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第3章计算机网络体系结构1

发布时间:2019-06-11 00:16 来源:未知 编辑:admin

  第3章计算机网络体系结构1_计算机硬件及网络_IT/计算机_专业资料。第3章 计算机网络体系结构 3.1 网络体系结构 3.2 开放系统互联参考模型 3.3 OSI各层概述 3.4 TCP/IP体系结构 2013-8-27 1 第3章 计算机网络体系结构

  第3章 计算机网络体系结构 3.1 网络体系结构 3.2 开放系统互联参考模型 3.3 OSI各层概述 3.4 TCP/IP体系结构 2013-8-27 1 第3章 计算机网络体系结构 本章学习要求: ? 掌握:网络体系结构涉及的基本概念 ? 掌握:层次化体系结构OSI/RM、TCP/IP ? 掌握: OSI/RM主要层的功能 ? ? ? ? ? 物理层 数据链路层:流量控制协议 网络层:路由算法 传输层:端口 应用层:主要协议 2 2013-8-27 3.1 网络体系结构 3.1.1网络体系结构的定义和发展 ? 网络体系:为了完成计算机间的通信合作,把每个计算 机互联的功能划分成定义明确的层次,规定了同层次间 通信的协议及相邻层之间的接口及服务。 ? 网络体系结构:网络体系中同层进程间通信的协议和相 邻层接口及服务的统称。 ? 网络体系结构的发展: ARPANET SNA OSI/RM 2013-8-27 3 3.1 网络体系结构 3.1.2网络体系结构的分层原理 层次结构方法要解决的问题: 1.网络应该具有哪些层次?每一层的功能是什么? ——(分层与功能) 2.各层之间的关系是怎样的?它们如何进行交互? ——(服务与接口) 3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则? ——(协议) 层次结构方法包括三个内容:分层及每层功能、服务与层间 接口、协议。 2013-8-27 4 3.1 网络体系结构 层次、服务和接口、协议的范例 发信者 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 通信者活动 收信者 通信者活动 阅读信件 邮局服务业务 邮局服务业务 信件投递 信件分拣 邮局转送业务 邮局转送业务 分发邮件 邮件拆包 路由选择 运输 2013-8-27 运输部门的邮件运输业务 转送邮局 接收邮包 5 系统A 消息 系统B Pn+1 Pn N+1 N N-1 N+1 N N-1 Pn-1 3 2 1 P3 P2 P1 3 2 1 物理通信线路 计算机网络分层体系结构示意图 3.1 网络体系结构 OSI/RM分层结构的一些基本概念 ? 层: 系统的逻辑划分,代表功能上相对独立的一个子系统 (N)层表示OSI层次结构中的任一层, (N+1)层表示指定层次的上邻层(层用户:本次服务使用者) (N-1)层表示指定层次的下邻层(服务提供者) ? 对等层: 不同系统的相同层次 2013-8-27 7 3.1 ? 实体: 网络体系结构 某一层中具有数据收发能力的活动单元,一般指该层的 软件进程和实现该层协议的硬件单元(比如IE进程或者 网卡上具有某种功能的模块) ? 对等实体: 位于不同系统的相同层次中的两个实体(Peer Entity) 协议作用在对等实体之间 2013-8-27 8 3.1 ? 通信协议: 网络体系结构 为了保证数据通信双方能够正确而自动地进行通信,制定的 一套交换双方必须遵守的规则、约定与标准。 ? 接口: 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: 某一层及其以下各层的一种能力,通过接口提供给其相邻的 上层。 2013-8-27 9 3.1 网络体系结构 计算机网络通信方式——对等通信 对等通信的实质(peer to peer)—对等层实体之间虚拟通信 ? 禁止不同主机的对等层之间的直接通信。 ? 每一层必须依靠下邻层提供的服务来与另一台主机的对应层 通信。 下层向上层提供服务——Service provider 上层使用下层提供的服务——Service user ? 实际通信在最底层完成 2013-8-27 10 3.2 开放系统互联参考模型 3.2.1 开放系统 ? 开放: ? 所遵循的标准是开放的(任何人都可以参照); ? 遵循标准开发的计算机系统是开放的(可以和任意地方 的任意计算机系统进行通信,只要该计算机系统也遵循相 同的标准)。 ? 开放系统: 遵守互联标准协议的实系统(实系统:传送和处理信息的自 治整体)。 2013-8-27 11 3.2 开放系统互联参考模型 开放系统互联参考模型OSI/RM分层的基本思路: 1)抽象系统 抽象实系统中涉及互联的公共特性构成模型系统,然后通过 对模型系统的研究就可以避免涉及具体机型和技术实现上的 细节,也可以避免技术进步对互联标准的影响。 2)层次化(分层原理) 根据网络的组织和功能将网络划分成定义明确的层次,然后 定义层间接口以及每层提供的功能和服务,最后定义每层必 须遵守的规则,即协议。 2013-8-27 12 3.2 开放系统互联参考模型 3.2.3 OSI/RM七层模型 7 6 5 4 3 应用层Application 表示层Presentation 会话层session 传输层transport 处理网络应用 数据表示 主机间会话通信 端到端的连接 寻址和最短路径 介质访问/接入 二进制传输 网络层Network 数据链路层Data Link 物理层Physical 2 1 2013-8-27 13 APA 应 用 层 表 示 层 计 算 机 A 会 话 层 传 输 层 网 络 层 数据链路层 物 理 层 应 用 层 APB OSI环 境 表 示 层 会 话 层 计 算 机 B CCP A 网 络 层 数据链路层 物 理 层 CCP B 网 络 层 数据链路层 物 理 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 3.2 开放系统互联参考模型 3.2.4 通信协议: 在网络系统中,为了保证数据通信双方能够正确而自动地 进行通信,制定的一套交换双方必须遵守的规则、约定与 标准。 特点: ? 通信协议具有层次性 ? 通信协议具有可靠性 ? 通信协议具有有效性 2013-8-27 16 3.1 网络体系结构 网络协议要包含三个要素: ? 语义:构成协议的协议元素含义的解释,也即“讲什么”, 例如协议元素SOH的语义表示所传输报文的报头开始。 ? 语法:规定将若干个协议元素和数据组合在一起来表达一个 更完整的内容时所应遵循的格式,也即“怎么讲”,例如在 传输数据报文时,可用适当的协议元素和数据表达传输格式 SOH HEAD STX TEXT ETX BCC ? 时序:通信中各事件发生的因果关系。 2013-8-27 17 3.2.5 服务 ? 定义:本层向上邻层提供的功能集合。 OSI增值服务的原则:本层的服务应是本层功能与下邻层服务的 之和,即(N)服务=(N)功能+(N-1)服务层 ? 服务访问点SAP(Service Access Point):上层实体可以访问下 层实体提供的服务的地方(位于接口上)。 ? 每一个SAP都有一个唯一地址(标识),且每个层间接口可以有 多个SAP。 ? 在同样的意义上,我们可以把在邮政系统中邮局服务业务为发信 人提供服务的地方——某一邮箱的地址看作SAP,也可把收信人 的街名和信箱看作邮局服务业务为收信人提供服务的SAP地址。 发一封信,这两个SAP地址都是不可缺少。 3.2 ? 服务分类: 开放系统互联参考模型 1.面向连接服务(Connection-Oriented Service) ? 每一次完整的数据传输都必须具有建立连接、数据传输和终 止连接三个过程。 ? 电话系统服务模式的抽象。 2.无连接服务(Connectionless Service) ? 每个传送单元(报文、数据报)带有完整的目的地址,每个 传送单元在系统中是独立传送的。 ? 邮政系统服务模式的抽象。 2013-8-27 19 Connection Oriented Service Connectionless Service 邮政系统 参考模式 特点 可靠性 电话系统 传输前需要建立连接; 静态分配资源 提供可靠的报文流服务 动态分配资源 不能防止报文的丢失、损 坏、重复和乱序 需要为每一个传送单元提 供完整的目的地址 对目的地址 的要求 仅在连接阶段需要完整的 目的地址 在一段时间内向同一目的地 发送大量信息; 实时性要求 FTP、TELNET 适用场合 少量零星信息 HTTP ? 服务原语:提供层服务的具有原子特征的语句(提供层服务的方 法) ? 原语:语句的执行具有原子特征(完整性),不容许中断; ? 功能: (1)本层利用服务原语来通知下邻层要做什么; (2)下邻层利用服务原语来通知本层已做了什么。 服务原语是层服务被引用的工具 ? 服务原语定义了相邻层之间的接口。 ? 结构:由原语名(CONNECT、SEND、LISTEN、RECEIVE等) 和原语参数两部分组成(类似编程时的程序名和形式参数)。 ? 分类: 3.2 开放系统互联参考模型 ? 服务原语举例:数据层向网络层提供服务原语供网络层调用。如, 用于建立连接的服务原语有 ? CONNECT. Request:从主叫方网络层发给数据链路层,请求建 立连接。 CONNECT. indication :被叫方链路层用此原语通知其上的网络 层有连接请求。 CONNECT. response:被叫方网络层同意连接,发出的回应原 语。 CONNECT. confirm:主叫方数据链路层将对方同意连接的信息 告知其上的网络层。 22 ? ? ? 2013-8-27 3.2 开放系统互联参考模型 ? 有确认服务的服务原语:发出的请求原语要求得到确认 2013-8-27 23 3.2 开放系统互联参考模型 ? 无确认服务的服务原语:发出的请求原语无需对方予以确认 XXXX.REQ XXXX.IND 2013-8-27 24 3.2 开放系统互联参考模型 3.2.6 数据单元(在网络中信息传送的单位/数据块) ? 协议数据单元PDU:对等层协议之间交换的数据单元的统称。 PDU的内容和格式由协议精确地定义: 协议控制信息PCI 用户数据 PCI:为实现协议而在传送的数据的首部或尾部加上的控制信 息,如地址、序号信息、差错控制信息等; 用户数据:本层实体提供服务而为上层传送的信息。 (N)PDU传递给下层,作为(N-1)用户数据的一部分,直 至对等层实体。 例如:将信装入信封,写上收发地址并贴邮票 2013-8-27 25 3.2 开放系统互联参考模型 ? 传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称: ? 传输层——报文或数据段(Segment) ? ? ? 网络层——分组或数据报(Packet) 数据链路层——数据帧(Frame) 物理层——比特(Bit) 2013-8-27 26 3.2 开放系统互联参考模型 ? 服务数据单元SDU:上层用户要求本层服务提供者传递的逻辑 数据单元,即相邻层间交换的数据单元,是服务原语的表现形 式。 例如:一个邮筒中的全部信就形成一个SDU ? 制定协议时,可以使上层的协议数据单元PDU格式直接等同于 本层SDU的结构。 ? 由于协议数据单元PDU对长度往往会有所限制,要适应本层提 供的服务,所以上层的PDU可能会按照本层SDU要求进行分段 或合并,然后由上层向下传送。 2013-8-27 27 3.2 开放系统互联参考模型 ? 接口数据单元IDU:经过相邻层间接口的信息单元 接口控制信息ICI 接口数据(SDU) ICI:在通过层间接口时,需要加一些控制信息,如通过多 少字节、要求的服务质量等。它只对SDU通过接口时有作 用,进入下层后丢弃 接口数据:通过接口传送的信息内容,即SDU 例如:邮递员定时从邮筒中取出所有信,检查邮票盖邮戳 2013-8-27 28 (N+1)PDU 第N+1层 SAP 接口 第N层 ICI (N)SDU ICI (N)SDU (N)SDU (N)PDU (N)PCI 数据单元间关系 3.2 ? 数据封装: 开放系统互联参考模型 ? 一台计算机要发送数据到另外一台计算机,必须首先在数据 前面加上特定的协议头部,这个过程称为封装。 数 据 协议头 数 据 发送邮件的例子:信装入写有源地址和目的地址的信封中发 送,还要写明用航空或挂号…。 2013-8-27 30 3.2 AP A 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 开放系统互联参考模型 AP数据 AP数据 数据单元 数据单元 报文 分组 帧 比特序列 传输介质 应 表 会 传 网 AP B 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 数据链路层 物 理 层 数据链路层 物 理 层 2013-8-27 31 3.2 开放系统互联参考模型 实际例子:TCP/IP协议的封装 应用层 应用层数据 传输层 TCP头 应用层数据 网际层 IP头 TCP头 应用层数据 数链层 2013-8-27 帧头 IP头 TCP头 应用层数据 帧尾 32 3.3 3.3.1物理层(Physical) OSI各层概述 ?系统和通信介质的接口,实现数据链路层实体间物理连接,在 物理媒体上透明地传送位流。 1.数据终端设备DTE、数据电路端接设备DCE DTE——希望通过网络互连的设备(入网设备),用于处理用户 数据的设备,即通信系统中的信源和信宿,比如计算机。 DCE——界于DTE和网络之间的设备,用于把DTE发出的数字信 号转换成适合于在传输介质上传输的形式,反之亦然。如 MODEM。 2013-8-27 33 3.3 OSI各层概述 2.物理层的目的:提供与通信介质的连接,描述连接的特性,以 建立、维护和释放物理连接;向上层提供位信息的正确传送。 ?机械特性:规定了DTE/DCE接口连接器的尺寸、形状、规格, 例如25引脚或9引脚的D形连接器、8引脚的RJ-45连接器等。 ?电气特性:规定了各种信号的电平,脉冲宽度,频率,允许的 数据传送速率,最大传送距离等。 ?功能特性:规定了接口引脚的功能作用。 ?规程特性:规定了接口电路信号发生的时序,应答关系,操作 过程,如怎样建立和拆除物理层连接,全双工还是半双工等。 2013-8-27 34 3.3 3.物理层提供的服务 1)提供物理连接: OSI各层概述 ? 数据链路:通信路径 ? 数据链路的路径构成 a. 物理介质 b. 用于传输位流所需的具体设施 c. 物理层中的中继设备和互联数据链路 ? “设备—媒体—设备”之间的连接。 2013-8-27 35 3.3 OSI各层概述 ?物理连接分类: a. 点到点连接:两个数据链路实体的一对一连接。 b. 多点连接:一个数据链路实体与多个数据链路实体连接 2013-8-27 36 3.3 2)物理服务数据单元: OSI各层概述 ? 串行传输方式物理服务数据单元:仅含1位 ? 并行传输方式物理服务数据单元:由若干位组成 3)顺序化 保证接收物理实体所收到的位顺序与发送物理实体所发送的位 顺序相同 4)数据链路标识 提供能标识两相邻系统间数据链路的唯一标识符 2013-8-27 37 3.3 5)故障情况报告 OSI各层概述 当物理层内出现差错时,应向数据链路层实体报告物理层中所 检测到的故障和差错 6)服务质量指标 误码率、数据传输速率、传输延时 2013-8-27 38 3.3 OSI各层概述 3.3.2 数据链路层(Data Link) 在不可靠的物理线路上实现数据的可靠传输,使之对网络层 呈现为一条无错的传输线.数据链路层的目的 ? 在相邻网络实体间建立和释放数据链路连接 ? 传输数据链路层协议数据单元--帧。 2013-8-27 39 3.3 OSI各层概述 2.数据链路层的功能和服务 1)数据链路连接的建立和拆除 ?无应答、无连接服务 ?源主机发送前不必建立数据链路连接,而传输时接收方也不应 答,出错和数据丢失时也不作处理 ?允许源主机的数据链路层可以在任何时候,发送任意长的信息 ?接收主机的数据链路层将收到的信息送入自己的网络层 适用于: 误码率很低的线路,错误恢复留给高层; 实时业务(如语音)、 大部分局域网 2013-8-27 40 3.3 OSI各层概述 ? 有应答、无连接服务 ? 这种服务仍然不需要建立连接,但是对一个发出去的帧要进 行单独确认; ? 用这种方式,发送方就可以知道某一帧是否已安全到达目的 地。如果在指定的时间一帧未能到达目的地,则可以重传误 帧,或进入等待状态; 适用于: 节点的物理链路较多或通信量较小的网络,如无线 应答分类: ?正向应答 OSI各层概述 ? 只对正确的信息进行确认应答 ? 在网络中最常使用的方式 ?负向应答 ? 只对错误的信息进行否定应答 ?双向应答 ? 既对正确的信息进行确认应答,也对错误的信息进行 否定应答 ? 常用于对重要的控制帧的传送 2013-8-27 42 3.3 ? 面向连接服务 OSI各层概述 这是数据链路层为网络层提供的服务质量很好的服务。 这种服务方式的数据传输分为三个阶段: - 建立数据链路:让通信双方的数据链路层都同意进行传输并 做好传输的准备 - 传输数据帧:将网络层数据封装成帧后传送到接收方 - 拆除数据链路:传输结束后便拆除该数据链路 数据链路层的面向连接的服务为网络层协议实体之间的交互 提供了可靠的数据传送服务。 2013-8-27 43 3.3 OSI各层概述 2)构成数据链路数据单元(PDU) 在获得的上层数据的外面加上数据链路层控制信息,形成数据 链路层的PDU。 3)数据链路连接的分裂-多链路规程(MLP) 为提高传输速率和效率,将一条物理链路上传输的数据改用多 条物理连接来传输(同多路复用相反)。 利用多链路规程可以支持高可靠,或者高速率的传输要求: ? 追求高可靠性时,将相同帧交由多条不同的单链路同时传输; ? 追求高速率时,将不同帧交由多条单链路传输,MLP的传输 速率是各单链路规程SLP的传输速率之和。 2013-8-27 44 3.3 OSI各层概述 4)定界与同步(帧) 在接收到的位流中,识别出数据链路层PDU的开始和结束, 以及PDU中的每个字段,以便实现正确的接收和控制。 5)顺序和流量控制 ? 顺序控制功能控制PDU按顺序在相邻节点之间传输。 ? 流量控制功能用以保持数据单元的发送与接收的速率匹配。 6)差错控制(检测和恢复) ? 检测出传输出错、格式出错或操作出错 ? 通过恢复功能从上述三种错误状态中解脱出来 ? 将不能恢复的出错向网络层实体报告。 2013-8-27 45 3.3 OSI各层概述 3. 数据链路层协议分类(根据所采用的帧同步技术 ) ? 面向字符的通信规程: 利用某些专用的字符来控制数据的传输,即传送的控制信息 必须由规定的字符集组成。 标题(传输控制):序号、源站地址、目的站地址、发送日 期 正文:具体内容(当正文长度可变时,还包括识别正文开始 和结束的控制字符) SOH 2013-8-27 标题 STX 正文 ETX 校验 46 3.3 OSI各层概述 ? 面向比特的通信规程: 采用特定的二进制标志序列作为帧的开始和结束,以一定的比 特组合所表示的命令和响应实现链路的监控功能。 典型例子:高级数据链路控制协议HDLC。 优点: ? 对数据没有位数限制 ? 标志唯一(01111110,7EH) 标志 01111110 2013-8-27 站址 8位 控制 8位 信息 任意长 帧校验 16位 标志 01111110 47 DB-9和DB-25插针对应关系表 13 DB-9 1 DB-25 8 插针功能说明 信号检测 接收数据 发送数据 数据终端就绪 信号地 数据传输设备就绪 请求发送 允许接收 振铃指示 标记 DCD RD SD 5 1 14 a) DB-25 b) DB-9 1 6 9 5 6 7 8 9 7 6 4 5 22 SG DSR RTS CTS RI DTR 2(RTS) 3 3(TDX) 2 4 20 25

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