第3章網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.ppt

1、2020年7月5日星期日,1,掌握：協(xié)議、層次、接口與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念。 掌握：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次化研究方法。 掌握：OSI參考模型及各層的基本服務(wù)功能。 掌握：TCP/IP參考模型的層次劃分、各層的基本服務(wù)功能與主要協(xié)議。 了解：OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較。 了解：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組織，RFC文檔、Internet草案與Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定過程。,本章學(xué)習(xí)要求,2020年7月5日星期日,2,3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念,一、網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu) 計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)。將一個復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干個容易處理的子系統(tǒng)，然后“分而治之” 。為了簡化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，常將網(wǎng)

2、絡(luò)按功能劃分成一系列的層次，讓每一層完成一個特定的功能。完成某一層功能的硬件和軟件集合稱為實體。,2020年7月5日星期日,3,社會上存在的郵政系統(tǒng),2020年7月5日星期日,4,網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu),2020年7月5日星期日,5,分層原則,不同的系統(tǒng)分成相同的層次； 不同系統(tǒng)的對等層次之間存在著“虛擬”通信； 對不同系統(tǒng)的對等層之間的通信有明確的通信規(guī)定(協(xié)議)； 高層使用低層提供的服務(wù)時，并不需要知道低層服務(wù)的具體實現(xiàn)方法。,2020年7月5日星期日,6,二、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的概念,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是指為網(wǎng)絡(luò)同層實體之間數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)，亦稱同層協(xié)議或通信協(xié)議； 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三要素：語義、語法與時序

3、； 語義：用于解釋比特流的每一部分的意義； 語法：語法是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義； 時序：事件實現(xiàn)順序的詳細說明。,2020年7月5日星期日,7,協(xié)議棧,將網(wǎng)絡(luò)功能分解為許多層后，在每一個功能層次中，通信雙方需共同遵守的約定和規(guī)定，這些約定和規(guī)定的集合稱為同層協(xié)議（即通信協(xié)議，簡稱為協(xié)議）。網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議按層次順序排列而成的協(xié)議序列稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。,2020年7月5日星期日,8,三、接口（interface）,接口是同一系統(tǒng)內(nèi)相鄰層之間交換信息的連接點; 同一個系統(tǒng)的相鄰層之間存在著明確規(guī)定的接口，低層向高層通過接口提供服務(wù); 只要接口條件不變、低層功能不變，低層

4、功能的具體實現(xiàn)方法與技術(shù)的變化不會影響整個系統(tǒng)的工作（只要接口不變，各層是相互獨立的）。,2020年7月5日星期日,9,接口示意圖,2020年7月5日星期日,10,四、服務(wù),相鄰層的上層都是通過下層完成本層的功能，其中下層稱為服務(wù)提供者，上層稱為服務(wù)使用者，服務(wù)的提供和使用都是通過相鄰層的接口進行。如第N-1層為第N層提供服務(wù)，稱第N-1層是第N層的服務(wù)提供者，第N層稱為服務(wù)使用者。,2020年7月5日星期日,11,服務(wù)示意圖,2020年7月5日星期日,12,服務(wù)原語,相鄰層間的數(shù)據(jù)交換都是通過規(guī)定的服務(wù)原語來進行，服務(wù)原語一般有四類：請求（Request）、指示（Indication）、響應(yīng)

5、（Response）和確認（Confirm）。具體過程如下圖所示：,2020年7月5日星期日,13,服務(wù)訪問點SAP（Service Access Point）,2020年7月5日星期日,14,五、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（network architecture）,一個功能完備的計算機網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜的協(xié)議是按層次結(jié)構(gòu)來組織的； 網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型與各層協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)； 體系結(jié)構(gòu)是個抽象的概念，其具體實現(xiàn)是通過特定的硬件和軟件來完成的。,2020年7月5日星期日,15,層次結(jié)構(gòu)研究方法的優(yōu)點,各層之間相互獨立; 靈活性好; 各層都可以采用最合適的技術(shù)來實現(xiàn); 易于實現(xiàn)和維護; 有利于促進標(biāo)準(zhǔn)化。,2

6、020年7月5日星期日,16,3.2 OSI參考模型,3.2.1 OSI參考模型的基本概念 在制定計算機網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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 （Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT ）； 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （International Standards Organization ，ISO）。 CCITT與ISO的工作領(lǐng)域是不同的： CCITT 主要是考慮通信標(biāo)準(zhǔn)的制定； ISO主要是考慮信息處理與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。,2020年7月5日星期日,17,OSI參考模型是國

7、際標(biāo)準(zhǔn)化組織為解決異種機互連而制訂的開放式計算機網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型。 在OSI中的“開放”是指只要遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)，一個系統(tǒng)就可以與位于世界上任何地方、遵循同一標(biāo)準(zhǔn)的其他任何系統(tǒng)進行通信； OSI參考模型只是描述了一些概念，用來協(xié)調(diào)進程間通信標(biāo)準(zhǔn)的制定； 在OSI的范圍內(nèi)，只有各種的協(xié)議是可以被實現(xiàn)的，而各種產(chǎn)品只有和OSI的協(xié)議相一致時才能互連； OSI參考模型只是一個概念性的框架。,OSI參考模型,2020年7月5日星期日,18,3.2.2 OSI參考模型的結(jié)構(gòu),ISO劃分七層結(jié)構(gòu)的基本原則 網(wǎng)中各結(jié)點都具有相同的層次； 不同結(jié)點的同等層具有相同的功能； 同一結(jié)點內(nèi)相鄰層之間通過接口通信； 每

8、一層可以使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)； 不同結(jié)點的同等層通過協(xié)議來實現(xiàn)對等層之間的通信。,2020年7月5日星期日,19,OSI參考模型的結(jié)構(gòu),2020年7月5日星期日,20,3.2.3 OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程,1. OSI環(huán)境（OSI environment）,2020年7月5日星期日,21,2. OSI環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸過程,2020年7月5日星期日,22,3.2.4 面向連接服務(wù)與無連接服務(wù),服務(wù)可以分為通信子網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所提供的服務(wù),與全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為用戶提供的服務(wù)； 通信子網(wǎng)的服務(wù)是指通信子網(wǎng)對主機間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃运峁┑谋ＷC機制； 通信服務(wù)可以分為兩大類： 面

9、向連接服務(wù)（connect-oriented service）； 無連接服務(wù)（connectless service）。,2020年7月5日星期日,23,理解網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要注意的問題,面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)對實現(xiàn)服務(wù)的傳輸可靠性與協(xié)議復(fù)雜性有很大的影響； 根據(jù)主機間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托室蟮牟煌?，設(shè)計者可以選擇面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)的類型； 在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鲗?，如物理層、?shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層都會涉及面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)的問題。,2020年7月5日星期日,24,面向連接服務(wù),2020年7月5日星期日,25,面向連接服務(wù)的特點,面向連接服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸過程必須經(jīng)過連接建立、連接維護與

10、釋放連接的三個過程； 面向連接服務(wù)在數(shù)據(jù)傳輸過程中，各分組可以不攜帶目的結(jié)點的地址； 面向連接服務(wù)的傳輸連接類似一個通信管道，發(fā)送者在一端放入數(shù)據(jù)，接收者從另一端取出數(shù)據(jù)； 面向連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā)數(shù)據(jù)順序不變，傳輸可靠性好，但是協(xié)議復(fù)雜，通信效率不高。,2020年7月5日星期日,26,無連接服務(wù),2020年7月5日星期日,27,無連接服務(wù)的特點,無連接服務(wù)的每個分組都攜帶完整的目的結(jié)點地址，各分組在系統(tǒng)中是獨立傳送的； 無連接服務(wù)中的數(shù)據(jù)傳輸過程不需要經(jīng)過連接建立、連接維護與釋放連接的三個過程； 數(shù)據(jù)分組傳輸過程中，目的結(jié)點接收到的數(shù)據(jù)分組可能出現(xiàn)亂序、重復(fù)與丟失的現(xiàn)象； 無連接服務(wù)的可靠性不

11、好，但是協(xié)議相對簡單，通信效率較高。,2020年7月5日星期日,28,確認和重傳機制,2020年7月5日星期日,29,確認和重傳機制的特點,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸话阃ㄟ^確認和重傳機制保證； 確認是指數(shù)據(jù)分組的接收結(jié)點在正確地接收到每個分組后，要求向發(fā)送結(jié)點發(fā)回接收分組的確認信息； 在規(guī)定的時間內(nèi)，如果發(fā)送結(jié)點沒有接收到接收結(jié)點的確認信息，就認為該數(shù)據(jù)分組發(fā)送失敗，發(fā)送結(jié)點重新發(fā)送該數(shù)據(jù)分組； 確認和重傳機制可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但是它需要制定較為復(fù)雜的確認和重傳協(xié)議，并且需要增加網(wǎng)絡(luò)額外的通信負荷，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬。,2020年7月5日星期日,30,從使用服務(wù)原語的角度考慮，可將服務(wù)分為需要證

12、實的服務(wù)和不需要證實的服務(wù)兩大類，前者每次服務(wù)要使用全部四種服務(wù)原語，而后者只使用兩種服務(wù)原語。,服務(wù)類型與服務(wù)質(zhì)量,2020年7月5日星期日,31,通信協(xié)議四種類型,面向連接與確認服務(wù)； 面向連接與不確認服務(wù)； 無連接與確認服務(wù)； 無連接與不確認服務(wù)。 設(shè)計者可以根據(jù)不同的通信要求，決定選擇不同 的服務(wù)類型。,2020年7月5日星期日,32,3.3 TCP/IP參考模型,在TCP/IP協(xié)議研究時，并沒有提出參考模型； 1974年Kahn定義了最早的TCP/IP參考模型； 20世紀(jì)80年代Leiner、 Clark等人對TCP/IP參考模型進一步的研究； TCP/IP協(xié)議一共出現(xiàn)了6個版本，后

13、3個版本是版本4、版本5與版本6； 目前我們使用的是版本4，它的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv4 ； 版本6的網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議一般記作IPv6（或IPng, IP next generation）； IPv6被稱為下一代的IP協(xié)議。,3.3.1 TCP/IP參考模型的發(fā)展,2020年7月5日星期日,33,TCP/IP協(xié)議的特點,開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn); 獨立于特定的計算機硬件與操作系統(tǒng)，可以運行在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)，更適用于互連網(wǎng)中； 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)地址分配方案，使得整個TCP/IP設(shè)備在網(wǎng)中都具有惟一的地址； 標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議，可以提供多種可靠的用戶服務(wù)。,2020年7月5日星期日,34,3.3.2 TCP/I

14、P參考模型各層的功能,應(yīng)用層（application layer） 傳輸層（transport layer） 互連層（internet layer） 主機-網(wǎng)絡(luò)層（host-to-network layer）,2020年7月5日星期日,35,TCP/IP 參考模型與 OSI 參考模型的對應(yīng)關(guān)系,2020年7月5日星期日,36,主機-網(wǎng)絡(luò)層,負責(zé)發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)報; 允許主機連入網(wǎng)絡(luò)時使用多種現(xiàn)成的與流行的協(xié)議，如局域網(wǎng)的Ethernet、令牌網(wǎng)、分組交換網(wǎng)的X.25、幀中繼、ATM協(xié)議等;,2020年7月5日星期日,37,互連層,相當(dāng)OSI參考模型網(wǎng)絡(luò)； 處理互連的路由選擇、流量控機與擁塞控

15、制問題； IP協(xié)議是無連接服務(wù)。,2020年7月5日星期日,38,傳輸層,主要功能是在互連網(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； 傳輸控制協(xié)議TCP是一種可靠的面向連接協(xié)議； 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP是一種不可靠的無連接協(xié)議。,2020年7月5日星期日,39,應(yīng)用層,網(wǎng)絡(luò)終端協(xié)議Telnet； 文件傳輸協(xié)議FTP； 簡單郵件傳輸協(xié)議SMTP； 域名系統(tǒng)DNS； 簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP； 超文本傳輸協(xié)議HTTP。,2020年7月5日星期日,40,3.4 OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較,層次數(shù)量與內(nèi)容選擇不是很好，會話層很少用到，表示層幾乎是空的，數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層有

16、很多的子層插入； 尋址、流控與差錯控制在每一層里都重復(fù)出現(xiàn)，降低系統(tǒng)效率； 數(shù)據(jù)安全性、加密與網(wǎng)絡(luò)管理在參考模型的設(shè)計初期被忽略了；,2020年7月5日星期日,41,3.4.2 對TCP/IP參考模型評價,在服務(wù)、接口與協(xié)議的區(qū)別上不很清楚，一個好的軟件工程應(yīng)該將功能與實現(xiàn)方法區(qū)分開，參考模型不適合于其他非TCP/IP協(xié)議族； TCP/IP參考模型的主機-網(wǎng)絡(luò)層本身并不是實際的一層； 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的劃分是必要和合理的，而TCP/IP參考模型卻沒有做到這點。,2020年7月5日星期日,42,3.5 網(wǎng)絡(luò)與Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組織及管理機構(gòu),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組織 RFC(請求注解)文檔 In

17、ternet草案 Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) Internet管理機構(gòu),2020年7月5日星期日,43,3.5.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組織,國際電話電報咨詢委員會CCITT 國際電信聯(lián)盟ITU 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 電子工業(yè)協(xié)會EIA 電氣與電子工程師協(xié)會IEEE ATM論壇,2020年7月5日星期日,44,3.5.2 RFC文檔,請求注解RFC(Request For Comments)文檔從1969年ARPANET出現(xiàn)時就開始存在； 它們是用于Internet開發(fā)團體的最初的技術(shù)文檔系列； 任何人都可以提交RFC文檔，但它并不是一定會成為標(biāo)準(zhǔn)，事實上很多RFC 文檔都沒有實現(xiàn)； RFC文檔草案對于

18、從事Internet技術(shù)研究與開發(fā)的技術(shù)人員是獲得技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與動態(tài)的重要信息來源； 讀者可以很方便地從相關(guān)主機使用FTP、Web和其他的檢索方式獲取這些文檔。,2020年7月5日星期日,45,讀RFC文檔時，需要注意的問題,一是需要確定它是否是最新的文檔，二是需要注意RFC文檔的類別； 所有RFC文檔都要經(jīng)歷評論和反饋過程，并且在這一段時間內(nèi)它們會被劃分為不同的類別； RFC文檔一旦被提交，IFTF和IAB組織將審查RFC文檔，通過后可以成為一項標(biāo)準(zhǔn)； RFC文檔按照它發(fā)展與成熟的過程可以分為標(biāo)準(zhǔn)、草案標(biāo)準(zhǔn)、提案標(biāo)準(zhǔn)、實驗性的、信息性或歷史性的； RFC文檔又可以分為被要求、被推薦、被選擇、受限制使用或不被推薦。,2020年7月5日星期日,46,3.5.3 Internet管理機構(gòu),美國國家科學(xué)基金會NSF Internet協(xié)會ISOC Internet體系結(jié)構(gòu)委員會IAB Internet工程任務(wù)組IETF Internet工程指導(dǎo)委員會IESG Internet研究任務(wù)組IRTF Internet網(wǎng)絡(luò)信息中心InterNIC Internet地址分配授權(quán)