第二章 计算机网络体系结构
计算机网络体系结构
采用不同体系结构的两个网络之间很难通信 。 为使所有的网络都能互连互通,国际标准化组 织ISO于1983年提出了开放系统互连参考模 型(Open Systems Interconnection Reference Model,OSI/RM),简称OSI 参考模型 TCP/IP协议也在实际的连网实践中发展起 来,并成为了事实上的网络互连协议标准
分层的空中旅行组织: 服务
柜台-to-柜台:“旅客+行李” 票务服务 行李托运-to-行李认领:行李服务 登机入口-to-到达出口:旅客乘务服务 跑道-to-跑道:飞机“航运”服务 从出发地到目的地的航线:导航服务 当某层实现变化时,该系统其余部分保持不变。 注意:一个服务改变实现方式与改变服务本身是极为不同的!
应用层 PDU 再传送到运输层 加上运输层首部,成为运输层报文段
5 4 3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5
运输层报文段再传送到网络层 加上网络层首部,成为 IP 数据报(或分组)
4 3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
OSI 与 TCP/IP 体系结构的比较
OSI 的体系结构 7 6 5 4 3 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 TCP/IP 的体系结构 应用层 (各种应用层协议如 TELNET, FTP, SMTP 等) 运输层(TCP 或 UDP) 互联网层 IP 网络接口层 TCP/IP 的三个服务层次
本书采用的体系结构
数据在网络中的传递过程
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2
应用进程数据先传送到应用层 加上应用层首部,成为应用层 PDU
AP2 5 4 3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2
网络接口 1
网络接口 2
…
网络接口 3
TCP/IP协议栈
主机A 4 3 2 1 应用层 运输层 互联网层 网络 接口层 网络 1 互联网层 网络 接口层 网络 2 路由器 主机B 应用层 运输层 互联网层 网络 接口层
OSI参考模型和TCP/IP模型比较
OSI参考模型和TCP/IP模型都采用了分层结 构,OSI参考模型分为7层,TCP/IP模型分为 4层 在TCP/IP模型中没有表示层和会话层, TCP/IP模型的应用层相当于综合了OSI参考 模型中应用层、表示层和会话层的功能 TCP/IP模型没有数据链路层和物理层,网络 接口层包含了这两层的功能
应用层剥去首部,取出应用程序数据 5 上交给应用进程
物理层接收到比特流,上交给数据链路层 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5 4 3
数据链路层剥去帧首部和帧尾部 2 取出数据部分,上交给网络层
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5 4
各种 应用服务 运输服务 (可靠或不可靠) 无连接分组交付服务
2 数据链路层 1 物理层
应用层
F T P
T e l n e t
23
S M T P
D N S
T F T P
S N M P
port
21
25
53
69
161
运输层 TCP UDP
TCP和UDP都根据端口(port)号把信息提交给上层对 应的协议(进程)。
OSI参考模型和TCP/IP模型比较
OSI模型体系比较复杂,设计先于实现,完全 实现OSI参考模型的系统并不多,应用的范围 有限,多限于理论研究和教学。 TCP/IP协议是在实践中产生和发展的,在各类 平台中都有稳定的实现,并有简单方便的编程 接口(API),得到了广泛的应用。 TCP/IP协议已成为目前网际互连事实上的国际 标准和工业标准
虚线表示虚拟通信; 实线表示物理通信
哲学家—翻译—秘书结构
理解协议 接口之间的关系 协议是水平的; 服务是垂直的。
协议分层的优点
将复杂的网络通信任务分解为若干个比较容易 处理的子问题,降低了复杂度,易于实现和维 护。 每个层次都可以单独实现,只要提供的服务和 实现的功能不变,与相邻层次的接口也不变, 那么采用何种技术实现是每个层次内部的事 情,更有利于采用新的技术去解决问题。 层次明确也更有利于标准化。
IP over Everything Everything over IP 沙漏计时器形状的 IP 可为各式各样的应用程序提供服务 IP 可应用到各式各样的网络上 TCP/IP协议族
应用层 HTTP HTTP … SMTP SMTP DNS DNS … RTP RTP
运输层
TCP
UDP
网际层
IP
网络接口层
网络层剥去首部,取出数据部分 3 上交给运输层
2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5
运输层剥去首部,取出数据部分 4 上交给应用层
3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2
计算机网络
第2章计算机网络体系结构 靳海轶
东软信息学院计算机系网络教研室
本章知识点
理解网络协议与协议分层的原理 掌握计算机网络体系结构 掌握OSI模型和TCP/IP 模型各自特点 和区别 掌握数据在网络中的传递过程
信息交换过程
物理链路是网络通信必备要素,它是信号 传播的载体。 信息 数据 信号 信息 数据 信号
网络协议的必要性和复杂性
在网络通信中双方必须对通信中可能出 现的各种情况进行明确的商定,必须遵 守相同的规则,这些规则称为协议。网 络中的主机、设备必须要遵循相同的协 议才能通信 网络通信是一个非常复杂的问题,这就 决定了网络协议也是非常复杂的
如何构建网络协议?
相互通信的两个计算机系统必须高 度协调工作才行,而这种“协调”是 相当复杂的。 解决:分而治之! 举例:一个空中旅行的组织
数据传递过程
在概念上可以认为通信是水平的,数据 好像由对等层的一端直接到达了另一端。 通信的目的就是要实现对等层之间的水 平通信,虽然事实上水平通信要依赖垂 直通信来实现 在理解问题时忽略中间的过程直接去考 虑水平通信会更简单
计算机网络体系结构
计算机网络的各个层次以及每个层次协议的集 合称为计算机网络体系结构。 各个层次的所有协议也被称为协议栈。 世界上第一个计算机网络体系结构是美国IBM 公司于1974年提出的SNA(系统网络体系结 构) 其他的网络体系结构:Digital公司的网络体 系结构DNA、Honeywell公司的分布式体系 结构DSA等
Message(报文)
运输层
TCP, UDP
Segment(段)
互联网(网络)层
IP, ICMP, ARP, RARP
Packet(分组) Frame(帧) Bit(比特)
网络接口层(数据链路层+物理层)
PPP, Ethernet, Token ring, ATM
每一层使用自己层的协议与其他系统的对等层相互通信。 每一层的协议在与对等层之间交换的信息称为协议数据单元(PDU)。
空中旅行的组织
机票 (购买) 行李 (托运) 旅客 (出发) 飞机 (起飞) 飞行航线 飞行航线 机票 (投诉) 行李 (认领) 旅客 (到达) 飞机 (着陆) 飞行航线
一系列的步骤
空中旅行的组织: 从另一种不同的角度观察
机票 (购买) 行李 (托运) 旅客 (出发) 飞机 (起飞) 飞行航线 飞行航线 层次的观点: 每层实现一种特定的服务 – 通过自己内部的功能 – 依赖自己的下层提供的服务 机票 (投诉) 行李 (认领) 旅客 (到达) 飞机 (着陆) 飞行航线
层次化方法在其它领域的应用
程序设计
把一个大的程序分解为若干个层次的小模块 来实现,如操作系统。
邮政系统
邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输
银行系统 物流系统 。。。
划分层次的必要性
计算机网络中也采用了分层方法。—— 把复杂的问题划分为若干个较小的、单 一的局部问题,在不同层上予以解决。 网络的层次结构方法要解决的问题:
数据传递过程
数据传递过程
数据从发送端的最高层开始,层层向下,层层 封装,直到发送方的最底层,转换为电磁信号 后经过物理链路到达接收端的最底层,再层层 向上,层层解封装,最后到达接收方的最高 层,整个通信过程是垂直的 某一层添加的首部,在到达对等层后,就会被 剥掉,剩余的部分会继续向上传递,直至最高 层。 高层使用了低层的服务,低层向高层提供服 务,高层通过低层提供的服务接口访问低层的 服务
OSI参考模型和TCP/IP模型比较
OSI参考模型的网络层可以提供无连接和面向连接的 两种服务,TCP/IP模型的互联网层只提供无连接的数 据报服务 OSI的运输层提供面向连接的可靠的数据传输服务, TCP/IP模型中的运输层有两个协议TCP和UDP,TCP 提供面向连接的可靠的数据传输服务,UDP提供无连 接的不可靠的数据传输服务 OSI参考模型,具有浓厚的通信背景,强调服务质 量,强调对差错的控制,先定义了一套完整的框架, 然后才发展相应的协议。TCP/IP协议产生于因特网的 连网需求,是先有了具体的协议的基础上,进一步完 善了其框架体系,从而也更适合计算机网络的特点。
通信网络
网络通信的复杂性
发送方如何确定接收方愿意接收数据或已经 准备好了接收数据? 发送方和接收方之间可能间隔了多个网络, 如何在网络之间找到一条正确的路,使得数 据能够到达接收方? 数据在传输过程中可能受了干扰而产生了差 错,如何检测差错?出了差错如何处理? 数据在传输过程中可能会丢失,如何检测丢 失,丢失以后如何处理?