2第二章计算机通信协议与网络体系结构.

共40页1第二章计算机通信协议与网络体系结构2.1网络中的分层结构和通信协议2.2ISO/OSI参考模型2.3TCP/IP协议模型2.4局域网参考模型(IEEE802模型)共40页2一、通信过程分段与网络功能分层2.1网络中的分层结构和通信协议1、书信往来过程共40页32、不同计算机中进程之间通信过程共40页4二、分层通信体系结构1、分层通信体系结构①将通信功能分为若干个层次．每一个层次完成一部分功能，各个层次相互配合共同完成通信的功能；②每一层只和直接相邻的两层打交道，它利用下一层提供的功能向高一层提供本层所能完成的服务；③每一层是独立的，各层都可以采用最适合的技术来实现，每一个层次可以单独进行开发和调试。当某一层由于技术进步发生变化时，只要接口关系保持不变，则其他层不受影响。2、通信协议在层次结构中，各对同等功能层间的通信都要遵循一定的规则，即对每一对等层都需要设计通信协议。无论哪层通信协议一般都包含以下三要素：语法、语义和定时规则共40页5(1)语法语法规定双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式，对通信双方采用的数据格式、编码进行定义。例如，报文中内容的组织形式(如报文的顺序、形式等)。(2)语义语义规定通信双入彼此“讲什么”，即确定协议元累的类型和内容，也就是对发出请求、执行的动作以及对方的应答做山解释。例如，报文由几部分组成，哪些部分用于控制数据，哪些部分是真正的通信内容等。(3)定时规则定时规则规定通信双方“何时讲”，即确定通信执行的顺序，也就是确定通信过程中通信状态的变化。定义了何时通信．先讲什么，后讲什么，讲话的速度，采用异步传输还是同步传输等。共40页6语法(Syntax):包含像数据格式和信号类别这样的内容，即做什么(what)；语义(Semantics):包含协调动作和差错处理的控制信息。即再怎么做(how)；定时(timing):包含速度的匹配和排序。即何时做(When)协议不涉及到实现，同一种协议可以使用不同技术实现。3、基本术语实体、系统、接口和服务实体(Entity)：在一个计算机子系统中，任何能完成某一特定功能的进程或程序，都可以称为一个“实体”。实体是子系统的一种活动元素。一个实体的活动体现在一个进程上。实体既可以是一个软件实体，例如用户应用程序、文件传送软件、数据库管理系统、电子邮件工具；也可以是硬件实体，如智能输入输出芯片。其中能发送和接收数据的实体，称为“通信实体”。不同机器上同一层的实体称为对等实体。系统(system)：系统是包含了一个或多个实体的在物理意义上共40页7明确存在的物体，它通常具有数据处理和通信的功能，如计算机、终端和遥感器等都称为系统。协议中的每一层都完成各自的功能，又称为子系统。接口：是指相邻层之间要过渡的条件。它可以是硬件接口，也可以是软件接口。在协议分层中，接口通常是逻辑的而不是物理的，所以又称为“服务访问点(SAP)”，它实际是一种端口的概念。服务：服务是指某一层及其以下各层通过接口提供给上一层的一种能力，通常每一种服务可以通过某一个或某几个协议来实现。它可分为面向连接的服务和无连接的服务。如何分层以及各层协议的定义是不同网络体系结构的本质区别。共40页82.2ISO/OSI参考模型一、概述随着计算机系统网络化互联业务的需要，世界上一些计算机大公司在20世纪60年代率先开发出自己的计算机网络体系结构、规律(协议，protocol)和通信设备。这些公司的产品自成系列，能够方便地实现同类计算机系统的互连成网。然而，由于各公司设计的计算机专有系统所用的体系结构、控制机理和信息格式彼此不同、互不兼容，使不同的计算机系统之间的通信变得相当复杂。在这种情况下。网络的标准化发展势在必行。国际标准化(ISO)吸取了已有网络体系结构的成功经验，从用户系统信息处理的角度，提出了开放系统互连的参考模型(OSI-RM)，即ISO7498，并于1984年5月批准为国际标准。共40页9二、OSI的分层结构开放系统互连(OSI，OpenSystemInterconnection)参考模型描述了如何将信息从一台计算机通过网络传输到另外一台计算机，它把计算机网络之间的信息传递划分为7个较小的易于管理的层，这7层协议分别执行一个任务或一组任务，各层次相对独立、互不影响。这七层分别为物理层(physicallayer)、数据链路层(datalink)、网络层(network)、传输层(transport)、会话层(session)、表示层(presentation)以及应用层(application)。1.物理层提供在数据链路实体间建立、维持及释放物理链路的有关机械、电气放面的功能和规程，物理层考虑的是非结构化的比特流在通信信道上的传输问题，即保证一方发送的二进制0、1信号能被另一方正确接收。设计的主要内容是处理机械、电气和规程的接口以及物理传输媒介。共40页10二、OSI的分层结构中间实体与三个实体发生关系！通信子网使用到的协议计算机上使用的协议共40页112.数据链路层(datalink)3.网络层(network)(IP地址，计算机地址)数据链路不同于物理链路，它是在后者的基础上建立起来的，是具有一定的信息传输格式和传输控制功能的层，该层上传输的数据块常称为“帧”。数据链路层负责通过物理层从一台计算机到另外一台计算机无差错地传输数据帧，规定了如何识别帧的头、尾，如何检测和校正传输差错，物理信道如何复用和寻址，以及如何解决通信双方的速率匹配问题等。局域网把数据链路层进一步分为逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。网卡和网桥等接口属于数据链路层，它们的地址就是网卡或网桥地址，属于物理地址。数据链路层协议针对不同的物理传输介质有不同的协议网络层也称为通信子网层，用于控制子网的运行。这一层的数据块常称为分组(包)，其主要任务是发送和接收分组(包)，它负责将网络中的信息分组(包)从一个节点送到另一个节点。共40页124.传输层(transport)(Port)有时源节点和目的节点并不直接相连，这一信息必须经过若干中间节点(通常称为路由器)，这一过程中必须完成网络连接的建立、拆除和通信管理。包括路由选择、流量控制、差错控制等。网络层的地址就是目的计算机的地址。ITU-T的X.25协议、TP/IP协议中的IP和IPX/SPX协议中的IPX都是典型的网络层协议。现在市场上销售的网络层硬件设备主要有网关和路由器。传输层提供端与端之间可靠的信息交换和数据传送，完成端对端的差错控制、流量控制、分组拆装和服务质量监督等功能。从某种意义上讲，传输层使上层协议感受不到硬件技术变化的影响。传输层及以上各层传输的数据块常称为报文。实际上，传输层位于高层和低层之间．是整个协议层次中最核心的一层，起承上启下的的作用，它的下三层实现面向数据的通信，上三层实现面向信息的处理，是七层模式中非常重要的一层。共40页13会话层在应用层之间提供通信的控制结构，允许不同机器上的用户建立会话关系，在相互配合的应用层之间建立、管理和终止连接(对话)。在用户间的一次连接，称之为一次会话。会话层允许信息同时双向传输，或某一时刻只能单向传输。会话层还提供同步服务，如文件的断点续传。5.会话层(session)TCP/IP协议中的TCP协议是典型的传输层协议。6.表示层(presentation)表示层的目的是提供一组服务让应用层选择，使之能解释交换数据的意义。这些服务包括实体的管理、交换、显示及数据结构的控制。表示层以下的各层只关心可靠地传输比特流，而表示层关心的是所传输的信息的语法和语义。表示层的具体任务是管理用于通信的字符集和数据代码，共40页147.应用层(application)应用层向终端用户提供直接服务，它提供与应用及系统管理有关的分布式信息服务，如文件传输、电子邮件、远程作业录入、目录查询等各种通用和专用的功能。管理打印和屏幕的显示、协议转换、数据库管理服务、加密/解密、压缩/解压缩等。共40页15三、OSI模型系统的信息交换共40页162.3TCP/IP协议模型一、概述由于种种原因，OSI模型并没有成为真正应用在工业技术中的网络体系结构。而TCP/IP协议模型的发展比OSI模型要早，它是20世纪70年代中期美国国防部为其ARPANET广域网开发的网络体系结构和协议标准，以它为基础组建的Internet是国际上规模最大的计算机网络，这使其成为事实上的工业标准。OSI模型与TCP/IP协议模型的各层对应关系如图2-6所示，TCP/IP协议模型只有四层：网络接口层(接入层)、网际层(网络层)、传输层和应用层。共40页17二、TCP/IP模型中的协议集TCP/IP模型中的协议是指一整套计算机通信的协议集，其名字是由这些协议中最主要的两个协议组成，即传输控制协(TCP，TransmissionControlProtocol)和网际协议(IP，InternetProtocol)，其协议框架如图2-7所示。三、网络接口层协议TCP/IP参考模型中没有真正描述这一部分内容，它是指各共40页18三、网络接口层协议种计算机网络，可以是任何一个能传输数据报的通信系统。这些系统大到广域网，小到局部网，甚至点到点连接。这一层的功能对应于OSI模型的最底两层，即物理层和数据链路层的功能。针对不同物理层有不同的协议。例如计算机用RS232接口通过Modem和电话线连接到互联网上，计算机必须运行SLIP(SerialLineInternetProtocol)协议或PPP(PointtoPointProtocol)协议。四、网际层协议网际协议是TCP/IP协议族中非常关键的一层，需要多个协议协同工作。这些协议有网际协议IP、地址解析协议ARP、反向地址解析协议RARP、网际控制报文协议ICMP、网际组管理协议IGMP，其中最重要的是IP协议。1.IP协议共40页19(1)IP地址分类商业应用A类、B类和C类地址是商业用地址。D类地址是一个专门保留的地址，并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播中。所谓多点广播地址就是用一个这样的地址一次可寻址一组计算机-共享同一协议的一组计算机。E类地址是保留地址。在整个互联网中，网络号必须是唯一的。连到全球因特网的网络组织从提供因特网连接的通信公司得到网络号。这样的公司叫因特网服务商(ISP，访问同一协议的一组计算机共40页20(1)IP地址分类InternetServerProvider)。ISP与称为因特网号码分配委员会(IANA，InternetAssignedNumberAuthority)的因特网中心组织协调，以保证网络号在整个因持网中是唯一的。对于一个私有的互联网络，网络号可由本组织选择。为了帮助一个组织选得私有网络号，IANA(RFC1597)推荐了可用于私有互联网的A、B、C类地址。(2)特殊的IP地址A类地址同一段网络主机同一网络标识主机共40页21(3)IP地址的特点①每一个IP地址都由网络号和主机号两部分组成；②实际上IP地址是标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口(一个网号)。一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号必须是不同的。例如路由器必须有两个网络号；③在IP地址中。所有分配到网络号的网络都是平等的。(4)子网俺码为了实现更小的广播域并更好地利用主机地址中的每一位，可以把IP网络进一步分成更小的网络，每个子网由路由器界定并分配一个新的子网网络地址，子网地址是借用IP地址的主机标识部分创建的，也共40页22就是将原来的主机标识部分再分为两个部分，包括子网号和主机号，构成一个三级的IP地址。C类网络地址：202．112．10．0缺省的子网掩码地址255.255.255.0实际的子网掩码：255.255.255.224使用子网俺码的好处：减小每个子则的通信量；便于子网管理；解决物理介质电气特性限制；共40页23C类网络地址：子网1：202.183.56.1子网2：202.183.58.1实际子网掩码：255.255.255.224缺省子