第2章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和體系結(jié)構(gòu) 本章學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求了解OSI參考模型 TCP IP協(xié)議蔟和局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)層次化的研究方法掌握網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 層次 接口 服務(wù)的基本概念 以及相互的聯(lián)系5層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí) 1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用程序之間或是計(jì)算機(jī)設(shè)備之間在相互通信時(shí)遵循的規(guī)則 標(biāo)準(zhǔn)和約定 是通信雙方使用的語言 這里說的計(jì)算機(jī)設(shè)備可以是主機(jī) 路由器 交換機(jī)等 也可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)簡單說 一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則需要說明的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是需要不斷發(fā)展和完善的隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)內(nèi)容的增加 必須研究和制定新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或修改原有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三個(gè)要素 語法 即信息格式 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 PDU 的結(jié)構(gòu)或格式 包括哪些字段 字段的作用 語義 某些信息位組合的含義 標(biāo)識(shí)通信雙方可以理解的確定的意義 PDU給出何種控制信息 完成何種操作 做出何種響應(yīng) 即各字段中若干二進(jìn)制位0或1的組合代表什么樣的含義 同步 時(shí)序 即收 發(fā)雙方能分辨出通信的開始和結(jié)束 哪些動(dòng)作先執(zhí)行 哪些動(dòng)作后執(zhí)行 為完成一次通信所需要的不同PDU之間有操作順序規(guī)程 有時(shí)同步也稱為規(guī)程語法定義了怎么做 語義定義了做什么 同步時(shí)序關(guān)系定義了什么時(shí)候做 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的格式PDU 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中用協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU ProtocolDataUnit 描述通信協(xié)議PDU由控制部分和數(shù)據(jù)部分組成控制部分由若干字段組成 表示通信中用到的雙方可以理解和遵循的協(xié)議 2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) NetworkArchitecture 是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各組成部件和各部件所應(yīng)完成功能的精確定義 以及完成這些功能所應(yīng)遵循的各種協(xié)議的總稱 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng) 按照人們解決復(fù)雜問題的方法 把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的功能分到不同的層次上層與層之間用清晰的接口連接不同系統(tǒng)中的同一層構(gòu)成對(duì)等層對(duì)等層之間通過理解彼此定義好的規(guī)則和約定 完成對(duì)等層通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)也可定義為網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)模型以及各層協(xié)議的集合 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與人類通信所使用協(xié)議的比較 人們之間的會(huì)話也在使用分層的概念 人們只所以感覺不到是因?yàn)槿藗円呀?jīng)習(xí)慣了 以兩個(gè)人之間的自然語言通信為例 可以認(rèn)為分為三個(gè)層次 傳輸層 語言層 知識(shí)層 分層的思想 把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能劃分為若干獨(dú)立的層次 每層完成獨(dú)立的功能 每層功能的實(shí)現(xiàn)需要借助下層的服務(wù)來完成 同時(shí)向上層提供更高級(jí)的服務(wù) 層間通信只能在層間進(jìn)行 不能跨層調(diào)用 分層的好處 分層 可將龐大而復(fù)雜的問題 轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題 而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理 主要特點(diǎn)各層之間是獨(dú)立的 靈活性好 結(jié)構(gòu)上可分割開 易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù) 能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層的原則 根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兩級(jí)子網(wǎng)的結(jié)構(gòu) 可以看出層次劃分的輪廓 人們把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能劃到5個(gè)層次 計(jì)算機(jī)設(shè)備及端系統(tǒng)和通信子網(wǎng)的連接處 以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的物理連接處 應(yīng)劃分一個(gè)層次 用于實(shí)現(xiàn)物理連接 稱為物理層 位置在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上 網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸應(yīng)劃分為一個(gè)層次 稱為數(shù)據(jù)鏈路層 位置在相鄰節(jié)點(diǎn)上 源主機(jī)節(jié)點(diǎn)和目的主機(jī)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ芸蓜澐譃橐粋€(gè)層次 稱為網(wǎng)絡(luò)層 位置在協(xié)議包傳輸路由經(jīng)過的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上 傳輸路由從源主機(jī)節(jié)點(diǎn) 中間經(jīng)過的節(jié)點(diǎn) 到目的主機(jī)節(jié)點(diǎn) 在源端節(jié)點(diǎn)到目的端節(jié)點(diǎn) 即兩個(gè)通信的計(jì)算機(jī)設(shè)備之間 為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程可靠傳輸所提供的功能劃分為一個(gè)層次 稱為運(yùn)輸層 位置在端節(jié)點(diǎn)上 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間的可靠傳輸可劃分為一個(gè)層次 稱為應(yīng)用層 位置在端節(jié)點(diǎn)上 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的服務(wù) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的通信服務(wù)有兩種不同類型一種是面向連接服務(wù) connection orientedservice 另一種是無連接服務(wù) connectionlessservice 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)類型及應(yīng)用 服務(wù)原語 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)用服務(wù)原語描述服務(wù)原語由三部分組成 原語名 原語類型 原語參數(shù)服務(wù)原語的格式為 原語名 原語類型 原語參數(shù) 原語名說明服務(wù)的內(nèi)容原語名和原語類型之間由點(diǎn)進(jìn)行間隔原語類型說明層與層之間信息傳輸?shù)牧飨蛟Z名用大寫字母表示 服務(wù)原語的4種類型 原語類型有4種 用小寫字母表示 請求request 發(fā)送方希望得到某些服務(wù) 指示indication 接收方得知某個(gè)事件發(fā)生 響應(yīng)response 接收方對(duì)某個(gè)事件應(yīng)答 證實(shí)confirm 發(fā)送方得知請求的結(jié)果 服務(wù)原語的圖示 網(wǎng)絡(luò)層次接口和數(shù)據(jù)單元 在相鄰層次之間交換信息要遵循一組規(guī)則 這組規(guī)則涉及到一組相關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU 協(xié)議控制信息PCI 接口控制信息ICI 接口數(shù)據(jù)單元IDU 協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU等 協(xié)議和服務(wù)的關(guān)系 服務(wù)和協(xié)議是兩個(gè)完全不同的概念服務(wù)要靠協(xié)議來實(shí)現(xiàn) 通過服務(wù)原語的描述 可以清晰的給出上 下層接口和對(duì)等層之間的聯(lián)系服務(wù)是指某一層向它上一層提供的一組操作命令 服務(wù)原語 它定義了該層可為其用戶執(zhí)行哪些操作 但并不涉及如何實(shí)現(xiàn)這些操作 協(xié)議是一組規(guī)則 用來規(guī)定同一層的對(duì)等實(shí)體間所交換的消息或者分組的格式和含義 這些實(shí)體用協(xié)議來實(shí)現(xiàn)它們的所定義的服務(wù) 協(xié)議可以自由地改變 但服務(wù)不能改變 因?yàn)榉?wù)對(duì)上層用戶是可見的 服務(wù)涉及層間的接口 而協(xié)議涉及不同機(jī)器上的對(duì)等實(shí)體間發(fā)送分組 本層的用戶只能看見服務(wù)而無法看見下層的協(xié)議 下面的協(xié)議對(duì)上面的用戶是透明的 協(xié)議是 水平的 即協(xié)議是控制對(duì)等實(shí)體之間通信的規(guī)則 服務(wù)是 垂直的 即服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的 協(xié)議 n 1 SAP SAP 實(shí)體 n 1 服務(wù)提供者 第n層 第n 1層 實(shí)體 n 1 服務(wù)用戶 實(shí)體 n 實(shí)體 n 協(xié)議 n 交換服務(wù)原語 交換服務(wù)原語 對(duì)等協(xié)議的通信過程 在發(fā)送端協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU經(jīng)過從上層向下層的封裝到達(dá)對(duì)方后 再經(jīng)由底層向上 每一層去掉協(xié)議頭 稱為拆包 此時(shí)相當(dāng)于對(duì)等層彼此理解 3 開放系統(tǒng)互連OSI參考模型 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO在1974年制定的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型分為7個(gè)層次框架OSI模型本身不是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)容它并未確切描述用于各層的協(xié)議和服務(wù) 僅是告訴每一層應(yīng)該做什么OSI的國際標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ISO7498 開放系統(tǒng)互連OSI圖示 OSI參考模型的結(jié)構(gòu) OSI參考模型采用3級(jí)抽象 體系結(jié)構(gòu) 服務(wù)定義 協(xié)議規(guī)范OSI參考模型體系結(jié)構(gòu)是作為一個(gè)框架來組織和協(xié)調(diào)各層協(xié)議的制定 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)程說明比較精練服務(wù)定義詳細(xì)地說明各層提供的服務(wù) 提供的服務(wù)與這些服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)無關(guān)協(xié)議規(guī)范給出一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則 OSI參考模型各層的功能 物理層 對(duì)等物理層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元為比特流 物理層協(xié)議用4個(gè)特性描述和定義數(shù)據(jù)鏈路層 涉及到相鄰節(jié)點(diǎn)之間可靠傳輸 需要完成的功能有鏈路管理 成幀 差錯(cuò)控制 流量控制和丟失等網(wǎng)絡(luò)層 涉及到源節(jié)點(diǎn)到目的訪問節(jié)點(diǎn)之間可靠的傳輸 是通信子網(wǎng)的最高層次 需要完成的功能包括路由選擇 網(wǎng)絡(luò)尋址 網(wǎng)絡(luò)互連等運(yùn)輸層 涉及到端 主機(jī) 到端 主機(jī) 之間可靠的運(yùn)輸 起著承上啟下的作用 為高層屏蔽掉下面通信子網(wǎng)的差異會(huì)話層 允許主機(jī)上的用戶建立會(huì)話關(guān)系 在一次會(huì)話連接中可以有多個(gè)會(huì)話內(nèi)容單元 提供會(huì)話同步表示層 關(guān)心所傳輸數(shù)據(jù)信息的格式定義 即信息的語法和語義應(yīng)用層 為應(yīng)用進(jìn)程提供訪問計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的途徑 構(gòu)成不同的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 OSI參考模型中的數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸方向是垂直的但在每一層編程時(shí)卻好像是水平理解和傳輸?shù)?協(xié)議封裝 Encapsulation Sender Receiver Data OSI中數(shù)據(jù)傳輸 L7data H6 L7data L6data H5 L5data H4 L4data H3 L3data H2 T2 0101010101011010 L7data H6 L7data L6data H5 L5data H4 L4data H3 L3data H2 T2 0101010101011010 Transmissionmedium Dataflow Sender Receiver A P S T N DL Ph OSI獲得了一些理論成果 但在市場化方面卻失敗了OSI失敗的原因包括 OSI的專家們?nèi)狈?shí)際經(jīng)驗(yàn) 在完成OSI標(biāo)準(zhǔn)時(shí)沒有商業(yè)驅(qū)動(dòng)力 OSI的協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來過分復(fù)雜 且運(yùn)行效率很低 OSI標(biāo)準(zhǔn)的制定周期太長 因而使得按OSI標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的設(shè)備無法及時(shí)進(jìn)入市場 OSI的層次劃分并也不太合理 有些功能在多個(gè)層次中重復(fù)出現(xiàn) 4 TCP IP協(xié)議參考模型 1972年美國加州大學(xué)洛杉磯分校的VintonG Cerf 溫特 瑟夫 和BobertE Kahn 鮑伯 卡恩 進(jìn)行了 網(wǎng)絡(luò)互連項(xiàng)目 研究 TCP IP協(xié)議具有的特點(diǎn) 是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議蔟 免費(fèi)使用做到與計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)無關(guān) 與特定的網(wǎng)絡(luò)硬件無關(guān)做到與低層通信子網(wǎng)平臺(tái)無關(guān) 低層網(wǎng)絡(luò)可以是廣域網(wǎng) 局域網(wǎng) 無線網(wǎng)等提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)邏輯地址IP地址 用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)連接 使得異種計(jì)算機(jī) 異種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連成為可能運(yùn)輸層協(xié)議TCP提供可靠的端到端數(shù)據(jù)傳輸 可以屏蔽通信子網(wǎng)的差異 應(yīng)用層協(xié)議內(nèi)容豐富 TCP IP協(xié)議的層次結(jié)構(gòu) TCP IP協(xié)議結(jié)構(gòu)為4個(gè)層次 網(wǎng)絡(luò)接口層NIL IP層 TCP層 應(yīng)用層 TCP IP協(xié)議簇 ProtocolSuite TCP IP協(xié)議簇及聯(lián)系 Telnet FTP SMTP SNMP TFTP TCP UDP ICMP IP ARP Ethernetsoftware Ethernethardware Port ProtocolID Type MAC 23 21 25 161 69 6 17 1 0800H 0806H TCP IP中層次和地址 Process TCP UDP IPandotherprotocols Underlyingphysicalnetworks Applicationlayer Transportlayer Networklayer Datalinklayer Physicallayer Physicaladdress IPaddress Portaddress Domainaddress 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的捆綁 人們可能會(huì)問在具體組網(wǎng)時(shí)TCP IP協(xié)議在哪里呢 TCP IP協(xié)議與底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間是怎樣聯(lián)系的 在配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí) 先配置底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議這需要安裝網(wǎng)卡和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序再綁定IP層協(xié)議 TCP層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議這些操作可以在相應(yīng)的操作系統(tǒng)中指定所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 設(shè)置IP地址 子網(wǎng)掩碼 網(wǎng)關(guān)地址等 從而完成整個(gè)TCP IP協(xié)議設(shè)置要清楚網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次綁定的概念綁定是按自底向上的順序進(jìn)行的 OSI與TCP IP的比較 TCP IP模型與OSI模型的一個(gè)重要區(qū)別是可靠性問題OSI模型在所有各層都進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)和處理 而TCP IP僅在TCP層 即僅在端到端進(jìn)行差錯(cuò)控制 五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 應(yīng)用層 applicationlayer 運(yùn)輸層 transportlayer 網(wǎng)絡(luò)層 networklayer 數(shù)據(jù)鏈路層 datalinklayer 物理層 physicallayer 數(shù)據(jù)鏈路層 5應(yīng)用層 4運(yùn)輸層 3網(wǎng)絡(luò)層 2數(shù)據(jù)鏈路層 1物理層 5 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)參考模型 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次與5層體系結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng) 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各層的功能 MAC子層用來描述一個(gè)具體的LAN 只有看到了MAC 才能知道這是一個(gè)什么樣的LAN 局域網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 局域網(wǎng)絡(luò)中的通信牽涉到三個(gè)方面 進(jìn)程 站點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程與兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間應(yīng)用程序聯(lián)系 站點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)互相連接 數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)從一個(gè)站點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)站點(diǎn) 6 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)例 ARPANET網(wǎng)絡(luò)X 25網(wǎng)絡(luò)Internet與Internet2 ARPANET網(wǎng)絡(luò) ARPANET是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的里程碑ARPANET網(wǎng)在1969年建成 1983年1月TCP IP協(xié)議成為ARPANET正式協(xié)議 1990年ARPANET網(wǎng)退出使用 演變?yōu)镮nternet X 25網(wǎng)絡(luò) 分組交換網(wǎng)采用X 25協(xié)議 在交換節(jié)點(diǎn)對(duì)分組進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)X 25協(xié)議實(shí)際包含了對(duì)應(yīng)OSI低3個(gè)層次的協(xié)議 是一個(gè)通信子網(wǎng) Internet與Internet2 Internet與Internet2由來萬維網(wǎng)要解決關(guān)鍵問題Internet的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的推進(jìn)Internet研制過程中的貢獻(xiàn)Internet2中國下一代網(wǎng)絡(luò)示范工程 CNGI Internet的多級(jí)結(jié)構(gòu) 目前對(duì)Internet的批評(píng) 一個(gè)批評(píng)是Internet好像是一個(gè) 大垃圾山 人們很難找到所需要的東西 而萬維網(wǎng)的初衷是把垃圾變成金子另一個(gè)批評(píng)是 Internet就像一個(gè)只有神經(jīng)細(xì)胞的低等生物它沒有大腦 五十多年過去了 人們并沒有實(shí)現(xiàn)利克萊德在1960年勾畫出的把電腦網(wǎng)絡(luò)建成 思維中心 的設(shè)想 2 7小結(jié) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng) 采用層次結(jié)構(gòu)把復(fù)雜的功能要求分解到每一個(gè)層次每個(gè)層次獨(dú)立設(shè)計(jì) 層次之間通過清晰的接口聯(lián)系網(wǎng)