1 1 计算机网络技术及应用网络体系结构的基本概念 ISO/OSI参考模型 TCP/IP参考模型 IP地址 子网掩码和子网划分 本章主要内容： 第第3 3章章 网络体系结构网络体系结构 2 计算机网络技术及应用网络应用环境的复杂性、异质性： 多种通信媒介有线、无线 不同种类的设备通用、专用 不同的操作系统Unix、Windows 不同的应用环境固定、移动 不同种类业务分时、交互、实时. 宝贵的投资和积累有形、无形 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 相互交织，相互交织， “异质而“异质而 复杂”复杂” 3 计算机网络技术及应用结构清晰 简化设计与实现 便于更新与维护 较强的独立性和 适应性 复杂的网络系统的 “异 质性”问题， 解决方法：分 而治之-“层 次化” 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 4 计算机网络技术及应用实例：两个人收发信件 问题： 收信人与发信人之间、邮局之间，他们是在直接通信吗？ 邮局、运输系统各向谁提供什么样的服务？ 邮局、收发信人各使用谁提供的什么服务？ 信件内容信件内容 邮件地址邮件地址 货物地址货物地址 发信人发信人 邮局邮局 运输系统运输系统 信件内容信件内容 邮件地址邮件地址 货物地址货物地址 收信人收信人 对信件内容的共识对信件内容的共识 对信件如何传递的共识对信件如何传递的共识 对货物如何运输的共识对货物如何运输的共识 P3 P2 P1 公路，铁路，航空公路，铁路，航空 邮局邮局 运输系统运输系统 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 5 计算机网络技术及应用层次的观点： 每层实现一种特定的服务 通过自己内部的功能 依赖自己的下层提供的服务 同名层次之间进行间接、虚拟通信 信件内容信件内容 邮件地址邮件地址 货物地址货物地址 发信人发信人 邮局邮局 运输系统运输系统 信件内容信件内容 邮件地址邮件地址 货物地址货物地址 收信人收信人 对信件内容的共识对信件内容的共识 对信件如何传递的共识对信件如何传递的共识 对货物如何运输的共识对货物如何运输的共识 P3 P2 P1 公路，铁路，航空公路，铁路，航空 邮局邮局 运输系统运输系统 对等通信例：两个人收发信件 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 6 计算机网络技术及应用层次化方法的应用 程序设计 把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来实 现，如操作系统。 邮政系统 邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输 银行系统 物流系统 网络系统 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 2 7 计算机网络技术及应用网络异质性的解决层次化方法 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，较小的局部问题比较易于研究和处理。 网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方法把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 8 计算机网络技术及应用在网络中，每一层都是向它的上一层提供一 定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上 层加以屏蔽。 基本思想 分层的目的 减少协议设计的复杂性 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 9 计算机网络技术及应用分层原则 层数太少，会使每一层的协议太复杂。 层数太多又会在描述和综合各层功能的时遇到较多 的困难。 1. 层数要适当 2. 层间接口要清晰，跨越接口的信息尽可 能地少 3. 应用程序与管理程序分开 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 10 计算机网络技术及应用网络层次化结构的优点 1.各层之间独立 某层不需知道下一层如何实现， 仅知道该层通过层间的接口所 提供的服务 每层功能独立，可将复杂问题 分解为若干容易处理的小问题 2.灵活性好 当某层发生变化时，只要层间 接口关系保持不变，该层以上 或以下各层不受影响 对某层提供的服务可进行修改 3.结构上可分割开 各层都可采用最合适的技术来实现 4.易于实现和维护 系统被分解为若干个相对独立的子 系统使得实现和调试一个庞大而又复 杂的系统变得易于处理 5.方便标准化 每一层的功能及其提供的服务都已 有精确的说明 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 11 计算机网络技术及应用网络层次结构方法要解决的问题 1.网络应该具有哪些层次？每一层的功能 是什么？（分层与功能） 2.各层之间的关系是怎样的？它们如何进 行交互？（服务与接口） 3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则？ （协议） 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 12 计算机网络技术及应用计算机网络体系结构(architecture)是网络的层次结构模 型及其协议的集合。体系结构包括3个内容：分层结构与 每层功能、服务与层间接口、协议。 体系结构就是计算机网络及其部件所应完成功能的精确 定义。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用 何种硬件或软件完成这些功能的问题。 体系结构是抽象的，不涉及硬件和软件。而实现则是具 体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。 网络体系结构的定义： 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 3 13 计算机网络技术及应用网络体系结构的几个基本概念 协议：为网络数据交换（通信）而建立的规则、标准与约定。 （ 不同层具有各自不同的协议）。 协议三要素： 1）语义：对构成协议的协议元素含义的解释，用于协调和差错处 理的控制信息，即需要发出何种控制信息及完成的动作及做出的响应。 2）语法：信息的数据格式、编码和信号电平等，即用户数据与控 制信息的结构和格式。 3）时序：传输速率匹配和先后顺序，即对事件实现顺序的详细说 明。 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 14 计算机网络技术及应用通信协议的三要素示例 语义：对协议中各协议元素的含义的解释，例如： 在HDLC协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束 在BSC协议中，SOH(01H)表示报文的开始，STX(02H)表示报 文正文的开始，ETX(03H)表示报文正文的结束 语法：协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如： 时序：通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则 Flag Address Ctrl Data FCSS Flag SOH HEAD STX TEXT ETX BCC BSC HDLC 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 15 计算机网络技术及应用确认 释放连接 释放确认 释放确认 连接确认 数据 连接请求 连接确认 t t 时序示例 释放连接释放连接 数据传输数据传输 建立连接建立连接 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 16 计算机网络技术及应用网络体系结构中： 每层可能会有若干个协议 一个协议只属于一个层次 协议可以由软件或硬件来实现： 网络通信协议软件、网络驱动程序 网络硬件 常用协议组： TCP/IP（Windows、Unix、Linux、） NetBEUI（Windows） IPX/SPX（NetWare、Windows） 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 17 计算机网络技术及应用网络体系结构的几个基本概念 实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 对等层：两个不同系统的同名层次。 对等实体：位于不同系统的同名层次中的两个实体。 协议作用在对等实体之间 接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。 服务：各层向它上层提供的一种操作，通过接口提供给其 相邻上层。(定义了两层之间的接口)。 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 18 计算机网络技术及应用本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。 下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的 规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接 口提供的。 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访 问点 SAP (Service Access Point)。 服务与协议分离服务与协议分离只要不改变提供给用户的服务，只要不改变提供给用户的服务， 实体可以任意改变它们的协议实体可以任意改变它们的协议 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 4 19 计算机网络技术及应用系统A 系统B 实体实体 对等层对等层 对等实体对等实体 接口接口 服务服务 物理网络物理网络 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 20 计算机网络技术及应用网 络 分 层 体 系 结 构 P3 P2 P1 2 1 3 2 1 物理通信线路 3 N+1 N N-1 N+1 N N-1 Pn-1 Pn Pn+1 系统系统A 系统系统B 网络中的任何一个系统都 是按照层次结构来组织的 同一网络中，任意两端系 统必须具有相同的层次 每层使用其下层提供的服 务，并向其上层提供服务 通信只在对等层间进行 （间接的、逻辑的、虚拟 的），非对等层之间不能 互相“通信” 实际的物理通信只在最底 层完成 Pn：第n层协议，即第n 层对等实体间通信时必须 遵循的规则或约定 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 对等层通信的实质 21 计算机网络技术及应用对等层通信 网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层之间进行 直接通信。 实际上，每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机 的对等层通信。 上层使用下层提供的服务Service user； 下层向上层提供服务Service provider。 第n+1层是第n层的服务用户，第n-1层是第n层的服务 提供者 第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服务 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 22 计算机网络技术及应用对等层通信 3 2 1 N+1 N N-1 2 1 3 N+1 N N-1 源进程传送消息到目标进程的 过程： 消息送到源系统的最高层； 从最高层开始，自上而下 逐层封装； 经物理线路传输到目标系 统； 目标系统将收到的信息自 下而上逐层处理并拆封； 由最高层将消息提交给目 标进程。 目标进程 源进程 P3 P2 P1 物理通信线路物理通信线路 Pn-1 Pn Pn+1 消息消息 消息消息 逻辑通信逻辑通信 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 23 计算机网络技术及应用协议数据单元（PDU） 网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统称为 协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。 PDU由协议控制信息（协议头）和数据（SDU）组 成: 协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息: 地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息、 协议控制信息协议控制信息 数据（数据（SDU） 3.13.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念 24 计算机网络技术及应用下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装，然后加入本层的协议头 部（和尾部）形成本层的PDU。 封装：就是在数据前面加上特定的协议头部。 数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目 的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程