第03章-体系结构与通信协议

电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材1吴功宜吴英编著计算机网络教程（第三版）视频会议系统吴功宜吴英编著本章学习要求：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协议族了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材4吴功宜吴英编著3.1网络体系结构的基本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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材5吴功宜吴英编著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电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材6吴功宜吴英编著协议、层次、接口与体系结构的概念层次（layer）协议（protocol）接口（interface）体系结构（architecture）电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材7吴功宜吴英编著层次（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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材8吴功宜吴英编著接口（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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材9吴功宜吴英编著网络体系结构（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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材10吴功宜吴英编著3.2OSI参考模型3.2.1OSI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（CCITT）国际标准化组织（ISO）CCITT与ISO的工作领域不同：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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材11吴功宜吴英编著在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它任何系统进行通信；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）电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材12吴功宜吴英编著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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材13吴功宜吴英编著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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材14吴功宜吴英编著3.2.2OSI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。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材15吴功宜吴英编著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电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材16吴功宜吴英编著3.2.3OSI参考模型各层的功能物理层的主要功能：利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；物理层的数据传输单元是比特。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材17吴功宜吴英编著数据链路层的主要功能：在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；传输以“帧”为单位的数据包；采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。网络层的主要功能：通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材18吴功宜吴英编著传输层的主要功能：向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务；处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。会话层的主要功能：负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点-点传输不中断；管理数据交换。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材19吴功宜吴英编著表示层的主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换；数据加密与解密；数据压缩与恢复。应用层的主要功能:为应用程序提供了网络服务;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材20吴功宜吴英编著3.2.4OSI环境中的数据传输过程OSI环境（OSIenvironment）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BA数据链路层物理层CCP网络层A电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材21吴功宜吴英编著OSI环境中的数据流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B电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材22吴功宜吴英编著3.3TCP/IP参考模型3.3.1TCP/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；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4，一般被称为IPv4；IPv6被称为下一代的IP协议。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材23吴功宜吴英编著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设备在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材24吴功宜吴英编著3.3.2TCP/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）电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材25吴功宜吴英编著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-网络层电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材26吴功宜吴英编著主机-网络层TCP/IP参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报;允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，例如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等;当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时，就可以认为是这一层的内容;充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性，它也为TCP/IP的成功奠定了基础。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材27吴功宜吴英编著互连层相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；IP协议是一种无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材28吴功宜吴英编著传输层主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材29吴功宜吴英编著应用层网络终端协议Telnet文件传输协议FTP简单邮件传输协议SMTP域名系统DNS简单网络管理协议SNMP超文本传输协议HTTP电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材30吴功宜吴英编著TCP/IP协议栈应用层传输层互联层主机-网络层EthernetTokenRing其他协议ARPRARPIPTCPUDPTelnetFTPSMTPDNS其他协议电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材31吴功宜吴英编著3.4OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较3.4.1对OSI参考模型的评价层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；OSI参考模型将“服务”与“协议”的定义结合起来，使得参考模型变得格外复杂，实现困难；寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；严格按照层次模型编程的软件效率很低。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材32吴功宜吴英编著3.4.2对TCP/IP参考模型评价在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其它非TCP/IP协议族；TCP/IP参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，但是TCP/IP参考模型却没有做到这点。电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材33吴功宜吴英编著3.4.3一种建议的参考模型应用层传输层网络层数据链路层物理层电子工业出版社21世纪计算机基础教育系列教材34吴功宜吴英编著3.5小结网络体系结构与网络协议是网络技术中两个最基本的概念；为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议；网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构；OSI参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层可能包括的服务，对推动网络协议标准化的研究起到