1、Lecture on Computer NetworkFor 0606-10,0616-19Spring 2008Weifeng SunWSchool of SoftwareDalian University of Technology授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層2/52討論：網絡的設計和處理 網絡如此復雜，該如何設計并處理？授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層3/52解決方法分而治之 相互通信的兩個計算機系統必須高度協調工作才行，而這種“協調”是相當復雜的。 “分層”可將龐大而復雜的問題，轉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。 分工和合作授課人：

2、孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層4/52計算機網絡的體系結構 定義：為了完成計算機間的通信合作，把每個計算機互聯的功能劃分成定義明確的層次（Layer/Level），規定了相鄰層之間的接口及服務以及同層次進程通信的協議。 ISO/OSI的三級抽象概念： 最高級：OSI七層模型的劃分。 低一級：OSI服務的定義。 最低級：OSI的協議規范。授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層5/52劃分層次的必要性 計算機網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規則。 這些規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題。 為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定即網絡協議(network protoc

3、ol)，簡稱為協議。 授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層6/52協議的 “層次”網絡是復雜的! 諸多 “成分”: 主機 路由器 各種介質的鏈路 應用程序 協議 硬件, 軟件問題: 如何將復雜的網絡問題依據一定的規則組織成一定的結構?至少要為討論網絡問題建設一個技術平臺?授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層7/52為什么要分層?對于復雜的系統: 顯式的結構使得復雜系統的問題定位和不同組成部分之間的關聯討論稱為可能 分層的參考模型(reference model) 可用于討論 模塊化簡化了系統的維護和升級 某個層次服務實現對系統的其余部分是透明的 分層的做法有沒有壞處?授課人：孫偉峰計算

4、機網絡-網絡協議的分層8/52第N層協議第N+1層協議第N-1層協議最低層協議最高層協議物理介質N層N+1層N-1層最高層最低層開放系統AN/(N+1)層接口(N-1)/N層接口N層N+1層N-1層最高層最低層開放系統B計算機網絡體系結構模型端系統A端系統B授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層9/52體系結構標準化網絡階段一 計算機網絡制造廠商的標準化 IBM的SNA（System Network Architecture） DEC的DNA（Digital Network Architecture） Novell的NetWare Microsoft的LAN Manager等 Apple的A

5、ppleTalk授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層10/52體系結構標準化網絡階段二 國際標準化 ISO（International Standard Organization）的OSI RM（Open Systems Interconnection Reference Model） IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers）的802局域網標準 ITU-T（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector，原為CCI

6、TT，Consultative Committee for International Telegraph and Telephone）的三個系列標準： V系列，用于電報和電話網（PSTN）上的數據傳輸。 X系列，用于公用數據網（PDN）上的數據傳輸。 I系列，用于綜合業務數字網（ISDN）上的數據傳輸。 ANSI（American National Standards Institute） EIA/TIA（Electronic Industry Association/Telecommunications Industry Association）授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層11

7、/52因特網協議棧(計算機網絡的原理體系結構) 應用層: 支持網絡應用 ftp, smtp, http 傳輸層: 主機進程間的數據傳遞 tcp, udp 網絡層: 將數據報從信源傳遞到信宿 ip, 路由選擇協議 鏈路層: 數據在網絡上的相鄰結點間的傳輸 ppp, ethernet 物理層: 信道上傳送的位流applicationtransportnetworklinkphysical授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層12/52協議分層和數據的封裝每個層次都從上層取得數據 加上首部信息形成新的數據單元 將新的數據單元傳遞給下一層次applicationtransportnetworklin

8、kphysicalapplicationtransportnetworklinkphysicalsourcedestinationMMMMHtHtHnHtHnHlMMMMHtHtHnHtHnHlmessagesegmentdatagramframe授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層13/52關于因特網的標準化工作因特網協會 ISOC因特網研究指導小組IRSG 因特網研究部 IRTF 因特網工程部 IETF 因特網工程指導小組IESG RGWGRG領域領域因特網體系結構研究委員會 IAB WGWGWG授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層14/52制訂因特網的正式標準要經過四個階段 因特

9、網草案(Internet Draft) 在這個階段還不是 RFC 文檔。 建議標準(Proposed Standard) 從這個階段開始就成為 RFC 文檔。 草案標準(Draft Standard) 因特網標準(Internet Standard) 授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層15/52各種RFC之間的關系因特網草案建議標準草案標準因特網標準歷史的 RFC實驗的 RFC提供信息的 RFC6 種 RFC授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層16/52各層設計的問題 尋址方式（addressing）：標識特定的收發者。 數據傳輸的規則： 單工通信（simplex）：單向。 半雙工通

10、信（half-duplex）：雙向，但不能同時。 全雙工通信（full-duplex）：雙向，且可同時。 差錯控制（error control）：檢錯，糾錯，策略。 保序（sequencing） 流量控制（flow control） 報文的分割（disassembling）及組合（reassembling） 多路復用（multiplexing） 路由選擇（routing）授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層17/52計算機網絡分層的一些概念 實體（entity）：每層中的互動元素（如進程或接口電路）。 對等實體（peer entity）：不同開放系統上同一層中的實體。 協議（protoco

11、l）：某層上通信的規則。 協議棧（protocol stack）：各層協議按層次順序排列的協議序列。 服務（service）：低層向相鄰高層提供的通信能力。 接口（interface）：相鄰層之間的邊界。 服務訪問點（SAP）：位于接口上的具體地點（地址）。 服務提供者（service provider）：服務中的底層實體。 服務用戶（service user）：服務中的高層實體。授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層18/52處于接口上下的兩層之間的關系授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層19/52低層向高層提供的服務 面向連接的服務（connection-oriented servi

12、ce）：象打電話一樣分為三個階段，建立連接；使用連接；釋放連接。 無連接服務（connectionless service）：象寄郵件一樣，每個報文都獨立尋址，獨立路由。 服務質量（Quality of Service）的好壞（可靠性），最終取決于是否確認（acknowledge）。但確認的過程會增加額外的開銷和延遲。總結為4種服務形式：連接類型連接類型服務類型服務類型應用例子應用例子面向連接可靠文件傳輸不可靠音視頻傳輸無連接可靠掛號郵件不可靠寄信授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層20/52OSI參考模型的數據傳輸授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層21/52關于開放系統互連參考模型

13、OSI/RM 只要遵循 OSI 標準，一個系統就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統進行通信。 在市場化方面 OSI 卻失敗了。 OSI 的專家們在完成 OSI 標準時沒有商業驅動力； OSI 的協議實現起來過分復雜，且運行效率很低； OSI 標準的制定周期太長，因而使得按 OSI 標準生產的設備無法及時進入市場； OSI 的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現。 授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層22/52OSI參考模型的問題 復雜、繁瑣、低效、官僚。國際官僚政論者語言（international bureaucrat speak） 不符合“雙象天啟

14、”（apocalypse of the two elphants）關于標準的理論。時間活動標準研究億萬美元投資網絡研究時間活動TCP/IP網絡的應用OSI參考模型授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層23/52兩種國際標準 法律上的(de jure)國際標準 OSI 并沒有得到市場的認可。 是非國際標準 TCP/IP 現在獲得了最廣泛的應用。 TCP/IP 常被稱為事實上的(de facto) 國際標準。授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層24/52劃分層次的概念舉例 計算機 1 向計算機 2 通過網絡發送文件。 可以將要做的工作進行如下的劃分。 第一類工作與傳送文件直接有關。 確信對方

15、已做好接收和存儲文件的準備。 雙方協調好一致的文件格式。 兩個計算機將文件傳送模塊作為最高的一層 。剩下的工作由下面的模塊負責。授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層25/52兩個計算機交換文件 文件傳送模塊計算機 1計算機 2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發送把收到的文件交給上層模塊授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層26/52再設計一個通信服務模塊 文件傳送模塊計算機 1計算機 2文件傳送模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信

16、服務模塊授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層27/52再設計一個網絡接入模塊 文件傳送模塊計算機 1計算機 2文件傳送模塊通信服務模塊通信服務模塊網絡接入模塊網絡接入模塊通信網絡網絡接口網絡接口網絡接入模塊負責做與網絡接口細節有關的工作例如，規定傳輸的幀格式，幀的最大長度等。授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層28/52分層的好處 各層之間是獨立的。 靈活性好。 結構上可分割開。 易于實現和維護。 能促進標準化工作。 授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層29/52五層協議的體系結構 應用層(application layer) 運輸層(transport layer) 網絡層(ne

17、twork layer) 數據鏈路層(data link layer) 物理層(physical layer) 數據鏈路層5 應用層4 運輸層3 網絡層2 數據鏈路層1 物理層授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層30/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2應用進程數據先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層 PDU授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層31/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2應用層 PDU 再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文授課人：孫偉峰計算機網絡-網

18、絡協議的分層32/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2運輸層報文再傳送到網絡層加上網絡層首部，成為 IP 數據報（或分組）授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層33/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2IP 數據報再傳送到數據鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數據鏈路層幀授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層34/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2數據鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體授課人：孫偉峰計

19、算機網絡-網絡協議的分層35/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 應用層(application layer) 5432154321物理傳輸媒體計算機 1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發送端物理層傳送到接收端物理層計算機 2授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層36/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2物理層接收到比特流，上交給數據鏈路層授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層37/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數據部分，

20、上交給網絡層授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層38/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2網絡層剝去首部，取出數據部分上交給運輸層授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層39/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2運輸層剝去首部，取出數據部分上交給應用層授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層40/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2應用層剝去首部，取出應用程序數據上交給應用進程授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層41/5

21、2計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2我收到了 AP1 發來的應用程序數據！授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層42/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2應 用 程 序 數 據應用層首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應 用 程 序 數 據H5應 用 程 序 數 據H4H5應 用 程 序 數 據H3H4H5應 用 程 序 數 據H4運輸層首部H3網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部授課人：孫偉峰計算機網絡-網

22、絡協議的分層43/52計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 210100110100101 比 特 流 110101110101計算機 2 的物理層收到比特流后交給數據鏈路層H2T2H3H4H5應 用 程 序 數 據授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層44/52H3H4H5應 用 程 序 數 據計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數據部分交給網絡層H2T2H3H4H5應 用 程 序 數 據授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層45/52H4H5應 用 程 序 數 據H3H4H5應 用 程 序 數 據計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2網絡層剝去分組首部后把分組的數據部分交給運輸層授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層46/52H5應 用 程 序 數 據H4H5應 用 程 序 數 據計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432154321計算機 1AP2AP1計算機 2運輸層剝去報文首部后把報文的數據部分交給應用層授課人：孫偉峰計算機網絡-網絡協議的分層47/52應 用 程 序 數 據H5應 用 程 序 數 據計算機 1 向計算機 2 發送數據 5432