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1、2023/11/8,TCP/IP协议,1,TCP/IP协议,第二讲 OSI模型和TCP/IP协议族,2023/11/8,TCP/IP协议,2,本讲内容,分层模型OSI参考模型TCP/IP参考模型编址,2023/11/8,TCP/IP协议,3,基本概念,通信网络可以抽象为一个分层的系统模型，全局系统是由多层局部系统组成，这些局部系统由一个或多个通道（信道）藕合起来，全局系统的行为（或功能）是局部系统和通道系统全体行为的总和。网络的基本模型通过网络的体系结构来描述，它是规定计算机网络功能及其之间关系的系统模型，主要表现为系统各层的描述机制和相关的协议。层和协议的集合称为网络的体系结构。建立网络体系
2、结构的主要目的是为了抽象的讨论和研究网络技术。使网络的实现技术和网络的功能能够相互独立的各自发展。,2023/11/8,TCP/IP协议,4,模型的分类,层次型以ISO-OSI为代表，用严格的层次关系来表述网络功能的划分及其之间的关系，它所包含的各个协议具有很明确的层次依赖关系。功能型以TCP/IP为代表，以网络服务所需的各项功能为主线来刻划功能之间的关系，无严格的层次界限，它所包含的各个协议具有明确的功能依赖关系。,2023/11/8,TCP/IP协议,5,网络分层,为什么要进行分层？为了减少协议设计的复杂性，网络按层（layer）的方式来组织。优点-分而治之把复杂的问题分解成几个子问题简化
3、相关的网络操作层与层之间提供标准接口缺点严格按照分层思想设计的软件效率低下,2023/11/8,TCP/IP协议,6,协议,协议的组成：语法（syntax)：数据与控制信息的格式、数 据编码等语义（semantics)：控制信息的内容，需要做 出的动作及响应时序关系（timing)：有关事件顺序的说明、速度匹配协议的概念举例 甲要打电话给乙，首先甲拨通乙的电话号码，对方电话振铃，乙拿起电话，然后甲乙开始通话，通话完毕后，双方挂断电话。在这个过程中，甲乙双方都遵守了打电话的协议。,2023/11/8,TCP/IP协议,7,协议的复杂性,2023/11/8,TCP/IP协议,8,分层原理,层的构成
4、功能 子系统 实体相关的功能构成一个子系统，它实现（N）层一个完整的处理活动，所对应的功能称为该层的一个服务。实体是（N）层相关子系统的一个集合，是该层能提供的处理能力的一个抽象，每一层的实现是以该层的实体为单位的实体具有类型和实例的概念，类型是实体的功能集定义，即静态描述；实例是指对实体的一次具体调用，实体和实例类似与程序与进程的关系。协议是一组规则和格式（语法和语义），它决定了实体的通信行为，即控制（N）层实体的实例。一个层中可以存在多个协议为不同目的的通信服务。,2023/11/8,TCP/IP协议,9,层次结构的通信实例（1）,2023/11/8,TCP/IP协议,10,实例分析,甲乙
5、公司都可以看作是网络结点经理、助手和秘书是一个个的通信实体处于不同结点的相同层次的实体叫做对等实体协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定 比如两个公司的秘书之间就有收发传真、和普通信函的协议，高级助理之间都遵照标准公函的协议，经理之间当然也有协议。各层向它上层提供服务,2023/11/8,TCP/IP协议,11,分层的三大原则,完备、高效的原则增值服务的原则（N）层的服务基于（N-1）层的服务，又多于（N-1）层的服务。各层之间存在单向的功能依赖关系，保证不会出现循环调用的现象。同等层通信的原则信息交换只能依赖于同等层的协议对等层之间的通信是实体之间的通信实体之间的通信又是其实例之间的通信虚
6、通信不同主机的对等层之间不能直接通信，实际通信是在最底层完成的。,2023/11/8,TCP/IP协议,12,层的特性,对于第N层协议来说，它有如下特性：不知道上、下层的内部结构；独立完成某种功能；为上层提供服务；使用下层提供的服务。,2023/11/8,TCP/IP协议,13,服务,（N）层向（N+1）层提供服务，服务定义了两层之间的接口，接口必须要有一致同意的规则。服务在形式上是由一组原语(Primitive)或操作(Operation)来描述的，服务原语有四种：请求(request)：（N+1）A（N）A，N+1层要求N层提供指定的服务；指示(indication)：（N）B（N1）B，
7、N层通知N+1层实体，应远方的请 求开始某个N层服务；响应(response)：（N+1）B（N）B，N+1层收到N层指示，用响应表示 它是否愿意连接；证实(confirm)：（N）A（N+1）A，N层向N+1层返回先前请求的响应；服务的类型：面向连接的服务：以电话系统为模式。无连接的服务：以邮政系统为模式。证实型服务：需要使用四种原语和一次交互。非证实型服务：只需要请求和指示两种原语和一次单向传送。面向连接服务的例子：,2023/11/8,TCP/IP协议,14,服务访问点（SAP）,服务访问点SAP：N层向N+1层提供服务是在N层的服务访问点向N1层实体提供的。服务访问点是层间接口的抽象表
8、示，为相邻层的实体间提供静态的端口连接服务（标识和数据通道）。每个层间接口可以有多个SAP。,2023/11/8,TCP/IP协议,15,实体、服务访问点和协议关系图,2023/11/8,TCP/IP协议,16,服务与协议的关系,服务是各层向它上层提供的一组原语或操作，但并未涉及这些操作是如何完成的。服务定义了两层之间的接口，接口的上层是服务用户，下层是服务提供者。协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的规则，实体利用协议来实现他们的服务，实体可以利用任何所需要的协议来提供服务。与程序设计语言对比，服务类似于程序语言中的 抽象数据类型，定义了在目标上进行的操作，但不说明这些
9、操作如何实现；协议关系到服务的实现。,2023/11/8,TCP/IP协议,17,IDU和PDU,接口数据单元IDU（Interface Data Unit）IDU是通过SAP进行传送的层间信息单元；IDU由上层的服务数据单元SDU（Service Data Unit）和接口控制信息ICI（Interface Control Information）组成；ICI和SDU的关系协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）第N层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元；PDU由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息PCI（Protocol Control Informatio
10、n)组成；传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层数据段（Segment）网络层分组（数据报）（Packet）数据链路层数据帧（Frame）物理层比特（Bit）SDU和PDU的关系,2023/11/8,TCP/IP协议,18,数据封装,2023/11/8,TCP/IP协议,19,层次结构的通信实例（2）,接口Interface,2023/11/8,TCP/IP协议,20,层次结构的通信类比,同层间需要约定规则协议,2023/11/8,TCP/IP协议,21,总结：分层的特点,把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于实现和维护定义并提供了具有兼容性的标准接口使设计人员能专心设
11、计和开发所关心的功能模块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强只要服务和接口不变，层内实现方法可任意改变一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络，因此每个区域的网络可单独升级或改造,2023/11/8,TCP/IP协议,22,2.2 OSI参考模型,ISO标准ISO：国际标准化组织，专门就一些国际标准达成世界范围的一致。OSI：Open System Interconnection，开放系统互连RM：Reference Model，参考模型目的使两个不同的系统能够通信，而不需要改变底层的硬件或软件逻辑,ISO是一个组织，OSI是一个模型OSI不是协议，是网络体系结
12、构的概念模型,2023/11/8,TCP/IP协议,23,OSI分层原则,根据不同层次进行抽象分层每一层应当实现一个定义明确的功能每层功能的选择应当有利于制订网络协议的国际标准各层边界的选择应建立减少跨过接口的通信量层数应足够多，以避免不同功能混杂在同一层，但层数又不能太多，否则体系结构过于臃肿。,2023/11/8,TCP/IP协议,24,OSI分层结构,OSI参考模型（1984年提出）,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,用户支持层,网络支持层,7,6,5,4,3,2,1,2023/11/8,TCP/IP协议,25,OSI各层功能,向用户提供接口和服务,Applic
13、ation,Presentation,Session,Transport,Network,Data Link,Physical,信息转换，包括信息压缩、加密、与标准格式的转换,建立、管理、中止会话,提供进程间通信机制和保证数据传输的可靠,路由选择、流量控制、网络互连,帧定位、检错、纠错、流量控制、介质访问控制,物理介质、机械、电气接口,2023/11/8,TCP/IP协议,26,2.3 TCP/IP参考模型,ISOOSI参考模型,TCP/IP参考模型,2023/11/8,TCP/IP协议,27,网络接口层,网络接口层（Host-to-network Layer），也有翻译成主机网络层的。在TC
14、P/IP参考模型中并没有详细定义这一层的功能，只是指出通信主机必须采用某种协议连接到网络上，并且能够传输网络数据分组。具体使用那种协议，在本层里并没有规定。实际上根据主机与网络拓扑结构的不同，局域网基本上采用了802系列的协议，如802.3以太网协议、802.5令牌环网协议；广域网较常采用的协议有帧中继、X.25等。,2023/11/8,TCP/IP协议,28,网络层,互连层（Internet Layer）的主要功能是负责在互连网上传输数据分组。互连层与OSI参考模型的网络层相对应，相当于OSI参考模型中网络层的无连接网络服务。互连层是TCP/IP参考模型中最重要的一层，它是通信的枢纽从底层来
15、的数据包要由它来选择继续传给其他网络结点或是直接交给传输层 对从传输层来的数据包，要负责按照数据分组的格式填充报头，选择发送路径，并交由相应的线路发送出去。在互连层，主要定义了互连协议（IP）以及数据分组的格式。它的主要功能是路由选择和拥塞控制。另外，本层还定义了地址解析协议ARP和反向地址解析协议RARP以及ICMP协议。,2023/11/8,TCP/IP协议,29,传输层,传输层（Transport Layer）的主要功能是负责端到端的对等实体之间进行通信。TCP/IP的传输层定义了两个协议：传输控制协议（Transport Control Protocol）TCP，参见RFC793；用户
16、数据报协议（User Datagram Protocol）UDP，参见RFC768。TCP协议是可靠的、面向连接的协议它用于包交换的计算机通信网络、互连系统以及类似的网络上，保证通信主机之间有可靠的字节流传输。UDP是一种不可靠的、无连接协议。它最大的优点是协议简单，额外开销小，效率较高；缺点是不保证正确传输，也不排除重复信息的发生。UDP不是面向连接的。需要可靠数据传输保证的应用应选用TCP协议；相反，对数据精确度要求不是太高，而对速度、效率要求很高的环境，如声音、视频的传输，应该选用UDP 协议。,2023/11/8,TCP/IP协议,30,应用层,应用层（Application Laye
17、r）是TCP/IP协议族的最高层。它包含了所有OSI参考模型中会话层、表示层和应用层这些的高层的协议的功能。互连网络上将建的应用层协议有下面几种：电子邮件协议（SMTP）超文本传输协议（HTTP）网络终端协议（TELNET）文件传输协议（FTP）网络新闻传输协议（NNTP）域名系统（DNS）简单网络管理协议（SNMP）,2023/11/8,TCP/IP协议,31,TCP/IP的体系结构,2023/11/8,TCP/IP协议,32,OSI模型和TCP/IP模型的比较,相似之处：基于独立的协议栈概念各层功能大体类似差别：层次的差别OSI模型的协议、接口、服务概念明确OSI参考模型先有模型，后有协议
18、，没有偏向于任何特定的协议；TCP/IP参考模型先有协议，模型实际上是对已有协议的表述。,2023/11/8,TCP/IP协议,33,OSI的问题,时机问题网络的概念与实现之间的周期太长技术问题结构和功能过于复杂，有许多功能冗余实现问题商业化的推动不够政策问题OSI作为一种国际化的标准，发展进程受很多政策性的影响,2023/11/8,TCP/IP协议,34,TCP/IP的问题,抽象性TCP/IP模型不能明确的区分服务、接口和协议，缺乏抽象性。扩展性设计时缺乏模型考虑，可扩展性较差，不适合描述TCP/IP模型之外的任何协议栈。低层结构网络接口层不是通常意义下的层，而是处于网络层和数据链路层的一个
19、接口不区分物理层和数据链路层,2023/11/8,TCP/IP协议,35,TCP/IP的成功经验,有远见的政府不断支持：1969有企业参与和投入：MCI、IBM、Qwest、CISCO联合协作的开放式研究：IETF/RFC教育和科研的示范网络为起点具有实验物理学的研究特点ARPAnet、NSF、ANS、vBNS简单实用的技术路线：TCP/IP,2023/11/8,TCP/IP协议,36,2.4 TCP/IP中的地址与层次关系,Process,TCP,UDP,IP and other protocols,Underlying physical networks,Application layer
20、,Transport layer,Network layer,Network Access layer,Physical address,IP address,Port address,2023/11/8,TCP/IP协议,37,编址,地址,物理地址Physical address,IP地址IP address,端口地址Port address,标识通信节点节点所属LAN或WAN指定LAN或WAN内唯一链路地址/硬件地址0,标识通信节点的网络连接Internet指定Internet内唯一网络地址,标识通信进程操作系统指定一台计算机内唯一21,23,25,808080,10000,2023/11
21、/8,TCP/IP协议,38,单播、多播、广播,单播（Unicast）一个接收者例：0多播（Multicast）一组接收者例：0广播（Broadcast）网络中的所有系统例：0 xFFFF,2023/11/8,TCP/IP协议,39,TCP/IP的版本,Version 4目前正在使用的版本地址空间不足和低效率：32位的地址对服务质量和安全等方面支持较弱Version 5基于OSI模型层次改变大，代价高，从没有实用过Version 6（IPng）仅改动了网络层协议：IPv6、ICMPv6扩大了地址空间：128位的地址改进了版本4的弱点,2023/11/8,TCP/IP协议,40,本讲小结,对分层
22、网络协议体系的理解不同节点：层次组成不同，作用不同横向理解：虚通信，对等实体，协议，PDU纵向理解：封装与解封，服务，接口OSI参考模型作用各层的名称和功能（概要描述）TCP/IP参考模型层次：与OSI模型的对应关系协议：主要协议及其所在层次编址问题物理、IP、端口地址：作用，所在层次单播、多播、广播地址：作用,2023/11/8,TCP/IP协议,41,物理层考虑的是在物理介质上传输_。A、程序B、会话C、协议D、比特数据从N层移到较高的N+1层时，其首部被_。A、加上B、抽走C、重新安排D、修改数据从设备X传输到设备Y时，在X的第5层加上的首部在Y的_层被读出。A、物理B、传输C、会话D、表示当网络A上的一个主机向网络B上的一个主机发送报文时，路由器要检查_地址。A、端口B、IPC、物理D、上述都不是要将报文交付到主机上的正确的应用程序，必须使用_地址。A、端口B、IPC、物理D、上述都不是,D,B,C,B,A,
