1 第三章网络体系结构 本课程所指网络体系结构 是指为实现互连 而要求网络设备必须实现的通信功能的逻辑分布结构 以及必须遵守的相关通信协议所组成的一个集合 它是指导网络设备制造 构建现代通信网的基础 2 3 1概述3 2OSI参考模型3 3TCP IP协议3 4传送网体系结构3 5电信信息网络体系结构 第三章网络体系结构 3 现代管理学的精髓概括起来无非两条 分工标准化 在通信网中的OSI七层功能模型充分体现了这两点 4 3 1概述 3 1 1网络体系结构定义3 1 2网络的分层和分段3 1 3网络协议及其功能 5 网络体系结构是一套顶层的设计准则 这套准则是用来指导网络的技术设计 特别是协议和算法的工程设计 可以分为两个层次 网络的构建原则 本层次确定了网络的基本框架 功能分解和系统的模块化 本层次指出了实现网络体系结构的方法 3 1 1网络体系结构定义 6 网络体系结构必须完成的具体工作 按一定规则把网络划分成为许多部分 并明确每一部分所包含的内容 建立参考模型 将各部分组合成通信网 并明确各部分间的参考点 设置标准化接口 对参考点的接口标准化 接口标准化 实质就是从整体上使通信网最优化 3 1 1网络体系结构定义 7 3 1 1网络体系结构定义3 1 2网络的分层和分段3 1 3网络协议及其功能 3 1概述 8 1 分层任意一个网络总可以从垂直方向分解为若干独立的层 相邻层之间具有客户 服务器关系 分层的好处 3 1 2网络的分层和分段 各层相互独立灵活性好实现和维护方便 9 2 分段在分层基础上 再从水平方向把每一层网络化分为若干个分离的部分 这就是分段 分段的好处 3 1 2网络的分层和分段 允许层网络的一部分被层网络的其余部分看成一个单独实体 减少层网络管理控制的复杂性 网络运营可以自由地改变其子网或使其最佳化 而不影响层网络的其余部分 分段对于在同一层网络内对网络结构进行规定是十分重要的 10 2 分段在分层基础上 再从水平方向把每一层网络化分为若干个分离的部分 这就是分段 分段的好处 3 1 2网络的分层和分段 允许层网络的一部分被层网络的其余部分看成一个单独实体 减少层网络管理控制的复杂性 网络运营可以自由地改变其子网或使其最佳化 而不影响层网络的其余部分 分段对于在同一层网络内对网络结构进行规定是十分重要的 例如当同一层网络由不同网络运营商联合提供端到端通道时 采用分段概念可以对管理界限进行规定 11 3 1 1网络体系结构定义3 1 2网络的分层和分段3 1 3网络协议及其功能 3 1概述 12 3 1 3网络协议及其功能 1 协议协议的定义 在现代通信网中 要做到有条不紊地交换信息 每个节点都必须遵守一些事先确定的规则 这些规则明确规定了通信中同步 时序 错误检测和纠正等所有有关的细节 这些为网络信息交换而建立的规则 标准或约定就称为协议 13 语法 信息与控制信息的结构或格式 语义 需要发出何种控制信息 完成何种动作 以及做出何种应答 同步 事件实现的详细说明及严格的同一时刻通信问题 3 1 3网络协议及其功能 协议的要素 14 2 协议的功能 3 1 3网络协议及其功能 通信协议具有的主要功能有 分段和组装 数据的分包和打包 封装 加上控制信息 连接控制流量控制差错控制寻址复用附加服务 15 2 协议的功能分段和组装 图3 1数据分段示意图 3 1 3网络协议及其功能 在应用层将转移数据的逻辑单元称为消息 应用实体之间以消息的形式或以连续数据流的形式发送数据 较低层的协议需要把数据分为较小的 长度受限的数据块 这个过程称为分段 通常把两实体之间按照协议交换的数据块被称为协议数据单元 PDU ProtocolDataUnit 在接收侧重新把数据组装成消息 图3 1数据分段示意图 16 封装在分段后形成的数据块上增加控制信息的过程称为封装 当存在多层协议时 需要按层次进行封装 每个PDC包含的控制信息有 地址 发送端或接收端的地址 错误检测码 包含某种校验序列 对收到的一段信息进行校验 协议控制 对流量和差错进行控制的信息 3 1 3网络协议及其功能 17 连接控制数据通信分为无连接和面向连接两种通信方式 面向连接的通信过程可以分为连接建立 数据传送 连接拆除三个阶段 流量控制指接收实体对发送实体送出的数据单元数量或速率进行限制 差错控制用来对PDU中的数据和控制信息进行保护 寻址寻址的过程涉及寻址的级别 寻址的范围 连接识别符和寻址的模式几个方面 3 1 3网络协议及其功能 18 复用复用是指在一个系统上支持多个连接 附加服务 优先权 服务等级 对网络的服务质量指标提出要求 安全 设置口令权限 以保护系统的安全 3 1 3网络协议及其功能 19 3 协议栈协议设计和开发成完整的协作的集合称为协议栈 也称协议组或协议族 3 1 3网络协议及其功能 对所有通信的完整细节 设计人员不可能设计一个单一 巨大的协议 而是把通信问题划分成多个相对独立的问题 然后为每个问题设计一个单独的协议 称为协议子集 这样 使用的协议子集形成了协议系列 从而使得每个协议的设计 分析 实现和测试比较容易 并增加了灵活性 20 3 协议栈协议设计和开发成完整的协作的集合称为协议栈 也称协议组或协议族 3 1 3网络协议及其功能 协议栈中的每个协议解决一部分通信问题 这些协议合起来解决了整个通信问题 而且整个协议栈在各协议间能高效地相互作用 为确保可靠且高效率通信 必须仔细准确地划分单独协议 确保每个协议应该处理的通信问题不重复 但为了协议的实现更有效 协议之间应能共享数据结构和信息 而且 整个协议系列应能处理所有可能的硬件错误或其他的异常情况 21 3 1概述3 2OSI参考模型3 3TCP IP协议3 4传送网体系结构3 5电信信息网络体系结构 第三章网络体系结构 OSI OpenSystemInterconnection 22 3 2OSI参考模型 23 3 2OSI参考模型 应用层 AL ApplicationLayer 应用层的作用是提供应用所经常需要的服务 24 3 2OSI参考模型 表示层 PL PresentationLayer 表示层的作用是使应用层能独立于不同数据表示方式 它负责定义信息的表示方法 25 3 2OSI参考模型 会话层 SL SessionLayer 会话层通过对话控制增强传输层所提供的可靠传输服务 利用该层可控制数据交换方式 26 3 2OSI参考模型 传输层 TL TransportLayer 传输层的作用是实现从源端设备会话实体到目的端设备会话实体的端到端间报文传送 27 3 2OSI参考模型 网络层 NL NetworkLayer 网络层的功能是提供经通信网的分组数据传送 选择通信路由 将分组数据从源节点通过一个或多个通信网送到目的节点 在系统间实现 透明 的数据传送 28 3 2OSI参考模型 数据链路层 DL DatalinkLayer 数据链路层的作用是在直连两节点的传输链路上传送帧或信息块 29 3 2OSI参考模型 物理层物理层的主要功能是保证要传送的信息比特逐个从链路一端进入物理媒质 到达链路的另一端 30 传输层 网络层 数据链路层比较 传输层传输层是整个网络体系结构中的关键部分 它利用通信子网提供的服务 实现两个用户进程之间端到端的可靠通信 传输层的主要功能有 提供建立 维护和拆除传输层连接 选择网络层提供合适的服务 提供端到端的错误恢复和流量控制 向会话层提供独立于网络层的传送服务和可靠的透明数据传送 31 无论通信子网提供的服务有什么特点 面向连接的或无连接的 可靠性如何 经传输层处理后 都应表现为可靠的 顺序提交的服务 因此就通信功能来说 传输层是提供通信服务的最高层 它弥补了通信子网的差异和不足 传输层 网络层 数据链路层比较 32 从另一个角度看 传输层又是用户功能中的最低层 也是最基本的一层 通过网络互联的用户主机要实现任何远程的信息交换必须利用这一层提供的服务 相对来说 其它的上层功能则显得不很重要 有时甚至可以没有 例如在ARPANET中 用户进程就是直接访问传输层的 传输层 网络层 数据链路层比较 33 传输层的作用和数据链路层有相似之处 数据链路层负责点到点之间的数据通信 传输层负责扩大了的点到点之间的通信 即端到端之间的通信 传输层 网络层 数据链路层比较 34 传输层的作用和数据链路层又有很大的区别 对数据链路层来说 点与点之间的信道是一条物理链路 而对传输层来说 端与端之间的信道是一通信子网 由于传输层负责通过通信子网的两主机之间的端到端通信 报文在子网中通过时可能会丢失 重组 阻塞或产生较大存储延时 故传输层协议比数据链路层协议复杂得多 传输层 网络层 数据链路层比较 35 网络层与传输层网络层向传输层提供的服务有可靠与不可靠之分 但传输层对高层来说 提供的却是端到端的可靠通信 如果通信子网功能很完善 那么传输层的任务就比较简单 如果通信子网质量很差 那么传输层就必须填补传输层用户中所要求的服务质量和网络层所能提供的服务质量之间的差异 传输层 网络层 数据链路层比较 36 由述可知 每层都要在从上一层接收的服务数据单元 SDU ServiceDataUnit 中加上头部 也可能还要加上尾部 图3 6表示一个应用数据块从第七层到第一层加头部和尾部的情况 到达目的端 每层读其相应的头部 以确定应进行的动作 最后将去掉头部和尾部后的SDU送到其上层 3 2OSI参考模型 37 图3 6OSI网络数据单元的格式 3 2OSI参考模型 38 对末端用户来说 网络传输部分就好像一根 透明的管道 将数据单元从信源沿这 管道 路由及时传送到目的地 信宿 高功能层部分只在于正确地以帧形式收发数据 并不关心网络传送部分的具体情况 3 2OSI参考模型 39 3 1概述3 2OSI参考模型3 3TCP IP协议3 4传送网体系结构3 5电信信息网络体系结构 第三章网络体系结构 40 3 3 1TCP IP体系结构3 3 2用户数据报协议 UDP 3 3 3传输控制协议 TCP 3 3 4应用层协议 3 3TCP IP协议 41 a b 图3 8TCP IP体系结构 1 应用层TCP IP的应用层整合了OSI模型的高三层的功能 应用层 TCP IP协议的最高层 规定了应用程序怎样使用互联网 2 传输层传输层 负责应用进程之间的端 端通信 提供两种基本类型的服务 1 TCP IP体系结构 3 3 1TCP IP体系结构 42 传输控制协议 TCP 为字节流提供面向连接的可靠传输 用户数据报协议 UDP 为各个消息提供尽力而为的无连接传输 3 互联网层互联网层 负责将数据报送到目的主机 包括 处理来自传输层的分组发送请求 处理接收的数据报 检查目的地址 若需要转发 则选择发送路径转发 若目的地址为本结点地址 则除去报头 将分组交送传输层处理 处理互连网路径 流控与拥塞问题 3 3 1TCP IP体系结构 43 图3 9互联网层与网络接口层 4 网络接口层网络接口层 是TCP IP的最低层 该层的协议提供了一种数据传送的方法 3 3 1TCP IP体系结构 44 2 TCP IP协议族 图3 10TCP IP协议族 3 3 1TCP IP体系结构 45 3 3 1TCP IP体系结构3 3 2用户数据报协议 UDP 3 3 3传输控制协议 TCP 3 3 4应用层协议 3 3TCP IP协议 46 图3 12UDP数据报 UDP是一个不可靠的无连接的传输层协议 只提供在IP的范围外的两种额外服务 解复用和数据差错检查 3 3 2用户数据报协议 UDP 47 3 3 1TCP IP体系结构3 3 2用户数据报协议 UDP 3 3 3传输控制协议 TCP 3 3 4应用层协议 3 3TCP IP协议 48 TCP在IP的基础上提供可靠的面向连接的流服务 它使用选择性重发ARQ ARQ AutomaticRepeatreQuest 和算法进行拥塞控制 3 3 3传输