第六章计算机网络协议

第六章计算机网络协议本章学习要求：•掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念。•掌握：网络体系结构的层次化研究方法。•掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能。•掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务功能与主要协议。•了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较。•了解：网络协议标准组织，RFC文档、Internet草案与Internet协议标准的制定过程。6.1网络体系结构的基本概念6.1.1网络协议的概念•网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；•网络协议的三要素：语义、语法与时序；•语义：用于解释比特流的每一部分的意义；•语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；•时序：事件实现顺序的详细说明。社会上存在的邮政系统通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信者收信者运输部门的邮件运输业务书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门路由选择运输转送邮局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件通信者活动邮局服务业务邮局转送业务6.1.2协议、层次、接口与体系结构的概念计算机网络的四个重要的概念•层次（layer）•协议（protocol）•接口（interface）•体系结构（architecture）文件传送模块通信服务模块网络接入模块计算机1文件传送模块通信服务模块网络接入模块文件及文件传送命令与通信有关的报文命令网络接口网络接口通信网络计算机2图划分层次举例网络通信中的分层概念中国教师德国教师翻译翻译秘书秘书消息“你好”“HALLO”“HELLO”“HELLO”传真传真2/3接口1/2接口2/3接口1/2接口P3P1P2对交谈内容的共识用英语对话使用传真通信多层通信示例：中德教师之间的讨论层次（layer）•层次是人们对复杂问题处理的基本方法；•将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；•对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；•不同的系统分成相同的层次；•不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；•不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；•对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；•高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。接口（interface）•接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点;•同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务;•只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。网络体系结构（networkarchitecture）•一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集;•网络协议是按层次结构来组织的；•网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；•网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精确的定义；•体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。6.1.3网络体系结构的研究方法层次结构研究方法的优点•各层之间相互独立;•灵活性好;•各层都可以采用最合适的技术来实现;•易于实现和维护;•有利于促进标准化。6.2OSI参考模型6.2.1OSI参考模型的基本概念•在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（ConsultativeCommitteeonInternationalTelegraphandTelephone，CCITT）；国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）。•CCITT与ISO的工作领域是不同的：CCITT主要是考虑通信标准的制定；ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。•在OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信；•OSI标准中，采用的是三级抽象：•体系结构（architecture）；•服务定义（servicedefinition）；•协议说明（protocolspecification）。体系结构•开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务；•作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；•对网络内部结构最精炼地概括与描述。服务定义•详细地说明了各层所提供的服务；•某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；•低层的服务是通过接口向上一层提供的;•各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；•定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是具体实现的。协议说明OSI标准中的各种协议明确地定义了：•应该发送什么样的控制信息；•如何解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。•OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定；•在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；•OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。6.2.2OSI参考模型的结构ISO划分七层结构的基本原则•网中各结点都具有相同的层次；•不同结点的同等层具有相同的功能；•同一结点内相邻层之间通过接口通信；•每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；•不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。OSI参考模型的结构应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层传输介质传输介质传输介质主机CCP网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机CCP网络层数据链路层物理层物理层在数据链路层的两个实体之间建立、维持和释放物理连接规定在物理层传送0、1数据的电参数（波形、频率、电平）规定所用的连接器机械、电气、功能特性和规程特性传送二进制位(bit)流2.2.3OSI参考模型中各层的主要功能数据链路层数据链路的建立、维持和释放帧的分界和同步差错检测与控制流量控制传送帧网络层路径选择网络中拥塞控制传送分组IP数据报传输层提供两个端系统之间可靠、透明的数据传送具有复用和分用顺序控制流量控制传送报文TCPUDP会话层传送报文为通信的两个进程建立会话连接，进行交换会话管理令牌管理同步管理表示层信息格式的转换（数据编码）数据的加密和解密、压缩与恢复OSI内部语法应用层为用户使用网络提供接口OSI网络参考模型功能表示应用层与用户应用进程的接口“做什么”表示层数据格式的转换“对方看起来象什么”会话层会话管理与数据传输同步“该谁讲话”“从哪儿讲起”传输层端到端可靠的数据传输“对方在哪儿”网络层分组传送，路由选择，流量控制“走哪条路可以到达对方”数据链路层相邻结点间无差错地传送帧“每一步该怎么走”物理层在物理媒体上透明传输位流“怎样利用物理媒体”6.2.4OSI环境中的数据传输过程1.OSI环境（OSIenvironment）网络层数据链路层物理层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层传输介质传输介质传输介质CCP网络层应用进程AOSI环境应用进程B主机A主机BACCPB2.OSI环境中的数据传输过程应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用进程A应用进程B比特序列帧分组报文数据单元数据单元数据数据传输介质主机A主机B6.2.5面向连接服务与无连接服务•在网络体系结构中讨论的服务可以分为通信子网对网络中数据传输所提供的服务,与整个网络系统为用户提供的服务；•通信子网的服务是指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性所提供的保证机制；•通信服务可以分为两大类：面向连接服务（connect-orientedservice）；无连接服务（connectlessservice）。1.面向连接服务•连接：两个数据实体为进行数据通信而进行的一种结合.•面向连接服务过程：连接建立、数据传输、连接释放。•虚电路服务：•面向连接的服务适应：一定时间内向同一个目的地发送许多报文。面向连接服务的特点•面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；•面向连接服务的在数据传输过程中，各分组可以不携带目的结点的地址；•面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；•面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。2无连接服务•两实体间通信不需先建立好一个连接。灵活方便和比较迅速。不能防止报文丢失、重复或失序，属不可靠连接。•适用：传送少量零星报文无连接服务的特点•无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；•无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；•数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；•无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。确认（证实）和重传机制的特点•网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证；•确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；•在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；•确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。A系统服务用户（N+1）服务提供者（N）B系统服务用户（N+1）服务提供者（N）ResponseConfirmRequestRequestIndicationIndication需证实无需证实有证实服务与无证实服务示例电话系统工作示例例如：张三打电话请李四吃饭，服务提供者为电话局①CONNECT.request张三拨李四的电话号码②CONNECT.indication李四的电话振铃③CONNECT.response李四摘机④CONNECT.confirm张三听到振铃停止，知道有人应答⑤DATA.request张三说话，发出邀请⑥DATA.indication李四听到张三的邀请⑦DATA.request李四说话，接受邀请⑧DATA.indication张三听到李四的答复⑨DISCONNECT.request李四挂机⑩DISCONNECT.indication张三听到李四挂机，也挂机。服务类型与服务质量通信协议四种类型：•面向连接与确认服务；•面向连接与不确认服务；•无连接与确认服务；•无连接与不确认服务。设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。6.3TCP/IP参考模型6.3.1TCP/IP参考模型的发展•在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；•1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；•20世纪80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP参考模型进一步的研究；•TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本4、版本5与版本6；•目前我们使用的是版本4，它的网络层IP协议一般记作IPv4；•版本6的网络层IP协议一般记作IPv6（或IPng,IPnextgeneration）；•IPv6被称为下一代的IP协议。TCP/IP协议的特点•开放的协议标准;•独立于特定的计算机硬件与操作系统；•独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；•统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址；•标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。6.3.2TCP/IP参考模型各层的功能•应用层（applicationlayer）•传输层（transportlayer）•互连层（internetlayer）•主机-网络层（host-to-networklayer）TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对应关系应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层OSI参考模型TCP/IP参考模型传输层互联层主机―网络层主机-网络层•参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报;•允许主机连入