最新-第三章計算機網(wǎng)絡的協(xié)議與體系結構-PPT精品課件

1、第三章計算機網(wǎng)絡的協(xié)議與體系結構 本章要點l 掌握：協(xié)議、層次、接口與網(wǎng)絡體系結構的基本概念l 掌握：ISO的OSI七層參考模型l 掌握：TCP/IP參考模型l 了解：OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較l 了解：網(wǎng)絡協(xié)議標準化組織本章難點協(xié)議、層次、接口 3.1 網(wǎng)絡體系結構的基本概念 3.1.1 網(wǎng)絡協(xié)議的概念 網(wǎng)絡協(xié)議：為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標準被稱為網(wǎng)絡協(xié)議。 網(wǎng)絡協(xié)議的三要素 ：語義：語義是用于解釋比特流的每一部分的意義 。語法：語法定義了通信雙方的用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結構與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義。時序：時序是對事件實現(xiàn)順序的詳細說明，即何時進行通信，先講什

2、么，后講什么，講話的速度等。 3.1.2 協(xié)議、層次、接口與體系結構的概念 隨著計算機網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，計算機網(wǎng)絡的規(guī)模越來越大，各種應用不斷增加，網(wǎng)絡也因此變得越來越復雜。面對日益復雜化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，必須采用工程設計中常用的結構化的方法，將一個復雜的問題分解成若干個容易處理的子問題，爾后“分而治之”逐個加以解決，分層就是系統(tǒng)分解的最好方法之一。 實際郵政系統(tǒng)信件發(fā)送、接收過程示意圖 1、層次化體系結構中的幾個基本概念協(xié)議（Protocol）是一種通信規(guī)約。層次：將總體要實現(xiàn)的很多功能分配在不同的層次中；每個層次要完成的服務及服務實現(xiàn)的過程都有明確規(guī)定；不同地區(qū)的系統(tǒng)分成相同的層次； 接口（i

3、nterface）：就是同一結點內，相鄰層之間交換信息的連接點。 2、網(wǎng)絡體系結構 將網(wǎng)絡層次性結構模型與各層次協(xié)議的集合定義為計算機網(wǎng)絡體系結構（Network Architecture）。體系結構是抽象的，而實現(xiàn)是具體的，它是指能夠運行的一些硬件和軟件。 3、網(wǎng)絡體系結構的研究意義 各層之間相互獨立靈活性好 ，例如由于技術的進步促進實現(xiàn)技術的變化，只要接口保持不變，則在這層以上或以下各層均不受影響。 由于各層獨立。因此每層都可以選擇最為合適的實現(xiàn)技術，各層實現(xiàn)技術的改變不影響其他層。 易于實現(xiàn)和維護。由于整個系統(tǒng)被分割為多個容易實現(xiàn)和維護的小部分，使得整個龐大而復雜的系統(tǒng)變得容易實現(xiàn)、管理

4、和維護。 有益于標準化的實現(xiàn)，由于每一層都有明確的定義，即每層實現(xiàn)的功能和所提供的服務都很明確，因此十分利于標準化的實施。 。 3.2 開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI/RM） 3.2.1 OSI參考模型的基本概念 1、OSI參考模型的提出 制定計算機網(wǎng)絡標準方面起著很大作用的兩大國際組織是：國際電報與電話咨詢委員會（CCITT，Consultative Committee on International Telegraph and Telephone）與國際標準化組織（ISO，International Standards Organization）。 ISO發(fā)布了著名的ISO/IEC7498

5、標準，它定義了網(wǎng)絡互連的七層框架，也就是開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI/RM，Open System Interconnection Reference Model）。 2、OSI參考模型的概念 OSI中的“開放”是指只要遵循OSI標準，一個系統(tǒng)就可以與位于世界上任何地方、同樣遵循同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。 在OSI/RM互連參考模型中采用的是三級抽象： 體系結構（Architecture）：定義了開放系統(tǒng)的層次結構、層次之間的相互關系及各層所包括的可能的服務。 服務定義（Service Definition）：詳細地說明了各層所提供的服務。 協(xié)議規(guī)格說明（Protocol Specifi

6、cation）：精確地定義了應當發(fā)送什么樣的控制信息，以及應當用什么樣的過程來解釋這個控制信息。 OSI參考模型的結構示意圖 3、OSI的有關術語 （1）數(shù)據(jù)單元 （n）服務數(shù)據(jù)單元（n）SDU）：（n）SDU（Service Data Unit）指的是第n層待傳送和處理的數(shù)據(jù)單元。 。（n）協(xié)議數(shù)據(jù)單元（n）PDU）。（n）PDU （Protocol Data Unit）指的是在對（同）等層傳送的數(shù)據(jù)單元，它通常是將SDU分成若干段，每一段加上報頭，作為一單獨協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU在水平方向上傳送。 （n）接口數(shù)據(jù)單元（n）IDU）。（n）PDU （Protocol Data Unit）指的是在

7、對（同）等層傳送的數(shù)據(jù)單元，它通常是將SDU分成若干段，每一段加上報頭，作為一單獨協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU在水平方向上傳送。 （2）服務訪問點 ：相鄰層間的服務是通過其接口界面上的服務訪問點SAP（Service Access point）進行的,n層的SAP就是n+1層可以訪問n層的地方，每個SAP都有一個唯一的地址。 （3）服務原語：表3-1 OSI的4類服務原語 原語 意義 request 用戶實體請求服務做某種工作 indication 用戶實體被告知某事件發(fā)生 response 用戶實體表示對某事件的響應 confirm 用戶實體收到關于它的請求的答復 相鄰層及其接口 4、面向連接和無連接

8、的服務 下層能夠向上層提供的服務有兩種：面包連接的服務和無連接的服務。 面包連接的服務：以打電話為例，經歷建立連接、通信、拆除連接的三個階段。 無連接的服務：沒有建立和拆除鏈路的過程，一般也沒有確認 。3.2.2 OSI參考模型的結構 OSI是分層體系結構的一個實例，每一層是一個模塊，用于執(zhí)行某種主要功能，并具有自己的一套通信指令格式（稱為協(xié)議）。用于相同層的兩個功能之間通信的協(xié)議稱為對等協(xié)議。 劃分層次的主要原則是：網(wǎng)中各結點都具有相同的層次。不同結點的同等層具有相同的功能。同一結點內相鄰層之間通過接口通信。每一層可以使用下層提供的服務，并向其上層提供服務。不同結點的同等層通過協(xié)議來實現(xiàn)對等

9、層之間的通信。3.2.3 OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程 OSI環(huán)境數(shù)據(jù)流 3.3物理層 1、物理層功能 ：利用傳輸介質為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，實現(xiàn)比特流的透明傳輸?！巴该鱾魉捅忍亓鳌北硎窘泴嶋H電路傳送后的比特流沒有發(fā)生變化，對傳送的比特流來說，這個電路好像是看不見的，當然，物理層并不需要知道哪幾個比特代表什么意思。2、物理層特性 （1）機械特性。機械特性規(guī)定了物理連接時接插件的規(guī)格尺寸、引腳數(shù)量和排列情況等。（2）電氣特性。電氣特性規(guī)定了在物理連接上傳輸二進制位流時線路上信號電壓的高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等。（3）功能特性。功能特性規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。（4

10、）規(guī)程特性。規(guī)程特性定義了利用信號線進行二進制位流傳輸?shù)囊唤M操作規(guī)程，即各信號線的工作規(guī)則和先后順序。 3.4數(shù)據(jù)鏈路層 1、數(shù)劇鏈路層的主要功能 ：負責建立和管理節(jié)點間的鏈路。該層的主要功能是“通過各種控制協(xié)議，將有差錯的物理信道變?yōu)闊o差錯的、能可靠傳輸數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)鏈路” 該層通常又被分為介質訪問控制（MAC）和邏輯鏈路控制（LLC）兩個子層。MAC子層的主要任務是解決共享型網(wǎng)絡中多用戶對信道競爭的問題，完成網(wǎng)絡介質的訪問控制；LLC子層的主要任務是建立和維護網(wǎng)絡連接，執(zhí)行差錯校驗、流量控制和鏈路控制。 2、數(shù)據(jù)鏈路層的主要協(xié)議標準 面向字符型的傳輸控制規(guī)程 ： 在面向字符型的傳輸控制規(guī)程中

11、，信息傳輸以字符為基本單位，通過控制字符來實現(xiàn)對鏈路層的監(jiān)控與管理。 面向位的鏈路控制規(guī)程 ： 面向位的鏈路控制規(guī)程以ISO制定的HDLC（High Level Data Link Control）為代表，它得到了各國計算機網(wǎng)絡工作者的公認，并作為國際標準。 HDLC幀格式 3種類型的幀： 信息幀（I幀），I幀是傳輸數(shù)據(jù)的幀 。監(jiān)控幀S（幀）。S幀完成鏈路的監(jiān)控功能，監(jiān)視鏈路上的常規(guī)動作。無編號幀（U幀）。 無編號幀（U幀） 3、流量控制 個相鄰結點之間傳送數(shù)據(jù)，必須協(xié)調好發(fā)送端和接收端之間的數(shù)據(jù)流平衡問題，即要求發(fā)送端發(fā)送的信息量不能大于接收端的接收能力，否則就可能出現(xiàn)擁擠或堵塞現(xiàn)象。流量控

12、制規(guī)程就是控制在一個特定時間內允許發(fā)送方發(fā)出多少個數(shù)據(jù)幀。 在數(shù)據(jù)鏈路層中，常使用窗口流量控制方法，又稱滑動窗口協(xié)議或窗口流量控制規(guī)程。4、差錯控制 差錯控制是十分重要的，因為物理層不管采用什么傳輸介質，總要受環(huán)境噪聲的干擾或信號間的干擾，傳輸差錯是不可避免的。差錯控制的任務就是發(fā)現(xiàn)差錯，并一般采用重發(fā)方式糾正錯誤。差錯控制主要處理下列兩種情況：接收方接收的幀的錯誤檢測?，F(xiàn)多采用CRC編碼方式，如果接收方對接收到的數(shù)據(jù)幀除以生成多項式，除盡表示正確，不能除盡說明有錯，則給發(fā)送方發(fā)回一否認幀（NAK），請求發(fā)送方重發(fā)此幀。所發(fā)送的幀丟失或確認幀丟失。此時，發(fā)送方在限定的時間內收不到應答，則認為超

13、時，重發(fā)剛才已發(fā)過的幀。3.5 Internet的數(shù)據(jù)鏈路層點對點協(xié)議PPP（point-to-point protocol）用戶接入Internet的一般方法有兩種。一種是用戶使用撥號電話線接入Internet，另一種是使用專線接入 PC機拔號方式入網(wǎng) PPP幀的格式 PPP協(xié)議的狀態(tài)圖 3.5 網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層（network layer）是OSI模型的第三層，它是OSI參考模型中最復雜的一層，也是通信子網(wǎng)的最高一層 ,向資源子網(wǎng)提供兩種類型服務：數(shù)據(jù)報和虛電路服務。 網(wǎng)絡層主要功能（1）為傳輸層提供建立、維持和釋放網(wǎng)絡連接的手段，完成路徑選擇、擁擠控制、網(wǎng)絡互連等功能。這些對傳輸層來說是完

14、全透明的。（2）根據(jù)傳輸層的要求來選擇網(wǎng)絡服務質量。（3）向傳輸層報告未恢復的差錯。 2.虛電路服務和數(shù)據(jù)報服務網(wǎng)絡層向傳輸層提供虛電路服務和數(shù)據(jù)報服務 (1)虛電路（Virtual Circuit）服務 虛電路服務在傳送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方提供自己和接收端的全稱網(wǎng)絡地址，建立虛電路，然后按序傳送報文分組。它不會發(fā)生報文丟失或重疊的情況。通信完成后拆除虛電路。 兩種建立虛電路的方法 呼叫虛電路。 呼叫虛電路即通過虛呼叫來建立虛電路。兩站間整個通信過程包括三個階段：虛呼叫、報文傳送和拆除虛電路。 永久虛電路 兩站間不管是否通信都永遠存在一條虛電路。此種虛電路省去了虛呼叫和虛拆除的過程。 (2)數(shù)據(jù)報（

15、Datagram）服務 數(shù)據(jù)報有如下特點： 數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡和用戶間的傳送協(xié)議，格式簡單，實現(xiàn)機構也簡單。 數(shù)據(jù)報傳送勿需事先建立邏輯連接。 數(shù)據(jù)報根據(jù)它所含的目標地址能以最小延遲到達終點，它們獨立選擇路徑，網(wǎng)絡對它們單獨處理，與前后數(shù)據(jù)報均無關系。 各數(shù)據(jù)報從源點發(fā)出的順序與其到達目標點的順序無關。虛電路和數(shù)據(jù)報的比較 服務類別 問題虛電路數(shù)據(jù)報端-端連接要不要目標站地址僅連接時需要每個分組都需要分組順序按序不保證端-端差錯處理和流量控制由通信子網(wǎng)負責由主機負責3.網(wǎng)絡地址 邏輯網(wǎng)絡地址用于指明源和目的地網(wǎng)絡(IP地址)。物理設備地址用于標識源或目的地計算機（網(wǎng)卡地址）。服務地址標識運行于源或目

16、的地計算機上的特定應用進程（端口號） 4.路徑選擇 廣域網(wǎng) 的路徑選擇： 廣域網(wǎng)多為網(wǎng)狀拓撲結鉤，從源結點通往目的結點的中間過程往往存在多條冗余路徑，這就存在選擇最佳路徑問題。廣域網(wǎng)內部有數(shù)據(jù)報服務和虛電路服務，都存在選路的問題。 局域網(wǎng)不存在“選路的問題”。路徑選擇的關鍵是確定算法。路徑選擇的要求 路徑選擇算法應具有正確性、簡便性、健壯性、穩(wěn)定性、公平性等要求。 5.流量控制和擁塞控制 流量控制著重解決的是一條信道上的信息流暢問題；擁塞控制則主要解決子網(wǎng)中的信息總量問題。 3.7傳輸層 向用戶提供可靠的端到端的差錯和流量控制，保證報文的正確傳輸 數(shù)據(jù)鏈路層負責點到點之間的數(shù)據(jù)通信，對數(shù)據(jù)鏈路

17、層來說，點與點之間的信道是一條物理鏈路 端-端通信 對傳輸層來說，端與端之間的信道是一通信子網(wǎng)。 由于傳輸層負責的是通過通信子網(wǎng)的兩主機之間的端-端通信，故報文在子網(wǎng)中通過時，可能會丟失、重組、阻塞或產生較大存儲延時，故傳輸層協(xié)議比數(shù)據(jù)鏈路層要復雜得多。 1.傳輸層主要功能提供建立、維護拆除傳輸層的連接。提供端到端的錯誤恢復和流控制。向會話層提供獨立于網(wǎng)絡層的傳送服務和可靠的透明數(shù)據(jù)傳送。 2.傳輸層協(xié)議的分類 網(wǎng)絡服務質量類型 (3種）網(wǎng)絡層或通信子網(wǎng)提供給傳輸層的服務質量并不總是相同的，它分為3種類型： A型：網(wǎng)絡連接具有可接受的差錯率和可接受的故障通知率。B型：網(wǎng)絡連接具有可接受的差錯和

18、不可接受的故障通知率。C型：網(wǎng)絡連接具有不可接受的差錯率和不可接受的故障通知率。 2.傳輸層協(xié)議分類 根據(jù)網(wǎng)絡層提供服務質量類型的不同，OSI模型將傳輸層協(xié)議分為5類： 傳輸層5類 協(xié)議：0類最簡單，它為每個提出請求的傳送連接建立一個網(wǎng)絡連接并假定網(wǎng)絡連接不出錯。傳送協(xié)議不再進行排序和監(jiān)控，它只提供建立和釋放連接機制，面向A型網(wǎng)絡服務。1類較簡單，與0類相比，增加了基本差錯恢復功能，如網(wǎng)絡斷開連接或連接失敗等情況，面向B型網(wǎng)絡服務。2類和0類相似，沒有差錯恢復功能，但增加了對網(wǎng)絡的多路復用和相應的流控功能，面向A型網(wǎng)絡服務。3類具有1類和2類特性，既有基本差錯恢復功能，又有多路復用功能。面向B

19、型網(wǎng)絡服務。4類協(xié)議最復雜，能檢測由于網(wǎng)絡的不可靠服務所引起的差錯，包括協(xié)議數(shù)據(jù)單元TPDU的丟失、錯序、重復和出錯等，同時具有多路復用功能。它面向C型網(wǎng)絡服務。3.分段與合并 當網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)字段小于傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元長度時，就需對傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元TPDU分段。利用幾個網(wǎng)絡服務數(shù)據(jù)單元傳送，在接收端再將各段組裝為原來的TPDU。當網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元NPDU大于傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元TPDU時，傳輸層可將TPDU拼接成NPDU的大小進行傳送，在接收端再將其分割成原來的各TPDU。 4.多路復用 當傳輸層用戶進程所產生的信息流較少時，可將多個傳輸連接映射到一個網(wǎng)絡連接上，以充分利用網(wǎng)絡連接的傳輸效率

20、，稱向上多路復用。 5、流量控制 在傳輸層，流量控制一般采用動態(tài)窗口管理和動態(tài)緩沖分配的策略。 6.差錯控制 重要的是保證段序號唯一，并采用超時重發(fā)機制，將那些在網(wǎng)絡中滯留時間過長的報文段丟掉。3.8其他各層的簡介 3.8.1會話層 向兩個實體的表示層提供建立和使用連接的方法 ,將不同實體之間的表示層的連接稱為會話。 3.8.2表示層 處理用戶信息的表示問題，如編碼、數(shù)據(jù)格式轉換和加密解密 3.8.3應用層 應用層（application layer）是OSI參考模型的最高層，它是計算機用戶，以及各種應用程序和網(wǎng)絡之間的接口，其功能是“直接向用戶提供服務，完成用戶希望在網(wǎng)絡上完成的各種工作”。

21、 3.8.4七層模型的小結 OSI是一個理想的模型，因此一般網(wǎng)絡系統(tǒng)只涉及其中的幾層，很少有系統(tǒng)能夠具有所有的7層，并完全遵循它的規(guī)定。 下4層主要完成通信子網(wǎng)的功能，上3層主要完成資源子網(wǎng)的功能。第4層作為上下兩部分的橋梁，是整個網(wǎng)絡體系結構中最關鍵的部分； 3.8.5建立OSI參考模型的目的和作用 OSI的分層邏輯體系結構使得人們可以深刻地理解各層協(xié)議所應解決的問題，并明確各個協(xié)議在網(wǎng)絡體系結構中所占據(jù)的位置。（2）OSI參考模型的每一層在功能上與其他層有著明顯的區(qū)別，從而使得網(wǎng)絡系統(tǒng)可以按功能劃分。這樣，網(wǎng)絡或通信產品就不必面面俱到。例如，當某個產品只需完成某一方面的功能時，它可以只考慮

22、并遵循所涉及層的標準。 （3）OSI參考模型有助于分析和了解每一種比較復雜的協(xié)議。 3.9 TCP/IP體系結構 3.9.1 TCP/IP參考模型的發(fā)展 TCP/IP協(xié)議的起源 TCP/IP協(xié)議的特點 （1）開放的協(xié)議標準，可以免費使用，并且獨立于特定的計算機硬件與操作系統(tǒng)。（2）獨立于特定的網(wǎng)絡硬件，可以運行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互聯(lián)網(wǎng)中。（3）統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址分配方案，使得整個TCP/IP設備在網(wǎng)中都具有惟一的地址。（4）標準化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務。3.9.2 TCP/IP參考模型 TCP/IP參考模型可以分為以下四個層次：應用層（Application Layer）傳

23、輸層（Transport Layer）互連層（Internet Layer）主機-網(wǎng)絡層（Host-to-Network Layer） 3.9.3主機-網(wǎng)絡層 主機-網(wǎng)絡層是參考模型的最低層，也被稱為網(wǎng)絡接口層,它負責通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報 . 3.9.4互連層 互連層的主要功能：處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求。在收到分組發(fā)送請求之后，將分組裝入IP數(shù)據(jù)報，填充報頭，選擇發(fā)送路徑，然后將數(shù)據(jù)報發(fā)送到相應的網(wǎng)絡輸出端。處理接收的數(shù)據(jù)報。在接收到其他主機發(fā)送的數(shù)據(jù)報之后，檢查目的地址，如需要轉發(fā)，則選擇發(fā)送路徑，轉發(fā)出去；如目的地址為本結點IP地址，則除去報頭，將分組交送傳輸層處理。處理互連的

24、路徑、流量控制與擁塞問題。 互連層4個核心協(xié)議。 IP（Internet Protocol，網(wǎng)際協(xié)議）協(xié)議 ICMP（Internet control message protocol，網(wǎng)際控制報文協(xié)議）協(xié)議 ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）協(xié)議 RARP（Reverse Address Resolution Protocol，逆向地址解析協(xié)議）協(xié)議 互連層傳輸?shù)腎P分組格式 字段的意義 版本號： IP分組頭首部長度 服務類型 總長度 標識符 標志段 段偏移 生存時間 協(xié)議分組頭校驗和 標志段的含義 數(shù)據(jù)報分片 IP數(shù)據(jù)報首部中與分片有關的字段中的

25、值 協(xié)議與號碼對應關系 3.9.5傳輸層1、傳輸層的功能:傳輸層的主要目的是：在互聯(lián)網(wǎng)中源主機與目的主機的對等實體間建立用于會話的端端連接。傳輸層的兩個協(xié)議在TCP/IP參考模型的傳輸層，定義了以下兩種協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（TCP，Transport Control Protocol）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP，User Datagram Protocol）TCP協(xié)議是一種可靠的面向連接的協(xié)議 UDP協(xié)議是一種不可靠的無連接協(xié)議 UDP方式與TCP相比，更加簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率也較高。當通信網(wǎng)可靠性較高時，UDP方式具有更高的優(yōu)越性。 2.TCP報文段格式 TCP報文段格式 源端口源端口（Source

26、 Port）字段和目的端口字段序列號（Sequence Number）字段 確認號字段 數(shù)據(jù)偏移字段緊急指針段 急迫推動標志 重置連接RST 同步序列號標志SYN 終止標志FIN 檢驗和字段 3、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP有兩個字段，首部字段和數(shù)據(jù)字段。首部字段很簡單，只有8個字節(jié)，由4個字段組成，每個字段都是兩個字節(jié)。各字段意義如下：源端口字段 源端口號；目的端口字段 目的端口號；長度字段 UDP數(shù)據(jù)報的長度；檢驗和字段 防止UDP數(shù)據(jù)報在傳輸中出錯；用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP格式4、TCP協(xié)議和UDP協(xié)議的端口號 進程通信的首要問題是解決進程標識方法，TCP/IP協(xié)議族中用端口號來標識進程。TCP協(xié)議和UDP協(xié)議端口號長度都是16位，端口號的取值范圍是065535之間的整數(shù)。 UDP端口號分為熟知端口號、注冊端口號和臨時端口號3類。熟知端口號值的范圍是01023，它被統(tǒng)一分配和注