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第2篇 网络协议的体系结构(1)

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协议网络协议篇二 网络体系结构
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本课程主要教学内容 第1章 通信网概论 第2章 网络协议的体系结构 第3章 局域网协议与技术 第4章 因特网协议与技术 第5章 IP广域网的路由与QoS控制 第6章 网络新技术及其发展 第2章 网络协议的体系结构 2.1 IP网络的重要特点 2.2 计算机网络体系结构概述 2.3 TCP/IP协议模型 2.1 IP 网络的重要特点 n每一个分组独立选择路由。 n发往同一个目的地的分组,后发送的有可能 先收到(即可能不按顺序接收)。 n当网络中的通信量过大时,路由器就来不及 处理分组,于是要丢弃一些分组。 n因此, IP 网络不保证分组的可靠地交付。 nIP 网络提供的服务被称为: 尽最大努力服务(best effort service) IP网与传统电信网的比较 n传统电信网向用户(即电话机)提供的服务质 量有保证。 n连接在传统电信网上的电话机几乎没有智能, 因此全部的服务质量由电信网完成。 电信网 电信网向用户话机提供信息可靠交付 电路交换的电路交换的电信网 n一般而言,通信必须是可靠的。但应当由谁负责 可靠交付?因特网和传统电话网的思路不同。 n严格地讲,计算机通信是在计算机上运行的应用 程序之间的通信。所以实现可靠通信最终应当是 让计算机应用程序(应用进程)之间的通信可靠。 n因特网认为,IP 协议没有必要提供可靠服务( 这样做可以使网络简单、灵活性好、价格便宜) ,但如何解决可靠通信的问题呢? n办法:在计算机网络中增加 TCP 协议,这样就 可以实现计算机应用程序之间的可靠通信。 因特网的设计思路 分组交换的因特网分组交换的因特网 分组交换的因特网不保证可靠交付 TCP 协议 带有带有 TCP TCP 协议的计算机协议的计算机 向用户程序提供可靠交付向用户程序提供可靠交付 丢弃 丢弃 丢弃 TCPTCPTCPTCP 因特网 你会思考吗? ØIP、TCP等协议是以何种方式工作的? Ø一个网络协议包含哪些要素? Ø不同协议的作用范围如何界定? Ø各种协议之间是孤立的还是保持一定的依赖关系? Ø网络协议生存的基础是什么? 2.2 计算机网络协议与体系结构概述 2.2.1 网络协议及相关概念 2.2.2 通用的协议分层思想 2.2.3 OSI体系结构 2.2 计算机网络协议与体系结构概述 n网络协议是通信双方共同遵守的规则和约定的集合 。网络协议包括三个要素: 语法,规定了信息的结构和格式; 语义,表明信息要表达的内容; 同步规则,涉及双方的交互关系和事件顺序。 n整个计算机网络的功能实现体现为协议的实现。 n为了保证网络的各个功能的相对独立性,以及便 于实现和维护,通常将协议划分为多个子协议, 并且让这些协议保持一种层次结构,子协议的集 合通常称为协议簇。 2.2.1 网络协议及相关概念 n网络协议的分层:以因特网为例,TCP/IP协议族 中包含多个协议,它们之间并不孤立,那么设计们又 是按照什么样的思路来构建整个协议族的体系结构呢 ?这就涉及网络协议的分层问题。 n计算机通信网的协议包含的内容相当复杂,如何将 复杂的问题分解为若干较简明且有利于处理的问题, 实践表明,采用网络的分层结构最为有效。 n采用分层次的体系结构是人们对复杂问题进行处理 的基本方法。网络分层主要是将复杂的通信问题分成 不同的功能块,由不同的层次通过本层的协议来执行 某个功能块。网络分层是基于透明性原则。 2.2.1 网络协议及相关概念(2) n网络体系结构(Network Architecture)是指网络的 各层功能及其协议的集合。 n建立网络体系结构的目的是为了能够抽象地讨论和 研究网络技术,使网络的实现技术与网络的功能发 展能够相互独立地各自发展。 nNetwork Architecture的主要任务是指导网络技术 设计,为研究人员提供在多种可选方案中进行审慎 选择的决策指导,从而试图保证这些技术决策能在 网络演进过程中保持一致性和连贯性。 2.2.1 网络协议及相关概念(3) nNetwork Architecture的研究内容: 关于网络系统构成要素的研究 关于命名、编址和路由的研究 关于网络协议模块化方法的研究 关于网络系统中的状态和功能部署位置的 研究 n任何网络体系结构都是一个从需求目标开始的、过程 前后连贯的、各个认知阶段之间存在紧密逻辑关系的 系统概念,因此对任何网络体系结构的合理认知或研 究途径,都应该遵循“ 需求目标-设计原则-具体实 现”的路线。 2.2.1 网络协议及相关概念(4) n网络协议分层的思想不是TCP/IP特有的,而是 一种被广泛认可的通用思想。著名的OSI模型也采 用了分层结构。 n协议的实现要落实到一个个具体的硬件模块和软件 模块上,在网络中将这些实现特定功能的模块称为 实体(Entity)。 n网络中的通信是指在不同系统中的两个实体之间的 通信。因此,更具体地说所谓实体,是指能发送和 接收信息的任何对象,包括终端、应用软件和通信 进程等。 2.2.2 通用的协议分层思想 n网络中的两个系统中实体间的通信是一个十分复 杂的过程,为了减少协议设计和调试过程的复杂性 ,大多数网络的实现都按层次的方式来组织。 n通用的协议分层思想表述: 每一层只完成一定的功能,每一层又都建立 在它的下层之上。不同的网络,其分层的数量、各 层的名字、内容和功能不尽相同。然而,在所有的 网络中,每一层都是通过层间接口向上一层提供服 务的,同时把这种服务实现的细节对上层加以屏蔽 。 2.2.2 通用的协议分层思想(2) n通用的协议分层思想示意(下图需替换) 2.2.2 通用的协议分层思想(3) n协议分层思想示意具体包含以下几个含义: 第N层实体在实现自身定义的功能时,只使用N-1层提供的服务。 N层向N+1层提供服务,此服务不仅包含N层本身所具有的功能, 还包括由下层提供的功能总和。 最低层只提供服务;最高层只是用户;中间各层既是下一层的用户 又是上一层服务的提供者。 仅在相邻层间有接口,且下层服务的实现细节对上层完全透明。 n 两个结点之间进行协议通信的实质两个结点之间进行协议通信的实质 如下图所示,两个结点之间的通信体现为两个结点对等 层(结点A的N+1层与结点B的N+1层)之间遵从本层协议 的通信。 各层的协议由各层的实 体实现,通信双方对等层中 完成相同协议功能的实体称 为对等实体。 对等实体按协议进行通 信,所以协议反映的是对等层的对等实体之间的一种横向关系, 严格地说,协议是对等实体共同遵守的规则和约定的集合。协议 中的格式和语义只有对等实体能够理解。 2.2.2 通用的协议分层思想(4) n 网络协议的层间关系 2.2.2 通用的协议分层思想(5) 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方,通 常称为服务访问点SAP(Service Access Point)。服务访问 点SAP也是一个抽象的概念,它实际上就是一个逻辑接 口,与通常所说的两个设备之间的硬件并行接口或串行 接口是很不一样的。 如右图,N层实体实现的服务 是在N层SAP处提供给N+1层的, 即 N层SAP就是N+1层可以访问N 层服务的地方。每个SAP都有一 个能够唯一标识它的地址。 n 网络协议的层间关系 2.2.2 通用的协议分层思想(5) 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方,通 常称为服务访问点SAP(Service Access Point)。服务访问 点SAP也是一个抽象的概念,它实际上就是一个逻辑接 口,与通常所说的两个设备之间的硬件并行接口或串行 接口是很不一样的。 如右图,N层实体实现的服务 是在N层SAP处提供给N+1层的, 即 N层SAP就是N+1层可以访问N 层服务的地方。每个SAP都有一 个能够唯一标识它的地址。 下层向上层提供的服务可以划分为面向连接和无连 接两大类别。 n网络协议分层的好处: 有利于将复杂的问题分解成多个简单的问题,从而分而治之; 独立性强——上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务 (黑箱方法); 适应性好——只要服务和接口不变,层内实现方法可任意改变; 有利于网络的互联,进行协议转换时可能只涉及某一个或几个 层次而不是所有层次; 分层可以屏蔽下层的变化,新的底层技术的引入,不会对上层 的应用协议产生影响; 有利于促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务 都有精确的说明。 2.2.2 通用的协议分层思想(6) 1.开放系统互连参考模型OSI/RM n 2020世纪世纪7070年代出现了年代出现了SNASNA、、DNADNA等多种网络体系等多种网络体系 结构,使得不同公司的网络之间很难实现互通。针对结构,使得不同公司的网络之间很难实现互通。针对 这一问题,这一问题,国际标准化组织(ISO)吸取了SNA、DNA 以及ARPA网等网络体系结构的成功经验,提出了著 名的开放系统互连参考模型(OSI-RM)。 n 所谓“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的、也遵循这同一标准的其 他任何系统进行通信。所以开放系统互连参考模型 OSI-RM是个抽象的概念。 n 开放系统互连的目的:将不同的网络互连成一个更大 的网络,解决异种网络互连的兼容性。 2.2.3 OSI体系结构 OSIOSI 模型模型 低层,又称介质层,控制网络中 信息的物理传输 表示层(6)P 会话层(5)S 传输层(4)T 网络层(3)N 数据链路层(2)DL 物理层(1)PH 高层 中间层 主机层,保证主机之间 数据的无差错传输 应用层(7)A 1.开放系统互连参考模型OSI/RM(2) n OSI的结构化分层 1.开放系统互连参考模型OSI/RM(3) 层层名称主要层层功能通俗含义义数据单单元格式 应应用层层与用户应户应 用进进程的接口做什么 原始数据+ 本层协议层协议 控制信息 表示层层数据格式的转换转换对对方看起来像什么 上层层数据+ 本层协议层协议 控制信息 会话层话层会话话管理与数据传输传输 的同步 轮轮到谁讲话谁讲话 、从何处处 讲讲 上层层数据+ 本层协议层协议 控制信息 传输层传输层 端-端经经网络络透明的传传送报报 文 对对方在何处处报报文段 网络层络层 分组组交换换、寻寻址、路由选择选择 和流量控制 走哪条路可达到该处该处分组组 数据链链路层层在网络络上无差错错的传传送帧帧每一步应该应该 怎么走数据帧帧 物理层层 经经物理媒体透明地传传送 比特流 对对上一层层的每一步应应 该该怎样样利用物理媒体 比特流 n OSI的层功能 ①面向应用的功能 包括应用层、表示层和会话层 面向网络的应用,负责数据的处理和用户接口,主要进 行 数据的处理 更接近网络应用和软件,只与终端用户有关 ②面向网络的功能 包括传输层,网络层、数据链路层和物理层 面向网络的传送功能,主要负责数据的传送。 更接近网络传送和硬件 实际上传输层是承上启下的中间层,传输层及其以上各层只存 在于网络之外的主机中,在网络内部的各个结点只包括下三层. 1.开放系统互连参考模型OSI/RM(4) nOSI根据逻辑功能划分 OSI七层模型→根据逻辑功能划分 1.开放系统互连参考模型OSI/RM(5) 2. OSI/RM的数据单元 n OSI-RM于1984年5月被正式批准为ISO7498国际 标准。与此同时,ITU-T从通信系统的角度,进一步 研究了如何实现设备的兼容性要求,规定了ITU-T应 用OSI-RM、各层提供的服务以及开放系统中对等实 体间通信所必须遵循的规程——X.200系列建议。 n n X.200X.200建议为了便于对不同系统的同层实体之间交换建议为了便于对不同系统的同层实体之间交换 的信息数据单元组成和同一系统的相邻层之间的信息数的信息数据单元组成和同一系统的相邻层之间的信息数 据单元之间的映射关系进行规范化的描述,定义了如下据单元之间的映射关系进行规范化的描述,定义了如下 几种常用的信息数据单元:几种常用的信息数据单元: (N)层协议控制信息(PCI) (N)层协议数据单元(PDU) (N)层服务数据单元(SDU) 2. OSI/RM的数据单元(2) n同一系统相邻层之间数据单元的映射关系如下图: 协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)由协议控制信息 PCI( Protocol Control Information)和服务数据单元SDU (Service Data Unit)组成,相当于分组的头信息和净荷 信息。除第七层外,第N-1层的SDU就是第N层的PDU. n几种信息数据单元的相互关系 n不同系统对等实体之间数据单元在发送方被逐层 封装,在接收方再被逐层解封装。 n发送方N层实体从N+1层实体得到的数据包就是 服务数据单元SDU。N层实体只将其视为需要本 实体提供服务的数据,并将服务数据单元进行封 装,使其成为一个对方能够理解的协议数据单元 PDU,封装过程实际上是为SDU增加对等实体间 约定的协议控制信息PCI的过程。 n为了传送SDU,N层实体通常把SDU分成几段, 每一段加上一个首部之后作为一个独立的PDU送 出。 2. OSI/RM的数据单元(3) n如下图。开放系统互连环境由作为信源和信宿的端 开放系统及作为中间结点的若干中继开放系统通过 物理介质连接而构成。 3. 基于OSI的开放系统互连环境和数据传输 n n OSIOSI互连环境中数据信息的封装和传输过程,互连环境中数据信息的封装和传输过程,如下图: 3. 基于OSI的开放系统互连环境和数据传输(2) (光或电)物理信道 应用层应用层 表示层表示层 会话层会话层 传输层传输层 网络层网络层 链路层链路层 物理层物理层 数据 数据 数据 数据 数据 数据 数据 AH PH SH TH NH DHDT 01110010110011000100101110111 AH AH AH AH AH PH PH PH PH SH SH SH TH THNH 数 据 通 信 量 减 少 PDU PDU PDU PDU PDU PDU SDU SDU SDU SDU SDU 数 据 通 信 量 增 加 发送进程接收进程 OSI参考模型实现开放式系统之间的互连时的主要特性为: (1)它是一种将异构系统互连的分层结构,提供了控制互 连系统交互规则的标准框架,定义了抽象结构,但并非具体实 现的描述。 (2)对等层之间的虚通信必须遵循相应层的协议,如有传 运输层协议、会话层协议。 (3)相邻层间的接口定义了操作(如请求、指示、响应和证 实)和低层向上层提供服务。 (4)所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据通信 服务。 4. OSI参考模型的主要特性
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