第3章网络体系结构与网络协议课件.ppt

1、2022年12月24日星期六2u 掌握：掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念。协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念。u 掌握：掌握：网络体系结构的层次化研究方法。网络体系结构的层次化研究方法。u 掌握：掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能。参考模型及各层的基本服务功能。u 掌握：掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务参考模型的层次划分、各层的基本服务功能与主要协议。功能与主要协议。u 了解：了解：OSI参考模型与参考模型与TCP/IP参考模型的比较。参考模型的比较。u 了解：网络协议标准组织，了解：网络协议标准组织，RFC文档、文档、Internet草案草案与与

2、Internet协议标准的制定协议标准的制定过程。过程。本章学习要求2022年12月24日星期六33.1 网络体系结构的基本概念一、网络分层结构一、网络分层结构计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之分而治之”。为了简化网络的设计，常将网络按。为了简化网络的设计，常将网络按功能划分成一系列的层次，让每一层完成一个特定功能划分成一系列的层次，让每一层完成一个特定的功能。完成某一层功能的硬件和软件集合称为的功能。完成某一层功能的硬件和软件集合称为实实体体。202

3、2年12月24日星期六4社会上存在的邮政系统通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信者收信者运输部门的邮件运输业务书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门路由选择运输转送邮局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件通信者活动邮局服务业务邮局转送业务2022年12月24日星期六5网络分层结构2022年12月24日星期六6分层原则u 不同的系统分成相同的层次；不同的系统分成相同的层次；u 不同系统的对等层次之间存在着不同系统的对等层次之间存在着“虚拟虚拟”通信；通信；u 对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定规定(协议协议)；

4、u 高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。层服务的具体实现方法。2022年12月24日星期六7二、网络协议的概念u 网络协议网络协议是指为是指为网络同层实体之间数据交换而网络同层实体之间数据交换而制定的规则、约定与标准，亦称同层协议或通制定的规则、约定与标准，亦称同层协议或通信协议；信协议；u 网络协议的三要素：语义、语法与时序；网络协议的三要素：语义、语法与时序；u 语义：用于解释比特流的每一部分的意义；语义：用于解释比特流的每一部分的意义；u 语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，

5、以及数据出现的顺序的意义；式，以及数据出现的顺序的意义；u 时序：事件实现顺序的详细说明。时序：事件实现顺序的详细说明。2022年12月24日星期六8协议栈将网络功能分解为许多层后，在每一个功能层次中，将网络功能分解为许多层后，在每一个功能层次中，通信双方需共同遵守的约定和规定，这些约定和规定通信双方需共同遵守的约定和规定，这些约定和规定的集合称为的集合称为同层协议同层协议（即（即通信协议，简称为协议通信协议，简称为协议）。网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列称为网网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列称为网络络协议栈协议栈。2022年12月24日星期六9三、接口（interface）u

6、 接口是同一系统内相邻层之间交换信息的连接接口是同一系统内相邻层之间交换信息的连接点点;u 同一个系统的相邻层之间存在着明确规定的接同一个系统的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务口，低层向高层通过接口提供服务;u 只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作（统的工作（只要接口不变，各层是相互独立只要接口不变，各层是相互独立的的）。）。2022年12月24日星期六10接口示意图2022年12月24日星期六11四、服务 相邻层的上层都是通过下层完成本

7、层的功能，相邻层的上层都是通过下层完成本层的功能，其中下层称为其中下层称为服务提供者服务提供者，上层称为，上层称为服务使用者服务使用者，服务的提供和使用都是通过相邻层的服务的提供和使用都是通过相邻层的接口接口进行。如进行。如第第N-1N-1层为第层为第N N层提供服务，称第层提供服务，称第N-1N-1层是第层是第N N层的服层的服务提供者，第务提供者，第N N层称为服务使用者。层称为服务使用者。2022年12月24日星期六12开放系统A（N）层服务用户（N1）实体（N）实体提供服务交换服务原语（N1）实体（N）实体提供服务交换服务原语开放系统B提供（N）层服务（N）层协议提供（N-1）层服务通

8、过（N-1）层连接进行通信（N）层服务提供者层间接口层间接口（N1）层（N）层（N-1）层图3.1 协议与服务的概念服务示意图2022年12月24日星期六13服务原语相邻层间的数据交换都是通过规定的服务原语来相邻层间的数据交换都是通过规定的服务原语来进行，服务原语一般有四类：请求（进行，服务原语一般有四类：请求（RequestRequest）、）、指指示（示（IndicationIndication）、）、响应（响应（ResponseResponse）和确认和确认（ConfirmConfirm）。）。具体过程如下图所示：具体过程如下图所示：2022年12月24日星期六14(N+1)实体(N)实

9、体(N)实体(N+1)实体(N)SAP(N)SAPN层虚通信a请求d证实b指示c响应本地远程服务访问点服务访问点SAPSAP（Service Access PointService Access Point）2022年12月24日星期六15五、网络体系结构（network architecture）u 一个功能完备的计算机网络的复杂的协议是按层一个功能完备的计算机网络的复杂的协议是按层次结构来组织的；次结构来组织的；u 网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体网络体系结构系结构；u 体系结构是个抽象的概念，其具体实现是通过特体系结构是个抽象的概念，其具体实

10、现是通过特定的硬件和软件来完成的。定的硬件和软件来完成的。2022年12月24日星期六16层次结构研究方法的优点u 各层之间相互独立各层之间相互独立;u 灵活性好灵活性好;u 各层都可以采用最合适的技术来实现各层都可以采用最合适的技术来实现;u 易于实现和维护易于实现和维护;u 有利于促进标准化。有利于促进标准化。2022年12月24日星期六173.2 OSI参考模型3.2.1 OSI参考模型的基本概念u在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会国际电报与电话咨询委员会 （Consultative C

11、ommittee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT）；）；国际标准化组织国际标准化组织 （International Standards Organization，ISO）。）。uCCITT与与ISO的工作领域是不同的：的工作领域是不同的：CCITT 主要是考虑通信标准的制定；主要是考虑通信标准的制定；ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。主要是考虑信息处理与网络体系结构。2022年12月24日星期六18u OSIOSI参考模型是国际标准化组织为解决异种机互连而制参考模型是国际标准化组织为解决异种机互连而制订的开放式计算机网络层次结构

12、模型。订的开放式计算机网络层次结构模型。u 在在OSI中的中的“开放开放”是指只要遵循是指只要遵循OSI标准，一个系统标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、遵循同一标准的其他任就可以与位于世界上任何地方、遵循同一标准的其他任何系统进行通信；何系统进行通信；u OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定；信标准的制定；u 在在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；的协议相一致时才能互连；u OSI参考模型只是一个概念性的

13、框架。参考模型只是一个概念性的框架。OSI参考模型2022年12月24日星期六193.2.2 OSI参考模型的结构ISO划分七层结构的基本原则u 网中各结点都具有相同的层次；网中各结点都具有相同的层次；u 不同结点的同等层具有相同的功能；不同结点的同等层具有相同的功能；u 同一结点内相邻层之间通过接口通信；同一结点内相邻层之间通过接口通信；u 每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；提供服务；u 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。的通信。2022年12月24日星期六20OSI参考模型的结构

14、应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层传输介质传输介质传输介质主机主机CCPCCP网 络 层数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层主机主机CCPCCP网 络 层数据链路层物 理 层2022年12月24日星期六213.2.3 OSI环境中的数据传输过程网 络 层数据链路层物 理 层数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层 数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层传输介质传输介质传输介质C CC CP P网 络 层应用进程AO OS S

15、I I环环境境应用进程B主主机机A A主主机机B BA AC CC CP PB B1.OSI环境（OSI environment）2022年12月24日星期六222.OSI环境中的数据传输过程 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层 数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层应用进程A应用进程B比特序列帧分组报文数据单元数据单元数据数据传输介质主主机机A A主主机机B B2022年12月24日星期六233.2.4 面向连接服务与无连接服务u 服务可以分为服务可以分为通信子网通信子网对网络中数据传输所提供的对网络中数据传输所提供的服务服

16、务,与与全网全网络系统为用户提供的络系统为用户提供的服务服务；u 通信子网的服务通信子网的服务是指通信子网对主机间数据传输的是指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性效率和可靠性所提供的保证机制；所提供的保证机制；u 通信服务通信服务可以分为两大类：可以分为两大类：面向连接服务（面向连接服务（connect-oriented service）；）；无连接服务（无连接服务（connectless service）。）。2022年12月24日星期六24 理解网络服务需要注意的问题u 面向连接服务与无连接服务对实现服务的传输面向连接服务与无连接服务对实现服务的传输可靠性可靠性与协议复杂性与协议复杂性

17、有很大的影响有很大的影响；u 根据主机间数据传输的根据主机间数据传输的可靠性和效率可靠性和效率要求的不同，设要求的不同，设计者可以选择面向连接服务与无连接服务的类型计者可以选择面向连接服务与无连接服务的类型；u 在网络数据传输的各层，如在网络数据传输的各层，如物理层、数据链路层、网物理层、数据链路层、网络层与传输层络层与传输层都会涉及面向连接服务与无连接服务的都会涉及面向连接服务与无连接服务的问题。问题。2022年12月24日星期六25面向连接服务2022年12月24日星期六26面向连接服务的特点u 面向连接服务面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连的数据传输过程必须经过连接建立、连接

18、维护与释放连接的接维护与释放连接的三个过程三个过程；u 面向连接服务在数据传输过程中，各分组面向连接服务在数据传输过程中，各分组可以可以不携带不携带目的结点的地址目的结点的地址；u 面向连接服务的传输连接面向连接服务的传输连接类似一个通信管道类似一个通信管道，发送者，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；u 面向连接数据传输的面向连接数据传输的收发数据顺序不变收发数据顺序不变，传输，传输可靠性可靠性好好，但，但是是协议复杂协议复杂，通信，通信效率不高效率不高。2022年12月24日星期六27无连接服务2022年12月24日星期六28无连接服务的特点

19、u 无连接服务无连接服务的的每个分组都每个分组都携带完整的目的结点地址携带完整的目的结点地址，各分组在系统中是各分组在系统中是独立独立传送的传送的；u 无连接服务中的数据传输过程无连接服务中的数据传输过程不需要不需要经过连接建立、经过连接建立、连接维护与释放连接的连接维护与释放连接的三个过程三个过程；u 数据分组传输过程中，目的结点接收到的数据分组可数据分组传输过程中，目的结点接收到的数据分组可能出现能出现乱序、重复与丢失乱序、重复与丢失的现象的现象；u 无连接服务的无连接服务的可靠性不好可靠性不好，但，但是是协议相对简单协议相对简单，通信，通信效率较高效率较高。2022年12月24日星期六2

20、9发送数据发送数据监控信道监控信道监控信道监控信道应答应答发发收收收收发发确认和重传机制 2022年12月24日星期六30确认和重传机制的特点 u 网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证；网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保证；u 确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；u 在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新确认信息，就认为该数据分

21、组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；发送该数据分组；u 确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。额外的通信负荷，占用网络带宽。2022年12月24日星期六31从使用服务原语的角度考虑，可将服务分为需要证实的服务从使用服务原语的角度考虑，可将服务分为需要证实的服务和不需要证实的服务两大类，前者每次服务要使用全部四种服务和不需要证实的服务两大类，前者每次服务要使用全部四种服务原语，而后者只使用两种服务原语。原语，而

22、后者只使用两种服务原语。系统A用户ARequestConfirmRequest需要证实的服务不需要证实的服务服务层系统B用户BIndicationResponseIndication时间图3.3 服务原语关系图服务类型与服务质量2022年12月24日星期六32通信协议四种类型u 面向连接与确认服务；面向连接与确认服务；u 面向连接与不确认服务；面向连接与不确认服务；u 无连接与确认服务；无连接与确认服务；u 无连接与不确认服务。无连接与不确认服务。设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。的服务类型。2022年12月24日星期六333.3

23、TCP/IP参考模型u 在在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；协议研究时，并没有提出参考模型；u 1974年年Kahn定义了最早的定义了最早的TCP/IP参考模型；参考模型；u 20世纪世纪80年代年代Leiner、Clark等人对等人对TCP/IP参考模型进一步参考模型进一步的研究；的研究；u TCP/IP协议一共出现了协议一共出现了6个版本，后个版本，后3个版本是版本个版本是版本4、版本、版本5与与版本版本6；u 目前我们使用的是版本目前我们使用的是版本4，它的网络层，它的网络层IP协议一般记作协议一般记作IPv4；u 版本版本6的网络层的网络层IP协议一般记作协议一般记作IPv

24、6（或或IPng,IP next generation）；）；u IPv6被称为下一代的被称为下一代的IP协议。协议。3.3.1 TCP/IP参考模型的发展2022年12月24日星期六34TCP/IP协议的特点 u 开放开放的协议标准的协议标准;u 独立独立于特定的计算机硬件与操作系统，可以运于特定的计算机硬件与操作系统，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；行在局域网、广域网，更适用于互连网中；u 统 一 的 网 络 地 址 分 配 方 案，使 得 整 个统 一 的 网 络 地 址 分 配 方 案，使 得 整 个TCP/IP设备在网中都具有设备在网中都具有惟一惟一的地址；的地址；u 标

25、准化标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。服务。2022年12月24日星期六353.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能 u 应用层（应用层（application layerapplication layer）u 传输层（传输层（transport layertransport layer）u 互连层（互连层（internet layerinternet layer）u 主机主机-网络层（网络层（host-to-network layerhost-to-network layer）2022年12月24日星期六36TCP/IP TCP/IP 参考模型

26、与参考模型与 OSI OSI 参考模型的对应关系参考模型的对应关系 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层应 用 层O OS SI I参参考考模模型型T TC CP P/I IP P参参考考模模型型传 输 层互 联 层主机网络层2022年12月24日星期六37主机-网络层u 负责发送和接收负责发送和接收IPIP数据报数据报;u 允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，如局域网的协议，如局域网的EthernetEthernet、令牌网、分组交令牌网、分组交换网的换网的X.25X.25、帧中继、帧中继、ATMATM协议等

27、协议等;2022年12月24日星期六38互连层u 相当相当OSI参考模型网络；参考模型网络；u 处理互连的路由选择、流量控机与拥塞控制问处理互连的路由选择、流量控机与拥塞控制问题；题；u IP协议是无连接服务。协议是无连接服务。2022年12月24日星期六39传输层u 主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端等实体间建立用于会话的端-端连接；端连接；u 传输控制协议传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；是一种可靠的面向连接协议；u 用户数据报协议用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协是一种不可靠的无连接协议议。2022年

28、12月24日星期六40应用层u网络终端协议网络终端协议TelnetTelnet；u文件传输协议文件传输协议FTPFTP；u简单邮件传输协议简单邮件传输协议SMTPSMTP；u域名系统域名系统DNSDNS；u简单网络管理协议简单网络管理协议SNMPSNMP；u超文本传输协议超文本传输协议HTTPHTTP。2022年12月24日星期六413.4 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较u 层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；子层插入；u 寻址、流控

29、与差错控制在每一层里都重复出现，降寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；低系统效率；u 数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；期被忽略了；2022年12月24日星期六423.4.2 对TCP/IP参考模型评价u 在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其他非参考模型不适合于其他非TCP/IPTCP/IP协议族；协议族；u TCP/IPTCP/IP参考模型的主机参考模型的主机-网络层

30、本身并不是实际网络层本身并不是实际的一层；的一层；u 物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而而TCP/IPTCP/IP参考模型却没有做到这点。参考模型却没有做到这点。2022年12月24日星期六433.5 网络与Internet协议标准组织及管理机构 u 网络协议标准组织网络协议标准组织u RFC(请求注解请求注解)文档文档u Internet草案草案u Internet协议标准协议标准u Internet管理机构管理机构2022年12月24日星期六443.5.1 网络协议标准组织 u 国际电话电报咨询委员会国际电话电报咨询委员会CCITTu 国际电

31、信联盟国际电信联盟ITUu 国际标准化组织国际标准化组织ISO u 电子工业协会电子工业协会EIAu 电气与电子工程师协会电气与电子工程师协会IEEEu ATM论坛论坛 2022年12月24日星期六453.5.2 RFC文档 u 请求注解请求注解RFC(Request For Comments)文档从文档从1969年年ARPANET出现时就开始存在；出现时就开始存在；u 它们是用于它们是用于Internet开发团体的开发团体的最初最初的技术文档系列；的技术文档系列；u 任何人都可以提交任何人都可以提交RFC文档，但它文档，但它并不是一定会成为并不是一定会成为标准标准，事实上很多，事实上很多RF

32、C 文档都没有实现；文档都没有实现；u RFC文档草案文档草案对于从事对于从事Internet技术研究与开发的技技术研究与开发的技术人员是获得技术发展状况与动态的重要信息来源；术人员是获得技术发展状况与动态的重要信息来源；u 读者可以很方便地从相关主机使用读者可以很方便地从相关主机使用FTP、Web和其他和其他的检索方式获取这些文档。的检索方式获取这些文档。2022年12月24日星期六46读RFC文档时，需要注意的问题u 一是需要确定它是否是最新的文档，二是需要注意一是需要确定它是否是最新的文档，二是需要注意RFCRFC文档的类别；文档的类别；u 所有所有RFCRFC文档都要经历评论和反馈过程

33、，并且在这一文档都要经历评论和反馈过程，并且在这一段时间内它们会被划分为不同的类别；段时间内它们会被划分为不同的类别；u RFCRFC文档一旦被提交，文档一旦被提交，IFTFIFTF和和IABIAB组织将审查组织将审查RFCRFC文档，文档，通过后可以成为一项标准；通过后可以成为一项标准；u RFCRFC文档按照它发展与成熟的过程可以分为标准、草文档按照它发展与成熟的过程可以分为标准、草案标准、提案标准、实验性的、信息性或历史性的；案标准、提案标准、实验性的、信息性或历史性的；u RFCRFC文档又可以分为被要求、被推荐、被选择、受限文档又可以分为被要求、被推荐、被选择、受限制使用或不被推荐。

34、制使用或不被推荐。2022年12月24日星期六473.5.3 Internet管理机构 u美国国家科学基金会美国国家科学基金会NSF uInternet协会协会ISOCuInternet体系结构委员会体系结构委员会IABuInternet工程任务组工程任务组IETFuInternet工程指导委员会工程指导委员会IESGuInternet研究任务组研究任务组IRTFuInternet网络信息中心网络信息中心InterNICuInternet地址分配授权机构地址分配授权机构IANAuWWW联盟联盟 2022年12月24日星期六483.6 一种建议的参考模型 应 用 层传 输 层网 络 层数据链路层

35、物 理 层2022年12月24日星期六49小 结u 网络体系结构与网络协议是网络技术中两个最基本的概念；网络体系结构与网络协议是网络技术中两个最基本的概念；u 网络中计算机之间要做到有条不紊地交换数据就必须遵守一网络中计算机之间要做到有条不紊地交换数据就必须遵守一些事先约定好的规则。这些为网络数据交换而制定的规则、些事先约定好的规则。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。功能完备的网络需要制定一系约定与标准被称为网络协议。功能完备的网络需要制定一系列的协议；列的协议；u 网络协议就是按照层次结构模型来组织的，网络层次结构模网络协议就是按照层次结构模型来组织的，网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构；型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构；u ISO定义的开放系统互联参考模型对推动网络协议标准化的定义的开放系统互联参考模型对推动网络协议标准化的研究起到了重要的作用；研究起到了重要的作用；u Internet的广泛应用使的广泛应用使TCP/IP协议成为事实上的标准。协议成为事实上的标准。