计算机网络与通信(第2章)(最新版-修订)

1、第2章 计算机网络体系结构,第2章 计算机网络体系结构,2.1 概述 2.2 OSI体系结构 2.3 TCP/IP体系结构 2.4 五层体系结构,2.1 概述,计算机网络体系结构描述了计算机网络系统的总体架构，是网络功能的结构性的划分。 计算机网络的层次结构及各层协议的集合统称计算机网络的体系结构(Architecture)。具有同样体系结构的计算机网络才能无缝地互连。 世界上第一个计算机网络体系结构: IBM公司于1974年提出系统网络体系结构(SNA)。 开放系统互连参考模型(OSI/RM)分为七层。 TCP/IP体系结构为四个层次。 五层体系结构。,计算机网络的体系结构,计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。,2.2 OSI体系结构,2.2.1 开放系统互连参考模型,分层的方法有以下好处： 简化了网络的设计与

2、实现。 具有层间无关性，系统易于更新。,OSI环境中的数据流,OSI/RM的七个层次,分层的好处,各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。,划分层次的概念举例,计算机 1 向计算机 2 通过网络发送文件。 可以将要做的工作进行如下的划分。 第一类工作与传送文件直接有关。 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 双方协调好一致的文件格式。 两个计算机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。,两个计算机交换文件,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,只看这两个文件传送模块 好像文件及文件传送命令 是按照水平方向的虚线传送的,把文件交给下层模块 进行发送,把收到的文件交给 上层模块,再设计一个通信服务模块,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块 好像可直接把文件 可靠地传送到对方,把文件交给下层模块 进行发送,把收到的文件交给 上层模块,通信服务模块,通信服务模块,再设计一个网络接入模块,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,通信服务模块,通信服务模块,网络接入模块

3、,网络接入模块,通信网络,网络 接口,网络 接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作 例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。,2.2.2 OSI的一些基本概念,实体和对等实体 协议和协议数据单元 协议(Protocol)是某一个层次中指导实体之间通信的规则。包含三个方面的要素： 语法 语义 同步 协议数据单元(Protocol Data Unit, PDU)由两部分组成：本层的协议控制信息和用户数据。,2.2.2 OSI的一些基本概念,服务、服务访问点和服务原语 N层实体在N层协议的控制下可以向N+1层实体提供服务(Service)实现N+1层所需要的某种功能服务有如下两种形式： 面向连接的服务(Connection-Oriented Service) 无连接的服务(Connectionless Service) 服务访问点(Service Access Point, SAP)是上下层实体之间信息交换的接口。 服务原语(Service Primitive)描述提供的服务，定义服务规范，规定通过SAP所必需传递的信息。,2.3 TCP/IP体系结构,Internet使用TCP/

4、IP体系结构。 网络接口层严格说并不是一个独立的层次，没有定义什么具体的协议。 网际层、传输层和应用层是TCP/IP的主要内容。,对应的OSI TCP/IP TCP/IP主要协议,TCP/IP 四层协议的表示方法举例,应用层 运输层 网际层 网络 接口层,主机A,主机B,路由器,网络 2,网络 1,应用层 运输层 网际层 网络 接口层,网际层 网络 接口层,4 3 2 1,2.4 五层体系结构,Andrew S. Tanenbaum 建议了计算机网络的五层体系结构。根据Internet的实际情况，以TCP/IP体系结构为基础，综合了TCP/IP和OSI两种体系结构。 自下而上分别为: 物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。,ISO/OSI 五层体系结构 TCP/IP,2.4 五层体系结构,五个层次的功能简述如下： 物理层 为数据链路层提供透明的比特流(Bit Stream)传输服务，向下与物理媒体相连，规定连接物理媒体的网络接口规范。 物理层涉及网络接口机械的、电气的、功能的和规程的规范。 数据链路层 负责在单个链路上的节点间传送称为帧(Frame)的PDU，在不太可靠的物理链路

5、上可以实现可靠的传输。 对于广播链路进行链路的访问控制。 为了实现传输的可靠性，可以提供流量控制和差错控制。 提供传输透明性。,2.4 五层体系结构,网络层 负责计算机间的通信，在分组交换网络上传送称为分组或包(Packet)的PDU，从源结点通过中间转发结点逐跳地(Hop by Hop)将分组传送到目的结点。 实现网络互连，路由优化。 传输层 负责应用进程间的通信，为两个应用进程之间提供端到端(End to End)的数据传输服务。为应用进程提供一条端到端的逻辑信道, 在源结点和目的结点的两个传输层实体之间，不涉及线路中间的路由器等中间系统。 通信连接，流量控制、拥塞控制和差错控制。 应用层 对应OSI的高三层，对应TCP/IP的应用层，提供面向用户的网络服务。,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,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,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层 PDU 再传送到运输层

6、,加上运输层首部，成为运输层报文,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层报文再传送到网络层,加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,IP 数据报再传送到数据链路层,加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层帧再传送到物理层,最下面的物理层把比特流传送到物理媒体,计算机 1 向计算机 2 发送数据,应用层(application layer),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传输媒体,计算机 1,AP2,AP1,电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层,计算机 2,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,物理层接收到比特流，上交给数据链路层,计算机

7、1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 1101

8、01110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,10100110100101 比 特 流 110101110101,计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,H3,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层,H4,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层,应 用 程 序 数 据,H5,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1

9、,计算机 2,应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,2.5 实体、协议、服务和服务访问点,实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。,实体、协议、服务和服务访问点（续）,本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。 下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。,实体、协议、服务和服务访问点（续）,服 务 用 户,第 n 层,第 n + 1 层,服 务 用 户,协议很复杂,协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。 必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。 应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。,著名的协议举例,占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝

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