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1、第2章 计算机网络协议和体系结构,机械工业出版社 ISBN 978-7-111-30641-2,本章学习内容及要求,了解OSI参考模型、TCP/IP协议簇和局域网络体系结构的特点网络体系结构层次化的研究方法掌握网络协议、层次、接口、服务的基本概念，以及相互的联系5层计算机网络体系结构的基本知识,2.1 计算机网络协议,2.1.1 计算机网络协议的作用2.1.2 计算机网络协议的要素2.1.3 计算机网络协议的格式,2.1.1 计算机网络协议的作用,计算机网络协议是通信双方使用的语言 计算机网络协议是计算机网络中的计算机设备之间在相互通信时遵循的规则、标准和约定这里说的计算机设备可以是主机、路由
2、器、交换机等，也可以认为是网络中的节点一种网络协议是一组控制数据通信的规则 需要说明的是网络协议是需要不断发展和完善的随着网络应用和服务内容的增加，必须研究和制定新的网络协议或修改原有的网络协议,2.1.2 计算机网络协议的要素, 语法，即信息格式，协议数据单元PDU的结构或格式，包括哪些字段，字段的作用 语义，某些信息位组合的含义，标识通信双方可以理解的确定的意义，PDU给出何种控制信息、完成何种操作、做出何种响应，即各字段中若干二进制位0或1的组合代表什么样的含义 同步（时序），即收、发双方能分辨出通信的开始和结束，哪些动作先执行，哪些动作后执行。为完成一次通信所需要的不同PDU之间有操作
3、顺序规程。有时同步也称为规程语法定义了怎么做，语义定义了做什么，同步时序关系定义了什么时候做,网络协议与人类通信所使用协议的比较,人们之间的会话也在使用分层的概念，人们之所以感觉不到是因为人们已经习惯了。以两个人之间的自然语言通信为例，可以认为分为三个层次：传输层；语言层；知识层,2.1.3 计算机网络协议的格式,在计算机网络中用协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）描述通信协议PDU由控制部分和数据部分组成控制部分由若干字段组成，表示通信中用到的双方可以理解和遵循的协议和规则,2.2 计算机网络体系结构,2.2.1 计算机网络体系结构的定义2.2.2 网络体系结构分层的
4、原则2.2.3 网络体系结构中的服务2.2.4 网络层次接口和数据单元2.2.5 协议和服务的关系2.2.6 对等协议的通信过程,2.2.1 计算机网络体系结构的定义,计算机网络体系结构与层次、接口、协议相联系 计算机网络体系结构是计算机网络层次和协议的集合计算机网络是一个复杂的系统按照人们解决复杂问题的方法，把计算机网络实现的功能分到不同的层次上层与层之间用清晰的接口连接不同系统中的同一层构成对等层对等层之间通过理解彼此定义好的规则和约定，完成对等层通信,2.2.2 网络体系结构分层的原则,根据计算机网络两级子网的结构，可以看出层次划分的轮廓。人们把计算机网络的功能划到5个层次：计算机设备及
5、端系统和通信子网的连接处，以及网络节点与节点之间的物理连接处，应划分一个层次，用于实现物理连接，称为物理层，位置在各个节点上 网络中相邻节点之间实现可靠的传输应划分为一个层次，称为数据链路层，位置在相邻节点上 源主机节点和目的主机节点之间实现网络传输的功能可划分为一个层次，称为网络层，位置在协议包传输路由经过的各个节点上，传输路由从源主机节点、中间经过的节点，到目的主机节点在源端节点到目的端节点，即两个通信的计算机设备之间，为实现应用进程可靠传输所提供的功能划分为一个层次，称为运输层，位置在端节点上 网络应用之间的可靠传输可划分为一个层次，称为应用层，位置在端节点上,2.2.3 网络体系结构中
6、的服务,计算机网络中的通信服务有两种不同类型一种是面向连接服务(connection-oriented service)另一种是无连接服务(connectionless service),计算机网络中服务类型及应用,服务原语,网络服务用服务原语描述服务原语由三部分组成：原语名；原语类型；原语参数服务原语的格式为：原语名.原语类型（原语参数）原语名说明服务的内容原语名和原语类型之间由点进行间隔原语类型说明层与层之间信息传输的流向和功用原语名用大写字母表示,服务原语的4种类型,原语类型有4种，用小写字母表示： 请求request发送方希望得到某些服务 指示indication接收方得知某个事件发生
7、 响应response接收方对某个事件应答证实confirm发送方得知请求的结果,服务原语的图示,2.2.4 网络层次接口和数据单元,在相邻层次之间交换信息要遵循一组规则，这组规则涉及到一组相关的协议数据单元服务数据单元SDU、协议控制信息PCI、接口控制信息ICI、接口数据单元IDU、协议数据单元PDU等,2.2.5 协议和服务的关系,服务和协议是两个完全不同的概念服务要靠协议来实现，通过服务原语的描述，可以清晰地给出上、下层接口和对等层之间的联系服务是各层为上层提供的一组原语操作，但未涉及这些操作如何完成协议是定义同层对等实体之间交换的协议数据单元（位流、帧、分组、报文段、报文）的格式及意
8、义的一组约定和规则,2.2.6 对等协议的通信过程,在发送端协议数据单元PDU经过从上层向下层的封装到达对方后，再经由底层向上，每一层去掉协议头，称为拆包，此时相当于对等层彼此理解,2.3 OSI参考模型,2.3.1 OSI参考模型概述2.3.2 OSI参考模型的结构2.3.3 OSI参考模型各层的功能2.3.4 OSI参考模型中的数据传输,2.3.1 OSI参考模型概述,OSI参考模型概述 国际标准化组织ISO在1974年制定的OSI开放系统互连（OSI）参考模型分为7个层次OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容它并未确切描述用于各层的协议和服务，仅是告诉每一层应该做什么OSI的国际标准号
9、为：ISO 7498,开放系统互连OSI图示,2.3.2 OSI参考模型的结构,OSI参考模型采用3级抽象：体系结构；服务定义；协议规范OSI参考模型体系结构是作为一个框架来组织和协调各层协议的制定，网络协议的规程说明比较精练 服务定义详细地说明各层提供的服务，提供的服务与这些服务的具体实现无关 协议规范给出一组控制数据通信的规则,2.3.3 OSI参考模型各层的功能,物理层：对等物理层的协议数据单元为比特流。物理层协议用4个特性描述和定义数据链路层：涉及到相邻节点之间可靠传输，需要完成的功能有链路管理、成帧、差错控制、流量控制和丢失等网络层：涉及到源节点到目的访问节点之间可靠的传输，是通信子
10、网的最高层次，需要完成的功能包括路由选择，网络寻址、网络互连等运输层：涉及到端（主机）到端（主机）之间可靠的运输，起着承上启下的作用，为高层屏蔽掉下面通信子网的差异 会话层：允许主机上的用户建立会话关系，在一次会话连接中可以有多个会话内容单元，提供会话同步表示层：关心所传输数据信息的格式定义，即信息的语法和语义应用层：为应用进程提供访问计算机网络的途径，构成不同的应用层协议数据单元,2.3.4 OSI参考模型中的数据传输,数据的实际传输方向是垂直的但在每一层编程时却好像是水平理解和传输的,协议封装（Encapsulation）,Sender,Receiver,Data,OSI中数据传输,L7
11、data,H6,L7 data,L6 data,H5,L5 data,H4,L4 data,H3,L3 data,H2,T2,0101010101011010,L7 data,H6,L7 data,L6 data,H5,L5 data,H4,L4 data,H3,L3 data,H2,T2,0101010101011010,Transmission medium,Data flow,Sender,Receiver,A,P,S,T,N,DL,Ph,2.4 TCP/IP协议参考模型,2.4.1 TCP/IP协议的产生背景2.4.2 TCP/IP协议的层次结构2.4.3 网络协议的捆绑2.4.4 O
12、SI与TCP/IP的比较,2.4.1 TCP/IP协议的产生背景,1972年美国加州大学洛杉矶分校的Vinton G. Cerf(温特瑟夫)和Bobert E. Kahn(鲍伯卡恩)进行了“网络互连项目”研究,TCP/IP协议具有的特点,TCP/IP协议具有以下特点：是一个开放的网络协议簇，免费使用做到与计算机硬件与操作系统无关，与特定的网络硬件无关做到与低层通信子网平台无关，低层网络可以是广域网、局域网、无线网等提供统一的网络逻辑地址IP地址，用于标识网络中的一个连接，使得异种计算机、异种计算机网络互连成为可能运输层协议TCP提供可靠的端到端数据传输，可以屏蔽通信子网的差异。应用层协议内容丰
13、富,2.4.2 TCP/IP协议的层次结构,TCP/IP协议结构为4个层次：网络接口层NIL；IP层；TCP层；应用层,TCP/IP协议簇（ Protocol Suite）,TCP/IP协议簇及联系,Telnet,FTP,SMTP,SNMP,TFTP,TCP,UDP,ICMP,IP,ARP,Ethernet software,Ethernet hardware,Port,Protocol ID,Type,MAC,23,21,25,161,69,6,17,1,0800H,0806H,TCP/IP中层次和地址,Process,TCP,UDP,IP and other protocols,Under
14、lying physical networks,Application layer,Transport layer,Network layer,Data link layer,Physical layer,Physical address,IP address,Port address,Domain address,2.4.3 网络协议的捆绑,人们可能会问在具体组网时TCP/IP协议在哪里呢？TCP/IP协议与底层网络协议之间是怎样联系的？在配置网络协议时，先配置底层网络协议这需要安装网卡和网卡驱动程序再绑定IP层协议、TCP层协议和应用层协议这些操作可以在相应的操作系统中指定所采用的网络协议
15、，设置IP地址、子网掩码、网关地址等，从而完成整个TCP/IP协议设置要清楚网络协议层次绑定的概念绑定是按自底向上的顺序进行的,应用层,TCP层,IP层,网络接口层,网卡实现,操作系统（包含TCP/IP）WindowsLinuxUnix,网络协议在哪里？（TCP/IP）,网络协议的捆绑,计算机网络协议层次在网络拓扑中的位置,当代计算机网络体系结构按5个层次描述,2.4.4 OSI与TCP/IP的比较,TCP/IP模型与OSI模型的一个重要区别是可靠性问题OSI模型在所有各层都进行差错校验和处理。而TCP/IP仅在TCP层，即仅在端到端进行差错控制,2.5 局域网络体系结构参考模型,2.5.1
16、局域网络体系结构的层次2.5.2 局域网络体系结构各层的功能2.5.3 局域网络体系结构的特点,2.5.1 局域网络体系结构的层次,局域网络体系结构的层次与5层体系结构的对应,2.5.2 局域网络体系结构各层的功能,MAC子层用来描述一个具体的LAN，只有看到了MAC，才能知道这是一个什么样的LAN,2.5.3 局域网络体系结构的特点,局域网络中的通信牵涉到三个方面：进程；站点（节点）；网络进程与两个计算机系统之间应用程序联系。站点通过网络互相连接。数据通过网络从一个站点传输到另一个站点,2.6计算机网络实例,2.6.1 ARPANET网络2.6.2 X.25网络2.6.3 Internet与
17、Internet 2,2.6.1 ARPANET网络,ARPANET是网络发展的里程碑 ARPANET网在1969年建成， 1983年1月TCP/IP协议成为ARPANET正式协议， 1990年ARPANET网退出使用，演变为Internet,2.6.2 X.25网络,分组交换网采用X.25协议，在交换节点对分组进行存储转发X.25协议实际包含了对应OSI低3个层次的协议，是一个通信子网,2.6.3 Internet与Internet 2,Internet与Internet 2由来 万维网要解决关键问题 Internet的基础结构经历的推进 Internet研制过程中的贡献Internet2
18、中国下一代网络示范工程CNGI,Internet的多级结构,Internet structure: network of networks,a packet passes through many networks!,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,Tier 1 ISP,目前对Internet的批评,一个批评是Internet好像是一个“大垃圾山” 人们很难找到所需要的东西。而万维网的初衷是把垃圾变成金子 另一个批评是，Internet就像一个只有神经细胞的低等生物它没有大脑，五十多年过去了，人们并没有实现利克莱德在1960年勾画出的把电脑网络建成“思维中心”的设想,2.7 小结,
19、计算机网络是一个复杂的系统，采用层次结构把复杂的功能要求分解到每一个层次每个层次独立设计，层次之间通过清晰的接口联系 网络协议有三个要素：语法，表示数据与控制信息的组成和格式语义，表示二进制位组合给出何种控制信息，完成何种动作、何种应答同步，事件实现顺序的说明，哪些动作先执行，哪些动作在其后执行 服务要靠协议来实现。上、下层之间和对等层之间用到多种数据单元 开放系统互连OSI给出计算机网络设计时遵循的体系结构框架 目前计算机网络体系结构以五个层次讨论，将OSI的高三层合为一个应用层 TCP/IP协议结构由四个层次组成，是一个具体的实现产品，是因特网的语言，是一个事实上的工业标准局域网络(LAN)体系结构参考模型描述低层通信网络层次和协议LAN的体系结构仅涉及到计算机网络体系结构的低两层,
