1、第二讲第二讲 协议与体系结构协议与体系结构计算机网络协议与分层计算机网络协议与分层 计算机网络的原理体系结构计算机网络的原理体系结构TCP/IPTCP/IP的体系结构的体系结构OSIOSI的体系结构的体系结构 协议与分层的必要性协议与分层的必要性 通信协议代表着标准化，规定了计算机通信协议代表着标准化，规定了计算机信息交换中消息格式和意义的协定，是信息交换中消息格式和意义的协定，是通信双方都必须遵循的一系列规则。通信双方都必须遵循的一系列规则。为了为了简化网络设计的复杂性，通信为了为了简化网络设计的复杂性，通信协议采用分层的结构，各层协议之间既协议采用分层的结构，各层协议之间既相互独立又相互高
2、效地协调工作。相互独立又相互高效地协调工作。网络体系结构的基本概念 1 体系结构的概念 体系结构包括三类相关的结构，即物理结构、逻辑结构和软件结构 物理结构：完成一定功能的物理部件。如IC、计算机部件、计算机或由计算机组成的系统 逻辑结构：完成信息处理的基本操作。如计算机OS、终端模块、通信程序模块等 软件结构：由数据处理、进程访问、硬件故障诊断、数据发送、通道控制等相关的程序组成 体系结构实例：IBM的SNA(Systems Network Architecture)，DEC的DNA(Digital Network Architecture)，美国国防部的TCP/IP网络结构等 不同体系结构
3、的计算机系统互不兼容，难以互连。因此，ISO于1977年系统互连标准的建议，即著名的“开放系统互连参考模型”网络体系结构的基本概念 2 网络协议的概念 协议是用来描述进程之间信息交换过程的术语，是通信双方为了实现通信所进行的约定或对话规则 协议由语义、语法和定时三部分组成 语义：规定通信双方彼此“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信号，执行的动作和返回的应答 语法：规定通信双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式，如数据和控制信息的格式 定时关系：规定事件执行的顺序，即确定通信过程中通信状态的变化图图1-4 多层通信示例：中德教师之多层通信示例：中德教师之间的讨论间的
4、讨论中国教师德国教师翻译翻译秘书秘书消息“你 好”“HALLO”“HELLO”“HELLO”传真传真 2/3接口 1/2接口 2/3接口 1/2接口P3P1P2对交谈内容的共识用英语对话使用 传真通信采用层次体系结构的优点 各层之间是独立的。不管下层如何实现，只关心接口提供的服务，各层功能相对独立，复杂度降低 灵活性好。适应技术变化 结构上可分割开。各层可采用最佳技术实现 易于实现和维护。功能分解 能促进标准化工作。各层功能和服务进行了精确的说明 本课堂采用的模型本课堂采用的模型 分层软件的工作原理分层软件的工作原理 整套通信协议的实现称为整套通信协议的实现称为栈栈。数据从。数据从发送方向下通
5、过协议栈的每一层，又从发送方向下通过协议栈的每一层，又从接收方向上通过协议栈的每一层。每一接收方向上通过协议栈的每一层。每一层在把数据传送到低一层之前在数据前层在把数据传送到低一层之前在数据前面附加一些控制信息，称为面附加一些控制信息，称为协议头部协议头部，接收方收到数据之后先分析相应头部的接收方收到数据之后先分析相应头部的信息，然后卸掉头部提交上一层。信息，然后卸掉头部提交上一层。图示图示 对等实体之间的通信都是遵守同层协对等实体之间的通信都是遵守同层协议进行的，只存在一层是物理通信，其议进行的，只存在一层是物理通信，其余各层之间的通信都是虚拟通信。余各层之间的通信都是虚拟通信。层间通信即相
6、邻层实体之间进行的通信层间通信即相邻层实体之间进行的通信是遵循层间协议（接口）进行的。是遵循层间协议（接口）进行的。分层原理：在目标计算机上的第分层原理：在目标计算机上的第N N层软件层软件必须恰好接收由在发送计算机上的第必须恰好接收由在发送计算机上的第N N层层软件所发送的数据。软件所发送的数据。网络体系结构的几个基本概念：协议协议：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定。实体实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程，每一层中的活跃元素。对等实体对等实体：位于不同系统内同一层次的两个实体。协议作用在对等实体之间。接口接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的原语操作
7、及上层对下层的服务。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。网络体系结构网络体系结构：计算机网络的层次及其协议的集合，是对网络及其组成部分的功能的精确定义。协议栈协议栈：某一系统内的各层协议集。多层通信的实质：多层通信的实质：对等层实体之间虚拟通信对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务下层向上层提供服务 实际通信在最底层完成实际通信在最底层完成 n+1/n 接口N+1NN-1321N+1NN-1321P1P2P3PN-1PNPN+1消息Pn n层对等 实体 间的协议系统A系统Bn层服务系统A到系统 B 的一个消息的传送 图图1-5 多层通信的实质多层通信的实质54
8、321MMH4M1H4H3M2H3M1H4H3H2T2M2H3H2T2MMH4M1H4H3M2H3M1H4H3H2T2M2H3H2T2P5P4P3P2P1源 主机目的 主机图图1-6 通信过程中的数据流变化示例通信过程中的数据流变化示例与接口和服务相关的名词：服务提供者和服务用户：服务提供者和服务用户：N层向N+1层提供服务，N层实体称为服务提供者；N+1层实体为服务用户 服务访问点（服务访问点（SAP）：）：接口上相邻两层实体交换信息之处 接口数据单元（接口数据单元（IDU）：）：相邻两层实体之间交换的信息单元 接口控制信息（接口控制信息（ICI）：）：相邻两层实体之间交换信息时的 控制信息
9、 服务数据单元（服务数据单元（SDU）：）：来自上一层，需要在本层与对等实体交换的信息 协议数据单元（协议数据单元（PDU）：）：对等实体之间交换的信息单元 协议控制信息（协议控制信息（PCI）：）：对等实体之间交换信息时的控制信息(N+1)PCI(N+1)SDU(N+1)SDU(N+1)PCI(N+1)/N-ICI(N+1)SDU(N+1)PCI(N+1)/N-ICI(N+1)/N-ICI(N)PCI(N+1)SDU(N+1)SDU(N+1)PCI(N+1)层(N)层(N+1)/N接口(N+1)PDU(N+1)/N-IDU(N)PDU图图1-7 相邻两层接口上的数据交换相邻两层接口上的数据交
10、换面向连接服务与无连接服务面向连接服务与无连接服务面向连接无连接参考模式 电话系统邮政系统特点数据交换之前，首先要建立连接，预先申请资源；使用连接来交换数据；数据交换结束后，终止连接，释放资源动态分配资源（仅在数据传输时占用资源）不需要通信双方同时活跃可靠性提供可靠的报文序列服务不能防止报文的丢失、重复或失序目的地址要求建立连接阶段，需要完整的目的地址；数据交换阶段，仅需要连接标识必须提供完整的目的地址适用情况 适用于一定时期内向同一目的地发送大量报文的情形适合传送少量零星报文分类极其示例 可靠消息流 e.g.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 e.g.广播/组播
11、可靠的数据报 挂号信 请求应答 数据库查询服务原语：服务原语：服务用户（N+1实体）与服务提供者（N实体）之间进行交互时，所交换的必要信息，用以通知服务用户采取某种行动，或向服务用户报告其服务提供者的对等实体以 采取的行动。Request 请求 源（N+1）实体 源（N）实体Indication 指示目的（N）实体 目的（N+1）实体Response 响应目的（N+1）实体 目的（N）实体Confirm 证实源（N）实体 源（N+1）实体四种服务原语：A系统服务用户（N+1）服务提供者（N）B系统服务用户（N+1）服务提供者（N）ResponseConfirmRequestRequestInd
12、icationIndication需证实无需证实 图图1-8 服务原语之间的关系服务原语之间的关系一个简单的面向连接服务示例一个简单的面向连接服务示例 连 接 请 求（C O N N E C T.r e q u e s t）：主 叫 方 服 务 用 户 请 求 建 立 连 接 连 接 指 示（C O N N E C T.i n d i c a t i o n）：被 叫 方 服 务 提 供 者 向 其 服 务 用 户 报告 有 连 接 建 立 请 求 连 接 响 应（C O N N E C T.r e s p o n s e）：被 叫 方 服 务 用 户 表 示 接 受 连 接 请 求 连 接
13、证 实（C O N N E C T.c o n f i r m）：主 叫 方 服 务 提 供 者 通 知 其 服 务 用 户 连 接 已 建 立 数 据 请 求（D A T A.r e q u e s t）：服 务 用 户 请 求 其 服 务 提 供 者 把 数 据 传 送 给 对 方 数 据 指 示（D A T A.i n d i c a t i o n）：服 务 提 供 者 向 其 服 务 用 户 报 告 有 数 据 到 达 断 连 指 示（D I S C O N N E C T.r e q u e s t）：服 务 用 户 请 求 释 放 连 接 断 连 指 示（D I S C O N
14、N E C T.i n d i c a t i o n）：服 务 提 供 者 通 知 服 务 用 户 对 方 已 释 放 连 接电话系统工作示例电话系统工作示例例 如：张 三 打 电 话 请 李 四 吃 饭，服 务 提 供 者 为 电 话 局C O N N E C T.r e q u e s t 张 三 拨 李 四 的 电 话 号 码C O N N E C T.i n d i c a t i o n 李 四 的 电 话 振 铃C O N N E C T.r e s p o n s e 李 四 摘 机 C O N N E C T.c o n f i r m 张 三 听 到 振 铃 停 止，知 道
15、 有 人 应 答D A T A.r e q u e s t 张 三 说 话，发 出 邀 请 D A T A.i n d i c a t i o n 李 四 听 到 张 三 的 邀 请 D A T A.r e q u e s t 李 四 说 话，接 受 邀 请 D A T A.i n d i c a t i o n 张 三 听 到 李 四 的 答 复D I S C O N N E C T.r e q u e s t 李 四 挂 机 D I S C O N N E C T.i n d i c a t i o n 张 三 听 到 李 四 挂 机，也 挂 机。应用层传输层互联网层应用层表示层会话层传输
16、层网络层数据链路层物理层应用层传输层网络层数据链路层物理层主机与网络接口OSI/RMTCP/IP 模型混合模型图图1-11 三个参考模型三个参考模型控制面用户面层管理面管理高层高层ATM适配层ATM层物理层 图图1-12 B-ISDN参考模型参考模型（1）立体参考模型）立体参考模型（2）三个平面：）三个平面：用户面：传送用户信息用户面：传送用户信息 控制面：连接管理（传送信令信息）控制面：连接管理（传送信令信息）管理面：资源管理、层间协调管理面：资源管理、层间协调（3）三个层次）三个层次 物理层：物理层：分两个子层 物理媒体子层（PMD）：在物理媒体上发送/接收位流 传输会聚子层（TC）：信元
17、流与位流的转换 ATM层：层：信元的复用与交换功能 ATM适配层（适配层（AAL）：）：分两个子层 分段重装子层（SAR）：用户数据信元中的净荷 会聚子层（CS）：为高层提供标准接口，屏蔽ATM层 高层：高层：未作定义 TCP/IPTCP/IP的四层模型的四层模型 ISO/OSI参考模型 ISO/OSI七层协议应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层接收信息的进程发送信息的进程图2-1 七层参考模型数据流的物理传输层间的逻辑通信每一层执行功能并将信息送往下一层每一层执行功能并将信息送往上一层 ISO/OSI参考模型 ISO/OSI七层协议层次功能7.
18、应用层 提供电子邮件、文件传输等用户服务6.表示层 转换数据格式，数据加密和解密5.会话层 通信同步，错误恢复和事务操作4.传输层 网络决策，实现分组和重新组装3.网络层 路由选择，计费信息管理2.链路层 错误检测和校正，组帧1.物理层 数据的物理传输表2-1 OSI 各层功能 OSIOSI七层参考模型七层参考模型应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层通信通信子网子网面向通信面向通信面向面向服务服务面向应用面向应用应用程序：应用程序：FTP、E-mail、Telnet数据结构表示、数据转换、加密、压缩数据结构表示、数据转换、加密、压缩进程管理、双工
19、、半双工、单工、断点续发进程管理、双工、半双工、单工、断点续发将数据传给正确的应用程序，提供可靠的数据传输将数据传给正确的应用程序，提供可靠的数据传输将包传给正确的主机，数据分组、路由选择将包传给正确的主机，数据分组、路由选择 将数据组成帧，差错控制、流量控制、媒体访问控制将数据组成帧，差错控制、流量控制、媒体访问控制规定物理信号、接口、信号形式、速率规定物理信号、接口、信号形式、速率应用层表示层会话层传输层A主机7123465接口应用层表示层会话层物理层网络层传输层数据链路层B主机物理层网络层物理层网络层物理层网络层数据链路层数据链路层数据链路层内部子网议协传输 层协议会话 层协议表示 层协
20、议应用 层协议信 息单位APDUPPDUSPDUTPDU位帧分组P3P2P1P3 网络层主机与路由器间协议 P2 数据链路层主机与路由器间协议 P1 物理层主机与路由器间协议路由器路由器P3P2P1图图1-9 OSI参考模型参考模型各层功能各层功能应应 用用 层层与与 用用 户户 应应 用用 进进 程程 的的 接接 口口“做 什 么”表表 示示 层层数数 据据 格格 式式 的的 转转 换换“对 方 看 起 来 象 什 么”会会 话话 层层会会 话话 管管 理理 与与 数数 据据 传传 输输 同同 步步“该 谁 讲 话”“从 哪 儿 讲 起”传传 输输 层层端端 到到 端端 可可 靠靠 的的 数
21、数 据据 传传 输输“对 方 在 哪 儿”网网 络络 层层分分组组传传 送送，路路由由选选择择，流流量量控控 制制“走 哪 条 路 可 以 到 达 对 方”数数 据据 链链 路路 层层相相 邻邻 结结 点点 间间 无无 差差 错错 地地 传传 送送 帧帧“每 一 步 该 怎 么 走”物物 理理 层层在在 物物 理理 媒媒 体体 上上 透透 明明 传传 输输 位位 流流“怎 样 利 用 物 理 媒 体”OSIOSI七层模型与七层模型与TCP/IPTCP/IP四层模型的比较四层模型的比较 OSIOSI引入了服务、接口、协议、分层的概念引入了服务、接口、协议、分层的概念OSIOSI先有模型，后有协议，先有模型，后有协议，TCP/IPTCP/IP则相反则相反 OSIOSI先有标准后实践，先有标准后实践，TCP/IPTCP/IP则相反则相反OSI OSI 花了很长时间的标准化，而同时花了很长时间的标准化，而同时TCP/IPTCP/IP已已经被广泛使用经被广泛使用 OSI OSI 太复杂，太复杂，TCP/IPTCP/IP简单却并不全面简单却并不全面要替代要替代TCP/IPTCP/IP很难很难
