第3講 計算機網(wǎng)絡體系結構

主講教師：劉宏月Tel-Mail：hautxxxylhy@126.com計算機網(wǎng)絡2023/2/31CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT第3講計算機網(wǎng)絡體系結構劉宏月河南工業(yè)大學信息科學與工程學院上講知識回顧數(shù)據(jù)交換方式：電路交換、報文交換、分組交換計算機網(wǎng)絡的性能指標：速率、帶寬、吞吐量、時延、利用率上講知識回顧收發(fā)兩端之間的傳輸距離為1000km，信號在媒體上的傳播速度為2×108m/s。試計算以下兩種情況的發(fā)送延時和傳播延時：數(shù)據(jù)長度為107bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為100kbit/s。數(shù)據(jù)長度為103bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Gbit/s。從以上結算結果可得出什么結論？很多時候傳播延時是固定的，提高效率只能提高發(fā)送速率。本講學習目標理解計算機網(wǎng)絡體系結構，了解計算機網(wǎng)絡分層設計思想；掌握協(xié)議、實體、服務等概念及其關系；理解TCP/IP體系結構工作原理。本講主要內容1.

計算機網(wǎng)絡體系結構2.

OSI參考模型3.TCP/IP參考模型4.一種建議的參考模型5.幾個基本概念1.計算機網(wǎng)絡體系結構相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調工作，而這種“協(xié)調”是相當復雜的。如何“激活”通路？如何識別目的主機？對方是否準備好接收數(shù)據(jù)？對方是否做好存儲文件的準備？若文件不兼容怎么辦？出現(xiàn)了差錯和意外事故怎么處理？“分層”可將龐大而復雜的問題轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。1.計算機網(wǎng)絡體系結構兩個主機交換文件劃分層次舉例文件傳送模塊主機

1主機2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊1.計算機網(wǎng)絡體系結構

兩個主機交換文件劃分層次舉例文件傳送模塊主機

1主機2文件傳送模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信服務模塊1.計算機網(wǎng)絡體系結構兩個主機交換文件劃分層次舉例文件傳送模塊主機

1主機2文件傳送模塊通信服務模塊通信服務模塊網(wǎng)絡接入模塊網(wǎng)絡接入模塊通信網(wǎng)絡網(wǎng)絡接口網(wǎng)絡接口網(wǎng)絡接入模塊負責做與網(wǎng)絡接口細節(jié)有關的工作，例如規(guī)定傳輸?shù)膸袷?，幀的最大長度等。1.計算機網(wǎng)絡體系結構分層的好處各層之間是獨立的靈活性好結構上可分割開易于實現(xiàn)和維護能促進標準化工作分層越多越好？還是越少越好？1.計算機網(wǎng)絡體系結構網(wǎng)絡協(xié)議(networkprotocol)計算機網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）。網(wǎng)絡協(xié)議，簡稱為協(xié)議，是為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定。1.計算機網(wǎng)絡體系結構網(wǎng)絡協(xié)議的組成包括包括3要素：語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結構或格式。語義：需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。同步：事件實現(xiàn)順序的詳細說明。1.計算機網(wǎng)絡體系結構計算機網(wǎng)絡的體系結構(architecture)是計算機網(wǎng)絡的各層及其協(xié)議的集合。體系結構就是這個計算機網(wǎng)絡及其部件所應完成的功能的精確定義。實現(xiàn)(implementation)是遵循某種體系結構的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。體系結構是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。OSI

與

TCP/IP體系結構的比較應用層運輸層網(wǎng)絡層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321OSI體系結構應用層網(wǎng)絡接口層網(wǎng)際層IP

(各種應用層協(xié)議如FTP,HTTP,SMTP等)運輸層(TCP

或

UDP)TCP/IP體系結構開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RMTCP/IP現(xiàn)在獲得了最廣泛的應用，稱為事實上的(defacto)國際標準。本講主要內容1.

計算機網(wǎng)絡體系結構2.

OSI參考模型3.TCP/IP參考模型4.一種建議的參考模型5.幾個基本概念2.OSI參考模型OSI參考模型的提出1974年，IBM公司提出了世界上第一個網(wǎng)絡體系結構SNA(SystemNetworkArchitecture)；此后，很多公司提出各自的網(wǎng)絡體系結構。這些體系結構的共同之處：采用分層技術。但層次劃分、功能分配與采用的協(xié)議均不同。不同的網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議，使得很難實現(xiàn)異構網(wǎng)絡之間的互聯(lián)。2.OSI參考模型OSI參考模型的提出國際標準化組織(ISO)于1977年成立專門機構研究“不同體系的計算機網(wǎng)絡互連”的問題，提出了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnection/ReferenceModel)。1983年，形成了OSI/RM的正式文件，即ISO7498國際標準，也就是七層協(xié)議的體系結構。應用層運輸層網(wǎng)絡層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321OSI的體系結構2.OSI參考模型OSI/RM只要遵循OSI標準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方、也遵循這同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。然而，在市場化方面OSI/RM卻失敗了。OSI的專家們在完成OSI標準時沒有商業(yè)驅動力；OSI的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復雜，且運行效率很低；OSI標準的制定周期太長，因而使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場；OSI的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現(xiàn)。本講主要內容1.

計算機網(wǎng)絡體系結構2.

OSI參考模型3.TCP/IP參考模型4.一種建議的參考模型5.幾個基本概念3.TCP/IP參考模型TCP/IP協(xié)議的特點OSI參考模型的研究對促進計算機網(wǎng)絡體系理論結構的形成起到了重要作用，但受到TCP/IP協(xié)議的挑戰(zhàn)。TCP/IP協(xié)議具有以下幾個主要的特點：開放的協(xié)議標準；獨立于特定的計算機硬件與操作系統(tǒng)；獨立于特定的網(wǎng)絡硬件；具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡地址分配方案；標準化的應用層協(xié)議，可以提供多種可靠的網(wǎng)絡服務。3.TCP/IP參考模型TCP/IP的發(fā)展過程1969年，ARPANET網(wǎng)絡產生，節(jié)點間采用分組交換技術。由于底層硬件來自不同的公司，其互操作性存在很多問題，這就促使ARPA開始解決網(wǎng)絡互聯(lián)問題。1973年，ARPA啟動了名為Internetting的互聯(lián)網(wǎng)研究項目，并因此引發(fā)了TCP/IP的出現(xiàn)與發(fā)展。1974年，IP和TCP問世，合稱TCP/IP協(xié)議。3.TCP/IP參考模型TCP/IP的發(fā)展過程1977~1979年，推出目前形式的TCP/IP體系結構和協(xié)議規(guī)范。1980年前后，ARPANET上的所有機器開始轉向TCP/IP，并以ARPANET為主干逐步建立Internet。1983年，向TCP/IP的轉換全部結束。美國國防部命令所有聯(lián)入遠程網(wǎng)計算機都必須采用TCP/IP；同時，ARPANET被一分為二。1984年，Internet基本形成。3.TCP/IP參考模型TCP/IP的發(fā)展過程網(wǎng)絡互聯(lián)的需要孕育了TCP/IP，TCP/IP又極大地推動了網(wǎng)絡互聯(lián)技術的迅猛發(fā)展，并逐步形成了覆蓋全球的因特網(wǎng)。1995年10月24日，通過廣泛征詢Internet和知識產權方面專家的意見，美國聯(lián)邦網(wǎng)絡委員會一致通過了一項提案，為Internet作了如下定義：

Internet是一個全球性的信息系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每臺主機都有一個全球唯一的主機地址，地址格式通過IP協(xié)議定義。系統(tǒng)中主機與主機間的通信遵循TCP/IP協(xié)議標準，或者其他與IP兼容的協(xié)議標準來交換信息。TCP/IP的沙漏模型HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP網(wǎng)際層網(wǎng)絡接口層運輸層應用層………網(wǎng)絡接口

1網(wǎng)絡接口

2網(wǎng)絡接口

3TCP/IP可以為各種各樣的應用提供服務(所謂的everythingoverIP)，同時TCP/IP也可以允許IP在各種各樣的網(wǎng)絡構成的互聯(lián)網(wǎng)上運行(所謂的IPovereverything)。本講主要內容1.

計算機網(wǎng)絡體系結構2.

OSI參考模型3.TCP/IP參考模型4.一種建議的參考模型5.幾個基本概念4.一種建議的參考模型OSI和TCP/IP都有其成功和不足之處：OSI在市場化方面做的不好TCP/IP是四層的體系結構：應用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡接口層，但最下面的網(wǎng)絡接口層并沒有具體內容。為保證計算機網(wǎng)絡教學的科學性和系統(tǒng)性，這里采取折中的辦法，即綜合

OSI和

TCP/IP

的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結構。三種體系結構的比較

應用層運輸層網(wǎng)絡層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321OSI的體系結構應用層網(wǎng)絡接口層網(wǎng)際層(IP)

(各種應用層協(xié)議如HTTP,FTP,SMTP等)運輸層(TCP

或

UDP)TCP/IP的體系結構數(shù)據(jù)鏈路層5應用層4運輸層3網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層五層的建議參考模型五層協(xié)議的體系結構

五層協(xié)議的體系結構最高層，直接為用戶的應用進程提供服務。負責向兩個主機中進程之間的通信提供服務

為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信服務，路由和尋址。在相鄰節(jié)點間的鏈路上“透明”的傳輸數(shù)據(jù)幀。透明的傳送比特流。數(shù)據(jù)鏈路層5應用層4運輸層3網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層4.一種建議的參考模型5432154321主機1主機2應用進程數(shù)據(jù)先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層PDU主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321主機1主機2應用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文。主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321主機1主機2運輸層報文再傳送到網(wǎng)絡層加上網(wǎng)絡層首部，成為

IP數(shù)據(jù)報（或分組）主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321IP數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)幀。主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型應用層(applicationlayer)5432154321物理傳輸媒體電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層。主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321數(shù)據(jù)鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數(shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡層。主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321網(wǎng)絡層剝去首部，取出數(shù)據(jù)部分上交給運輸層。主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321運輸層剝去首部，取出數(shù)據(jù)部分上交給應用層。主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321應用層剝去首部，取出應用程序數(shù)據(jù)上交給應用進程。主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321我收到了AP1發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次5432154321應用程序數(shù)據(jù)應用層首部H510100110100101比特流110101110101應用程序數(shù)據(jù)H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H4運輸層首部H3網(wǎng)絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型543215432110100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP1H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)4.一種建議的參考模型5432154321數(shù)據(jù)鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數(shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP1H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)4.一種建議的參考模型5432154321網(wǎng)絡層剝去分組首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP1H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)4.一種建議的參考模型5432154321運輸層剝去報文首部后把報文的數(shù)據(jù)部分交給應用層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP1應用程序數(shù)據(jù)H5應用程序數(shù)據(jù)4.一種建議的參考模型5432154321應用層剝去應用層PDU首部后把應用程序數(shù)據(jù)交給應用進程主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP14.一種建議的參考模型5432154321我收到了AP1發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)主機1主機2AP2AP1本講主要內容1.

計算機網(wǎng)絡體系結構2.

OSI參考模型3.TCP/IP參考模型4.一種建議的參考模型5.幾個基本概念5.幾個基本概念名詞：實體、協(xié)議、服務實體(entity)表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。協(xié)議是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務，要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層所提供的服務。本層服務的用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透明的。5.幾個基本概念協(xié)議和服務的區(qū)別協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。同一系統(tǒng)相鄰兩層實體進行交互的地方，稱為服務訪問點SAP(ServiceAccessPoint)。5.幾個基本概念

實體、協(xié)議、