第3章 计算机网络体系结构

第 3 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 本 章 内 容 计 算 机 的 网 络 体 系 结 构 网 络 参 考 模 型 五 层 网 络 参 考 模 型 1

3.1 计 算 机 网 络 体 系 结 构 发 展 历 程 分 层 原 理 基 本 概 念 2

发 展 历 程 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 等 不 同 种 类 的 设 备 主 机 路 由 器 交 换 机 复 用 设 备 等 不 同 的 操 作 系 统 UNIX Windows 等 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 等 不 同 种 类 业 务 分 时 交 互 实 时 等 宝 贵 的 投 资 和 积 累 有 形 无 形 等 用 户 业 务 的 延 续 性 不 允 许 出 现 大 的 跌 宕 起 伏 3

对 于 复 杂 的 网 络 系 统, 用 什 么 方 法 能 合 理 地 组 织 网 络 的 结 构, 以 达 到 : 结 构 清 晰 简 化 设 计 与 实 现 便 于 更 新 与 维 护 较 强 的 独 立 性 和 适 应 性 解 决 : 分 而 治 之! 一 个 生 活 中 的 例 子 : 空 中 旅 行 的 组 织 4

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 机 票 ( 投 诉 ) 行 李 ( 认 领 ) 旅 客 ( 到 达 ) 飞 机 ( 着 陆 ) 飞 行 航 线 飞 行 航 线 一 系 列 的 步 骤 5

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 机 票 ( 投 诉 ) 行 李 ( 认 领 ) 旅 客 ( 到 达 ) 飞 机 ( 着 陆 ) 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 6

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 7

起 飞 机 场 到 达 机 场 层 次 功 能 的 分 布 式 实 现 机 票 ( 购 买 ) 机 票 ( 投 诉 ) 行 李 ( 托 运 ) 行 李 ( 认 领 ) 旅 客 ( 出 发 ) 旅 客 ( 到 达 ) 飞 机 ( 起 飞 ) 飞 机 ( 着 陆 ) 中 间 空 中 交 通 枢 纽 飞 行 航 线 飞 行 航 线 飞 行 航 线 8

层 次 化 方 法 在 其 他 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 9

2. 分 层 原 理 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 ) 10

计 算 机 网 络 中, 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 最 早 的 网 络 体 系 结 构 源 于 IBM 的 SNA 其 他 的 网 络 体 系 结 构 还 有 DEC 的 DNA 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 11

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 12

3. 基 本 概 念 实 体 : 任 何 可 以 发 送 或 接 收 信 息 的 硬 件 / 软 件 进 程 协 议 : 通 信 双 方 在 通 信 中 必 须 遵 守 的 规 则 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 接 口 : 相 邻 两 层 之 间 交 互 的 界 面, 定 义 相 邻 两 层 之 间 的 操 作 及 下 层 对 上 层 的 服 务 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 13

实 体 系 统 A 对 等 层 系 统 B 服 务 对 等 实 体 接 口 物 理 网 络 14

网 络 分 层 体 系 结 构 系 统 A N+1 N N-1 3 2 1 Pn+1 Pn Pn-1 P3 P2 P1 物 理 通 信 线 路 系 统 B N+1 N N-1 3 2 1 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 15

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 ( 想 一 想, 为 什 么?) 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+1 层 是 第 n 层 的 服 务 用 户, 第 n-1 层 是 第 n 层 的 服 务 提 供 者 第 n 层 的 服 务 也 依 赖 于 第 n-1 层 以 及 以 下 各 层 的 服 务 例 : 邮 政 通 信 16

对 等 通 信 例 : 两 个 人 收 发 信 件 发 信 人 信 件 内 容 对 信 件 内 容 的 共 识 P3 信 件 内 容 收 信 人 邮 局 邮 件 地 址 对 信 件 如 何 传 递 的 共 识 P2 邮 件 地 址 邮 局 运 输 系 统 货 物 地 址 对 货 物 如 何 运 输 的 共 识 P1 货 物 地 址 运 输 系 统 公 路, 铁 路, 航 空 想 一 想 : 收 信 人 与 发 信 人 之 间 邮 局 之 间, 是 在 直 接 通 信 吗? 邮 局 运 输 系 统 各 向 谁 提 供 什 么 样 的 服 务? 邮 局 收 发 信 人 各 使 用 谁 提 供 的 什 么 服 务? 17

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 他 主 机 上 的 对 等 层 通 信 ; 实 际 通 信 在 最 底 层 完 成 18

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 N+1 N N-1 3 2 1 逻 辑 通 信 Pn+1 Pn Pn-1 P3 P2 P1 物 理 通 信 线 路 目 标 进 程 消 息 N+1 N N-1 3 2 1 19

体 系 结 构 各 层 中 实 现 的 主 要 功 能 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 重 装 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 用 多 个 高 层 的 对 等 层 通 信 会 话 复 用 一 条 低 层 连 接 建 立 连 接 和 释 放 连 接 20

通 信 协 议 人 际 交 流 的 协 议 : 人 类 之 间 我 有 一 个 问 题 现 在 几 点 了? 说 明 发 送 的 消 息 说 明 接 收 到 某 消 息 后 所 应 采 取 的 行 动 说 明 动 作 的 次 序 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 ) 21

人 相 互 交 流 的 协 议 和 通 信 协 议 之 间 的 对 比 Hi Hi What s the time? 2:00 请 求 连 接 连 接 确 认 传 送 文 件 :xxxxx.xxx < 文 件 > time 22

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(01H) 表 示 报 文 的 开 始,STX(02H) 表 示 报 文 正 文 的 开 始,ETX(03H) 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 : HDLC Flag Address Ctrl Data FCSS Flag 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 23

时 序 例 连 接 请 求 建 立 连 接 连 接 确 认 连 接 确 认 数 据 数 据 传 输 确 认 释 放 连 接 释 放 连 接 t 释 放 确 认 释 放 确 认 t 24

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 ) NetBEUI(Windows) IPX/SPX(NetWare Windows) 25

数 据 单 元 (n) 协 议 控 制 信 息 PCI(Protocol Control Information) : (n) 实 体 为 了 协 调 其 共 同 操 作 使 用 (n-1) 连 接 而 交 换 的 信 息 (n) 用 户 数 据 UD(User Data) : 以 (n+1) 实 体 的 名 义 在 (n) 实 体 之 间 传 送 的 数 据 (n) 协 议 数 据 单 元 PDU(Protocol Data Unit) : 由 (n) 协 议 控 制 信 息 和 可 能 的 (n) 用 户 数 据 组 成 (n) 接 口 控 制 信 息 ICI(Interface Control Information) : 在 (n+1) 实 体 和 (n) 实 体 之 间 为 协 调 其 共 同 操 作 而 传 送 的 信 息 (n) 接 口 数 据 ID(Interface Data) : 在 (n) 连 接 上, 为 了 传 送 给 一 个 通 信 (n+1) 实 体 而 从 (n+1) 实 体 递 交 给 (n) 实 体 的 信 息 或 在 (n) 连 接 上, 收 到 通 信 (n+1) 实 体 的 信 息 后 从 (n) 实 体 递 交 给 (n+1) 实 体 的 信 息 (n) 接 口 数 据 单 元 IDU(Interface Data Unit) : 在 (n+1) 实 体 和 (n) 实 体 之 间, 在 一 次 交 互 作 用 中 穿 过 服 务 访 问 点 传 输 的 信 息 单 元 (n) 服 务 数 据 单 元 SDU(Service Data Unit) : (n) 接 口 数 据 的 总 和 26

服 务 数 据 单 元 (n+1) (n+1)pdu (n+1) 实 体 (n+1)pdu (n) (n)sdu (n)pdu (n) 连 接 (n) 协 议 (n) 实 体 (n)sdu (n)pdu (n)ud (n)pci (n-1) (n-1)pdu (n-1) 连 接 (n-1)pdu 27

协 议 数 据 单 元 (PDU) 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) 传 输 层 及 以 下 各 层 的 PDU 另 外 还 有 各 自 特 定 的 名 称 : 传 输 层 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) 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 28

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 封 装 : 就 是 在 数 据 前 面 加 上 特 定 的 协 议 头 部 N+1 层 PDU 数 据 N 层 PDU 协 议 头 数 据 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 29

数 据 多 层 封 装 数 据 封 装 拆 封 段 头 数 据 段 分 组 头 段 头 数 据 分 组 帧 头 分 组 头 段 头 数 据 帧 尾 帧 30

例 :TCP/IP 协 议 的 封 装 过 程 应 用 层 应 用 层 数 据 传 输 层 TCP 头 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 31

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! 各 种 协 议 集 的 封 装 示 意 图 32

服 务 与 协 议 之 间 的 关 系 (n+1) (n+1) (n) 服 务 (n) (n) 协 议 (n) (n-1) (n-1) 33

两 种 服 务 面 向 连 接 服 务 在 数 据 交 换 之 前, 必 须 先 建 立 连 接, 当 数 据 交 换 结 束 后, 则 应 终 止 这 个 连 接 具 有 连 接 建 立 数 据 传 输 和 连 接 释 放 三 个 阶 段 无 连 接 服 务 是 指 两 个 实 体 在 数 据 传 输 时 动 态 地 进 行 分 配 通 信 时 所 需 的 资 源 34

两 种 服 务 的 比 较 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 分 类 及 示 例 静 态 分 配 资 源 ; 传 输 前 需 要 建 立 连 接 提 供 可 靠 的 传 输 服 务 : 无 错 按 序 无 丢 失 / 无 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 1. 可 靠 消 息 流 - 文 件 传 输 2. 可 靠 字 节 流 - 远 程 登 录 3. 不 可 靠 连 接 - 数 字 化 声 音 动 态 分 配 资 源 不 能 防 止 报 文 的 损 坏 失 序 丢 失 和 重 复 需 要 为 每 一 个 报 文 提 供 完 整 的 目 的 地 址 少 量 零 星 报 文 1. 数 据 报 - 广 播 / 组 播 2. 可 靠 的 数 据 报 - 挂 号 邮 件 3. 请 求 应 答 - 数 据 库 查 询 35

无 连 接 服 务 的 类 型 数 据 报 (datagram) 它 的 特 点 不 需 要 接 收 端 做 出 任 何 响 应, 因 而 是 一 种 不 可 靠 的 服 务 证 实 交 付 (confirmed delivery) 这 种 服 务 要 求 接 收 端 对 收 到 的 每 一 个 报 文 都 要 产 生 一 个 证 实 发 送 给 发 送 端, 该 证 实 只 能 保 证 报 文 已 经 发 送 到 远 端 的 目 的 地 了, 但 不 能 保 证 目 的 地 的 用 户 已 收 到 这 个 报 文 请 求 应 答 (request-reply) 这 种 类 型 的 数 据 报 要 求 接 收 端 用 户 每 收 到 一 个 报 文, 就 要 向 发 送 端 用 户 发 送 一 个 应 答 报 文 36

服 务 原 语 服 务 原 语 (Service Primitive) 专 供 用 户 和 其 他 实 体 访 问 服 务 服 务 原 语 只 是 对 服 务 进 行 概 念 性 的 功 能 描 述, 至 于 如 何 实 现 并 不 作 明 确 规 定 原 语 类 型 请 求 (Request) 含 义 (N+1) 实 体 请 求 (N) 实 体 提 供 服 务 指 示 (Indication) (N) 实 体 通 知 (N+1) 实 体 发 生 了 某 一 事 件 响 应 (Response) 证 实 (Confirm) (N+1) 实 体 对 (N) 实 体 指 示 的 响 应 (N) 实 体 向 (N+1) 实 体 确 认,(N+1) 实 体 请 求 的 服 务 已 完 成 37

一 个 面 向 连 接 例 子 中 使 用 的 原 语 CONNECT.request: 请 求 建 立 连 接 CONNECT.indication: 指 示 有 连 接 建 立 请 求 CONNECT.response: 被 呼 叫 方 用 来 表 示 接 收 / 拒 绝 建 立 连 接 的 请 求 CONNECT.confirm: 通 知 呼 叫 方 建 立 连 接 的 请 求 是 否 被 接 受 DATA.request: 请 求 发 送 数 据 DATA.indication: 表 示 数 据 已 到 达 DISCONNECT.request: 请 求 释 放 连 接 DISCONNECT.indication: 通 知 对 等 实 体 释 放 连 接 的 完 成 情 况 (N+1) (N) 1 4 5 6 7 计 算 机 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 时 间 (N+1) (N) 2 3 6 5 8 计 算 机 2 38

3.2 网 络 参 考 模 型 OSI/RM 参 考 模 型 TCP/IP 参 考 模 型 39

OSI/RM 参 考 模 型 7 6 5 4 3 2 1 应 用 层 Application 表 示 层 Presentation 会 话 层 Session 传 输 层 Transportation 网 络 层 Network 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 40

物 理 层 (Physical Layer) 功 能 : 在 物 理 媒 体 ( 介 质 ) 上 正 确 地 透 明 地 传 送 比 特 流 服 务 : 串 行 和 并 行 协 议 ( 标 准 ): 规 定 了 物 理 接 口 的 各 种 特 性 : 机 械 : 物 理 连 接 器 的 尺 寸 形 状 规 格 电 气 : 信 号 电 平, 信 号 的 脉 冲 宽 度 和 频 率, 数 据 传 送 速 率, 最 大 传 输 距 离 等 功 能 : 接 口 引 ( 线 ) 脚 的 功 能 和 作 用 规 程 : 信 号 时 序, 应 答 关 系, 操 作 过 程 例 :RS-232 RS-449 V.24 V.35 G.703/G.704 41

RS-232-C 外 形 为 25 针 或 9 针 的 D 形 连 接 器 通 信 速 率 (b/s): 100 300 600 1200 2400 4800 9600 19.2K 33.6K 56K 信 号 电 平 : 逻 辑 1 :-3V~-15V 逻 辑 0 :+3V~+15V 引 脚 定 义 : 42

43

信 号 时 序 ( 接 收 ) H:Host(DTE),M:Modem(DCE) 设 备 握 手 DTR:H M( 保 持, 表 示 H 已 可 以 工 作 ) DSR:H M( 保 持, 表 示 M 已 可 以 工 作 ) 监 视 载 波 信 号 DCD:H M 载 波 ( 表 示 数 据 链 已 建 立 ) 接 收 数 据 RD: H M 数 据 调 制 信 号 断 开 连 接 DCD 消 失 H 撤 除 DTR M 撤 除 DSR 44

信 号 时 序 ( 发 送 ) 设 备 握 手 DTR:H M( 保 持 ) DSR:H M( 保 持 ) 请 求 发 送 RTS:H M( 保 持 ),M 载 波, 在 对 方 产 生 DCD CTS:H M( 保 持 ) 发 送 数 据 TD:H M 数 据 调 制 信 号 断 开 连 接 H 撤 除 RTS/DTR M 撤 除 CTS/DSR, 停 止 发 送 载 波 45

DTE 和 DCE DTE (Data Terminal Equipment) 是 指 具 有 一 定 的 数 据 处 理 能 力 以 及 收 发 能 力 的 数 据 输 入 / 输 出 设 备 终 端 设 备 或 计 算 机 等 终 端 装 置 DCE(Data Communication Equipment) 是 指 自 动 呼 叫 应 答 设 备 交 换 机 以 及 其 他 一 些 中 间 装 置 的 集 合, 其 作 用 就 是 在 DTE 和 传 输 线 路 之 间 提 供 信 号 变 换 和 编 码 的 功 能, 并 且 负 责 建 立 保 持 和 释 放 数 据 链 路 连 接 46

数 据 链 路 层 (Data Link Layer) 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 PDU: 帧 (Frame) 功 能 : 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 物 理 寻 址 :MAC 地 址 / 物 理 地 址 定 界 与 同 步 : 产 生 / 识 别 帧 边 界 错 误 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 47

服 务 无 确 认 无 连 接 服 务 有 确 认 无 连 接 服 务 面 向 连 接 的 服 务 根 据 确 认 的 发 送 条 件, 将 确 认 机 制 分 为 三 种 方 式 : 正 向 确 认 双 向 确 认 负 向 确 认 48

协 议 : 面 向 字 符 的 : 数 据 以 字 符 为 单 位 传 输, 用 控 制 字 符 控 制 通 信 IBM 的 BSC 规 程 面 向 比 特 的 : 数 据 以 位 为 单 位 传 输, 用 帧 中 的 控 制 字 段 控 制 通 信 ISO 的 HDLC 规 程 共 享 信 道 问 题 (LAN or Wireless): 如 何 控 制 对 共 享 信 道 的 访 问? 将 数 据 链 路 层 划 分 为 逻 辑 链 路 控 制 (Logical Link Control, LLC) 和 介 质 访 问 控 制 (Media Access Control, MAC) 两 个 子 层, 由 MAC 子 层 解 决 共 享 介 质 访 问 控 制 问 题 LAN 使 用 的 两 种 主 要 介 质 访 问 控 制 方 法 : CSMA/CD(Carry Sense Multiple Access With Collision Detect) TOKEN PASSING 49

网 络 层 (Network Layer,Internet Layer) 寻 址 并 选 择 合 适 的 路 由, 把 数 据 报 从 源 端 传 送 到 目 的 端, 在 需 要 时 对 上 层 的 数 据 进 行 分 段 和 重 组 PDU: 数 据 报 (Datagram,IP- 分 组 Packet) 功 能 : 在 源 端 与 目 的 端 之 间 建 立 维 护 终 止 网 络 的 连 接 寻 址 路 由 选 择 和 分 组 中 转 分 段 与 组 合 : 大 数 据 块 分 段, 小 数 据 块 组 合 流 量 控 制 和 拥 塞 控 制 多 路 复 用 : 为 多 个 传 输 层 实 体 提 供 网 络 连 接 服 务 差 错 检 测 与 恢 复 流 量 统 计 和 记 账 IP 协 议 [RFC 791] 50

服 务 数 据 报 (Datagram) 服 务 网 络 层 从 运 输 层 接 受 报 文 ( 发 送 时 ) 并 拆 分 为 报 文 分 组, 把 每 一 个 分 组 作 为 一 个 独 立 的 信 息 单 位 传 送 特 征 : 不 需 建 立 连 接 每 个 数 据 报 都 附 有 网 络 地 址 要 求 路 由 选 择 数 据 报 不 能 保 证 按 序 到 达 目 的 地 对 故 障 的 适 应 性 强 易 于 平 衡 网 络 流 量 虚 电 路 (Virtual Circuit) 服 务 在 源 主 机 要 与 目 的 主 机 通 信 之 前, 应 先 建 立 一 条 网 络 连 接 特 征 : 要 求 先 建 立 连 接 全 网 地 址 路 由 选 择 按 序 到 达 可 靠 性 较 高 适 用 于 交 互 式 作 用 永 久 虚 电 路 呼 叫 虚 电 路 51

数 据 报 服 务 与 虚 电 路 服 务 项 目 虚 电 路 数 据 报 目 的 主 机 地 址 建 立 连 接 时 需 要 每 个 分 组 都 需 要 初 始 化 设 置 需 要 不 需 要 分 组 顺 序 由 通 信 子 网 负 责 保 证 通 信 子 网 不 负 责 差 错 控 制 由 通 信 子 网 负 责, 对 主 机 透 明 由 主 机 负 责 流 量 控 制 通 信 子 网 提 供 网 络 层 不 提 供 连 接 的 建 立 和 释 放 需 要 不 需 要 52

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 53

链 路 层 的 任 务 两 节 点 间 可 靠 的 数 据 传 输 Ethernet, X.25, ATM, 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 ) Ethernet, X.25, ATM, 54

传 输 层 (Transport Layer) 对 网 络 层 的 连 接 进 行 管 理, 在 源 端 与 目 的 端 之 间 提 供 可 靠 的 透 明 的 数 据 传 输, 使 上 层 服 务 用 户 不 必 关 心 通 信 子 网 的 实 现 细 节 传 输 层 的 特 点 以 上 各 层 : 面 向 应 用, 本 层 及 以 下 各 层 : 面 向 传 输 ; 与 网 络 层 的 部 分 服 务 有 重 叠 交 叉, 功 能 取 舍 取 决 于 网 络 层 功 能 的 强 弱 ; 只 存 在 于 端 主 机 中 ; 实 现 源 主 机 到 目 的 主 机 端 到 端 的 连 接 在 这 一 点 上 与 网 络 层 的 区 别 是 什 么? 网 络 层 : 为 主 机 之 间 提 供 逻 辑 传 输 传 输 层 : 为 应 用 进 程 之 间 提 供 逻 辑 传 输 55

功 能 : 地 址 映 射 : 源 端 进 程 地 址 映 射 到 网 络 地 址, 或 反 之 ; 多 路 复 用 与 分 割 : 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 传 输 差 错 校 验 与 恢 复 ; 流 量 控 制, 防 止 数 据 传 输 过 载 56

传 输 层 与 网 络 层 的 关 系 网 络 层 则 提 供 网 络 中 主 机 间 的 逻 辑 通 信 ; 而 传 输 层 提 供 主 机 中 的 进 程 间 的 逻 辑 通 信 二 者 之 间 的 差 别 : 微 妙 而 又 重 要 类 比 主 机 : 单 位 的 传 达 室 进 程 : 单 位 中 的 职 工 应 用 层 报 文 : 信 件 网 络 层 协 议 = 邮 局 的 投 递 服 务, 只 负 责 递 送 到 传 达 室 传 输 层 协 议 = 传 达 室 的 收 发 服 务, 负 责 递 送 到 每 个 职 工 57

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 ) Ethernet, X.25, ATM, 传 输 层 的 任 务 两 端 点 间 可 靠 的 透 明 数 据 传 输 ( 应 用 进 程 间 的 逻 辑 通 信 ) 通 信 子 网 58

会 话 层 (Session Layer ) 在 传 输 层 服 务 的 基 础 上 增 加 控 制 会 话 (Session) 的 机 制, 建 立 组 织 和 协 调 应 用 进 程 之 间 的 交 互 过 程 功 能 : 为 用 户 建 立 引 导 和 释 放 会 话 连 接 服 务 服 务 类 型 : 双 向 同 时 ( 双 工 ) 双 向 交 替 ( 半 双 工 ) 和 单 向 ( 单 工 ) 同 步 59

表 示 层 (Presentation Layer ) 定 义 用 户 或 应 用 程 序 之 间 交 换 数 据 的 格 式, 提 供 数 据 表 示 之 间 的 转 换 服 务, 保 证 传 输 的 信 息 到 达 目 的 端 后 意 义 不 变 功 能 : 对 源 站 内 部 的 数 据 结 构 编 码, 形 成 适 合 于 传 输 的 比 特 流 ( 符 合 传 输 语 法 ), 到 了 目 的 站 再 进 行 解 码, 转 换 成 目 的 站 用 户 所 要 求 的 格 式 ( 符 合 目 的 站 局 部 语 法 ), 保 持 传 输 数 据 的 意 义 不 变 服 务 : 不 同 类 型 计 算 机 中 内 部 格 式 的 转 换 密 码 转 换 和 文 本 压 缩 的 转 换 60

应 用 层 (Application Layer) 为 End-user 的 应 用 进 程 提 供 标 准 的 网 络 服 务 和 应 用 接 口 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 进 程 提 供 应 用 接 口 ; 识 别 并 证 实 目 的 通 信 方 的 可 用 性 ; 使 协 同 工 作 的 应 用 进 程 之 间 进 行 同 步 ; 为 通 信 过 程 申 请 资 源 应 用 层 协 议 的 例 子 : OSI: VTP MHS FTAM DS TCP/IP: Telnet SMTP FTP DNS HTTP 61

TCP/IP 参 考 模 型 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 标 准 以 请 求 注 释 (RFC) 文 档 发 布 : TCP [RFC 768], UDP [RFC793] IP [RFC 791] DNS [RFC 1034, 1035], FTP [RFC 959, 1635] 62

TCP/IP 的 体 系 结 构 层 次 TCP/IP 协 议 栈 应 用 层 HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet, 传 输 层 TCP, UDP 网 际 ( 网 络 ) 层 IP, ICMP, ARP, RARP 网 络 接 口 层 ( 数 据 链 路 层 + 物 理 层 ) PPP, Ethernet, Token ring, ATM PDU Message( 报 文 ) Segment( 段 ) Packet( 分 组 ) Frame( 帧 ) Bit( 比 特 ) 63

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 有 些 协 议 的 名 称 与 以 其 为 基 础 的 应 用 程 序 同 名 应 用 层 传 输 层 网 际 层 网 络 接 口 层 文 件 传 输 FTP TFTP NFS 电 子 邮 件 SMTP POP3 WWW 应 用 HTTP 远 程 登 录 Telnet rlogin 网 络 管 理 SNMP 名 字 管 理 DNS 64

TCP/IP 的 传 输 层 传 输 层 的 主 要 功 能 : 提 供 进 程 间 可 靠 的 传 输 服 务 传 输 层 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 ; 主 要 用 于 请 求 / 应 答 式 的 应 用 和 语 音 视 频 应 用 应 用 层 传 输 层 网 际 层 网 络 接 口 使 用 UDP TCP 时, 可 靠 性 问 题 由 在 应 传 用 输 层 协 已 议 经 解 决 面 向 连 接 的 TCP 无 连 接 的 UDP 65

应 用 层 F T P T e l n e t H T T P S M T P 21 23 80 25 53 69 161 D N S T F T P S N M P port 传 输 层 TCP UDP TCP 和 UDP 都 用 端 口 (port) 号 来 识 别 应 用 层 实 体, 以 便 准 确 地 把 信 息 提 交 给 上 层 对 应 的 协 议 ( 进 程 ) 66

TCP/IP 的 网 际 ( 网 络 ) 层 主 要 功 能 是 把 数 据 报 通 过 最 佳 路 径 送 到 目 的 端 寻 址 (IP 地 址 ) 路 由 选 择 封 包 / 拆 包 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 证 序, 不 保 证 无 错 ) 传 输 前 不 需 建 立 连 接 提 高 了 传 输 效 率 网 际 层 是 网 络 转 发 节 点 ( 如 路 由 器 ) 上 的 最 高 层 网 络 节 点 设 备 不 需 要 传 输 层 和 应 用 层 67

网 际 层 的 其 他 重 要 协 议 : ICMP(Internet Control Message Protocol) 传 递 控 制 消 息 可 达 性 测 试 传 送 路 由 状 态 信 息 超 时 通 知 不 可 达 通 知 封 装 在 IP 中 进 行 传 输 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 IGMP(Internet Group Management Protocol) 多 播 组 管 理 68

网 际 层 的 四 个 主 要 协 议 应 用 层 传 输 层 网 际 层 网 络 接 口 IP ICMP ARP RARP 传 输 层 网 际 层 TCP UDP 6 17 IP IP 分 组 中 的 协 议 域 确 定 目 的 端 的 上 层 协 议 69

TCP/IP 的 网 络 接 口 层 没 有 定 义 任 何 实 际 协 议, 仅 定 义 了 网 络 接 口 任 何 已 有 的 数 据 链 路 层 协 议 和 物 理 层 协 议 都 可 以 用 来 支 持 TCP/IP 典 型 的 例 子 : Ethernet Token Ring HDHL X.25 ATM 优 点 : 适 应 性 强 灵 活 缺 点 : 不 能 利 用 已 存 在 的 某 些 有 用 的 功 能 TCP/IP 总 是 认 为 其 下 层 是 不 可 靠 的 ( 尽 管 可 能 已 经 足 够 可 靠 ) 70

TCP/IP 与 OSI/RM 的 对 应 关 系 OSI/RM TCP/IP 7 应 用 层 6 5 4 表 示 层 会 话 层 传 输 层 应 用 层 传 输 层 TCP/IP 支 持 所 有 标 准 的 物 理 层 和 数 据 链 路 层 协 议 3 网 络 层 网 际 层 2 1 数 据 链 路 层 物 理 层 网 络 接 口 层 PPP, HDLC, FDDI, Ethernet, 802.3, 802.5 等 等 OSI/RM 和 TCP/IP 相 结 合 的 5 层 结 构 原 理 体 系 结 构 : 应 用 层 传 输 层 网 络 层 数 据 链 路 层 和 物 理 层 71

OSI 与 TCP/IP 参 考 模 型 比 较 相 同 点 以 协 议 栈 为 基 础 传 输 层 之 上 的 各 层 都 是 传 输 服 务 的 用 户, 并 且 都 是 面 向 应 用 的 用 户 不 同 点 OSI 模 型 在 前, 协 议 在 后, 使 得 协 议 相 对 更 加 容 易 被 替 换 为 新 的 协 议 ;TCP/IP 模 型 在 后, 协 议 在 前, 模 型 不 适 合 其 他 协 议 栈 OSI 模 型 的 网 络 层 同 时 支 持 无 连 接 和 面 向 连 接 的 通 信, 但 是 传 输 层 上 只 支 持 面 向 连 接 的 通 信 ;TCP/IP 模 型 的 网 际 层 上 只 有 一 种 模 式 ( 即 无 连 接 通 信 ), 但 是 在 传 输 层 上 同 时 支 持 两 种 通 信 模 式 72

3.3 五 层 参 考 模 型 OSI 与 TCP/IP 参 考 模 型 网 络 的 评 价 OSI 参 考 模 型 与 协 议 缺 乏 市 场 与 商 业 动 力, 结 构 复 杂, 实 现 周 期 长, 运 行 效 率 低, 这 是 它 没 有 能 够 达 到 预 想 的 目 标 的 重 要 原 因 TCP/IP 参 考 模 型 在 服 务 接 口 与 协 议 的 概 念 区 别 上 不 是 很 清 楚 ;TCP/IP 参 考 模 型 不 通 用 ;TCP/IP 参 考 模 型 的 网 络 接 口 层 并 不 是 常 规 意 义 上 的 层 次 概 念 ;TCP/IP 参 考 模 型 没 有 区 分 物 理 层 和 数 据 链 路 层 五 层 网 络 参 考 模 型 OSI/RM 高 层 (5~7) 传 输 层 (4) 网 络 层 (3) 数 据 链 路 层 (2) 物 理 层 (1) TCP/IP 应 用 层 传 输 层 网 际 层 网 络 接 口 层 5 层 体 系 结 构 应 用 层 传 输 层 网 络 层 数 据 链 路 层 物 理 层 73

作 业 :P89 1,4,5,7,10,12,14 74