同的传输介质自身的物理特性外，物理层还对通信设备和传输媒体之间使用的接口做了详细的规定，主要体现在四个方面：机械特性：网络接口的形状（RS-232，RJ-45等几针，形状）电气特性：信号电压，持续时间功能特性：描述物理设备的功能，如RJ-45针脚的功能1TX+TranceiveData+(发信号+)2TX-TranceiveData-(发信号-)3RX+ReceiveData+(收信号+)4n/cNotconnected(空脚)5n/cNotconnected(空脚)6RX-ReceiveData-(收信号-)7n/cNotconnected(空脚)8n/cNotconnected(空脚)规程特性：事件发生的合法顺序。19物理层涉及的内容二数据交换单元为二进制比特比特的同步线路的连接物理拓扑结构传输方式20数据链路层数据链路层是OSI/RM的第二层，它通过物理层提供的比特流服务，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。数据链路层的有关协议和软件是计算机网络中基本的部分，在任何网络中数据链路层是必不可少的层次，相对高层而言，它所有的服务协议都比较成熟。L3DATA发送端网络层的数据数据链路层DHDT数据帧11010111……0101011发送端物理层L3DATA数据链路层DH数据帧11010111……0101011接收端物理层DT接收端网络层的数据21数据链路层涉及的具体内容成帧物理地址寻址流量控制（保证相邻结点间发送和接收速度匹配）差错控制（奇偶校验码和循环冗余码检测误码。）顺序控制,指对帧的收发顺序的控制。常见的数据链路层设备：网卡和网桥22数据链路层的物理地址寻址1234物理地址节点ABCDDATADTAD源地址目的地址尾部控制信息数据帧节点1的物理地址为A，若节点1要给节点4发送数据，那么在数据帧的头部要包含节点1和节点4的物理地址，在帧的尾部还有差错控制信息（DT）。24网络层计算机网络分为资源子网和通信子网。网络层就是通信子网的最高层，它在数据链路层提供服务的基础上，向资源子网提供服务。网络层与数据链路层的关系如下图所示：L4DATA发送端传输层的数据NH数据包L3DATAL4DATANH数据包L3DATA网络层网络层发送端数据链路层接收端传输层的数据接收端数据链路层25网络层的作用数据链路层只是负责同一个网络中的相邻两节点之间链路管理及帧的传输等问题。当两个节点连接在同一个网络中时，可能并不需要网络层，只有当两个节点分布在不同的网络中时，通常才会涉及到网络层的功能，保证数据包从源节点到目的节点的正确传输。网络层要负责确定在网络中采用何种技术，从源节点出发选择一条通路通过中间的节点，将数据包最终送达目的节点。26网络层涉及的概念逻辑地址寻址（将高层发来的数据组织成分组，在结点中交换传送，逻辑地址的寻址。如TCP/IP协议中的IP地址）路由功能（静态路由和动态路由）流量控制、拥塞控制（防止网络中出现局部的拥挤和全面的阻塞）网络层设备主要有路由器和网关。27传输层传输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁，它完成资源子网中两节点间的直接逻辑通信，实现通信子网端到端的可靠传输。传输层在七层网络模型的中间起到承上启下的作用，是整个网络体系结构中的关键部分。由于通信子网向传输层提供通信服务的可靠性有差异，所以无论通信子网提供的服务可靠性如何，经传输层处理后都应为上层提交可靠的、透明的数据传输。如果通信子网的功能完善、可靠性高，则传输层的任务就比较简单：若通信子网提供的质量很差，则传输层的任务就复杂，以填补会话层所要求的服务质量和网络层所能提供的服务质量之间的差别。28传输层提供的服务传输层为高层提供两种基本的服务：面向连接的服务面向连接提供的是可靠的服务。和面向无连接的服务面向无连接是一种不太可靠的服务。29会话层会话层是利用传输层提供的端到端的服务，向表示层或会话用户提供会话服务。在ISO/OSI环境中，所谓一次会话，就是两个用户进程之间为完成一次完整的通信而进行的过程，包括建立、维护和结束会话连接。会话协议的主要目的就是提供一个面向用户的连接服务，并对会话活动提供有效的组织和同步所必须的手段，对数据传送提供控制和管理。30表示层表示层处理的是OSI系统之间用户信息的表示问题。表示层不像OSI/RM的低五层只关心将信息可靠地从一端传输到另外一端，它主要涉及被传输信息的内容和表示形式，如文字、图形、声音的表示。另外，数据压缩、数据加密等工作都是由表示层负责处理。31应用层应用层是OSI/RM的最高层，它是计算机网络与最终用户间的接口，它包含系统管理员管理网络服务所涉及的所有问题和基本功能。它在OSI/RM下面六层提供的数据传输和数据表示等各种服务的基础上，为网络用户或应用程序提供完成特定网络服务功能所需的各种应用协议。常用的网络服务包括文件服务、电子邮件（E-mail）服务、打印服务、集成通信服务、目录服