计算机网络体系结构上课讲义.ppt

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1、计算机网络体系结构2.1计算机网络的构成计算机网络的构成(1)计算机网络的硬件构成：两级结构的计算机网络计算机网络的硬件构成：两级结构的计算机网络 资源子网资源子网(或用户子网或用户子网)，通信子网，通信子网2.1计算机网络的构成计算机网络的构成(2)2.1.1资源子网资源子网组成：服务器，客户计算机组成：服务器，客户计算机2.1.2通信子网通信子网一、基本组成：通信线路一、基本组成：通信线路(或称通道或称通道)网络互连设备网络互连设备(路由器、交换机、路由器、交换机、HUB等等)二、基本结构：二、基本结构：1.点到点通道点到点通道基本特点：一条线路连接二台网络互连设备基本特点：一条线路连接二

2、台网络互连设备 一般情况下，二台计算机的连接要经过多台网络互连设一般情况下，二台计算机的连接要经过多台网络互连设备备 一般情况下，采用存储转发方式进行信息传输一般情况下，采用存储转发方式进行信息传输典型拓扑结构：典型拓扑结构：(Fig.1-6)star,ring(loop),tree,complete,intersecting rings(loops),irregular关键技术：路由选择关键技术：路由选择(Routing)2.1计算机网络的构成计算机网络的构成(3)2.广播通道广播通道基本特点：多台计算机共享一条通信线路；基本特点：多台计算机共享一条通信线路；任一台计算机发出的信息可以直接被

3、其它计算机接收任一台计算机发出的信息可以直接被其它计算机接收典型拓扑结构：典型拓扑结构：(Fig.1-3)bus,ring关键技术：通道分配关键技术：通道分配 静态分配：分时间片静态分配：分时间片特点：控制简单，通道利用率低特点：控制简单，通道利用率低 动态分配动态分配：各站点动态使用通道：各站点动态使用通道特点：控制复杂，通道利用率高特点：控制复杂，通道利用率高 通道分配方法：通道分配方法：集中式：只有一个仲裁机构集中式：只有一个仲裁机构 分布式：各站点均有仲裁机构分布式：各站点均有仲裁机构2.1计算机网络的构成计算机网络的构成(4)三、网络分类：三、网络分类：从地域范围角度：从地域范围角度

4、：1.局域网络局域网络(Local Area Networks)主要采用广播通道技术主要采用广播通道技术 2.城域网络城域网络(Metropolitan Area Networks)3.广域网络广域网络(Wide Area Networks)主要采用点到点通道技术主要采用点到点通道技术从采用技术角度：从采用技术角度：1.无线网络无线网络(Wireless Networks)优点：方便、灵活优点：方便、灵活缺点：速率低（缺点：速率低（1-2Mbps），误码率高，易受干扰），误码率高，易受干扰antennas,cellular telephone,CDPD(Cellular Digital Pac

5、ket Data)2.卫星网络卫星网络 3.ATM网络网络 .2.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(1)计算机网络的体系结构是从功能的角度描述计算计算机网络的体系结构是从功能的角度描述计算机网络的结构机网络的结构计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构：对计算机网络及其部件：对计算机网络及其部件所完成功能的比较精确的定义。即从所完成功能的比较精确的定义。即从功能功能的角度描述计的角度描述计算机网络的结构。是算机网络的结构。是层次和协议层次和协议的集合。的集合。注意注意:仅仅定义了网络及其部件通过协议应完成的功能；仅仅定义了网络及其部件通过协议应完成的功能；不定义协不定义协议的实现细节

6、和各层协议之间的接口关系。议的实现细节和各层协议之间的接口关系。网络功能的分层网络功能的分层 协议的分层协议的分层 体系结构的分层体系结构的分层 协议分层易于协议的设计、分析、实现和测试。协议分层易于协议的设计、分析、实现和测试。2.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(2)2.2.1计算机网络功能的分层计算机网络功能的分层计算机网络的基本功能：是为地理位置不同的计算机用户之间提供访问计算机网络的基本功能：是为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路。通路。下述功能是必须提供的：下述功能是必须提供的：1.连接源结点和目的结点的物理传输线路，可以经过中间结点；连接源结点和目的结点的物理传输

7、线路，可以经过中间结点；2.每条线路两端的结点利用波形进行二进制通信；每条线路两端的结点利用波形进行二进制通信；3.无差错的信息传送无差错的信息传送4.多个用户共享一条物理线路多个用户共享一条物理线路5.按照地址信息，进行路由选择按照地址信息，进行路由选择6.信息缓冲和流量控制信息缓冲和流量控制7.会话控制会话控制8.满足各种用户的访问要求满足各种用户的访问要求2.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(3)上述功能有三个显著特点：上述功能有三个显著特点：1.上述功能必须同时满足一对用户；上述功能必须同时满足一对用户；2.用户之间的通信功能是相互的；用户之间的通信功能是相互的；3.这些功能

8、分散在各个网络设备和用户设备中。这些功能分散在各个网络设备和用户设备中。一般人们采用一般人们采用“层次结构层次结构”的方法来描述计算机网络，即：的方法来描述计算机网络，即：计算机网络中提供的功能是分成层次的。计算机网络中提供的功能是分成层次的。2.2.2协议和协议的分层结构协议和协议的分层结构一、协议的定义和组成一、协议的定义和组成层次结构的计算机网络功能中，最重要的功能是通信功能；层次结构的计算机网络功能中，最重要的功能是通信功能；这种通信功能主要涉及同一层次中通信双方的相互作用；这种通信功能主要涉及同一层次中通信双方的相互作用；位于不同计算机上进行对话的第位于不同计算机上进行对话的第N层通

9、信各方可分别看成是一种进层通信各方可分别看成是一种进程，也称为对等（同等）进程。程，也称为对等（同等）进程。协议协议(Protocol)：计算机网络同等层次中，通信双方进行信息交换时必须遵守的规则。计算机网络同等层次中，通信双方进行信息交换时必须遵守的规则。2.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(4)协议的组成：协议的组成：1.语法（语法（syntax)：以二进制形式表示的命令和相应的结构：以二进制形式表示的命令和相应的结构2.语义（语义（semantics)：由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应组：由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应组成的集合成的集合3.定时关系（定时关系（

10、timing)：有关事件顺序的说明：有关事件顺序的说明二、协议的分层和层间结构二、协议的分层和层间结构协议的分层原则协议的分层原则(layering principle)：1.Layer N software on the destination computer must receive exactly the message sent by layer N software on the sending computer.Mathematically,if the sender applies a transformation T,the receiver must apply the i

11、nverse T-1.2.协议分层要保证整个通信系统功能完备、高效。协议分层要保证整个通信系统功能完备、高效。每一相邻层之间有一个每一相邻层之间有一个接口（接口（Interface），它定义了下层向上层提供，它定义了下层向上层提供的原语操作和服务。的原语操作和服务。2.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(5)对于第对于第N层协议来说，它有如下特性：层协议来说，它有如下特性：1.不知道上、下层的内部结构；不知道上、下层的内部结构；2.独立完成某种功能；独立完成某种功能；3.为上层提供服务；为上层提供服务；4.使用下层提供的服务。使用下层提供的服务。2.2.3计算机网络的体系结构计算机网络

12、的体系结构一、基本术语与分层结构一、基本术语与分层结构接口：定义了下层向上层提供的原语操作和服务。接口：定义了下层向上层提供的原语操作和服务。协议：计算机网络同等层次中，通信双方进行信息交换时必协议：计算机网络同等层次中，通信双方进行信息交换时必须遵守的规则。须遵守的规则。服务：层间交换信息时必须遵守的规则。服务：层间交换信息时必须遵守的规则。服务和协议的关系服务和协议的关系服务提供者，服务用户服务提供者，服务用户Fig.1-92.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(6)服务访问点服务访问点SAP（Service Access Point）任何层间服务是在接口的任何层间服务是在接口的S

13、AP上进行的；上进行的；每个每个SAP有唯一的识别地址；有唯一的识别地址；每个层间接口可以有多个每个层间接口可以有多个SAP。接口数据单元接口数据单元IDU（Interface Data Unit）IDU是通过是通过SAP进行传送的层间信息单元；进行传送的层间信息单元；IDU由上层的服务数据单元由上层的服务数据单元SDU（Service Data Unit）和接口）和接口控制信息控制信息ICI（Interface Control Information）组成；）组成；协议数据单元协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）第第N层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元层实体通过

14、网络传送给它的对等实体的信息单元；PDU由上层的服务数据单元由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息或其分段和协议控制信息PCI（Protocol Control Information)组成；组成；Fig.1-12分段和重组分段和重组 Fig.1-112.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(7)二、服务分类和服务原语（二、服务分类和服务原语（primitives）1.基于连接的服务和无连接服务基于连接的服务和无连接服务基于连接的服务基于连接的服务 当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭

15、连接。据。使用完后，关闭连接。特点：顺序性好。特点：顺序性好。无连接服务无连接服务 直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。特点：顺序性差。特点：顺序性差。Fig.1-13注意：连接并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。：连接并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。2.服务原语服务原语服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述的。服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述的。服务原语可分为四种类型：服务原语可分为四种类型：请求（请求（Request），指示（），指示（Indication），），响应（响应（Respons

16、e），确认（），确认（Confirm）Fig.1-14Fig.1-152.3典型计算机网络的参考模型典型计算机网络的参考模型(1)2.3.1计算机网络的标准化计算机网络的标准化一、电信标准一、电信标准1865年成立国际电信联盟年成立国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）1947年年 ITU 成为联合国的一个组织，由三部分组成：成为联合国的一个组织，由三部分组成：ITU-R：无线通信：无线通信 ITU-T：电信标准，：电信标准，1956-1993 年称为年称为CCITT，下设许多研究组，下设许多研究组SG，研究组下设专题，例如：，研究组下

17、设专题，例如：Q42/SG VII 专门研究专门研究 OSI 参考模型。参考模型。ITU-D：开发：开发二、国际标准二、国际标准 1946年成立的国际标准化组织年成立的国际标准化组织 ISO 负责制定各种国际标准，负责制定各种国际标准，ISO 有有89个成员国家，个成员国家，85 个其他成员。个其他成员。ISO 有有200 多个技术委员会多个技术委员会TC，每个技术委员会下设若干分委员，每个技术委员会下设若干分委员会会SC，每个分委员会由由若干工作组，每个分委员会由由若干工作组WG 组成。组成。2.3典型计算机网络的参考模型典型计算机网络的参考模型(2)例如：例如：TC97-计算机和信息处理计

18、算机和信息处理 TC97/SC21/WG1-OSI 体系结构、概念性方案和形式描述体系结构、概念性方案和形式描述一个国际标准的形成：一个国际标准的形成：CD(Committee Draft)-DIS(Draft International Standard)-IS(International Standard)其它标准化组织：其它标准化组织：ANSI：美国国家标准研究所，：美国国家标准研究所，ISO 的美国代表的美国代表 NIST：美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构：美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构 IEEE：发表行业标准。例如：发表行业标准。例如IEEE 802

19、，后成为，后成为ISO 8802。ATM Forum：ATM论坛论坛 OIF（Optical Internetworking Forum）值得注意的是，值得注意的是，ITU-T 和和 ISO 之间有很好的合作和协调。之间有很好的合作和协调。2.3典型计算机网络的参考模型典型计算机网络的参考模型(3)三、三、Internet 标准标准Internet 的标准特点，是自发而非政府干预的，称为的标准特点，是自发而非政府干预的，称为RFC（Request For Comments)。1969 年年ARPANET 时就开始发布时就开始发布RFC，至今已超过，至今已超过3000个。个。1983年成立年成立

20、IAB（Internet Activities Board）1989年在年在IAB 下又成立了下又成立了IRTF 和和 IETF，IETF的各工作组负责组织提的各工作组负责组织提出相应的出相应的RFC 建议。建议。2.3典型计算机网络的参考模型典型计算机网络的参考模型(4)2.3.2OSI(Open System Interconnection)参考模型参考模型1983年年ISO 的的 OSI 模型正式成为国际标准。模型正式成为国际标准。Fig.1-16,Fig.1-171.物理层（物理层（The Physical Layer）在物理线路上传输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。在物理线路上传

21、输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。2.数据链路层（数据链路层（The Data Link Layer）在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（Frame）。）。3.网络层（网络层（The Network Layer）控制通信子网提供源点到目的点的数据传送（控制通信子网提供源点到目的点的数据传送（Packet）。）。4.运输层（运输层（The Transport Layer）为用户提供端到端的数据传送服务。为用户提供端到端的数据传送服务。5.会话层（会话层（The Session Layer）为用户提供会话控制服务（安全认证）。为用户提供会话控制服

22、务（安全认证）。token management and synchronization(insert checkpoints into the data stream)6.表示层（表示层（The Presentation Layer）为用户提供数据转换和表示服务。为用户提供数据转换和表示服务。7.应用层（应用层（The Application Layer）2.3典型计算机网络的参考模型典型计算机网络的参考模型(5)2.3.3TCP/IP 参考模型参考模型 (Fig.1-18)以以 TCP/IP 协议为核心的协议为核心的 Internet 网络体系结构。网络体系结构。1.物理层：在物理线路上传

23、输原始的二进制数据位。物理层：在物理线路上传输原始的二进制数据位。2.数据链路层：在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输。数据链路层：在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输。*TCP/IP 参考模型把第参考模型把第1层和第层和第2层合起来称为：层合起来称为：Host-to-Network3.Internet层（网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的层（网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包传送。包传送。4.运输层：提供端到端的数据传送服务。运输层：提供端到端的数据传送服务。TCP 和和 UDP5.应用层：提供各种应用层：提供各种 Internet 管理和应用服务功能。管理和应

24、用服务功能。Fig.1-19Fig.1-21TCP/IP 与与 OSI 的比较的比较OSI的历史经验和教训的历史经验和教训OSI是是80年代计算机网络技术，网络体系结构的主流年代计算机网络技术，网络体系结构的主流OSI网络体系结构的核心和贡献：网络体系结构的核心和贡献：分层模型分层模型服务、接口、协议服务、接口、协议Andrew S.Tanenbaum 在在“Computer Networks”第三版第三版中评价中评价OSI：Bad timing（too late）Bad technology（both the model and the protocol are flawed）Bad imp

25、lementations（huge，unwieldy，and slow）Bad politics（government and organizations bureaucrats）Internet 的标准化特点的标准化特点IAB（Internet Architecture Board）IRTF（Internet Research Task Force）IETF（Internet Engineering Task Force）Internet SocietyRFC（Request For Comments）1969年产生年产生RFC0001，1997.1.3产生产生RFC2069，2000.9产

26、生产生RFC2921Internet 标准化名言（标准化名言（David Clark of MIT）：）：“We reject kings,presidents,and voting；we believe in rough consensus and running code”结论：结论：Internet 与与 ITU-T和和ISO 的标准化过程完全不同的标准化过程完全不同2.4网络和网络服务（网络和网络服务（1）2.4.1Novell NetWareu在在PC机中应用广泛，机中应用广泛，client-server结构结构u参考模型参考模型Fig.1-22uBased on the old X

27、eror Network System,XNS,but with various modifications.u网络层协议，网络层协议，IPX：不可靠无连接协议，与：不可靠无连接协议，与IP类似，地址长度类似，地址长度不同：不同：IPX，10字节（字节（4字节网络号，字节网络号，6字节机器号（字节机器号（MAC地地址）；址）；IP，4字节。字节。u传输层协议，传输层协议，NCP/SPX/TCP：面向连接协议。：面向连接协议。u工作过程：工作过程：uServer：使用：使用SAP（service advertising protocol）协议，每分钟）协议，每分钟广播一个包，告知地址和提供的服务

28、；广播一个包，告知地址和提供的服务；uRouter：接收服务器的广播包，构造数据库；接收客户机的请求，：接收服务器的广播包，构造数据库；接收客户机的请求，查询数据库，将查询结果（服务器信息）告知客户机；查询数据库，将查询结果（服务器信息）告知客户机；uClient：启动时广播请求，查询最近的服务器，得到路由器的回：启动时广播请求，查询最近的服务器，得到路由器的回答后，与服务器建立答后，与服务器建立NCP连接，协商参数，访问服务。连接，协商参数，访问服务。2.4网络和网络服务（网络和网络服务（2）2.4.2ARPANETu产生背景：产生背景：60年代中期，冷战高峰，年代中期，冷战高峰，DoD想建

29、设一个核战争情想建设一个核战争情况下的网络，传统电路交换网络太脆弱，不满足要求。况下的网络，传统电路交换网络太脆弱，不满足要求。uARPA（Advanced Research Projects Agency）负责研制，采用）负责研制，采用分组交换，分组交换，subnet 和和 host computer两极结构。两极结构。u由由 称为称为IMP（Interface Message Processors）的小型计算机和）的小型计算机和线路组成；线路组成；u存储转发模式存储转发模式u1968年年12月，月，BBN公司负责建网，采用改进的公司负责建网，采用改进的Honeywell DDP-316小型

30、机作为小型机作为IMP，IMP间用间用 56Kbps租用电话线连接。租用电话线连接。u软件分为两部分：软件分为两部分：subnet和和 host，Figure 1-24u1969年年12月，建成四个节点的网络，发展迅速月，建成四个节点的网络，发展迅速 Figure 1-252.4网络和网络服务（网络和网络服务（3）u网络的发展暴露出协议软件的不足，网络的发展暴露出协议软件的不足，1974年，年，TCP/IP模型和协模型和协议诞生。议诞生。uTCP/IP协议软件被集成进协议软件被集成进Berkeley UNIX中，并开发出中，并开发出socket接接口。口。uTCP/IP便于便于LAN接入接入A

31、RPANETu1983年，年，ARPA将将ARPANET交给交给DCA（Defense Communica-tions Agency），），DCA将军用部分分离出来，构成将军用部分分离出来，构成MILNET。u80年代，网络规模扩大，出现年代，网络规模扩大，出现DNS（Domain Naming System）u1990年，年，ARPANET停止运行，停止运行，MILNET仍在工作。仍在工作。2.4网络和网络服务（网络和网络服务（4）2.4.3NSFNETu二十世纪七十年代末，大学通过网络进行研究的需要促使二十世纪七十年代末，大学通过网络进行研究的需要促使NSF（U.S.National Sc

32、ience Foundation）建立一个虚拟网络）建立一个虚拟网络CSNET。u1984年，年，NSF开始设计一个高速网络，对所有大学和研究机构开开始设计一个高速网络，对所有大学和研究机构开放。放。NSF建立了一个骨干网，把六个超级计算机中心连接起来。建立了一个骨干网，把六个超级计算机中心连接起来。56Kbps租用线路，软件使用租用线路，软件使用TCP/IP技术，成为第一个技术，成为第一个TCP/IP 广域网。广域网。u1990年，年，MERIT、MCI和和IBM公司成立一个非赢利机构公司成立一个非赢利机构ANS（Advanced Networks and Services）管理）管理NSF

33、NET，把骨干，把骨干网带宽从网带宽从1.5Mbps升级为升级为45Mbps（ANSNET）。）。u1991年，年，NREN（National Research and Educational network）启动，研究启动，研究NSFNET的下一代，目标是达到的下一代，目标是达到G比特。比特。u1995年，年，ANSNET卖给卖给America Online。单一骨干网结构被商业。单一骨干网结构被商业驱动的、竞争的多骨干网结构替代。驱动的、竞争的多骨干网结构替代。2.4网络和网络服务（网络和网络服务（5）2.4.4X.25 分组交换网分组交换网70年代，年代，CCITT推出推出X.25标准，

34、为公用包交换网和用户之间提供接标准，为公用包交换网和用户之间提供接口。口。X.25面向连接，支持交换虚电路和永久虚电路。面向连接，支持交换虚电路和永久虚电路。X.21（物理层协议）（物理层协议）X.3/X.28/X.29 DTE:Digital Terminal EquipmentDCE:Digital Circuit Terminating EquipmentPAD:Packet Assembler and DisassemblerFigureDCEDCEHigh-Level FunctionsPacket LevelFrame LevelPhysical LevelHigh-Level F

35、unctionsPacket LevelFrame LevelPhysical LevelPADTDTEDTEX.25X.29X.3X.282.4网络和网络服务（网络和网络服务（6）2.4.5Frame Relay帧中继产生背景：通信线路越来越快速、可靠，计算机越来越快帧中继产生背景：通信线路越来越快速、可靠，计算机越来越快 速、便宜，底层通信协议变得越来越简单，大部分工作由用速、便宜，底层通信协议变得越来越简单，大部分工作由用户计算机来做，底层协议只需提供一条源到目的的通路即可。户计算机来做，底层协议只需提供一条源到目的的通路即可。帧中继，面向连接，提供最少的基本服务。帧中继，面向连接，提供

36、最少的基本服务。2.4.6B-ISDN 和和 ATM宽带综合服务数字网宽带综合服务数字网 B-ISDN（Broadband Integrated Services Digital Network）产生背景：多种网络共存（）产生背景：多种网络共存（POTS,Telex,SMDS,DQDB,Frame Relay,），电信公司想统一成一个网），电信公司想统一成一个网络络B-ISDN。B-ISDN的技术基础是异步传输模式的技术基础是异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）2.4网络和网络服务（网络和网络服务（7）ATM异步传输，没有主时钟。异步传输，没有主时钟。传输单元是短的、定长的包，称为信元（传输单元是短的、定长的包，称为信元（cell）。）。Fig.1-29面向连接面向连接速率主要有两种：速率主要有两种：155M，622MB-ISDN ATM参考模型参考模型Fig.1-30Fig.1-31此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢