1、第3讲 计算机网络体系结构,一、 网络体系结构与网络协议的概念 二、 ISO/OSI参考模型 三、七层协议简介 四、信息的流动过程 五、对OSI参考模型的进一步解释 六、局域网体系结构 七、TCP/IP的体系结构,一、 网络体系结构与网络协议的概念,1、网络协议 计算机网络中，计算机（或结点）的类型可能不同，使用的操作系统可能不同，彼此要想相互通信，必须遵守统一的规定，这种规定称为网络协议。,一、 网络体系结构与网络协议的概念,网络协议由三个要素组成： 语法：规定双方如何讲话，确定数据与控制信息的格式 语义：约定使用什麽控制信息，执行何种动作 定时：规定事件实现的顺序,一、 网络体系结构与网络
2、协议的概念,2、分层结构 分层的概念 在计算机网络中，要在两个结点间通信，过程是很复杂的，为了使复杂的问题简单化，在设计计算机网络时，可以将网络要完成的功能细分成一个个小的层次，每个层次完成一项具体任务，各层之间是紧密联系的，下层为上层提供透明服务，上层的工作建立在下层工作的基础之上。在层与层之间设置接口，相邻层次之间通过接口进行数据交换。,一、 网络体系结构与网络协议的概念,分层的好处 各层之间是独立的：在考虑本层功能的实现时，不需要知道其他层次是如何实现的 各层可以用最恰当的技术实现本层的功能。 灵活性好：当某一层内容发生变化时，只要接口不变，对其他层次没有影响。 易于实现和维护：由于每一
3、层都完成一个小的功能，所以容易实现、整体调试方便。 促进标准化：由于对每一层次的功能都做了精确的说明，所以标准化程度高。,一、 网络体系结构与网络协议的概念,3、接口 是同一结点内相邻层间交换信息的连接点，低层通过接口向高层提供服务，只要接口不变，各层功能的具体实现方法不影响其他层次的工作。 4、网络体系结构 分层结构、相邻层之间的接口、同等层之间的协议构成了网络体系结构。 具有相同体系结构的网络之间可以互联。 例如：邮电系统的体系结构,一、 网络体系结构与网络协议的概念,二、 ISO/OSI参考模型,1、OSI/RM参考模型的提出 世界上第一个网络体系结构由IBM公司提出（74年，SNA），
4、以后其他公司也相继提出自己的网络体系结构如：Digital公司的DNA，美国国防部的TCP/IP等，多种网络体系结构并存，其结果是若采用IBM的结构，只能选用IBM的产品，只能与同种结构的网络互联。,二、 ISO/OSI参考模型,为了促进计算机网络的发展，国际标准化组织ISO与1977年成立了一个委员会，在现有网络的基础上，提出了不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构，称为开放系统互联参考模型（OSI，open system interconnection） OSI参考模型由7个层次组成：,二、 ISO/OSI参考模型,2、OSI参考模型的概念 开放互连的含义：遵守OSI标准的系统之间可
5、以互连 OSI从三个层次描述了开放互连系统的结构 1、体系结构：定义了开放系统的层次划分，层次之间的相互关系，各层的功能 2、服务定义：详细说明了各层提供的服务 3、协议规格说明：详细规定了信息的格式，如加入那些控制信息、做何种应答，动作的次序等。,二、 ISO/OSI参考模型,链路层 协议,物理层 协议,网络层 协议,分组流,比特流,帧流,报文流,报文流,报文流,报文流,子 网 内 部 协 议,二、 ISO/OSI参考模型,3、层次划分的原则 网络中各结点都有相同的层次 不同结点相同层次具有相同的功能 同一结点相邻层间通过接口通信 每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务 不同结点的同
6、等层间通过协议来实现对等层间的通信,三、七层协议简介物理层,1、物理层的主要功能是：为数据链路层的比特流提供物理连接，对高层屏蔽掉具体传输介质的差异，保证比特流的透明传输。 2、物理层协议主要定义硬件接口，包括接口的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性。,三、七层协议简介物理层,机械特性：定义接口插件、插座的形状、尺寸、引脚数量、排列顺序等。如：RS-232是25芯、D型，RS-499为37芯等。 电气特性：定义信号的高低、脉冲宽度、阻抗匹配、传输速率、传输距离等。 功能特性：归定每个引脚的功能、数据类型、控制方式等 过程特性：定义通信双方的动作顺序。如：如何建立、拆除物理连接、采用全双工还
7、是半双工通信等。,三、七层协议简介物理层,机械特性: 用于DTE和DCE设备之间的连接，DCE设备用母插座，DTE设备用公插头 25芯，螺丝心间距离为47.040.13mm,25针插脚/座,上排编号由左至右1-13,下排14-25.,以美国电子工业协会（EIA）的RS-232-C为例,三、七层协议简介物理层,电气特性: 采用单端驱动非差分接收电路,数据传输率最大为20Kbps,电缆最大长度为15m. 低于-5v表示二进制1,高于+5v表示二进制0 输出阻抗300,输入阻抗37K 功能特性:详细定义了每个引脚的功能 规程特性:规定了接收或发送信息的时应完成的动作次序,三、七层协议简介数据链路层,
8、1、数据链路层的功能 利用物理层提供的物理通路，在相邻节点之间建立数据链路，将要传送的数据组装成帧，加入应答、差错控制、流量控制信息，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，为网络层提供可靠的信息传送机制,三、七层协议简介数据链路层,三、七层协议简介数据链路层,2、协议的主要内容 链路管理：主要是发送数据前后的一些控制活动。包括： 链路建立：在通信以前，通信双方要交换一些信息，确认对方已准备好。 链路维护：通信过程中维持链路 拆除链路：通信结束后释放链路,三、七层协议简介数据链路层,成帧与拆帧 帧是数据链路层的数据单位。将数据装配成帧是为了在出现差错时，重传方便。 在发送端，将网络层传来的数据
9、分割成小的数据块，加入控制信息即为成帧。然后送物理层发送。在接收端，将收到的数据帧按相反的顺序去掉控制信息。 帧有其具体格式，包括帧头、帧尾标志，差错控制方法等，不同的协议，格式不同。 常用帧同步的方法：字符填充、字节记数、比特填充、编码违例法等,三、七层协议简介数据链路层,差错控制 发送端在数据帧中加入检错码，接收端发现错误可采用出错重发或前向纠错的方法。 检错方法有奇偶校验、循环冗余校验等。,帧的格式实例：,三、七层协议简介数据链路层,流量控制 当发送端发送的速度快，接收端的速度慢时，链路会堵塞，严重时数据会丢失，因此，要有调整发送端发送速度的机制。主要方法有： 停止等待：发送方发送数据，
10、接收方正确收到数据后回送响应帧ACK，否则，回送否认帧NAK。 滑动窗口技术(连续ARQ协议）：允许连续发送若干帧，可以进行差错控制和流量控制。,三、七层协议简介网络层,1、网络层的功能： 在结点之间创建逻辑链路，保证传输层传来的数据顺利通过通信子网 网络层为传输层提供数据报和虚电路服务，并解决由此引起的路径选择，拥塞控制等问题，为传输层提供端到端的透明传输服务。,三、七层协议简介网络层,2、主要内容 数据交换方式：虚电路方式与数据报方式 路由选择 数据报方式在每个节点都要进行路由选择，虚电路方式在建立虚电路时也要进行路由选择。 路由选择有多路分发式、固定路由式、孤立式、集中式、分布式等。,三
11、、七层协议简介网络层,网络拥塞控制 当通信子网内传送的报文分组过多、节点接收速度太慢、线路容量不足时，都会导致网络性能变差，出现拥塞。当拥塞加剧网络吞吐量急剧下降为零。这时网络无法工作，称为网络死锁。 避免拥塞的方法有：缓冲区预分配法、分组丢弃法、许可证法等,三、七层协议简介网络层,寻址 在网络层上要进行网际互联，每个网络、主机都要有一个唯一的地址，不同的网络编址方案不同，如TCP/IP中用4组每组8位二进制数编址. 如: 192.168.47.69,三、七层协议简介传输层,1、传输层的作用 传输层的任务是：屏蔽掉数据在通信子网中的传递过程，在两个通信实体之间建立端到端的通信信道，建立可靠的传
12、输连接，在高层看来，就象两个通信实体直接相连一样（提供端到端的透明传输）,三、七层协议简介传输层,传输层是保证数据通过通信子网的最后措施。任何在网络层以下解决不了的问题，在传输层都要得到解决。网络层提供的服务质量好，传输层协议简单，反之传输层协议复杂,三、七层协议简介传输层,通信子网,三、七层协议简介传输层,2、主要内容 寻址： 当一个用户要和另一个用户通信时必须与该用户建立连接，这就需要寻址。传输层的一个重要功能向上层协议及用户屏蔽掉具体的网络细节，仅提供端到端的服务，反映在寻址方式上就是不再使用具体的网络地址，而是使用标识符。在传输层，发送方不需要知道接收方的具体地址，只要有一个表示符号就
13、可以，这个标识号可以是固定的，也可以临时产生。通信双方只要有对方的标识符就可以通信，具体寻址定位由下层协议去做。,三、七层协议简介传输层,与现行的通信系统做比较，网络寻址象是邮政系统，通信时必须写明省、市、街道、门牌号，一级级的送到，而传输层的寻址更象电话系统，只要知道电话号码，不需要了解他在哪。具体定位由电话局去做。 传输层地址的例子如：电话号码、用户的信箱地址、某网站的域名等,三、七层协议简介传输层,多路复用：将多个不同的传输复用在网络层的一条虚电路上。流量控制与差错控制：与数据链路层类似，区别在于数据链路层节点之间的线路较少，而主机之间可以有多条连接。 点到点与端到端 点到点通信是指相邻
14、的两个结点之间的通信 端到端通信是两个通信实体（或主机）之间的通信,三、七层协议简介会话层,1、会话层的任务 会话层的任务就是利用传输层提供的无差错的连接具体实施会话，协调、组织、管理通信双方的会话过程。 2、协议内容包括 会话双方资格的认证 对话方向的交替管理 故障点的定位及恢复会话等。,三、七层协议简介表示层,1、主要功能 表示层的功能是处理两个通信系统中的交换信息的表示方式，将数据转换成公共的安全的便于传输的格式。 2、协议内容 包括数据格式的变换 数据的加密解密 数据压缩与解压缩等。,世界语,我讲法语,我讲汉语,转换,转换,转换,我讲英语,三、 七层协议简介应用层,主要功能： 为用户访
15、问网络提供手段，为用户应用程序提供接口 协议内容 包括电子邮件、文件传输、虚拟终端等。,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,链路层,物理层,网络层,链路层,物理层,网络层,链路层,物理层,网络层,链路层,物理层,表示层,会话层,传输层,应用层,应用进程A,应用进程B,四、OSI模型中数据的传输过程,通信子网,OSI模型中的数据流,四、OSI环境中数据的传输过程,例：电子邮件的发送与接收过程 用户A通过自己的电子邮件程序将自己的邮件发出，在应用层将一个报头（PCI，协议控制信息）后将数据传递给表示层，表示层加上自己的报头传递给会话层，以后各层依次加自己的报头直至数据链路层。在物理层将数据和个
16、层控制信息传递给系统B的物理层，系统B的各层解释并执行相应层次控制信息的内容,逐层去掉报头直至应用层。当用户用自己的电子邮件应用程序访问系统B时，就可以收到系统A发来的内容。,五、ISO/OSI参考模型的进一步解释,ISO/OSI参考模型是一个逻辑结构，它并没有对计算机设备或网络作出具体定义，它只是对层次的划分和各层协议实现的功能作出一些原则性的说明，它力图将各异的网络体系结构统一起来，只要遵守OSI的协议标准，该系统就是开放的，就可以与其他开放系统互联，这正是“开放”“参考”的含义。可以把它理解为国际标准化组织的一个倡议。,五、ISO/OSI参考模型的进一步解释,由于ISO/OSI参考模型的
17、制定晚于其他的网络体系结构，所以要兼顾各种网络体系结构，造成大而全，其层次和协议的复杂性都要高于其他体系结构。以至于成熟的产品推出迟缓，这影响了其市场占有率。,五、ISO/OSI参考模型的进一步解释,ISO/OSI参考模型在许多方面还不尽人意，还存在许多争论。如分层问题，七层结构中，有的层次任务太重（如网络层和数据链路层），而有的层次没有多少实质内容（如会话层、表示层），英国向ISO提出的建议只有五层。在异构网互联、层次间的通信关系、网络管理等方面，都有不完善的地方，其技术落后于TCP/IP。,五、ISO/OSI参考模型的进一步解释,TCP/IP是推出较早的互联网协议，开始时设计的就比较完善，
18、在实践中又进行了不断的改进，现在世界各计算机软、硬件厂商的产品，都支持TCP/IP协议。TCP/IP已成为事实上的标准。,六、局域网参考模型和网络协议,1、层次结构 传统局域网与其他网络不同之处在于： 1、传输介质共享。 2、多采用总线结构和环形结构，任意两点间有唯一通路，没有路由选择问题。,六、局域网参考模型和网络协议,美国电气电子工程师协会（IEEE）、欧洲计算机制造商协会（ECMA）等都从事局域网标准化研究，其中IEEE影响最大，它于80年2月成立了一个专门委员会，专门从事局域网标准化的研究，并形成了802系列标准，被接受为国际标准。,六、局域网参考模型和网络协议,为尽可能与OSI /R
19、M一致，同时考虑局域网的工作特点，IEEE将局域网结构分为三层。即：物理层、介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层，与OSI的对应关系如图所示。,六、局域网参考模型和网络协议,六、局域网参考模型和网络协议,2、各层的作用如下： 物理层：主要规定接口机械特性、电气特性、功能特性、规程特性，但具体细节问题与传输介质有关。例如 细同轴电缆采用BNC、T形头连接。 粗同轴电缆，AUI/DIX接口 双绞线采用RJ-45接头。,六、局域网参考模型和网络协议,MAC子层 用于规定介质访问控制方式，数据帧的格式，成帧、拆帧，差错校验。与网络拓扑结构及有关。主要内容为介质访问控制、信道资源分配。 例如： 对总线网，采用广播式的传送信号方式，用竞争式的介质访问策略。 对环形网络，采用顺序传递的信号传送方式，用论询式的介质访问策略。,六、局域网参考模型和网络协议,LLC子层 用于规定信道的建立、维护、拆除，流量控制等。与物理介质，拓扑结构无关。 规定本层为上层提供的服务以及与MCA子层的服务要求,
