任务3 认知网络体系结构1

1.3任务3认知网络体系结构1.3.1任务描述1.3.2任务实施1.3.3任务扩展1.3.1任务描述1.学习型工作任务2.技能目标3.教学组织形式1.学习型工作任务图1-3-1OSI参考模型示意图认真学习图1-3-1，要求：(1)理解网络分层的作用和计算机网络体系结构的概念；(2)理解服务、接口和协议的概念；(3)掌握OSI/RM的层次结构和各层的PDU；(4)掌握TCP/IP的层次结构；(5)了解OSI/RM和TCP/IP模型的区别。根据图1-3-1填写下列表格：层次主要功能物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层2.技能目标(1)能理解网络分层的作用和计算机网络体系结构的概念的能力，能理解服务、接口和协议的概念；(2)能区分OSI/RM的层次；(3)能区分TCP/IP的层次。3.教学组织形式(1)学生角色：网络公司职员或网络管理人员。(2)教学过程：在网络工程实训室或网络公司或某小型企业进行教学，学生扮演网络公司职员或网络管理人员，教师扮演资深网络管理人员针对网络体系结构进行认知训练。1.3.2任务实施1.相关概念2.OSI结构体系3.TCP/IP结构体系1.相关概念计算机网络是一个复杂的计算机及通信系统的集合，在其发展过程中逐步形成了一些公认的、通用的建立网络体系的模式，可将其视为建立网络体系通用的蓝图，称为网络体系结构（NetworkArchitecture），用以指导网络的设计和实现。本章将系统介绍网络体系结构概念以及两个非常重要的参考体系结构，即OSI体系结构和TCP/IP体系结构。网络体系结构计算机网络分从概念上可分为两个层次，即提供信息传输服务的通信子网和提供资源共享服务的资源子网。通信子网主要由通信媒体（传输介质）和通信设备等组成，主要为众多的计算机用户提供高速度、高效率、低成本，且又安全、可靠的信息传输服务。资源子网由各类计算机系统及外围设备组成，它们利用内层通信子网的通信功能，实现彼此间的系统互联，为用户提供资源共享服务。从两个子网的关系看，资源共享功能的实现依赖于通信子网的数据通信功能，通信子网为资源子网提供信息传输服务，而资源子网利用这种服务实现就算机间的资源共享。那么，通信子网提供的数据通信服务是否能满足资源子网的要求，使资源子网完成自己的资源共享任务呢？由于信息的类型不同，作用不同，使用的场合和方式不同，因此对于通信子网的服务要求就大不相同，必须采用不同的技术手段来满足这些不同的要求。那么，怎样构造计算机网络的通信功能，才能实现这些不同系统之间，尤其是异种计算机系统之间的相互通信呢？这就是网络体系结构要解决的问题。网络体系结构通常采用层次化结构定义计算机网络的协议、功能和提供的服务。计算机网络体系结构的概念及内容都比较抽象，为了帮助同学们更好地理解上面所介绍的实体、协议、服务、接口等概念，我们以如图2-1所示的邮政系统为例来说明这个问题。假设处于A地的用户A要给处于B地的用户B发送信件，则在信件传递的整个过程中，主要涉及到用户、邮局和运输部门三个层次。用户A写好信的内容后，将它装在信封里并投入到邮筒里交由邮局A寄发，邮局收到信后，首先进行信件的分拣和整理，然后装入一个统一的邮包交付A地运输部门进行运输，如航空信交民航部门，平信交铁路或公路运输部门等；B地相应的运输部门得到装有该信件的货物箱后，将邮包从其中取出，并交给B地的邮局，B地的邮局将信件从邮包中取出投到用户的信箱中，从而用户B收到了来自用户A的信件。在这过程中，写信人和收信人都是最终用户，处于整个邮政系统的最高层；邮局处于用户的下一层，是为用户服务的，对于用户来说，他只需知道如何按邮局的规定将信件内容装入标准信封并投入邮局设置的邮筒就行了，而无需知道邮局是如何实现寄信过程的，这个过程对用户来说是透明的。运输部门是为邮局服务的，并且负责实际的邮件的运送，处于整个邮政系统的最底层。邮局只需将装有信件的邮包送到运输部门的货物运输接收窗口，而无需操心邮包作为货物是如何到达异地的。在此邮筒就相当于邮局为用户提供服务的接口，而运输部门的货物运输接收窗口则相当于运输部门为邮局提供服务的接口。另外，写信人与收信人、本地邮局和远地邮局、本地运输部门和远地运输部门则构成了邮政系统分层模型中不同层上的对等实体。为了能将信件准确地由发信人送达收信人，对等实体之间必须有一些约定或惯例。例如，写信时必须采用双方都懂的语言文字和文体，开头是对方称谓，最后是落款等。这样，对方收到信后才可以读懂信的内容，知道是谁写的，什么时候写的等等。同样地，邮局之间要就邮戳的加盖、邮包格式等制定统一的规则，而运输部门之间也会就货物运输制定有关的航运规定。这些规则或约定就相当于网络分层模型中的协议。从这里可以看出，协议是“水平的”，是控制对等实体间通信的规则；服务是“垂直的”，是通过层间接口由下层向上层提供的。图1-3-2邮政系统分层模型从上述关于邮政系统的类比中我们还可以发现，尽管对收信人来说，信是来自于写信人，但实际上这封信在A地历经了由用户􀃆邮局􀃆运输部门的过程，在B地则历经了从运输部门、邮局、用户的过程。类似地，网络分层结构模型中的数据的传输，也不是直接从发送方的最高层到接收方的最高层。在发送方，每一层都把协议数据交给它的下一层，直到最下层；在接收方，则由最下层开始一层一层地往上送至最高层。在发送方由上而下的过程中，每一层为了实现本层的功能都要加上相应的控制信息，从而被传输的数据在形式上是越来越复杂；而到了接收方，在自下而上的过程中，每一层都要卸下在发送方对等层所加上的那些控制信息。就如同信件到了本地邮局要装入邮包中，邮包到了本地运输部门要装入货运箱中，而一旦到达远端的运输部门，则要将邮包重新从货运箱中取出交给远端邮局，而远端邮局要将信件重新从邮包中取出交给用户。计算机网络中分别将发送方和接收方所历经的这种过程称为数据封装和数据拆封。层次结构及相关概念计算机网络的整套协议是一个庞大复杂的体系，为了便于对协议的描述、设计和实现，现在都采用分层的体系结构。如图2-2所示，所谓层次结构就是指把一个复杂的系统设计问题分解成多个层次分明的局部问题，并规定每一层次所必须完成的功能，类似于信件投递过程。层次结构提供了一种按层次来观察网络的方法，它描述了网络中任意两个结点间的逻辑连接和信息传输。图1-3-3网络层次结构图1-3-3给出了计算机网络分层模型的示意图，该模型将计算机网络中的每台机器抽象为若干层(layer)，每层实现一种相对独立的功能。分层模型涉及下面一些重要的术语。实体与对等实体每一层中，用于实现该层功能的活动元素被称为实体(entity)，包括该层上实际存在的所有硬件与软件，如终端、电子邮件系统、应用程序、进程等。不同机器上位于同一层次、完成相同功能的实体被称为对等(peertopeer)实体。协议为了使两个对等实体之间能够有效地通信，对等实体需要就交换什么信息、如何交换信息等问题制定相应的规则或进行某种约定。这种对等实体之间交换数据或通信时所必须遵守的规则或标准的集合称为协议(protocol)。协议由语法、语义和语序三大要素构成。语法包括数据格式、信号电平等；语义指协议语法成分的含义，包括协调用的控制信息和差错管理；语序包括时序控制和速度匹配关系。服务与接口在网络分层结构模型中，每一层为相邻的上一层所提供的功能称为服务。N层使用N-1层所提供的服务，向N+1层提供功能更强大的服务。N层使用N-1层所提供的服务时并不需要知道N-1层所提供的服务是如何实现的，而只需要知道下一层可以为自己提供什么样的服务，以及通过什么形式提供。N层向N+1层提供的服务通过N层和N+1层之间的接口来实现。接口定义下层向其相邻的上层提供的服务及原语操作，并使下层服务的实现细节对上层是透明的。计算机网络结构采用结构化层次模型，有如下优点：各层之间相互独立，即不需要知道低层的结构，只要知道是通过层间接口所提供的服务。灵活性好，是指只要接口不变就不会因层的变化（甚至是取消该层）而变化。各层采用最合适的技术实现而不影响其他层。有利于促进标准化，是因为每层的功能和提供的服务都已经有了精确的说明。网络协议在就算机网络中，相互通信的双方处于不同的地理位置，要使网络上的两个进程之间相互通信，就要都遵循双方事先约定好的交换规则，即要通过交换信息来协调它们的动作和达到同步。我们把计算机网络中为进行数据传输而建立的一系列规则、标准或约定成为网络协议（Protocol）。网络协议主要由以下3个要素构成。语法：数据与控制信息的格式、数据编码等。时序：事件先后顺序和速度匹配。语义：控制信息的内容，需要做出的动作及响应。网络服务网络协议协议是作用在不同系统的同等层实体上的。在网络协议作用下，两个同等层实体间的通信使得本层能够向它相邻的上一层提供支持，以便上一层完成自己的功能，这种支持就是服务。网络服务是指彼此相邻的两层间下层为上层提供通信能力或操作而屏蔽其细节的过程。上层可看成是下层的用户，下层是上层的服务提供者。由于网络分层结构中的单向依赖关系，使得网络的底层总是向它的上层提供服务，而每一层的服务又都是借助于其下层及以下各层的服务能力。①服务原语服务用户和服务提供者之间所交互的信息。相邻层间的服务在形式上是由这种原语(或操作)描述的。N+1层实体向N层实体请求服务时，服务用户和服务提供者之间要进行信息交互，交互的信息即为服务原语。这些原语通知服务提供者采取某些行动或报告某个同等实体的活动，供用户和其他实体访问该服务。服务原语可分为以下4类：请求（Request）。用以使服务用户能从服务提供者那里请求一定的服务。指示（Indication）。用以使服务提供者能向服务用户提示某种状态。响应（Response）。用以使服务用户能响应先前的指示原语。证实（Confirm）。用以使服务提供者能报告先前请求原请求成功与否。服务分为有证实服务和无证实服务。有证实服务包括请求、指示、响应和证实四个原语，无证实服务只有请求和指示两个原语。网络中低层通过服务访问点向相邻高层提供服务，而高层则通过原语或过程调用相邻低层的服务。另外，相邻高层协议通过不同的服务访问点对低层协议进行调用，这与过程调用中不同的过程调用要使用不同的过程调用名一样。相邻层之间的接口则是指两相邻层之间所有的调用和服务访问点以及服务的集合。②服务形式从通信角度看，各层所提供的服务有两种形式：面向连接的服务和无连接的服务。面向连接的服务：所谓“连接”，是指在同等层的两个同等实体间所设定的逻辑通路。利用建立的连接进行数据传输的方式就是面向连接的服务。面向连接的服务过程可分为三部分：建立连接、传输数据和撤消连接。无连接的服务：该类服务的过程类似于邮政系统的信件通信。无论何时，计算机都可以向网络发送想要发送的数据。通信前，无须在两个同等层实体之间事先建立连接，通信链路资源完全在数据传输过程中动态地进行分配。2.OSI结构体系(1)OSI参考模型(2)OSI中的数据流动过程(3)OSI参考模型中各层简介OSI参考模型在计算机网络的发展历史中，曾出现过多种不同的计算机网络体系结构，其中包括IBM公司在1974年提出的SNA（系统网络结构）模型、DEC公司于1975年提出的DNA（分布型网络的数字网络体系）模型等。这些由不同厂商自行提出的专用网络模型，在体系结构上差异很大，甚至相互之间互不相容，更谈不上将运用不同厂商产品的网络相互连接起来以构成更大的网络系统。体系结构的专用性实际上代表了一种封闭性，尤其在上个世纪70年代末至80年代初，一方面是计算机网络规模与数量的急剧增长，另一方面是许多按不同体系结构实现的网络产品之间难以进行互操作，严重阻碍了计算机网络的发展。于是关于计算机网络体系结构的标准化工作被提上了有关国际标准组织的议事日程。1979年，国际标准化组织（ISO）成立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统的计算机网络体系结构，并于1983年正式提出了开放式系统互连OSI（Op