計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容 1.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成

1.2劃分層次的重要性

1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)功能的分層

1.2.2協(xié)議和協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)

1.2.3計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1.3典型計算機網(wǎng)絡(luò)參考模型

1.3.1OSI參考模型

1.3.2TCP/IP參考模型

協(xié)議的組成：1.語法（syntax)：以二進制形式表示的命令和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)2.語義（semantics)：由發(fā)出的命令請求，完成的動作和回送的響應(yīng)組成的集合3.定時關(guān)系（timing)：有關(guān)事件順序的說明(同步）二、協(xié)議的分層和層間結(jié)構(gòu)協(xié)議的分層原則(layeringprinciple)：

1.LayerNsoftwareonthedestinationcomputermustreceiveexactlythemessagesentbylayerNsoftwareonthesendingcomputer. Mathematically,ifthesenderappliesatransformationT,thereceivermustapplytheinverseT-1.2.協(xié)議分層要保證整個通信系統(tǒng)功能完備、高效。

每一相鄰層之間有一個接口（Interface），它定義了下層向上層提供的原語操作和服務(wù)。

計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是從功能的角度描述計算機網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)：對計算機網(wǎng)絡(luò)及其部件所完成功能的比較精確的定義。即從功能的角度描述計算機網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。是層次和協(xié)議的集合。 注意:僅僅定義了網(wǎng)絡(luò)及其部件通過協(xié)議應(yīng)完成的功能；不定義協(xié)議的實現(xiàn)細節(jié)和各層協(xié)議之間的接口關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)功能的分層 協(xié)議的分層 體系結(jié)構(gòu)的分層協(xié)議分層易于協(xié)議的設(shè)計、分析、實現(xiàn)和測試。1.3.3 計算機網(wǎng)絡(luò)功能的分層計算機網(wǎng)絡(luò)的基本功能：是為地理位置不同的計算機用戶之間提供訪問通路。下述功能是必須提供的：1.連接源結(jié)點和目的結(jié)點的物理傳輸線路，可以經(jīng)過中間結(jié)點；2.每條線路兩端的結(jié)點利用波形進行二進制通信；3.無差錯的信息傳送4.多個用戶共享一條物理線路5.按照地址信息，進行路由選擇6.信息緩沖和流量控制7.會話控制8.滿足各種用戶的訪問要求對于第N層協(xié)議來說，它有如下特性：

1.不知道上、下層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

2.獨立完成某種功能；

3.為上層提供服務(wù)；

4.使用下層提供的服務(wù)。

計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)一、基本術(shù)語與分層結(jié)構(gòu) 接口：定義了下層向上層提供的原語操作和服務(wù)。 協(xié)議：計算機網(wǎng)絡(luò)同等層次中，通信雙方進行信息交換時必須遵守的規(guī)則。 服務(wù)：層間交換信息時必須遵守的規(guī)則。 服務(wù)和協(xié)議的關(guān)系 服務(wù)提供者，服務(wù)用戶

Fig.1-9

計算機網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成：兩級結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò) 資源子網(wǎng)(或用戶子網(wǎng))，通信子網(wǎng) 資源子網(wǎng)

組成：服務(wù)器，客戶計算機通信子網(wǎng)一、基本組成：通信線路(或稱通道)

網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備(路由器、交換機、HUB等)二、基本結(jié)構(gòu)：

1.點到點通道 基本特點：一條線路連接二臺網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

一般情況下，二臺計算機的連接要經(jīng)過多臺網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備 一般情況下，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式進行信息傳輸 典型拓撲結(jié)構(gòu)： (Fig.1-6) star,ring(loop),tree,complete,intersectingrings(loops),irregular

關(guān)鍵技術(shù)：路由選擇(Routing)

2.廣播通道 基本特點：多臺計算機共享一條通信線路；

任一臺計算機發(fā)出的信息可以直接被其它計算機接收

典型拓撲結(jié)構(gòu)： (Fig.1-3)

bus,ring關(guān)鍵技術(shù)：通道分配靜態(tài)分配：分時間片特點：控制簡單，通道利用率低

動態(tài)分配：各站點動態(tài)使用通道特點：控制復(fù)雜，通道利用率高

通道分配方法：

集中式：只有一個仲裁機構(gòu)

分布式：各站點均有仲裁機構(gòu)三、網(wǎng)絡(luò)分類： 從地域范圍角度：

1.局域網(wǎng)絡(luò)(LocalAreaNetworks)

主要采用廣播通道技術(shù)

2.城域網(wǎng)絡(luò)(MetropolitanAreaNetworks) 3.廣域網(wǎng)絡(luò)(WideAreaNetworks)

主要采用點到點通道技術(shù) 從采用技術(shù)角度：

1.無線網(wǎng)絡(luò)(WirelessNetworks)

優(yōu)點：方便、靈活 缺點：速率低（1-2Mbps），誤碼率高，易受干擾

antennas,cellulartelephone,CDPD(CellularDigitalPacketData) 2.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) 3.ATM網(wǎng)絡(luò)

….

上述功能有三個顯著特點：

1.上述功能必須同時滿足一對用戶；

2.用戶之間的通信功能是相互的；

3.這些功能分散在各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和用戶設(shè)備中。 一般人們采用“層次結(jié)構(gòu)”的方法來描述計算機網(wǎng)絡(luò)，即：

計算機網(wǎng)絡(luò)中提供的功能是分成層次的。2.2.2 協(xié)議和協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)一、協(xié)議的定義和組成層次結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)功能中，最重要的功能是通信功能；這種通信功能主要涉及同一層次中通信雙方的相互作用；位于不同計算機上進行對話的第N層通信各方可分別看成是一種進程，也稱為對等（同等）進程。

協(xié)議(Protocol)：計算機網(wǎng)絡(luò)同等層次中，通信雙方進行信息交換時必須遵守的規(guī)則。1.3 典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型(1)1.3.1 計算機網(wǎng)絡(luò)的標準化一、電信標準

1865年成立國際電信聯(lián)盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）

1947年ITU成為聯(lián)合國的一個組織，由三部分組成：

ITU-R：無線通信

ITU-T：電信標準，1956-1993年稱為CCITT，下設(shè)許多研究組SG，研究組下設(shè)專題，例如：Q42/SGVII專門研究OSI參考模型。

ITU-D：開發(fā)二、國際標準

1946年成立的國際標準化組織ISO負責(zé)制定各種國際標準，ISO有89個成員國家，85個其他成員。

ISO有200多個技術(shù)委員會TC，每個技術(shù)委員會下設(shè)若干分委員會SC，每個分委員會由由若干工作組WG組成。1.3 典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型(2)

例如：TC97-計算機和信息處理

TC97/SC21/WG1-OSI體系結(jié)構(gòu)、概念性方案和形式描述 一個國際標準的形成：

CD(CommitteeDraft)-DIS(DraftInternationalStandard)-IS(InternationalStandard)

其它標準化組織：

ANSI：美國國家標準研究所，ISO的美國代表

NIST：美國國家標準和技術(shù)研究所，美國商業(yè)部的標準化機構(gòu)

IEEE：發(fā)表行業(yè)標準。例如IEEE802，后成為ISO8802。

ATMForum：ATM論壇

OIF（OpticalInternetworkingForum） 值得注意的是，ITU-T和ISO之間有很好的合作和協(xié)調(diào)。1.3 典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型(3)三、Internet標準

Internet的標準特點，是自發(fā)而非政府干預(yù)的，稱為RFC（RequestForComments)。

1969年ARPANET時就開始發(fā)布RFC，至今已超過3000個。

1983年成立IAB（InternetActivitiesBoard）

1989年在IAB下又成立了IRTF和IETF，IETF的各工作組負責(zé)組織提出相應(yīng)的RFC建議。1.3 典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型(4)1.3.2 OSI(OpenSystemInterconnection)參考模型

1983年ISO的OSI模型正式成為國際標準。Fig.1-16,Fig.1-171. 物理層（ThePhysicalLayer）

在物理線路上傳輸原始的二進制數(shù)據(jù)位（基本網(wǎng)絡(luò)硬件）。2. 數(shù)據(jù)鏈路層（TheDataLinkLayer）

在有差錯的物理線路上提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸（Frame）。3. 網(wǎng)絡(luò)層（TheNetworkLayer）

控制通信子網(wǎng)提供源點到目的點的數(shù)據(jù)傳送（Packet）。4. 運輸層（TheTransportLayer）

為用戶提供端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。5. 會話層（TheSessionLayer）

為用戶提供會話控制服務(wù)（安全認證）。tokenmanagementandsynchronization(insertcheckpointsintothedatastream)6. 表示層（ThePresentationLayer）

為用戶提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和表示服務(wù)。7. 應(yīng)用層（TheApplicationLayer）1.3 典型計算機網(wǎng)絡(luò)的參考模型(5)1.3.3 TCP/IP參考模型 (Fig.1-18)

以TCP/IP協(xié)議為核心的Internet網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。1. 物理層：在物理線路上傳輸原始的二進制數(shù)據(jù)位。2. 數(shù)據(jù)鏈路層：在有差錯的物理線路上提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。* TCP/IP參考模型把第1層和第2層合起來稱為：Host-to-Network3. Internet層（網(wǎng)絡(luò)層）：控制通信子網(wǎng)提供源點到目的點的IP包傳送。4. 運輸層：提供端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。TCP和UDP5. 應(yīng)用層：提供各種Internet管理和應(yīng)用服務(wù)功能。

Fig.1-19 Fig.1-21 TCP/IP與OSI的比較OSI的歷史經(jīng)驗和教訓(xùn)OSI是80年代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的主流OSI網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的核心和貢獻：分層模型服務(wù)、接口、協(xié)議AndrewS.Tanenbaum在“ComputerNetworks”第三版中評價OSI：Badtiming（toolate）Badtechnology（boththemodelandtheprotocolareflawed）Badimplementations（huge，unwieldy，andslow）Badpolitics（governmentandorganizationsbureaucrats）Internet的標準化特點IAB（InternetArchitectureBoard）IRTF（InternetResearchTaskForce）IETF（InternetEngineeringTaskForce）InternetSocietyRFC（RequestForComments）1969年產(chǎn)生RFC0001，1997.1.3產(chǎn)生RFC2069，2000.9產(chǎn)生RFC2921Internet標準化名言（DavidClarkofMIT）： “Werejectkings,presidents,andvoting；webelieveinroughconsensusandrunningcode”結(jié)論：Internet與ITU-T和ISO的標準化過程完全不同2.4 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（2）2.4.2 ARPANET產(chǎn)生背景：60年代中期，冷戰(zhàn)高峰，DoD想建設(shè)一個核戰(zhàn)爭情況下的網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)絡(luò)太脆弱，不滿足要求。ARPA（AdvancedResearchProjectsAgency）負責(zé)研制，采用分組交換，subnet和hostcomputer兩極結(jié)構(gòu)。由稱為IMP（InterfaceMessageProcessors）的小型計算機和線路組成；存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式1968年12月，BBN公司負責(zé)建網(wǎng)，采用改進的HoneywellDDP-316小型機作為IMP，IMP間用56Kbps租用電話線連接。軟件分為兩部分：subnet和host， Figure1-241969年12月，建成四個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展迅速 Figure1-252.4 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（3）網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展暴露出協(xié)議軟件的不足，1974年，TCP/IP模型和協(xié)議誕生。TCP/IP協(xié)議軟件被集成進BerkeleyUNIX中，并開發(fā)出socket接口。TCP/IP便于LAN接入ARPANET1983年，ARPA將ARPANET交給DCA（DefenseCommunica-tionsAgency），DCA將軍用部分分離出來，構(gòu)成MILNET。80年代，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大，出現(xiàn)DNS（DomainNamingSystem）1990年，ARPANET停止運行，MILNET仍在工作。2.4 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（4）2.4.3 NSFNET二十世紀七十年代末，大學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)進行研究的需要促使NSF（U.S.NationalScienceFoundation）建立一個虛擬網(wǎng)絡(luò)CSNET。1984年，NSF開始設(shè)計一個高速網(wǎng)絡(luò)，對所有大學(xué)和研究機構(gòu)開放。NSF建立了一個骨干網(wǎng)，把六個超級計算機中心連接起來。56Kbps租用線路，軟件使用TCP/IP技術(shù)，成為第一個TCP/IP廣域網(wǎng)。1990年，MERIT、MCI和IBM公司成立一個非贏利機構(gòu)ANS（AdvancedNetworksandServices）管理NSFNET，把骨干網(wǎng)帶寬從1.5Mbps升級為45Mbps（ANSNET）。1991年，NREN（NationalResearchandEducationalnetwork）啟動，研究NSFNET的下一代，目標是達到G比特。1995年，ANSNET賣給AmericaOnline。單一骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)被商業(yè)驅(qū)動的、競爭的多骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)替代。2.4 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（5）2.4.4 X.25分組交換網(wǎng)

70年代，CCITT推出X.25標準，為公用包交換網(wǎng)和用戶之間提供接口。

X.25面向連接，支持交換虛電路和永久虛電路。

X.21（物理層協(xié)議） X.3/X.28/X.29 DTE:DigitalTerminalEquipment