第2章计算机网络精选文档.ppt

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1、第2章计算机网络本讲稿第一页，共六十二页第第2 2章章 计算机网络体系结构计算机网络体系结构n网络协议nOSI参考模型nIEEE/LAN参考模型nTCP/IP参考模型n网络操作系统与网络协议本讲稿第二页，共六十二页网络协议网络协议 网络协议网络协议 同等实体间通信制定的有关通信规则约定的集合 网络协议三要素，语义（Semantics）、语法（Syntax）和定时（Timing sequence）。语义是指交换的信息含义，即“讲什么”，包括用于协调与差错处理的控制信息；语法是指“如何讲”，即协议元素的格式，包括数据及控制信息的格式、编码和信号电平等；定时是指事时执行的顺序，即通信过程中通信状态的

2、变化过程，包括速度匹配和排序等。本讲稿第三页，共六十二页协议分层协议分层 目的：分而治之，封装化本讲稿第四页，共六十二页协议栈协议栈 计算机网络体系结构同样采用层次结构，它以功能作为划分层次的基础。每一层中任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程称为实体，它是活跃元素；位于不同系统内同一层次的两个实体称为对等实体；Pn是指第n层协议，是一台机器的第n层与另一台机器的第n层对话使用的协议，它作用在对等实体之间；某一系统内的各层协议集称为协议栈。本讲稿第五页，共六十二页协议分层结构协议分层结构本讲稿第六页，共六十二页协议分层的基本概念协议分层的基本概念 n层实体在实现自身定义的功能时，直接使用n-1

3、层提供的服务，并通过n-1层间接使用n-2层以及以下所有各层的服务；n层向第n+1层提供服务，此服务包含第n层本身和下层服务提供的功能；相邻层间有接口，所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。数据传递由上层到下层，接收由下层到上层，除物理媒体上（最底层）进行的是实通信外，其余各对等实体间（层间）都是虚通信；虚通信必须遵循该层的协议；n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。本讲稿第七页，共六十二页协议分层原则协议分层原则 在进行计算机网络层次结构的划分时，应遵循一定的分层原则，包括 必须使每层的功能明确、相互独立，各层具体实现的方法

4、和更新不对相邻层产生影响；层间接口必须清晰，跨过接口的信息量应尽可能少；层数应当适中。本讲稿第八页，共六十二页接口和服务接口和服务 接口和服务是层次结构中的两个基本概念。所谓接口，是指相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的原语操作及下层对上层的服务；而服务是指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。本讲稿第九页，共六十二页接口和服务几个基本概念 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（SAP）：接口上相邻两层实体交换信息之处。服务是在服务访问点（SAP）提供给上层使用的。n层SAP就是n+1层可以访问n层服务

5、的地方。每个SAP都有一个能够唯一地标识它的地址。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。本讲稿第十页，共六十二页 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。接口数据单元（IDU）：相邻两层实体之间交换的信息单元，IDU由服务数据单元和一些控制信息组成。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（PCI）：对等实体之间交换信息时的控制信息。PCI SDUICIICISDUSDUICI SDUICI SDUIDUSAPSAP第第n+1层层接口接口第第n层层PDU本讲稿第十一页，共六十二页本讲稿第十二页，共六十二页（1 1）协议

6、封装）协议封装 在数据上附加协议的控制信息。报头中含有该层协议的控制信息：编址机制（地址，发方/收方的地址信息）；差错控制（差错检测码，一组数据差错检测序列）；流量控制（协商、反馈）；多路复用（为多个不相关的对话使用同一个连接）；路由 协议控制：用于实现协议控制功能的信息。（2 2）分段与重组）分段与重组 协议应该确定PDU的最大和最小长度，并根据该值对数据流进行分段。分段的反过程即是重装，重装体现了对等实体间的透明体通信原则。对等实体之间的通信如同直接通信一样：接收的数据与原始数据大小、内容一致；如果下层需要对数据进行分组或组合，一定要在送到接收实体前还原成大小、内容一致的原始数据。本讲稿第

7、十三页，共六十二页（3 3）服务与协议的关系）服务与协议的关系 服务是各层向它上层提供的一组原语。服务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文格式及意义的一组规则。实体利用协议来实现它们的服务定义。只要不改变提供给用户的服务，实体可以任意地改变它们的协议。n层实体利用n1层实体提供的服务并执行n层协议来完成对n1层提供服务。本讲稿第十四页，共六十二页服务原语（服务原语（PrimitivePrimitive）一个服务通常由一组原语操作描述，用户进程通过这些原语操作可访问该服务。大部分协议栈位于操作系统中，原语通常是系统调用。调用在内核

8、模式中控制机器，让操作系统发送必要的分组。请求（Request）：由一个实体发送给服务提供者的、希望得到某些操作的服务请求；指示（Indication）：通知上层实体某个事件的发生；响应（Response）：指示一个实体希望响应一个事件；证实（Confirm）：原语返回对先前请求的响应。本讲稿第十五页，共六十二页本讲稿第十六页，共六十二页服务质量与类型 面向连接（Connection-oriented Service）建立连接，数据单元按序传输和接收 释放连接，无连接（Connectionless Service）每个报文带有完整的目的地址，各自独立，经由系统选定的路线传递，可能出现乱序。“有

9、证实”：包括请求、指示、响应和证实四个原语“无证实”：只有请求和指示两个原语 本讲稿第十七页，共六十二页服务质量与类型服务质量与类型服务质量（QOS）用来评价每种服务的特性。通常面向可靠连接的服务质量较高，因为在接收方有确认和重传的处理过程，但增加了额外的开销和延迟。本讲稿第十八页，共六十二页OSIOSI参考模型参考模型 OSI体系结构是七层模型，用于进程间通信和协调各层标准的制定；服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互的服务原语；各层的协议规范精确定义了发送的控制信息及解释该控制信息的过程。7层的体系结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层本讲

10、稿第十九页，共六十二页开放系统互连（开放系统互连（OSIOSI）参考模型参考模型 本讲稿第二十页，共六十二页 物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械、电气、功能和规程特性，其作用是在物理媒体之上为数据链路层提供的原始比特流的物理连接，尽可能屏蔽传输媒体的差异，透明传送和接收比特流。OSI模型的物理层定义：在物理信道实体间合理地通过中间系统、为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。物理层物理层本讲稿第二十一页，共六十二页物理层标准物理层标准 CCITT V系列建议 模拟信道 X系列建议 数字信道 V系列和X系列建议的许多标准和美国电子工业

11、协会系列接口标准EIA/RSXXX内容十分相近。本讲稿第二十二页，共六十二页本讲稿第二十三页，共六十二页本讲稿第二十四页，共六十二页数据链路层数据链路层 链路（link）是指一条无源的点到点的无任何中间交换结点的物理线路段。将实现数据传输控制规程（procedure）的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路（data link）。数据链路控制规程是为使数据能迅速、正确、有效地从发送点到达接收点所采用的控制规则和约定，目的是为了在给定的通信链路上提供发送端和接收端之间的无差错信息传输。成帧：帧的定界，实现识别帧开始和结束的结构。类型：面向字符（又称面向字节）和面向比特 本讲稿第二十五页，共六十二页

12、网络层网络层 ISO 定义网络层为一个网络连接的两个传送实体间交换网络服务数据单元提供功能和规程的方法，使传送实体独立于路由选择和交换方式。网络层要解决的关键问题是了解通信子网的拓扑结构，进行选择路由。网络层的基本设计原则是服务与子网技术不依赖，对上层用户屏蔽子网通信的细节，包括子网类型、拓扑结构、子网数目，向上层提供一致的服务、统一的地址。本讲稿第二十六页，共六十二页网络层服务网络层服务 面向连接服务：将复杂的功能放在网络层(通信子网)无连接服务：将复杂的功能放在传输层。路由选择：网络节点在收到一个分组后，确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择。数据报：网络节点为每个分组路由做出选择；虚电

13、路：只在连接建立时确定路由。路由算法：确定路由选择的策略称。阻塞控制 阻塞（congestion）：到达分组过多，来不及处理，网络性能下降 死锁 增加网络资源 解决拥塞本讲稿第二十七页，共六十二页传输层传输层 传输层位于网络层之上、会话层之下，利用网络层子系统提供的服务开发本层的功能，实现对会话层的服务，并负责端到端的通信。本讲稿第二十八页，共六十二页传输服务传输服务 传输实体（transport entity）是指完成传输层功能的硬软件。采用全双工或半双工传输用户数据和控制数据，数据可分为正常的服务数据分组和快递服务数据分组两种。面向连接的服务提供运输服务用户之间逻辑连接的建立、维持和拆除，

14、是可靠的服务，可提供流量控制、差错控制和序列控制；无连接服务只能提供不可靠的服务。传输层协议服务等级：可靠的面向连接的协议、不可靠的无连接协议、需定序和定时传输的话音传输协议、需快速和高可靠的实时协议 服务质量本讲稿第二十九页，共六十二页会话层 会话层是在传输层提供的服务上，提供会话管理、同步和活动管理等功能。本讲稿第三十页，共六十二页会话层功能会话层功能 会话管理：连接建立、数据传送、连接释放，会话连接到运输连接的映射。令牌管理：会话服务用户对某种服务的独占使用权，拥有令牌的用户才可发送数据，另一方必须保持沉默。活动管理：会话服务用户之间的合作可以划分为不同的逻辑单位，每一个逻辑单位称为一个

15、活动(Activity)，每个活动的内容具有相对的完整性和独立性。在任一时刻，一个会话连接只能为一个活动所使用，但允许某个活动跨越多个会话连接。本讲稿第三十一页，共六十二页同步管理：使会话服务用户对会话的进展情况有一致的了解，在会话中断后可以从中断处继续下去。主同步点和次同步点。异常情况处理：在会话期间，会话层将报告来自网络层以下的异常情况，保证会话连接释放前所有的数据单元被应用进程接收。本讲稿第三十二页，共六十二页表示层 问题：描述数据结构，使之与具体机器无关。对原站内部的数据结构进行编码，使之形成适合于传输的比特流，到了目的站再进行解码，转换成用户所要求的格式。功能：语法转换 语法协商 连

16、接管理抽象语法标记ASN.1(Abstract Syntax Notation One）可灵活地定义各种数据结构，包括一些基本类型和结构类型，并允许用户定义更复杂的数据结构。本讲稿第三十三页，共六十二页应用层 开放系统互连环境与本地操作系统和应用系统的直接接口。应用层向应用进程提供的服务是OSI所有层直接或间接提供服务的总和。应用层由应用进程AP(Application Process）和应用实体AE(Application Entity）组成。应用进程间数据交换通过应用层协议和表示层服务完成。本讲稿第三十四页，共六十二页IEEE/LAN参考模型 局域网特点：通信传输方面，局域网的数据以帧为单

17、位传输，一般不需要中间转换，路径选择功能也可大大简化。参考OSI/RM参考模型，IEEE802提出了局域网的参考模型LAN/RM。本讲稿第三十五页，共六十二页IEEE/LAN参考模型本讲稿第三十六页，共六十二页功能描述功能描述 物理层负责体现机械、电气和过程方面的特性，完成建立、维持和拆除物理链路的功能，它提供在物理层实体间发送和接收比特的能力。MAC子层支持数据链路功能，为LLC子层提供服务。LLC子层负责传送带有校验的数据帧，采用差错控制和帧确认技术，把不可靠的传输信道转换成可靠的传输信道。IEEE的802标准，包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等，它被ANSI接受为美国国家标准，被IS

18、O作为国际标准（称为ISO8802标准，现在IEEE802.1IEEE802.6已成为ISO8802.18802.6）。本讲稿第三十七页，共六十二页TCP/IPTCP/IP参考模型参考模型 Internet网络体系结构是以TCP/IP协议为核心的。TCP/IP的核心思想是将使用不同低层协议的异构网络，在传输层和网络层建立统一的虚拟逻辑网络，以此来屏蔽、隔离所有物理网络的硬件差异，从而实现网络的互联。IP协议为各种不同的通信子网或局域网提供一个统一的互连平台。TCP协议为应用程序提供端到端的通信和控制功能。本讲稿第三十八页，共六十二页TCP/IP体系结构 TCP/IP不是一个简单的协议，而是一组

19、小的专业化协议，包括TCP、IP、UDP、ARP、ICMP协议及其他一些子协议。TCP/IP协议簇是层次结构，共分为4层。本讲稿第三十九页，共六十二页TCP/IP体系结构 （1）主机至网络层（网络接口层）：主机至网络层提供IP数据报的发送和接收。（2）互连网层：互连网层提供计算机间的分组传输，负责高层数据的分组生成、底层数据报的分组组装、处理路由、流控、拥塞等问题。（3）传输层：供应用程序间的通信，负责格式化信息流和提供可靠传输，使源端和目标端主机上的对等实体进行会话。（4）应用层：提供常用的应用程序，包含高层协议。本讲稿第四十页，共六十二页本讲稿第四十一页，共六十二页OSI参考模型和TCP/

20、IP模型的对比 相似之处：基于独立的协议栈概念，层的功能大体相似，如在两个模型中，自底向上直至和包括传输层的若干层为希望通信的进程提供端到端的与网络无关的传输服务。传输层以上的层都是面向应用的传输服务的用户。本讲稿第四十二页，共六十二页差别：模型：OSI模型有服务、接口和协议3个主要概念，而TCP/IP体系结构没有明确区分服务、接口和协议，因此OSI模型中的协议比TCP/IP结构中的协议具有更好的隐藏性，在技术发生变化时能相对容易地进行替换。层数：OSI模型7层，TCP/IP结构4层；服务：OSI网络层支持无连接的和面向连接的通信，传输层仅有面向连接的通信，TCP/IP结构的网络层仅有无连接通

21、信，传输层支持两种模式。本讲稿第四十三页，共六十二页本讲稿第四十四页，共六十二页面向连接的网络n电话公司：服务质量(资源预留)记账nX.25和帧中继(frame relay)70年代，每个连接一个连接号 运行10年左右 80年代，帧中继无错误控制的、无流控制的面向连接的网络。最重要的应用将公司的多个办公区域的LAN相互连接起来。本讲稿第四十五页，共六十二页异步传输模式（ATM）n90年代早期设计，主要被承运商用于内部传输n虚电路 永久虚电路nATM信元本讲稿第四十六页，共六十二页 ATM参考模型本讲稿第四十七页，共六十二页信元和传输电压、位时序等物理介质问题分组划分与合成前景不被看好，但有很多

22、实际应用的基础本讲稿第四十八页，共六十二页以太网n1976年 Metcalfe and Boggs设计了第一个局域网-以太网（Ethernet）n1978年DEC、Intel和Xerox制定DIX标准（10Mbps）-IEEE802.3(1983年)nMetcalfe成立3COMn高速以太网（电缆技术 交换技术）n802.4 802.5本讲稿第四十九页，共六十二页无线LAN:802.11n有基站的模式所有通信都通过基站（访问点 access point）n无基站的模式相互直接发数据（ad hoc networking）本讲稿第五十页，共六十二页需解决的问题n侦听 无线电覆盖范围n无线信号反射多

23、径衰减n大量软件无法知道移动性（共享打印机）n从一个基站到另一个的移交机制本讲稿第五十一页，共六十二页97年，无线LAN在1 Mbps 2Mbps99年，更高速率802.11a 使用了更宽的频段 54Mbps 802.11b频段和802.11一样，但使用不同的调制技术，达到11Mbps本讲稿第五十二页，共六十二页网络操作系统与网络协议 网络操作系统是指利用局域网低层的功能和服务，为高层用户提供共享资源管理服务和其他网络服务功能的系统软件，它是各种服务的软件和协议的集合。使用何种协议（或协议组）依赖于许多因素，包括现存的网络系统、组织的技术专业知识、网络安全性和速度需要。大多数网络具有混合的硬件

24、或软件体系结构，所以使用多种协议，这种网络称为多协议网络，广泛应用于商业界。本讲稿第五十三页，共六十二页NetWare网络操作系统与IPX/SPX NetWare支持TCP/IP、企业内部网服务、图形化用户界面，并能与其他操作系统更好地集成。组成：文件服务器软件、工作站软件、网桥软件等，其中文件服务器软件和工作站软件是建网不可缺少的软件，安装时需根据硬件的配置生成。特点：安全措施（用户口令、目录权限、文件和目录属性、用户登录工作站点及时间的限制）系统容错(SFT)开放的网络软件开发环境多道处理。Net Ware目录服务（NDS）。本讲稿第五十四页，共六十二页IPX/SPX核心协议 IPX/SP

25、X协议群包括许多属于OSI模型不同层的子协议，个数不如TCP/IP协议群的子协议多，所以一般不对IPX/SPX分配通信模型。IPX/SPX的核心协议提供OSI模型中传输层和网络层的服务，最重要的子协议是IPX和SPX。本讲稿第五十五页，共六十二页IPX/SPX核心协议 IPX（网际包交换）协议类似IP协议，提供路由和网际服务。使用数据报传输数据，是无连接的服务，不保证数据是否以有序或无错的形式发送。它是一种功能有限但高效的子协议，所有的IPX/SPX通信都依赖IPX。SPX（序列包交换）协议属于OSI模型的传输层，它与IPX协议共同作用以确保数据被完整地、无错地接收。SPX是面向连接的协议，在

26、发送数据前必须确认与目标节点建立会话。它能检测数据包是否被全部接受，发现数据包丢失或破坏将重发该数据包。本讲稿第五十六页，共六十二页IPX/SPX核心协议 SAP（服务广告协议）作用于OSI模型的应用层、表示层和会话层，直接运行在IPX协议之上。NetWare服务器和路由器利用SAP协议向整个网络广播它们所能提供的服务。RIP协议是Netware的缺省路由协议，这是一个距离矢量路由协议。NCP（Netware核心协议）处理客户机与服务器之间的服务请求，它位于IPX之上，作用等于OSI模型的表示层和会话层。NSLP（链路服务协议）是Netware新的应用层协议，Netware用它来替代SAP和R

27、IP协议。NSLP只在网络发生变化时更新路由。本讲稿第五十七页，共六十二页IPX/SPX的编址 对网络中的每个节点要求分配惟一地址以避免通信冲突。IPX地址：网络地址（也称为外部网络号）+节点地址 网络地址是8位的十六进制地址，每一位的取值范围从09或AF，如000008A2。使用特定服务器作网络主服务器时，网络中所有节点的IPX地址第一部分就是该服务器的网络地址。地址00000000是空值，不能作网络地址，地址FFFFFFFF是广播地址，不能被分配。节点地址，等同于网络设备的MAC地址。运行在IPX工作站上的进程也可由端口地址标识。本讲稿第五十八页，共六十二页WindowsWindows系列

28、网络操作系统与系列网络操作系统与NetBIOSNetBIOS、NetBEUI NetBEUI NetBIOS（网络基本输入输出系统）最初是由IBM设计的协议，为小型网络上的应用程序提供传输层和会话层服务。Microsoft将其作为自身的基础协议，应用于LAN Manager和Windows网络中，后又在NetBIOS上增加NetBIOS增强用户接口的应用层组件(NetBIOS Enhanced User Interface)。本讲稿第五十九页，共六十二页 NetBEUI是一种快速有效的协议，它只消耗少量的网络资源，而能提供非常好的纠错功能，且只需非常少的配置。由于NetBEUI缺少一个网络层（

29、编址信息），它是非路由的协议。由于NetBIOS和NetBEUI不能提供OSI所有层的服务，常与其他协议群如IPX/SPX，或TCP/IP配对使用。在较新的Microsoft网络中，TCP/IP因比NetBEUI更灵活且更易改变规模而成为首选的协议。本讲稿第六十页，共六十二页UNIXUNIX和和LinuxLinux操作系统操作系统 UNIX是为多用户环境设计的多用户操作系统，它具有内建的TCP/IP支持，有良好的稳定性、健壮性、安全性等优秀的特性。支持TCP/IP协议和所有其他基本操作系统的组成部分，可执行诸如路由、防火墙、域名服务和自动IP地址分配等操作。Linux是一种较为流行的开放源实现，完全遵循POSLX标准，并扩展支持所有AT&T和BSD Unix特性的网络操作系统；它是真正的多任务、多用户系统，内置网络支持，能与NetWare、Windows NT、OS/2、Unix 等无缝连接；它可运行在多种硬件平台上，对硬件要求较低，并有广泛的应用程序支持；和标准UNIX的约定一致，高度稳定且是免费的。本讲稿第六十一页，共六十二页作业nModem的编程n拨号n传输数据文件本讲稿第六十二页，共六十二页