計算機網(wǎng)絡協(xié)議與體系結構培訓課程(ppt 47頁).ppt

第2章計算機網(wǎng)絡協(xié)議和體系結構 本章學習內容及要求了解OSI參考模型 TCP IP協(xié)議蔟和局域網(wǎng)絡體系結構的特點網(wǎng)絡體系結構層次化的研究方法掌握網(wǎng)絡協(xié)議 層次 接口 服務的基本概念 以及相互的聯(lián)系5層計算機網(wǎng)絡體系結構的基本知識 1 計算機網(wǎng)絡協(xié)議 計算機網(wǎng)絡協(xié)議是計算機網(wǎng)絡中的應用程序之間或是計算機設備之間在相互通信時遵循的規(guī)則 標準和約定 是通信雙方使用的語言 這里說的計算機設備可以是主機 路由器 交換機等 也可以認為是網(wǎng)絡中的節(jié)點簡單說 一種網(wǎng)絡協(xié)議是一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則需要說明的是網(wǎng)絡協(xié)議是需要不斷發(fā)展和完善的隨著網(wǎng)絡應用和服務內容的增加 必須研究和制定新的網(wǎng)絡協(xié)議或修改原有的網(wǎng)絡協(xié)議 網(wǎng)絡協(xié)議的三個要素 語法 即信息格式 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 PDU 的結構或格式 包括哪些字段 字段的作用 語義 某些信息位組合的含義 標識通信雙方可以理解的確定的意義 PDU給出何種控制信息 完成何種操作 做出何種響應 即各字段中若干二進制位0或1的組合代表什么樣的含義 同步 時序 即收 發(fā)雙方能分辨出通信的開始和結束 哪些動作先執(zhí)行 哪些動作后執(zhí)行 為完成一次通信所需要的不同PDU之間有操作順序規(guī)程 有時同步也稱為規(guī)程語法定義了怎么做 語義定義了做什么 同步時序關系定義了什么時候做 計算機網(wǎng)絡協(xié)議的格式PDU 在計算機網(wǎng)絡中用協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU ProtocolDataUnit 描述通信協(xié)議PDU由控制部分和數(shù)據(jù)部分組成控制部分由若干字段組成 表示通信中用到的雙方可以理解和遵循的協(xié)議 2 計算機網(wǎng)絡體系結構 計算機網(wǎng)絡體系結構 NetworkArchitecture 是指計算機網(wǎng)絡各組成部件和各部件所應完成功能的精確定義 以及完成這些功能所應遵循的各種協(xié)議的總稱 計算機網(wǎng)絡是一個復雜的系統(tǒng) 按照人們解決復雜問題的方法 把計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)的功能分到不同的層次上層與層之間用清晰的接口連接不同系統(tǒng)中的同一層構成對等層對等層之間通過理解彼此定義好的規(guī)則和約定 完成對等層通信計算機網(wǎng)絡體系結構也可定義為網(wǎng)絡的層次結構模型以及各層協(xié)議的集合 網(wǎng)絡協(xié)議與人類通信所使用協(xié)議的比較 人們之間的會話也在使用分層的概念 人們只所以感覺不到是因為人們已經(jīng)習慣了 以兩個人之間的自然語言通信為例 可以認為分為三個層次 傳輸層 語言層 知識層 分層的思想 把整個網(wǎng)絡的功能劃分為若干獨立的層次 每層完成獨立的功能 每層功能的實現(xiàn)需要借助下層的服務來完成 同時向上層提供更高級的服務 層間通信只能在層間進行 不能跨層調用 分層的好處 分層 可將龐大而復雜的問題 轉化為若干較小的局部問題 而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理 主要特點各層之間是獨立的 靈活性好 結構上可分割開 易于實現(xiàn)和維護 能促進標準化工作 網(wǎng)絡體系結構分層的原則 根據(jù)計算機網(wǎng)絡兩級子網(wǎng)的結構 可以看出層次劃分的輪廓 人們把計算機網(wǎng)絡的功能劃到5個層次 計算機設備及端系統(tǒng)和通信子網(wǎng)的連接處 以及網(wǎng)絡節(jié)點與節(jié)點之間的物理連接處 應劃分一個層次 用于實現(xiàn)物理連接 稱為物理層 位置在各個節(jié)點上 網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點之間實現(xiàn)可靠的傳輸應劃分為一個層次 稱為數(shù)據(jù)鏈路層 位置在相鄰節(jié)點上 源主機節(jié)點和目的主機節(jié)點之間實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸?shù)墓δ芸蓜澐譃橐粋€層次 稱為網(wǎng)絡層 位置在協(xié)議包傳輸路由經(jīng)過的各個節(jié)點上 傳輸路由從源主機節(jié)點 中間經(jīng)過的節(jié)點 到目的主機節(jié)點 在源端節(jié)點到目的端節(jié)點 即兩個通信的計算機設備之間 為實現(xiàn)應用進程可靠傳輸所提供的功能劃分為一個層次 稱為運輸層 位置在端節(jié)點上 網(wǎng)絡應用之間的可靠傳輸可劃分為一個層次 稱為應用層 位置在端節(jié)點上 網(wǎng)絡體系結構中的服務 計算機網(wǎng)絡中的通信服務有兩種不同類型一種是面向連接服務 connection orientedservice 另一種是無連接服務 connectionlessservice 計算機網(wǎng)絡中服務類型及應用 服務原語 網(wǎng)絡服務用服務原語描述服務原語由三部分組成 原語名 原語類型 原語參數(shù)服務原語的格式為 原語名 原語類型 原語參數(shù) 原語名說明服務的內容原語名和原語類型之間由點進行間隔原語類型說明層與層之間信息傳輸?shù)牧飨蛟Z名用大寫字母表示 服務原語的4種類型 原語類型有4種 用小寫字母表示 請求request 發(fā)送方希望得到某些服務 指示indication 接收方得知某個事件發(fā)生 響應response 接收方對某個事件應答 證實confirm 發(fā)送方得知請求的結果 服務原語的圖示 網(wǎng)絡層次接口和數(shù)據(jù)單元 在相鄰層次之間交換信息要遵循一組規(guī)則 這組規(guī)則涉及到一組相關的協(xié)議數(shù)據(jù)單元服務數(shù)據(jù)單元SDU 協(xié)議控制信息PCI 接口控制信息ICI 接口數(shù)據(jù)單元IDU 協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU等 協(xié)議和服務的關系 服務和協(xié)議是兩個完全不同的概念服務要靠協(xié)議來實現(xiàn) 通過服務原語的描述 可以清晰的給出上 下層接口和對等層之間的聯(lián)系服務是指某一層向它上一層提供的一組操作命令 服務原語 它定義了該層可為其用戶執(zhí)行哪些操作 但并不涉及如何實現(xiàn)這些操作 協(xié)議是一組規(guī)則 用來規(guī)定同一層的對等實體間所交換的消息或者分組的格式和含義 這些實體用協(xié)議來實現(xiàn)它們的所定義的服務 協(xié)議可以自由地改變 但服務不能改變 因為服務對上層用戶是可見的 服務涉及層間的接口 而協(xié)議涉及不同機器上的對等實體間發(fā)送分組 本層的用戶只能看見服務而無法看見下層的協(xié)議 下面的協(xié)議對上面的用戶是透明的 協(xié)議是 水平的 即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則 服務是 垂直的 即服務是由下層向上層通過層間接口提供的 協(xié)議 n 1 SAP SAP 實體 n 1 服務提供者 第n層 第n 1層 實體 n 1 服務用戶 實體 n 實體 n 協(xié)議 n 交換服務原語 交換服務原語 對等協(xié)議的通信過程 在發(fā)送端協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU經(jīng)過從上層向下層的封裝到達對方后 再經(jīng)由底層向上 每一層去掉協(xié)議頭 稱為拆包 此時相當于對等層彼此理解 3 開放系統(tǒng)互連OSI參考模型 國際標準化組織ISO在1974年制定的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型分為7個層次框架OSI模型本身不是網(wǎng)絡體系結構的全部內容它并未確切描述用于各層的協(xié)議和服務 僅是告訴每一層應該做什么OSI的國際標準號為ISO7498 開放系統(tǒng)互連OSI圖示 OSI參考模型的結構 OSI參考模型采用3級抽象 體系結構 服務定義 協(xié)議規(guī)范OSI參考模型體系結構是作為一個框架來組織和協(xié)調各層協(xié)議的制定 網(wǎng)絡協(xié)議的規(guī)程說明比較精練服務定義詳細地說明各層提供的服務 提供的服務與這些服務的具體實現(xiàn)無關協(xié)議規(guī)范給出一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則 OSI參考模型各層的功能 物理層 對等物理層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元為比特流 物理層協(xié)議用4個特性描述和定義數(shù)據(jù)鏈路層 涉及到相鄰節(jié)點之間可靠傳輸 需要完成的功能有鏈路管理 成幀 差錯控制 流量控制和丟失等網(wǎng)絡層 涉及到源節(jié)點到目的訪問節(jié)點之間可靠的傳輸 是通信子網(wǎng)的最高層次 需要完成的功能包括路由選擇 網(wǎng)絡尋址 網(wǎng)絡互連等運輸層 涉及到端 主機 到端 主機 之間可靠的運輸 起著承上啟下的作用 為高層屏蔽掉下面通信子網(wǎng)的差異會話層 允許主機上的用戶建立會話關系 在一次會話連接中可以有多個會話內容單元 提供會話同步表示層 關心所傳輸數(shù)據(jù)信息的格式定義 即信息的語法和語義應用層 為應用進程提供訪問計算機網(wǎng)絡的途徑 構成不同的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 OSI參考模型中的數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)的實際傳輸方向是垂直的但在每一層編程時卻好像是水平理解和傳輸?shù)?協(xié)議封裝 Encapsulation Sender Receiver Data OSI中數(shù)據(jù)傳輸 L7data H6 L7data L6data H5 L5data H4 L4data H3 L3data H2 T2 0101010101011010 L7data H6 L7data L6data H5 L5data H4 L4data H3 L3data H2 T2 0101010101011010 Transmissionmedium Dataflow Sender Receiver A P S T N DL Ph OSI獲得了一些理論成果 但在市場化方面卻失敗了OSI失敗的原因包括 OSI的專家們缺乏實際經(jīng)驗 在完成OSI標準時沒有商業(yè)驅動力 OSI的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復雜 且運行效率很低 OSI標準的制定周期太長 因而使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場 OSI的層次劃分并也不太合理 有些功能在多個層次中重復出現(xiàn) 4 TCP IP協(xié)議參考模型 1972年美國加州大學洛杉磯分校的VintonG Cerf 溫特 瑟夫 和BobertE Kahn 鮑伯 卡恩 進行了 網(wǎng)絡互連項目 研究 TCP IP協(xié)議具有的特點 是一個開放的網(wǎng)絡協(xié)議蔟 免費使用做到與計算機硬件與操作系統(tǒng)無關 與特定的網(wǎng)絡硬件無關做到與低層通信子網(wǎng)平臺無關 低層網(wǎng)絡可以是廣域網(wǎng) 局域網(wǎng) 無線網(wǎng)等提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡邏輯地址IP地址 用于標識網(wǎng)絡中的一個連接 使得異種計算機 異種計算機網(wǎng)絡互連成為可能運輸層協(xié)議TCP提供可靠的端到端數(shù)據(jù)傳輸 可以屏蔽通信子網(wǎng)的差異 應用層協(xié)議內容豐富 TCP IP協(xié)議的層次結構 TCP IP協(xié)議結構為4個層次 網(wǎng)絡接口層NIL IP層 TCP層 應用層 TCP IP協(xié)議簇 ProtocolSuite TCP IP協(xié)議簇及聯(lián)系 Telnet FTP SMTP SNMP TFTP TCP UDP ICMP IP ARP Ethernetsoftware Ethernethardware Port ProtocolID Type MAC 23 21 25 161 69 6 17 1 0800H 0806H TCP IP中層次和地址 Process TCP UDP IPandotherprotocols Underlyingphysicalnetworks Applicationlayer Transportlayer Networklayer Datalinklayer Physicallayer Physicaladdress IPaddress Portaddress Domainaddress 網(wǎng)絡協(xié)議的捆綁 人們可能會問在具體組網(wǎng)時TCP IP協(xié)議在哪里呢 TCP IP協(xié)議與底層網(wǎng)絡協(xié)議之間是怎樣聯(lián)系的 在配置網(wǎng)絡協(xié)議時 先配置底層網(wǎng)絡協(xié)議這需要安裝網(wǎng)卡和網(wǎng)卡驅動程序再綁定IP層協(xié)議 TCP層協(xié)議和應用層協(xié)議這些操作可以在相應的操作系統(tǒng)中指定所采用的網(wǎng)絡協(xié)議 設置IP地址 子網(wǎng)掩碼 網(wǎng)關地址等 從而完成整個TCP IP協(xié)議設置要清楚網(wǎng)絡協(xié)議層次綁定的概念綁定是按自底向上的順序進行的 OSI與TCP IP的比較 TCP IP模型與OSI模型的一個重要區(qū)別是可靠性問題OSI模型在所有各層都進行差錯校驗和處理 而TCP IP僅在TCP層 即僅在端到端進行差錯控制 五層協(xié)議的體系結構 應用層 applicationlayer 運輸層 transportlayer 網(wǎng)絡層 networklayer 數(shù)據(jù)鏈路層 datalinklayer 物理層 physicallayer 數(shù)據(jù)鏈路層 5應用層 4運輸層 3網(wǎng)絡層 2數(shù)據(jù)鏈路層 1物理層 5 局域網(wǎng)絡體系結構參考模型 局域網(wǎng)絡體系結構的層次與5層體系結構的對應 局域網(wǎng)絡體系結構各層的功能 MAC子層用來描述一個具體的LAN 只有看到了MAC 才能知道這是一個什么樣的LAN 局域網(wǎng)絡體系結構的特點 局域網(wǎng)絡中的通信牽涉到三個方面 進程 站點 節(jié)點 網(wǎng)絡進程與兩個計算機系統(tǒng)之間應用程序聯(lián)系 站點通過網(wǎng)絡互相連接 數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡從一個站點傳輸?shù)搅硪粋€站點 6 計算機網(wǎng)絡實例 ARPANET網(wǎng)絡X 25網(wǎng)絡Internet與Internet2 ARPANET網(wǎng)絡 ARPANET是網(wǎng)絡發(fā)展的里程碑ARPANET網(wǎng)在1969年建成 1983年1月TCP IP協(xié)議成為ARPANET正式協(xié)議 1990年ARPANET網(wǎng)退出使用 演變?yōu)镮nternet X 25網(wǎng)絡 分組交換網(wǎng)采用X 25協(xié)議 在交換節(jié)點對分組進行存儲轉發(fā)X 25協(xié)議實際包含了對應OSI低3個層次的協(xié)議 是一個通信子網(wǎng) Internet與Internet2 Internet與Internet2由來萬維網(wǎng)要解決關鍵問題Internet的基礎結構經(jīng)歷的推進Internet研制過程中的貢獻Internet2中國下一代網(wǎng)絡示范工程 CNGI Internet的多級結構 目前對Internet的批評 一個批評是Internet好像是一個 大垃圾山 人們很難找到所需要的東西 而萬維網(wǎng)的初衷是把垃圾變成金子另一個批評是 Internet就像一個只有神經(jīng)細胞的低等生物它沒有大腦 五十多年過去了 人們并沒有實現(xiàn)利克萊德在1960年勾畫出的把電腦網(wǎng)絡建成 思維中心 的設想 2 7小結 計算機網(wǎng)絡是一個復雜的系統(tǒng) 采用層次結構把復雜的功能要求分解到每一個層次每個層次獨立設計 層次之間通過清晰的接口聯(lián)系網(wǎng)