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1 第 章概述 计算机网络 信通系 刘剑毅 本章主要内容 分组交换技术 协议的概念 层次化的网络体系结构 开放系统互联参考模型 (OSI/RM) TCP/IP 体系结构 计算机网络的分类. 计算机网络的产生和发展 946 EIVAC 95 SAGE 960s SABRE- 969 ARPAET, Internet, 990s WWW 996 GI. 计算机网络的技术基础 分组交换 什么是交换? 按某种方式动态地分配传输线路资源 例如, 电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续 用户挂机后则断开该线路, 该线路又可分配给其它用户 最初的交换 : 人工转接交换 为什么要采用交换技术? 节省线路投资, 提高线路利用率 实现交换的方法主要有 : 电路交换 报文交换和分组交换 4 电路交换 在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程 可以是真正的物理线路, 也可以是一个复用信道 特点 : 数据传输前需要建立一条端到端的通路 称为 面向连接的 ( 典型例子 : 电话 ) 过程 : 建立连接 通信 释放连接 特点 : 一旦建立连接就独占线路, 线路利用率低 ; 不适用于计算机通信 : 因为计算机数据具有突发性的特点, 真正传输数据的时间不到 0% 电话网络中的电路交换 交换局 呼叫时建立的物理铜质连接 5 6

2 报文交换 以报文为单位进行 存储 - 转发 交换的技术 在交换过程中, 交换设备将接收到的报文先存储, 待信道空闲时再转发出去, 一级一级中转, 直到目的地 这种数据传输技术称为存储 - 转发 传输之前不需要建立端到端的连接, 仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接 称为 无连接的 ( 典型例子 : 电报 ) 整个报文 (Message) 作为一个整体一起发送 优缺点 : 线路利用率高 ; 大报文造成存储转发的延时过长, 且对存储容量要求较高 ; 出错后整个报文全部重发 比较 : 下载时若无断点续传功能, 一旦出错你会怎样做? 分组交换 ( 包交换 ) 将报文分割成若干个大小相等的分组 (Packet) 进行存储转发 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 也是 无连接的 优缺点 : 对转发结点的存储要求较低, 转发延时小 适用于交互式通信 ; 某个分组出错可以仅重发出错的分组 效率高 ; 各分组可通过不同路径传输, 容错性好 需要分割报文和重组报文, 增加了端站点的负担 分组交换有两种交换方式 : 数据报方式和虚电路方式 7 8 数据报方式 (Datagram) 各分组独立地确定路由 ( 传输路径 ) 不能保证分组按序到达, 所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装 主机 A 发送方 分组 分组 分组 H S S-S5: 分组交换机 ACK: 应答报文分组 ACK 分组 H6 H S H 分组 ACK S4 ACK S 分组 分组 H4 数据报方式不能保证分组按序到达 H5 ACK ACK S5 分组 分组 主机 B 接收方 虚电路方式 (Virtual Circuit) 通信前预先建立一条逻辑连接 虚电路 类比 : 铁路系统 ( 旅客 / 列车 : 分组, 铁路网 : 网络, 火车站 : 节点 ) 西安 - 北京 这条线路可以看成是一条虚路径 也需要三个过程 : 建立 - 数据传输 - 拆除 虚电路的路由在建立时确定, 传输数据时则不再需要 数据传输时只需指定虚电路号, 分组即可按虚电路的路由穿越网络 数字管道 提供的是 面向连接 的服务 但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道, 只是断续地依次占用传输路径上各个链路段 与铁路系统类比! 可以看成是采用了电路交换思想的分组交换 能够保证分组按序到达 分组可能通过多个路径穿越网络 9 0 分组通过预先建立好的虚电路穿越网络 三种交换方式的事件顺序 H H H H4 呼叫请求 数据 寻路延迟 呼叫应答 报文 分组 分组 分组 分组 4 排队延迟 虚电路 t H6 H5 A B C D 线路交换 A B C D 报文交换 A B C D 分组交换

3 . 协议与体系结构 网络体系结构提出的背景 计算机网络的复杂性 异质性 不同的通信介质 有线 无线 不同种类的设备 主机 路由器 交换机 复用设备 不同的操作系统 Unix Windows 不同的软 / 硬件 接口和通信约定 ( 协议 ) 不同的应用环境 固定 移动 不同种类业务 分时 交互 实时 宝贵的投资和积累 有形 无形 用户业务的延续性 不允许出现大的跌宕起伏 协议的定义 通信协议 : 计算机之间 网络中所有的通信活动都是由协议所控制 协议 : 定义网络实体间发送和接收报文的格式 顺序以及当传送和接收消息时应采取的行动 ( 语义 语法和时序 ) 4 通信协议的三要素 语义 对协议中各协议元素的含义的解释, 例如 : 在 HDLC 协议中, 标志 Flag(7EH) 表示报文的开始和结束 在 BSC 协议中,SOH(0H) 表示报文的开始,STX(0H) 表示报文正文的开始,ETX(0H) 表示报文正文的结束 语法 协议元素与数据的组合格式, 即报文格式 例如 : 时序例 建立连接 数据传输 连接请求连接确认连接确认数据确认 HDLC Flag Address Ctrl Data FCSS Flag 释放连接 BSC SOH HEAD STX TEXT ETX BCC 时序 通信过程中, 通信双方操作的执行顺序和规则 5 释放连接 t 释放确认 释放确认 t 6 网络体系结构 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 : 网络应该具有哪些层次? 每一层的功能是什么? ( 分层与功能 ) 各层之间的关系是怎样的? 它们如何进行交互? ( 服务与接口 ) 通信双方的数据传输要遵循哪些规则?( 协议 ) 7 层次结构方法的优点 独立性强 耦合程度低 上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务 黑箱方法 适应性强 只要服务和接口不变, 每层的实现方法可任意改变 易于实现和维护 把复杂的系统分解成若干个涉及范围小 功能简单的子单元 : 使系统的结构清晰, 实现 调试和维护变得简单和容易 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块 8

4 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 物流系统 网络体系结构的定义 网络体系结构 : 把计算机互连的功能划分成层次, 并规定同层间通信的协议以及邻层间的接口和服务 层 协议和层间接口的集合被称为计算机网络体系结构 换句话说 : 体系结构包括三个内容 : 分层结构与每层的功能, 服务与层间接口, 协议 9 0 网络体系结构中 : 每层可能会有若干个协议 一个协议只属于一个层次 协议可以由软件或硬件来实现 : 网络通信协议软件 网络驱动程序 网络硬件 常用协议组 : TCP/IP(Windows Unix Linux ) etbeui(windows) IPX/SPX(etWare Windows) 最早的网络体系结构源于 IBM 的 SA; 其它的网络体系结构还有 DEC 的 DECET 等 由国际化标准组织 ISO 制定的网络体系结构国际标准是 OSI/RM; 实际中应用最广泛的是 TCP/IP 体系结构 事实上的 (de facto) 标准 开放系统互连参考模型 ISO/OSI(RM) 基本概念 : 实体 系统 A 对等层 系统 B () 实体 : 任何可以发送或接收信息的硬件 / 软件进程 对等层 : 两个不同系统的同级层次 对等实体 : 分别位于不同系统对等层中的两个实体 () 服务 : 某一层及其以下各层的一种能力, 通过接口提供给其相邻上层 () 协议 : 通信双方在通信中必须遵守的规则 服务 接口 对等实体 物理网络 4 4

5 开放系统互连参考模型 ISO/OSI(RM) 基本概念 : () 服务访问点 ; () 服务连接点 ; 服务原语 : request, indication, response, confirm. () 连接 ; PDU 与 SDU 网络体系结构中, 对等层之间交换的信息报文统称为协议数据单元 (Protocol Data Unit,PDU) 及以下各层的 PDU 另外还有各自特定的名称 : 段 (Segment) 网络层 分组 / 包 (Packet) 数据链路层 帧 (Frame) 物理层 比特 (Bit) PDU 由协议控制信息 ( 协议头 ) 和数据 (SDU) 组成 : 协议控制信息 数据 (SDU) 5 协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息 : 地址 序号 长度 分段标志 差错控制信息 6 下层把上层的 PDU 作为本层的数据加以封装, 然后加入本层的协议头部 ( 和尾部 ) 形成本层的 PDU 数据多层封装 封装 : 就是在数据前面加上特定的协议头部 + 层 PDU 数 据 数据 封装 拆封 层 PDU 协议头 数 据 段头 数据 段 因此, 数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程 到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程 类比 : 发送信件 数据在传输时, 其外面实际上要被包封多层 信封 分组头 段头 数据 帧头分组头段头数据 帧尾 分组 帧 7 8 在目的站, 某一层只能识别由源站对等层封装的 信封, 而对于被封装在 信封 内部的 数据 仅仅是拆封后将其提交给上层, 本层不作任何处理 每一层只处理本层的协议头部! 网络分层体系结构 系统 A + - Pn+ Pn Pn- P P P 物理通信线路 系统 B + - 网络中的任何一个系统都是按照层次结构来组织的 同一网络中, 任意两个端系统必须具有相同的层次 每层使用其下层提供的服务, 并向其上层提供服务 通信只在对等层间进行 ( 间接的 逻辑的 虚拟的 ), 非对等层之间不能互相 通信 实际的物理通信只在最底层完成 Pn: 第 n 层协议, 即第 n 层对等实体间通信时必须遵循的规则或约定 9 0 5

6 对等层通信的实质 网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层之间进行直接通信 实际上, 每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机的对等层通信 上层使用下层提供的服务 Service user; 下层向上层提供服务 Service provider 第 n+ 层是第 n 层的服务用户, 第 n- 层是第 n 层的服务提供者 第 n 层的服务也依赖于第 n- 层以及以下各层的服务 对等层通信的实质 对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信 ; 下层向上层提供服务 ; 上层依赖下层提供的服务来与其它主机上的对等层通信 ; 实际通信在最底层完成 源进程传送消息到目标进程的过程 : 消息送到源系统的最高层 ; 从最高层开始, 自上而下逐层封装 ; 经物理线路传输到目标系统 ; 目标系统将收到的信息自下而上逐层处理并拆封 ; 由最高层将消息提交给目标进程 源进程消息 + - 逻辑通信目标进程消息 Pn+ + Pn Pn- - P P P 物理通信线路 层操作元素 差错控制 使对等层的通信更加可靠 流量控制 控制发送端的速率, 使接收端能来得及接收 分段和合段, 分块与合块 发送端将数据块分成更小的单位, 并在接收端重新组合 复用和分流 多个高层的对等层通信会话复用一条低层连接 令牌 保序 4 OSI/RM 的七层结构 各层功能的概述 OSI/RM 的体系结构分为 7 层 7 应用层 Application 6 表示层 Presentation 5 会话层 Session 4 Transport 网络层 etwork 数据链路层 Data Link 物理层 Physical 为网络应用提供服务数据表示在用户间建立会话关系不同主机进程间的通信在主机间传输分组在节点间可靠地传输帧位流的透明传输 物理层 (physical layer) 任务 : 在物理媒体 ( 介质 ) 上正确地 透明地传送比特流 协议 ( 标准 ): 规定了物理接口的各种特性 : 功能 : 建立和拆除物理连接 位流传输 管理 例 :RS- RS-449 V.4 V.5 G.70/G.704 ote: 传输媒体并不属于物理层 5 6 6

7 数据链路层 (data link layer) 任务 : 在两个相邻节点间可靠地传输数据, 使之对网络层呈现为一条无错的链路 功能与服务 : 建立与拆除数据链路连接 组帧 : 帧封装, 按顺序传送, 处理返回的确认帧 ; 定界与同步 : 产生 / 识别帧边界 ; 差错检测 / 恢复 : 可靠的传输,CRC,ARQ; 流量控制 : 抑止发送方的传输速率, 使接收方来得及接收 共享信道问题 : 解决共享介质访问时的冲突碰撞问 网络层 (network layer) 任务 : 选择合适的路由, 把分组从源端传送到目的端 功能与服务 : 在源端与目的端之间建立 维护 终止网络的连接 分段和合段 : 大数据块分段, 小数据块组合 路由选择和分组中转 IP 协议 [RFC 79]: 提供无连接的数据报服务 7 8 题 路由选择 如何在多条通信路径中找一条最佳路径? 依据 : 速度, 距离 ( 步跳数 ), 价格, 拥塞程度 路由器 路由表建立与维护 静态 : 人工设置, 只适用于小型网络 动态 : 运行过程中根据网络情况自动地动态维护 路由算法 建立与维护路由表的方法 距离向量算法 :RIP CGP 等 链路状态算法 :OSPF 等 链路层的任务 网络层的任务 两节点间可靠的数据传输 Ethernet, X.5, ATM, 沿两端点间的最佳路由传输数据 ( 主机间的逻辑通信 ) 9 Ethernet, X.5, ATM, 40 (transport layer) 任务 : 在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输, 使上层服务用户不必关心通信子网的实现细节 的特点 以上各层 : 面向应用, 本层及以下各层 : 面向传输 ; 只存在于端主机中 ; 实现源主机到目的主机 端到端 的连接 ; 功能 : 多路复用与分流 : 多个传输连接共用一条网络连接 ; 一条传输连接使用多个网络连接 ; 进行数据分段并在目的端重新组装 ; 传输连接的建立与释放 ; 提供 面向连接 和 无连接 两种服务 : TCP/IP 协议 :TCP 和 UDP 流量控制, 防止数据传输过载 4 4 7

8 两种服务的比较 网络层的任务 沿两端点间的最佳路由传输数据 ( 主机间的逻辑通信 ) Connection Oriented Connectionless 参考模式电话系统邮政系统 特点 可靠性 对目的地址的要求 适用场合 静态分配资源 ; 传输前需要建立连接 动态分配资源 提供可靠的传输服务 : 无 不能防止报文的损坏 失 错 按序 无丢失 / 无重复 序 丢失和重复 仅在连接阶段需要完整的目的地址 在一段时间内向同一目的地发送大量报文 ; 实时性要求 需要为每一个报文提供完整的目的地址 少量零星报文 的任务 Ethernet, X.5, ATM, 两端点间可靠的透明数据传输 ( 应用进程间的逻辑通信 ) 分类及示例. 可靠消息流 - 文件传输. 可靠字节流 - 远程登录. 不可靠连接 - 数字化声音. 数据报 - 广播 / 组播. 可靠的数据报 - 挂号邮件. 请求应答 - 数据库查询 4 通信子网 44 会话层 (Session layer) 负责数传之前的沟通, 目的是建立传输时所遵循的规则 : 如双工模式 传输参数等 表示层 (Presentation layer) 协调数据的表示形式 : 如内码转换 压缩解压 加密解密等 应用层 (application layer) 任务 : 为用户的应用进程提供网络通信服务 功能 : 提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求 ; 为用户提供服务, 唯一面向用户的层次 应用层协议的例子 : OSI: VTP MHS FTAM DS TCP/IP: Telnet SMTP FTP DS HTTP TCP/IP 体系结构 TCP/IP 不是一个单个的协议, 而是由数十个具有层次结构的协议组成的一个协议集 TCP 和 IP 是该协议集中的两个最重要的核心协议 TCP/IP 是 Internet 上的标准通信协议集 TCP/IP 以 请求注释 (RFC) 文档发布 : TCP [RFC 768], UDP [RFC79] IP [RFC 79] DS [RFC 04, 05], FTP [RFC 959, 65] 47 TCP/IP 体系结构分为 4 层 : 应用层 网际层 网络接口层 = 数据链路层 + 物理层 application transport internet network interface data link physical 注 : TCP/IP 体系结构有时也采用 5 层表示方法, 即用数据链路层和物理层代替网络接口层 48 8

9 TCP/IP 与 OSI/RM 的对应关系 OSI/RM 应用层表示层会话层网络层 TCP/IP 应用层网际层 TCP/IP 支持所有标准的物理层和数据链路层协议 TCP/IP 协议栈 应用层 HTTP, FTP, SMTP, DS, Telnet TCP, UDP 网络层 IP, ICMP, ARP, RARP PDU Message( 报文 ) Segment( 段 ) Packet( 分组 ) 数据链路层物理层 网络接口层 PPP, HDLC, FDDI, Ethernet, 80., 80.5 等等 网络接口 ( 数据链路层 + 物理层 ) PPP, Ethernet, Token ring, ATM Frame( 帧 ) Bit( 比特 ) OSI/RM 和 TCP/IP 相结合的 5 层结构 原理体系结构 : 应用层 网络层 数据链路层和物理层 TCP/IP 协议的封装过程 应用层 TCP 头 应用层数据应用层数据 网络层 IP 头 TCP 头应用层数据 链路层 帧头 IP 头 TCP 头应用层数据 帧尾 TCP/IP 的网际层 主要功能是把数据报通过最佳路径送到目的端 网际层的核心协议 IP, 提供了无连接的数据报传输服务 ( 不保证送达, 不保序 ) 其它重要协议 : ICMP(Internet Control Message Protocol): 主要用于传递控制消息 ; ARP(Address Resolution Protocol): 为已知的 IP 地址确定相应的 MAC 地址 ; RARP(Reverse Address Resolution Protocol): 为已知的 MAC 地址确定相应的 IP 地址 5 5 应用层 网际层 网络接口 网际层的四个主要协议 IP ICMP ARP RARP 网际层 TCP UDP 6 7 IP IP 分组中的协议域确定目的端的上层协议 5 TCP/IP 的 的主要功能 : 提供进程间可靠的传输服务 包括 TCP 和 UDP 两种传输协议 : TCP 是面向连接的传输协议 在数据传输之前建立连接 : 把报文分解为多个段进行传输, 在目的站再重新装配这些段, 必要时重新传输没有收到或错误的段 因此它是 可靠 的 UDP 是无连接的传输协议 在数据传输之前不建立连接 ; 对发送的段不进行校验和确认 因此它是 不可靠 的 应用层 网际层 网络接口 面向连接的 TCP 无连接的 UDP 54 9

10 应用层 F T P T e l n e t S M T P D S T F T P S M P TCP UDP port 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 ) 55 TCP/IP 的应用层 应用层协议为文件传输 电子邮件 远程登录 网络管理 Web 浏览等应用提供了支持 应用层 网际层 网络接口层 文件传输 FTP TFTP FS 电子邮件 SMTP POP WWW 应用 HTTP 远程登录 Telnet rlogin 网络管理 SMP 名字管理 DS 56.4 计算机网络的分类 按地域范围分类 局域网 (Local Area etwork, LA) 范围 : 小,<0KM 传输技术 : 基带,0-000Mbps, 延迟低, 出错率低 (0 - ) 拓扑结构 : 总线, 环 城域网 (Metropolitan Area etwork, MA) 范围 : 中等,<00KM 传输技术 : 宽带 / 基带 拓扑结构 : 总线 广域网 (Wide Area etwork, WA) 范围 : 大,>00KM 传输技术 : 宽带, 延迟大, 出错率高 按拓扑结构分类 星形 有一个中心节点, 其它节点与其构成点到点连接 树形 一个根结点 多个中间分支节点和叶子节点构成 星形拓扑 树形拓扑 拓扑结构 : 不规则, 点到点 按拓扑结构 ( 续 ) 总线 所有节点挂接到一条总线上, 广播式信道 需要有介质访问控制规程以防止冲突 环形 所有节点连接成一个闭合的环, 结点之间为点到点连接 总线形拓扑 环形拓扑 按拓扑结构分类 ( 续 ) 全连接 点到点全连接, 连接数随节点数的增长迅速增长 ((-)/), 使建造成本大大提高, 只适用于节点数很少的广域网中 不规则 ( 网状 ) 点到点部分连接, 多用于广域网, 由于连接的不完全性, 需要有交换节点 全连接拓扑 不规则拓扑

11 本章要点小结 网络体系结构 : 分层 + 协议 + 接口与服务 网络体系结构的层次模型 : 网络体系结构的一些基本概念 实体 协议 协议数据单元 封装 服务以及它们之间的关系 对等层通信的实质 : 信息是如何在端到端之间传输的? 协议的三要素 : 语义 语法 时序 网络体系结构主要层次的功能 : 应用层 网络层 数据链路层和物理层 6

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