計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1、 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)2主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成1.2 劃分層次的重要性-1.2.1 計算機網(wǎng)絡(luò)功能的分層-1.2.2 協(xié)議和協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)-1.2.3 計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 1.3 典型計算機網(wǎng)絡(luò)參考模型-1.3.1 OSI參考模型-1.3.2 TCP/IP參考模型3-協(xié)議的組成：-1. 語法（syntax)：以二進制形式表示的命令和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)-2. 語義（semantics)：由發(fā)出的命令請求，完成的動作和回送的響應(yīng)組成的集合-3. 定時關(guān)系（timing)：有關(guān)事件順序的說明(同步）-二、協(xié)議的分層和層間結(jié)構(gòu)-協(xié)議的分層原則 (layering p

2、rinciple)：-1. Layer N software on the destination computer must receive exactly - the message sent by layer N software on the sending computer.- Mathematically, if the sender applies a transformation T, the- receiver must apply the inverse T-1.- 2. 協(xié)議分層要保證整個通信系統(tǒng)功能完備、高效。-每一相鄰層之間有一個接口（Interface），它定義了下

3、層向上層提供的原語操作和服務(wù)。-4計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是從功能的角度描述計算機網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)：對計算機網(wǎng)絡(luò)及其部件所完成功能的比較精確的定義。即從功能的角度描述計算機網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。是層次和協(xié)議的集合。注意: 僅僅定義了網(wǎng)絡(luò)及其部件通過協(xié)議應(yīng)完成的功能；不定義協(xié)議的實現(xiàn)細節(jié)和各層協(xié)議之間的接口關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)功能的分層 協(xié)議的分層 體系結(jié)構(gòu)的分層 協(xié)議分層易于協(xié)議的設(shè)計、分析、實現(xiàn)和測試。51.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)功能的分層- 計算機網(wǎng)絡(luò)的基本功能：是為地理位置不同的計算機用戶之間提供訪問通路。- 下述功能是必須提供的：- 1. 連接源結(jié)點和目的結(jié)點的物理傳輸線路，可以經(jīng)過中間結(jié)點；- 2.

4、 每條線路兩端的結(jié)點利用波形進行二進制通信；- 3. 無差錯的信息傳送- 4. 多個用戶共享一條物理線路- 5. 按照地址信息，進行路由選擇- 6. 信息緩沖和流量控制- 7. 會話控制- 8. 滿足各種用戶的訪問要求6-對于第N層協(xié)議來說，它有如下特性：- 1. 不知道上、下層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；- 2. 獨立完成某種功能；- 3. 為上層提供服務(wù)；- 4. 使用下層提供的服務(wù)。7計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)-一、基本術(shù)語與分層結(jié)構(gòu)-接口：定義了下層向上層提供的原語操作和服務(wù)。-協(xié)議：計算機網(wǎng)絡(luò)同等層次中，通信雙方進行信息交換時必須遵守的規(guī)則。-服務(wù)：層間交換信息時必須遵守的規(guī)則。-服務(wù)和協(xié)議的關(guān)系-服務(wù)提

5、供者，服務(wù)用戶-Fig. 1-98計算機網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成：兩級結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò) 資源子網(wǎng) ( 或用戶子網(wǎng) ) ，通信子網(wǎng)9資源子網(wǎng)-組成：服務(wù)器，客戶計算機通信子網(wǎng)- 一、基本組成：通信線路 ( 或稱通道 )- 網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備 ( 路由器、交換機、HUB等 )- 二、基本結(jié)構(gòu)：-1. 點到點通道-基本特點：一條線路連接二臺網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備 一般情況下，二臺計算機的連接要經(jīng)過多臺網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備- 一般情況下，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式進行信息傳輸-典型拓撲結(jié)構(gòu)： (Fig. 1-6)- star, ring (loop), tree, complete, intersecting rings (loops), ir

6、regular-關(guān)鍵技術(shù)：路由選擇 ( Routing )1011-2. 廣播通道-基本特點：多臺計算機共享一條通信線路； 任一臺計算機發(fā)出的信息可以直接被其它計算機接收-典型拓撲結(jié)構(gòu)： (Fig. 1-3)- bus, ring- 關(guān)鍵技術(shù)：通道分配 - 靜態(tài)分配：分時間片- 特點：控制簡單，通道利用率低- 動態(tài)分配 ：各站點動態(tài)使用通道- 特點：控制復(fù)雜，通道利用率高-通道分配方法：- 集中式：只有一個仲裁機構(gòu)- 分布式：各站點均有仲裁機構(gòu)1213-三、網(wǎng)絡(luò)分類：-從地域范圍角度：- 1. 局域網(wǎng)絡(luò) ( Local Area Networks ) -主要采用廣播通道技術(shù)- 2. 城域網(wǎng)絡(luò)

7、( Metropolitan Area Networks )- 3. 廣域網(wǎng)絡(luò) ( Wide Area Networks )-主要采用點到點通道技術(shù)-從采用技術(shù)角度：- 1. 無線網(wǎng)絡(luò) ( Wireless Networks )-優(yōu)點：方便、靈活-缺點：速率低（1-2Mbps），誤碼率高，易受干擾-antennas, cellular telephone, CDPD(Cellular Digital Packet Data)- 2. 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)- 3. ATM網(wǎng)絡(luò)- .-14上述功能有三個顯著特點：1. 上述功能必須同時滿足一對用戶；2. 用戶之間的通信功能是相互的；3. 這些功能分散在各個網(wǎng)絡(luò)

8、設(shè)備和用戶設(shè)備中。一般人們采用“層次結(jié)構(gòu)”的方法來描述計算機網(wǎng)絡(luò)，即：計算機網(wǎng)絡(luò)中提供的功能是分成層次的。2.2.2協(xié)議和協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)- 一、協(xié)議的定義和組成 層次結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)功能中，最重要的功能是通信功能； 這種通信功能主要涉及同一層次中通信雙方的相互作用； 位于不同計算機上進行對話的第N層通信各方可分別看成是一種進程，也稱為對等（同等）進程。- 協(xié)議 ( Protocol )：- 計算機網(wǎng)絡(luò)同等層次中，通信雙方進行信息交換時必須遵守的規(guī)則。15161.3典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型 ( 1 )1.3.1計算機網(wǎng)絡(luò)的標準化- 一、電信標準-1865年成立國際電信聯(lián)盟

9、ITU（International Telecommunication Union）-1947年 ITU 成為聯(lián)合國的一個組織，由三部分組成：- ITU- R：無線通信- ITU- T：電信標準，1956 - 1993 年稱為CCITT ，下設(shè)許多研究組SG，研究組下設(shè)專題，例如：Q42/SG VII 專門研究 OSI 參考模型。- ITU- D：開發(fā)- 二、國際標準- 1946年成立的國際標準化組織 ISO 負責(zé)制定各種國際標準，ISO 有89個成員國家，85 個其他成員。- ISO 有200 多個技術(shù)委員會TC，每個技術(shù)委員會下設(shè)若干分委員會SC，每個分委員會由由若干工作組WG 組成。17

10、1.3典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型 ( 2 )-例如：TC97 - 計算機和信息處理 TC97/SC21/WG1 - OSI 體系結(jié)構(gòu)、概念性方案和形式描述-一個國際標準的形成：- CD (Committee Draft) - DIS (Draft International Standard) - IS (International Standard)-其它標準化組織：- ANSI：美國國家標準研究所，ISO 的美國代表- NIST：美國國家標準和技術(shù)研究所，美國商業(yè)部的標準化機構(gòu)- IEEE：發(fā)表行業(yè)標準。例如IEEE 802，后成為ISO 8802。- ATM For

11、um：ATM論壇- OIF（Optical Internetworking Forum）-值得注意的是，ITU - T 和 ISO 之間有很好的合作和協(xié)調(diào)。181.3典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型 ( 3 )- 三、Internet 標準-Internet 的標準特點，是自發(fā)而非政府干預(yù)的，稱為RFC （Request For Comments)。-1969 年ARPANET 時就開始發(fā)布RFC，至今已超過3000個。-1983年成立IAB（Internet Activities Board）-1989年在IAB 下又成立了IRTF 和 IETF，IETF的各工作組負責(zé)組織提

12、出相應(yīng)的RFC 建議。191.3典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型 ( 4 )1.3.2OSI (Open System Interconnection) 參考模型-1983年ISO 的 OSI 模型正式成為國際標準。 Fig. 1-16, Fig. 1-17- 1. 物理層（The Physical Layer）在物理線路上傳輸原始的二進制數(shù)據(jù)位（基本網(wǎng)絡(luò)硬件）。- 2. 數(shù)據(jù)鏈路層（The Data Link Layer）在有差錯的物理線路上提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸（Frame）。- 3. 網(wǎng)絡(luò)層（The Network Layer）控制通信子網(wǎng)提供源點到目的點的數(shù)據(jù)傳送（Pac

13、ket）。- 4. 運輸層（The Transport Layer）為用戶提供端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。- 5. 會話層（The Session Layer）為用戶提供會話控制服務(wù)（安全認證）。token management and synchronization (insert checkpoints into the data stream)- 6. 表示層（The Presentation Layer）為用戶提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和表示服務(wù)。- 7. 應(yīng)用層（The Application Layer）2021221.3典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型 ( 5 )1.3.3 TCP/

14、IP 參考模型 (Fig. 1-18)-以 TCP/IP 協(xié)議為核心的 Internet 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。- 1.物理層：在物理線路上傳輸原始的二進制數(shù)據(jù)位。- 2.數(shù)據(jù)鏈路層：在有差錯的物理線路上提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。- * TCP/IP 參考模型把第1層和第2層合起來稱為：Host-to- Network- 3.Internet層（網(wǎng)絡(luò)層）：控制通信子網(wǎng)提供源點到目的點的 IP 包傳送。- 4.運輸層：提供端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。TCP 和 UDP- 5.應(yīng)用層：提供各種 Internet 管理和應(yīng)用服務(wù)功能。Fig. 1-19Fig. 1-21TCP/IP 與 OSI 的比較23242526

15、OSI的歷史經(jīng)驗和教訓(xùn)的歷史經(jīng)驗和教訓(xùn)OSI是80年代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的主流OSI網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的核心和貢獻：- 分層模型- 服務(wù)、接口、協(xié)議Andrew S. Tanenbaum 在 “Computer Networks”第三版中評價OSI：- Bad timing（too late）- Bad technology（both the model and the protocol are flawed）- Bad implementations（huge，unwieldy，and slow）- Bad politics（government and organizations bu

16、reaucrats）27Internet 的標準化特點的標準化特點IAB（Internet Architecture Board）- IRTF（Internet Research Task Force）- IETF（Internet Engineering Task Force）Internet SocietyRFC（Request For Comments）- 1969年產(chǎn)生RFC0001，1997.1.3產(chǎn)生RFC2069，2000.9產(chǎn)生RFC2921Internet 標準化名言（David Clark of MIT）：“We reject kings, presidents, and

17、voting；we believe in rough consensus and running code”結(jié)論：Internet 與 ITU - T和ISO 的標準化過程完全不同282.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（2）2.4.2ARPANETu產(chǎn)生背景：60年代中期，冷戰(zhàn)高峰，DoD想建設(shè)一個核戰(zhàn)爭情況下的網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)絡(luò)太脆弱，不滿足要求。uARPA（Advanced Research Projects Agency）負責(zé)研制，采用分組交換，subnet 和 host computer兩極結(jié)構(gòu)。u由 稱為IMP（Interface Message Processors）的小型計

18、算機和線路組成；u存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式u1968年12月，BBN公司負責(zé)建網(wǎng)，采用改進的Honeywell DDP-316小型機作為IMP，IMP間用 56Kbps租用電話線連接。u軟件分為兩部分：subnet和 host， Figure 1-24u1969年12月，建成四個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展迅速 Figure 1-25292.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（3）u網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展暴露出協(xié)議軟件的不足，1974年，TCP/IP模型和協(xié)議誕生。uTCP/IP協(xié)議軟件被集成進Berkeley UNIX中，并開發(fā)出socket接口。uTCP/IP便于LAN接入ARPANETu1983年，ARPA將ARPANET交

19、給DCA（Defense Communica-tions Agency），DCA將軍用部分分離出來，構(gòu)成MILNET。u80年代，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大，出現(xiàn)DNS（Domain Naming System）u1990年，ARPANET停止運行，MILNET仍在工作。3031322.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（4）2.4.3NSFNETu二十世紀七十年代末，大學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)進行研究的需要促使二十世紀七十年代末，大學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)進行研究的需要促使NSF（U.S. National Science Foundation）建立一個虛擬網(wǎng)絡(luò)）建立一個虛擬網(wǎng)絡(luò)CSNET。u1984年，年，NSF開始設(shè)計一個高速網(wǎng)絡(luò)

20、，對所有大學(xué)和研究機構(gòu)開開始設(shè)計一個高速網(wǎng)絡(luò)，對所有大學(xué)和研究機構(gòu)開放。放。NSF建立了一個骨干網(wǎng)，把六個超級計算機中心連接起來。建立了一個骨干網(wǎng)，把六個超級計算機中心連接起來。56Kbps租用線路，軟件租用線路，軟件使用使用TCP/IP技術(shù)，成為第一個技術(shù)，成為第一個TCP / IP 廣域網(wǎng)。廣域網(wǎng)。u1990年，年，MERIT、MCI和和IBM公司成立一個非贏利機構(gòu)公司成立一個非贏利機構(gòu)ANS（Advanced Networks and Services）管理）管理NSFNET，把骨干網(wǎng)帶寬，把骨干網(wǎng)帶寬從從1.5Mbps升級為升級為45Mbps（ANSNET）。）。u1991年，年，NR

21、EN（National Research and Educational network）啟動，研究啟動，研究NSFNET的下一代，目標是達到的下一代，目標是達到G比特。比特。u1995年，年，ANSNET賣給賣給America Online。單一骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)被商業(yè)。單一骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)被商業(yè)驅(qū)動的、競爭的多骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)替代。驅(qū)動的、競爭的多骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)替代。33342.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（5）2.4.4X.25 分組交換網(wǎng)70年代，CCITT推出X.25標準，為公用包交換網(wǎng)和用戶之間提供接口。X.25面向連接，支持交換虛電路和永久虛電路。X.21（物理層協(xié)議）X.3 / X.28 / X.29 DTE: Digital Terminal EquipmentDCE: Di