第2章计算机网络体系结构与协议.ppt
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1、第二章 计算机网络体系结构(layered Architecture),主要内容: 第一节 计算机网络体系结构 第二节 开放系统互联参考模型(OSI/RM) 第三节 TCP/IP体系结构,2,了解层次: 1、网络分层的意义 2、网络体系结构的定义 掌握层次: 1、OSI分层模型和TCP/IP体系结构各层的名称 2、协议的三要素 3、描述数据在源与目标设备间的传送过程 4、主要层的功能: 应用层、传输层、网络层、 数据链路层和物理层,第一节 计算机网络体系结构 (Computer network layered architecture),1、网络体系结构提出的背景(background) 2、
2、计算机网络体系结构的定义(definition) 3、网络体系结构的分层原理(theory) 4、通信协议(protocol),4,第一节 计算机网络体系结构,1、网络体系结构提出的背景计算机网络的 复杂性、异质性 不同的通信介质有线、无线、 不同种类的设备主机host、路由器router、交换机switch、复用设备、 不同的操作系统Unix、Windows、 不同的软/硬件、接口和通信约定(协议) 不同的应用环境固定、移动、 不同种类业务分时、交互、实时、 宝贵的投资和积累有形、无形、 用户业务的延续性不允许出现大的跌宕起伏,解决方法:分而治之!,空中旅行的组织,机票 (购买) 行李 (托
3、运) 旅客 (出发) 飞机 (起飞) 飞行航线,机票 (投诉) 行李 (认领) 旅客 (到达) 飞机 (着陆) 飞行航线,飞行航线,一个生活中的例子:空中旅行的组织(airline system),分层的空中旅行组织: 服务,从出发地到目的地的航线:导航服务(air traffic control),柜台-to-柜台:“旅客+行李” 票务服务(ticket agents),行李托运-to-行李认领:行李服务(baggage checkers),登机入口-to-到达出口:旅客乘务服务(gate personnel),跑道-to-跑道:飞机“航运”服务(airplane),层次的观点: 每层实现一
4、种特定的服务 通过自己内部的功能 依赖自己的下层提供的服务,层次化方法在其它领域的应用,程序设计 把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来 实现,如操作系统。 邮政系统 邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输 。,2、计算机网络体系结构的定义,计算机网络中也采用了分层方法。把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题,在不同层上予以解决。 计算机网络中,层次(layer)及每层功能、层间接口(interface)和协议(protocol)的集合被称为计算机网络体系结构。,网络的层次结构方法要解决的问题: 网络应该具有哪些层次?每一层的功能是什么?(分层与功能)分而治之 同一个系统的各层之间的关
5、系是怎样的?它们如何进行交互?(服务与接口)如邮箱就是发信人和邮递员之间的接口。 通信双方的数据传输要遵循哪些通信规则?(协议)如写信的约定语言和信封格式。,10,网络体系结构的发展过程 最早的网络体系结构有IBM的SNA和DEC的DNA等; 由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标准是OSI/RM; 实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构成为事实上的标准。,层次结构方法的优点(advantages),独立性强 把网络操作分成低复杂性单元,上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务。 适应性强 只要服务和接口不变,每层的实现方法可任意改变。 灵活性好,易于设计、实现和维护 把复杂的系统分
6、解成若干个涉及范围小、功能简单 的子单元: 使系统的结构清晰,实现、调试和维护变得简单 和容易。 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。 促进标准化 允许各个供应商进行开发,3、网络体系结构的分层原理,基本概念: 实体entity:每一层中实现该层功能的软件或硬件。(任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程) 对等层peer-to-peer layer:两个不同系统的同级层次。 对等实体peer-to-peer entity:分别位于不同系统对等层中的两个实体。 接口interface:相邻两层之间交互的界面,定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。 服务service:某一层及其以下各
7、层的一种能力,通过接口提供给其相邻上层。 服务访问点service access point:同一结点中,相邻两层的实体相互作用的地方。是上下层实体之间信息交换的接口。(简称SAP) 协议:通信双方在通信中必须遵守的规则。,分层模拟图,14,对等通信例:两个人收发信件,想一想: 收信人与发信人之间、邮局之间,是在直接通信吗? 邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务? 邮局、收发信人各使用谁提供的什么服务?,信件内容,邮件地址,货物地址,发信人,邮局,运输系统,信件内容,邮件地址,货物地址,收信人,对信件内容的约定,对信件如何传递的约定,对货物如何运输的约定,协议P3,公路,铁路,航空,邮局,运输
8、系统,协议P2,协议P1,网络体系结构中通信的实质,网络中的任何一个系统都是按照层次结构来组织的 同一网络中,任意两个端系统必须具有相同的层次 网络中每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机的对等层(peer-to-peer layer)通信。 上层使用下层提供的服务Service user; 下层向上层提供服务Service provider。 第n+1层是第n层的服务用户,第n-1层是第n层的服务提供者 第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服务 通信是对等层实体之间的通信,但它们实现的是虚拟的逻辑通信; 实际通信在最底层通过物理线路的传输完成。,人相互交流的协议和通信协议之间的对
9、比,time,4、 通信协议protocol,4、 通信协议protocol,协议的定义: 定义网络实体间发送和接收报文的格式(format)、顺序(order of messages)以及当传送和接收消息时应采取的行动(actions taken on the transmission)。(语义semantics 、语法Grammar和时序Timing)。 说明: 计算机系统之间 网络中所有的通信活动(交换数据与控制信息)都是由协议所控制,18,4、 通信协议,通信协议的三要素: 语义-对协议中各协议元素的含义的解释,包括需发出何种控制信息,完成何种动作或做何种应答。 What to do?
10、 例如:在HDLC协议中,标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束。 语法-控制信息或数据的结构和格式,包括数据格式、编码、信号电平。 How to do?例如: HDLC高级数据链路控制(High level Data Link Control),FCS(帧校验序列) 时序-通信过程中,通信双方操作的执行顺序和规则 (也称同步,即实体通信实现顺序的详细说明 ) When to do?,HDLC,19,t,t,时序例:,计算机网络体系结构中层与协议的关系: 每层可能会有若干个协议 一个协议只属于一个层次 协议的实现: 网络驱动程序、网络通信协议等软件 网络硬件 常用协议组: TCP/IP(W
11、indows、Unix、Linux、) NetBEUI(Windows) IPX/SPX(NetWare、Windows),21,计算机网络体系结构总结: 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。,22,1、OSI参考模型的基本概念 2、OSI/RM 参考模型的结构 3、OSI/RM 参考模型的各层功能,第二节 开放系统互联参考模型(OSI/RM),23,1、OSI参考模型的基本概念 (
12、1)1984, ISO(国际化标准组织, International Organization for Standardization)发表了OSI(开放系统互连)模型,Open System Interconnection Reference Model,OSI/RM),实际上,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,Consultative Committee of International Telegraph and Telephone)主要是考虑通信标准的制定。 国际标准化组织(ISO),主要是考虑信息处理与网络体系结构。 (2
13、)在OSI中 的“开放”是指希望只要遵循OSI标准,一个系统就可以与同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信。,第二节 开放系统互联参考模型(OSI/RM),OSI/RM 参考模型的结构分为7层,应用层Application,表示层Presentation,会话层Session,传输层Transport,物理层Physical,数据链路层Data Link,网络层Network,7 6 5 4 3 2 1,为网络应用提供服务 数据表示(加密Encryption、压缩Compression等) 在用户间建立会话(session)关系 不同主机(host)进程(Process)间的通信 在主机间传输
14、分组(packet) 在节点间可靠地传输帧(frame) Bit位流的透明传输,2、OSI/RM 参考模型的结构,25,OSI/RM模型的数据流向,PDU,协议数据单元,协议头或PCI,注意:每一层只处理本层的协议头部!,主机A,主机B,26,封装与解封装,封装(capsulation ):数据要通过网络进行传输,要从高层一层一层地向下传输,如果一个主机要传送数据到别的主机,先把数据装到一个特殊协议报头中,这个过程叫封装或打包。 封装分为:切片和加控制信息。 解封装(encapsulation ):上述的逆向过程。,27,OSI模型的意义和缺陷,提供了网络间互连的参考模型。 成为实际网络建模、
15、设计的重要参考工具和理论依据。 OSI/RM的思想为我们提供了进行网络设计与分析的方法。 实际的网络几乎都是分层结构,功能分层,协议分层,只是根据实际需要,层次有多有少。模块化的结构便于同时开发、升级换代、维护管理。 OSI 模型协议制定在TCP/IP协议使用后。人们不会轻易改动协议。 OSI 模型设计亦有一定缺陷,以及与其相关的服务定义和协议极其复杂,实现起来困难且操作效率不高。 实际应用中几乎没有完全按OSI七层模型设计的产品。,28,(一)物理层(Physical layer) 它直接与物理信道(Physical channel)相连,起到数据链路层(Data Link layer)和传
16、输介质(media)之间的逻辑接口作用, 提供建立(establish)、维护(maintenance)和释放(release)物理连接(physical connection )的方法。 任务:在物理介质上正确地(correctly)、透明地(Transparent)传送比特bit流。,3、OSI/RM 参考模型的各层功能,29,(二)数据链路层(Data link layer) 任务:在两个相邻节点(Adjacent nodes)间可靠地传输数据,使之对网络层呈现为一条无错的链路(Reliable link)。 在相邻节点之间建立链路; 传送以帧(Frame)为单位的数据信息;并且进行检错
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