計算機網絡謝希仁第七版全套ppt

1、第 1 章 概述,,第 1 章 概述,1.1 計算機網絡在信息時代中的作用1.2 互聯網概述1.3 互聯網的組成1.4 計算機網絡在我國的發(fā)展1.5 計算機網絡的類別1.6 計算機網絡的性能1.7 計算機網絡的體系結構,1.2 互聯網概述,1.2.1 網絡的網絡1.2.2 互聯網基礎結構發(fā)展的三個階段1.2.3 互聯網的標準化工作,1.2.1 網絡的網絡,互聯網 (Internet)特指

2、Internet，起源于美國，現已發(fā)展成為世界上最大的、覆蓋全球的計算機網絡。計算機網絡 (簡稱為網絡)由若干結點(node)和連接這些結點的鏈路(link)組成?；ミB網 (internetwork 或 internet)可以通過路由器把網絡互連起來，這就構成了一個覆蓋范圍更大的計算機網絡，稱之為互連網?！熬W絡的網絡”(network of networks)。,1.2.1 網絡的網絡,請注意名詞“結點”,在網絡中， nod

3、e 的標準譯名是“結點”而不是“節(jié)點”。雖然 node 有時也可譯為“節(jié)點”，但這是指像天線上的駐波的節(jié)點，這種節(jié)點很像竹竿上的“節(jié)”。數據結構的樹 (tree) 中的 node 應當譯為“節(jié)點”。,關于“云”,當使用一朵“云”來表示網絡時，可能會有兩種不同的情況：云表示的網絡已經包含了和網絡相連的計算機。云表示的網絡里面就只剩下許多路由器和連接這些路由器的鏈路，把有關的計算機畫在云的外面。習慣上，與網絡相連的計算機常稱為主機

4、(host)。,基本概念要清楚,網絡把許多計算機連接在一起?；ミB網則把許多網絡通過路由器連接在一起。與網絡相連的計算機常稱為主機。,1.3 互聯網的組成,1.3.1 互聯網的邊緣部分1.3.2 互聯網的核心部分,1.3 互聯網的組成,從互聯網的工作方式上看，可以劃分為兩大塊：(1) 邊緣部分： 由所有連接在互聯網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享。(2) 核心部分：由大

5、量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）。,互聯網的邊緣部分與核心部分,互聯網的邊緣部分與核心部分,1.3.1 互聯網的邊緣部分,處在互聯網邊緣的部分就是連接在互聯網上的所有的主機。這些主機又稱為端系統(tǒng) (end system)。端系統(tǒng)在功能上可能有很大的差別小的端系統(tǒng)可以是一臺普通個人電腦，具有上網功能的智能手機，甚至是一個很小的網絡攝像頭。大的端系統(tǒng)則可以是一臺非常昂貴的大型計算機。

6、端系統(tǒng)的擁有者可以是個人，也可以是單位（如學校、企業(yè)、政府機關等），當然也可以是某個 ISP。,端系統(tǒng)之間通信的含義,“主機 A 和主機 B 進行通信”實際上是指：“運行在主機 A 上的某個程序和運行在主機 B 上的另一個程序進行通信”。,即“主機 A 的某個進程和主機 B 上的另一個進程進行通信”。簡稱為“計算機之間通信”。,端系統(tǒng)之間的兩種通信方式,端系統(tǒng)之間的通信方式通?？蓜澐譃閮纱箢悾嚎蛻?服務器方式（C/S 方式）即

7、Client/Server方式，簡稱為 C/S 方式。 對等方式（P2P 方式） 即 Peer-to-Peer方式 ，簡稱為 P2P 方式。,1. 客戶服務器方式,客戶 (client) 和服務器 (server) 都是指通信中所涉及的兩個應用進程?？蛻簟掌鞣绞剿枋龅氖沁M程之間服務和被服務的關系。客戶是服務的請求方，服務器是服務的提供方。,服務請求方和服務提供方都要使用網絡核心部分所提供的服務。,,,,,,,,,運行

8、客戶程序,網絡邊緣,網絡核心,運行服務器程序,,,A,B,客戶,服務器,客戶 A 向服務器 B 發(fā)出請求服務，服務器 B 向客戶 A 提供服務,客戶-服務器工作方式,客戶軟件的特點,被用戶調用后運行，在打算通信時主動向遠地服務器發(fā)起通信（請求服務）。因此，客戶程序必須知道服務器程序的地址。不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統(tǒng)。,服務器軟件的特點,一種專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。系統(tǒng)啟動后即自

9、動調用并一直不斷地運行著，被動地等待并接受來自各地的客戶的通信請求。因此，服務器程序不需要知道客戶程序的地址。一般需要強大的硬件和高級的操作系統(tǒng)支持。,客戶與服務器的通信關系建立后，通信可以是雙向的，客戶和服務器都可發(fā)送和接收數據。,2. 對等連接方式,對等連接 (peer-to-peer，簡寫為 P2P) 是指兩個主機在通信時并不區(qū)分哪一個是服務請求方還是服務提供方。只要兩個主機都運行了對等連接軟件 (P2P 軟件) ，它們就可以

10、進行平等的、對等連接通信。雙方都可以下載對方已經存儲在硬盤中的共享文檔。,對等連接方式的特點,對等連接方式從本質上看仍然是使用客戶服務器方式，只是對等連接中的每一個主機既是客戶又是服務器。例如主機 C 請求 D 的服務時，C 是客戶，D 是服務器。但如果 C 又同時向 F提供服務，那么 C 又同時起著服務器的作用。,對等連接工作方式可支持大量對等用戶（如上百萬個）同時工作。,,,,,,,,,網絡邊緣,網絡核心,運行P2P 程序,運

11、行P2P 程序,,,,D,C,,E,F,運行P2P 程序,運行P2P 程序,,,,對等連接工作方式（P2P方式）,1.3.2 互聯網的核心部分,網絡核心部分是互聯網中最復雜的部分。網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信（即傳送或接收各種形式的數據）。在網絡核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。,1.3.2 互聯網的核心部分,路由器是實現分組交換 (pac

12、ket switching) 的關鍵構件，其任務是轉發(fā)收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。為了理解分組交換，首先了解電路交換的基本概念。,1. 電路交換的主要特點,?,?,,2 部電話機只需要用 1 對電線直接連接就能夠互相通話。,電話機的不同連接方法,(a) 兩部電話直接相連,1. 電路交換的主要特點,5 部電話機兩兩直接相連，需 10 對電線。,電話機的不同連接方法,(b) 5 部電話機兩兩直接相連,,,,,,,,,,,1.

13、 電路交換的主要特點,N 部電話機兩兩直接相連，需 N(N – 1)/2 對電線。這種直接連接方法所需要的電線對的數量與電話機數量的平方（ N2 ）成正比。,,使用交換機,當電話機的數量增多時，就要使用交換機來完成全網的交換任務。,…,,,,,?,?,?,?,?,,,,,,?,?,?,?,,交換機,每一部電話都直接連接到交換機上，而交換機使用交換的方法，讓電話用戶彼此之間可以很方便地通信。 所采用的交換方式就是電路交換 (circui

14、t switching)。,電話機的不同連接方法,(c) 用交換機連接許多部電話,“交換”的含義,在這里，“交換”(switching)的含義就是轉接 —— 把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。,電路交換特點,電路交換必定是面向連接的。 電路交換分為三個階段：建立連接：建立一條專用的物理通路，以保證雙方通話時所需的通信資源在通信時不會被其他用戶

15、占用；通信：主叫和被叫雙方就能互相通電話；釋放連接：釋放剛才使用的這條專用的物理通路（釋放剛才占用的所有通信資源）。,電路交換舉例,A 和 B 通話經過四個交換機通話在 A 到 B 的連接上進行,,電路交換的用戶始終占用端到端的通信資源,電路交換缺點,計算機數據具有突發(fā)性。這導致在傳送計算機數據時，通信線路的利用率很低（用來傳送數據的時間往往不到10%甚至1% ）。,2. 分組交換的主要特點,分組交換則采用存儲轉發(fā)技術。在發(fā)送

16、端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段。,,報文,添加首部構成分組,每一個數據段前面添加上首部構成分組(packet)。,數 據,數 據,數 據,首部,首部,首部,請注意：現在左邊是“前面”,分組交換的傳輸單元,分組交換網以“分組”作為數據傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。,以分組為基本單位在網絡中傳送,分組首部的重要性,每一個分組的首部都含有地址（諸如目的地址和源地址）等控制信

17、息。分組交換網中的結點交換機根據收到的分組首部中的地址信息，把分組轉發(fā)到下一個結點交換機。每個分組在互聯網中獨立地選擇傳輸路徑。用這樣的存儲轉發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。,收到分組后剝去首部,接收端收到分組后剝去首部還原成報文。,數 據,首部,數 據,首部,數 據,首部,收到的數據,最后還原成原來的報文,最后，在接收端把收到的數據恢復成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現差錯，在

18、轉發(fā)時也沒有被丟棄。,數 據,數 據,數 據,1.3.2 互聯網的核心部分,互聯網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起來的路由器組成，而主機處在互聯網的邊緣部分。互聯網核心部分中的路由器之間一般都用高速鏈路相連接，而在網絡邊緣的主機接入到核心部分則通常以相對較低速率的鏈路相連接。主機的用途是為用戶進行信息處理的，并且可以和其他主機通過網絡交換信息。路由器的用途則是用來轉發(fā)分組的，即進行分組交換的。,網絡核心

19、部分,分組交換的示意圖,(a) 核心部分的路由器把網絡互連起來,網絡核心部分,分組交換的示意圖,(b) 核心部分中的網絡可用一條鏈路表示,分組交換網的示意圖,,,,,,,,,,,,,H1,A,,,互聯網,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,,,,H1 向 H5 發(fā)送分組,H2 向 H6 發(fā)送分組,,,,,注意分組路徑的變化！,路由器,主機,,,注意分組的存儲轉發(fā)過程,,,,,,,,,,,,,H1,A,,,互聯網,B,D,E,C

20、,H5,H6,H4,H2,H3,,H1 向 H5 發(fā)送分組,路由器,主機,,,,,在路由器 E 暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口,,最后到達目的主機 H5,在路由器 C 暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口,在路由器 A 暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口,路由器,在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。路由器處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；查找轉發(fā)表，找出到某個目的地址應從哪個端口轉發(fā)；把分組送到適當的端口

21、轉發(fā)出去。,主機和路由器的作用不同,主機是為用戶進行信息處理的，并向網絡發(fā)送分組，從網絡接收分組。路由器對分組進行存儲轉發(fā)，最后把分組交付目的主機。,分組交換的優(yōu)點,分組交換帶來的問題,分組在各結點存儲轉發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。,存儲轉發(fā)原理并非完全新的概念,在 20 世紀 40 年代，電報通信也采用了基于存儲轉發(fā)原理的報文交換 (message swi

22、tching)。 報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等。現在報文交換已經很少有人使用了。,三種交換的比較,,,A B C D,A B C D,A B C D,,,,,報文交換,電路交換,分組交換,,t,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,數據傳送特點,比特流直達終點,報文,報文,報文,分組,分組,分組,存儲轉發(fā),存儲轉發(fā),存

23、儲轉發(fā),存儲轉發(fā),三種交換的比較,若要連續(xù)傳送大量的數據，且其傳送時間遠大于連接建立時間，則電路交換的傳輸速率較快。報文交換和分組交換不需要預先分配傳輸帶寬，在傳送突發(fā)數據時可提高整個網絡的信道利用率。由于一個分組的長度往往遠小于整個報文的長度，因此分組交換比報文交換的時延小，同時也具有更好的靈活性。,1.5 計算機網絡的類別,1.5.1 計算機網絡的定義1.5.2 幾種不同類別的網絡,1.5.1 計算機網絡的定義,計

24、算機網絡的精確定義并未統(tǒng)一。較好的定義：計算機網絡主要是由一些通用的、可編程的硬件互連而成的，而這些硬件并非專門用來實現某一特定目的（例如，傳送數據或視頻信號）。這些可編程的硬件能夠用來傳送多種不同類型的數據，并能支持廣泛的和日益增長的應用。,1.5.1 計算機網絡的定義,根據這個定義：(1) 計算機網絡所連接的硬件，并不限于一般的計算機，而是包括了智能手機。(2) 計算機網絡并非專門用來傳送數據，而是能夠支持很多種的應用（包

25、括今后可能出現的各種應用）。,請注意，上述的“可編程的硬件”表明這種硬件一定包含有中央處理機 (CPU)。,1.5.2 幾種不同類別的網絡,計算機網絡有多種類別。典型包括：1. 從網絡的作用范圍進行分類2. 從網絡的使用者進行分類3. 用來把用戶接入到互聯網的網絡,1. 從網絡的作用范圍進行分類,廣域網 WAN (Wide Area Network)：作用范圍通常為幾十到幾千公里。局域網 LAN (Local Area Net

26、work) ：作用距離約為5 ~ 50 公里。城域網 MAN (Metropolitan Area Network)：局限在較小的范圍（如 1 公里左右）。個人區(qū)域網 PAN (Personal Area Network) ：范圍很小，大約在10 米左右,若中央處理機之間的距離非常近（如僅1米的數量級甚至更小些），則一般就稱之為多處理機系統(tǒng)，而不稱它為計算機網絡。,2. 從網絡的使用者進行分類,公用網 (public network

27、) 按規(guī)定交納費用的人都可以使用的網絡。因此也可稱為公眾網。專用網 (private network) 為特殊業(yè)務工作的需要而建造的網絡。,公用網和專用網都可以傳送多種業(yè)務。如傳送的是計算機數據，則分別是公用計算機網絡和專用計算機網絡。,3. 用來把用戶接入到互聯網的網絡,接入網 AN (Access Network)，它又稱為本地接入網或居民接入網。接入網是一類比較特殊的計算機網絡，用于將用戶接入互聯網。接入網本身既不屬于互

28、聯網的核心部分，也不屬于互聯網的邊緣部分。接入網是從某個端系統(tǒng)到另一個端系統(tǒng)的路徑中，由這個端系統(tǒng)到第一個路由器（也稱為邊緣路由器）之間的一些物理鏈路所組成的。,3. 用來把用戶接入到互聯網的網絡,從覆蓋的范圍看，很多接入網還是屬于局域網。從作用上看，接入網只是起到讓用戶能夠與互聯網連接的“橋梁”作用。,1.6 計算機網絡的性能,1.6.1 計算機網絡的性能指標1.6.2 計算機網絡的非性能特征,1.6.1 計算機網絡的性

29、能指標,計算機網絡的性能一般是指它的幾個重要的性能指標，主要包括：速率帶寬吞吐率時延時延帶寬積往返時間 RTT利用率,1. 速率,比特（bit）是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。比特（bit）來源于 binary digit，意思是一個“二進制數字”，因此一個比特就是二進制數字中的一個 1 或 0。速率是計算機網絡中最重要的一個性能指標，指的是數據的傳送速率，它也稱為數據率 (data rate)

30、或比特率 (bit rate)。速率的單位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。例如 4 ? 1010 bit/s 的數據率就記為 40 Gbit/s。速率往往是指額定速率或標稱速率，非實際運行速率。,2. 帶寬,兩種不同意義：“帶寬”(bandwidth) 本來是指信號具有的頻帶寬度，其單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡中某通道傳送數據的能力。表示在單位時間內網絡中

31、的某信道所能通過的“最高數據率”。單位是 bit/s ，即 “比特每秒”。,在“帶寬”的上述兩種表述中，前者為頻域稱謂，而后者為時域稱謂，其本質是相同的。也就是說，一條通信鏈路的“帶寬”越寬，其所能傳輸的“最高數據率”也越高。,數字信號流隨時間的變化,在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。,3. 吞吐量,吞吐量 (throughput) 表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。吞吐量更經常地用于對現實世界中的網絡的一種

32、測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。,4. 時延 (delay 或 latency),時延 (delay 或 latency) 是指數據（一個報文或分組，甚至比特）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。有時也稱為延遲或遲延。網絡中的時延由以下幾個不同的部分組成：(1) 發(fā)送時延(2) 傳播時延(3) 處理時延(4) 排隊時延,4. 時延 (delay 或 la

33、tency),(1) 發(fā)送時延也稱為傳輸時延。發(fā)送數據時，數據幀從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。也就是從發(fā)送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。,,4. 時延 (delay 或 latency),(2) 傳播時延電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。 發(fā)送時延與傳播時延有本質上的不同。信號發(fā)送速率和信號在信道上的傳播速率是完全不同的概念。,,4. 時延 (delay 或 latency)

34、,(3) 處理時延主機或路由器在收到分組時，為處理分組（例如分析首部、提取數據、差錯檢驗或查找路由）所花費的時間。 (4) 排隊時延分組在路由器輸入輸出隊列中排隊等待處理所經歷的時延。排隊時延的長短往往取決于網絡中當時的通信量。,4. 時延 (delay 或 latency),數據在網絡中經歷的總時延就是發(fā)送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和。,總時延 = 發(fā)送時延 + 傳播時延 + 處理時延

35、+ 排隊時延,必須指出，在總時延中，究竟是哪一種時延占主導地位，必須具體分析。,四種時延所產生的地方,,,,,,,,,1 0 1 1 0 0 1,…,發(fā)送器,隊列,結點 B,結點 A,,,在結點 A 中產生處理時延和排隊時延,數據,假設從結點 A 向結點 B 發(fā)送數據,鏈路,幾種時延產生的地方不一樣,容易產生的錯誤概念,對于高速網絡鏈路，我們提高的僅僅是數據的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。 提高鏈路帶寬減小了數據的發(fā)送時

36、延。,以下說法是錯誤的：“在高速鏈路（或高帶寬鏈路）上，比特會傳送得更快些”。,5. 時延帶寬積,鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。,,,,（傳播）時延,鏈路,帶寬,,時延帶寬積 = 傳播時延 ? 帶寬,只有在代表鏈路的管道都充滿比特時，鏈路才得到了充分利用。,鏈路像一條空心管道,6. 往返時間 RTT,互聯網上的信息不僅僅單方向傳輸，而是雙向交互的。因此，有時很需要知道雙向交互一次所需的時間。往返時間表示從發(fā)送方發(fā)送

37、數據開始，到發(fā)送方收到來自接收方的確認，總共經歷的時間。在互聯網中，往返時間還包括各中間結點的處理時延、排隊時延以及轉發(fā)數據時的發(fā)送時延。當使用衛(wèi)星通信時，往返時間 RTT 相對較長，是很重要的一個性能指標。,7. 利用率,分為信道利用率和網絡利用率。信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）。完全空閑的信道的利用率是零。網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。信道利用率并非越高越好。當某信道的利用率增

38、大時，該信道引起的時延也就迅速增加。,時延與網絡利用率的關系,根據排隊論的理論，當某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也就迅速增加。 若令 D0 表示網絡空閑時的時延，D 表示網絡當前的時延，則在適當的假定條件下，可以用下面的簡單公式表示 D 和 D0之間的關系：,,其中：U 是網絡的利用率，數值在 0 到 1 之間。,時延與網絡利用率的關系,當信道的利用率增大時，該信道引起的時延迅速增加。,1.6.2 計算機網絡的非性能特征,一

39、些非性能特征也很重要。它們與前面介紹的性能指標有很大的關系。主要包括：費用質量標準化可靠性可擴展性和可升級性 易于管理和維護,1.7 計算機網絡的體系結構,1.7.1 計算機網絡體系結構的形成1.7.2 協議與劃分層次1.7.3 具有五層協議的體系結構1.7.4 實體、協議、服務和服務訪問點1.7.5 TCP/IP 的體系結構,1.7.1 計算機網絡體系結構的形成,計算機網絡是個非常復雜的系統(tǒng)。相互通

40、信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協調工作才行，而這種“協調”是相當復雜的。 “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。,1.7.1 計算機網絡體系結構的形成,1974年，美國的 IBM 公司宣布了系統(tǒng)網絡體系結構SNA (System Network Architecture)。這個著名的網絡標準就是按照分層的方法制定的。不久后，其他一些公司也相繼推出自己公司的具有不同名稱的體系結

41、構。由于網絡體系結構的不同，不同公司的設備很難互相連通。,開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM,為了使不同體系結構的計算機網絡都能互連，國際標準化組織 ISO 于1977年成立了專門機構研究該問題。他們提出了一個試圖使各種計算機在世界范圍內互連成網的標準框架，即著名的開放系統(tǒng)互連基本參考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，簡稱為 OSI。,只要遵循 OSI 標

42、準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。,開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM,OSI 只獲得了一些理論研究的成果，在市場化方面卻失敗了。原因包括：OSI 的專家們在完成 OSI 標準時沒有商業(yè)驅動力；OSI 的協議實現起來過分復雜，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 的層次劃分也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現。,兩

43、種國際標準,法律上的 (de jure) 國際標準 OSI 并沒有得到市場的認可。非國際標準 TCP/IP 卻獲得了最廣泛的應用。TCP/IP 常被稱為事實上的 (de facto) 國際標準。,1.7.2 協議與劃分層次,計算機網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。 這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）。網絡協議 (network protocol)，簡稱為協議，是為進行網絡中的數據

44、交換而建立的規(guī)則、標準或約定。,網絡協議的三個組成要素,語法：數據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：事件實現順序的詳細說明。,由此可見，網絡協議是計算機網絡的不可缺少的組成部分。,協議的兩種形式,一種是使用便于人來閱讀和理解的文字描述。另一種是使用讓計算機能夠理解的程序代碼。這兩種不同形式的協議都必須能夠對網絡上信息交換過程做出精確的解釋。,層次式協議結構,ARPANE

45、T 的研制經驗表明，對于非常復雜的計算機網絡協議，其結構應該是層次式的。,劃分層次的概念舉例,主機 1 向主機 2 通過網絡發(fā)送文件?？梢詫⒁龅墓ぷ鬟M行如下的劃分：第一類工作與傳送文件直接有關。確信對方已做好接收和存儲文件的準備。雙方已協調好一致的文件格式。兩個主機將文件傳送模塊作為最高的一層 ，剩下的工作由下面的模塊負責。,兩個主機交換文件,,,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

46、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,,再設計一個通信服務模塊,,,,,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,,,,,,,,,,再設計一個網絡接入模塊,文件傳送模塊,主機 1,主機 2,文件傳送模塊,

47、,,通信服務模塊,通信服務模塊,,,網絡接入模塊,網絡接入模塊,通信網絡,網絡接口,網絡接口,,,網絡接入模塊負責做與網絡接口細節(jié)有關的工作，例如：規(guī)定傳輸的幀格式，幀的最大長度等。,分層的好處與缺點,好處,各層之間是獨立的。靈活性好。結構上可分割開。易于實現和維護。能促進標準化工作。,缺點,降低效率。有些功能會在不同的層次中重復出現，因而產生了額外開銷。,層數多少要適當,層數太少，就會使每一層的協議太復雜。層數太多，又

48、會在描述和綜合各層功能的系統(tǒng)工程任務時遇到較多的困難。,各層完成的主要功能,① 差錯控制：使相應層次對等方的通信更加可靠。② 流量控制：發(fā)送端的發(fā)送速率必須使接收端來得及接收，不要太快。③ 分段和重裝 ：發(fā)送端將要發(fā)送的數據塊劃分為更小的單位，在接收端將其還原。④ 復用和分用：發(fā)送端幾個高層會話復用一條低層的連接，在接收端再進行分用。⑤ 連接建立和釋放：交換數據前先建立一條邏輯連接，數據傳送結束后釋放連接。,計算機網絡的體系結構

49、,計算機網絡的體系結構 (architecture) 是計算機網絡的各層及其協議的集合。 體系結構就是這個計算機網絡及其部件所應完成的功能的精確定義。實現 (implementation) 是遵循這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，而實現則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。,1.7.3 具有五層協議的體系結構,OSI 的七層協議體系結構的概念清楚，理論也較完整，但它既復雜又不實用。

50、TCP/IP 是四層體系結構：應用層、運輸層、網際層和網絡接口層。但最下面的網絡接口層并沒有具體內容。因此往往采取折中的辦法，即綜合 OSI 和 TCP/IP 的優(yōu)點，采用一種只有五層協議的體系結構 。,1.7.3 具有五層協議的體系結構,,,,,,,,應用層,運輸層,網絡層,表示層,會話層,數據鏈路層,物理層,7654321,OSI 的體系結構,,,,,應用層,網絡接口層,網際層 IP,(各種應用層協議，如DNS,

51、 HTTP, SMTP 等),運輸層 (TCP 或 UDP),TCP/IP 的體系結構,(a),(b),(c),,,,,,運輸層,網絡層,應用層,數據鏈路層,物理層,54321,五層協議的體系結構,（這一層并沒有具體內容）,計算機網絡體系結構：(a) OSI 的七層協議；(b) TCP/IP 的四層協議；(c) 五層協議,五層協議的體系結構,應用層 (application layer) 運輸層 (transport la

52、yer) 網絡層 (network layer) 數據鏈路層 (data link layer) 物理層 (physical layer),數據鏈路層,5 應用層,4 運輸層,3 網絡層,2 數據鏈路層,1 物理層,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,,主機 2,應用進程數據先傳送到

53、應用層,加上應用層首部，成為應用層 PDU,PDU (Protocol Data Unit)：協議數據單元。OSI參考模型把對等層次之間傳送的數據單位稱為該層的協議數據單元 PDU。,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,,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)送數據,,,5,4,3,2,1

54、,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,,主機 2,運輸層報文再傳送到網絡層,加上網絡層首部，成為 IP 數據報（或分組）,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,,主機 2,IP 數據報再傳送到數據鏈路層,加上鏈路層首部和尾部，成為數據鏈路層幀,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,

55、2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,,主機 2,數據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)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,,物理傳輸媒體,,,主機 1,,AP2,,AP1,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 2,,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,

56、,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,物理層接收到比特流，上交給數據鏈路層,,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數據部分，上交給網絡層,,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,網絡層剝去首部，取出數據部分

57、上交給運輸層,,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,運輸層剝去首部，取出數據部分上交給應用層,,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,應用層剝去首部，取出應用程序數據上交給應用進程,,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,

58、,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,,我收到了 AP1 發(fā)來的應用程序數據！,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,應 用 程 序 數 據,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次,應 用 程 序 數 據,主機 1 向主機 2

59、發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,10100110100101 比 特 流 110101110101,主機 2 的物理層收到比特流后交給數據鏈路層,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數據部分交給網絡層,H2,T2,

60、H3,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,網絡層剝去分組首部后把分組的數據部分交給運輸層,H4,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,運輸層剝去報文首部后把報文的數據部分交給應用層,應 用 程 序 數 據,H5,應 用 程 序 數 據,主機

61、1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,應用層剝去應用層 PDU 首部后把應用程序數據交給應用進程,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,,,5,4,3,2,1,,,,,,5,4,3,2,1,,,,,主機 1,,AP2,,AP1,主機 2,,我收到了 AP1 發(fā)來的應用程序數據！,主機 1 向主機 2 發(fā)送數據,OSI 參考模型把對等層次之間傳送的數據

62、單位稱為該層的協議數據單元 PDU (Protocol Data Unit)。這個名詞現已被許多非 OSI 標準采用。任何兩個同樣的層次把數據（即數據單元加上控制信息）通過水平虛線直接傳遞給對方。這就是所謂的“對等層”(peer layers)之間的通信。各層協議實際上就是在各個對等層之間傳遞數據時的各項規(guī)定。,1.7.4 實體、協議、服務和服務訪問點,實體 (entity) 表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。 協議是控

63、制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。 在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現本層協議，還需要使用下層所提供的服務。,協議和服務在概念上是不一樣的,協議的實現保證了能夠向上一層提供服務。本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協議。即下面的協議對上面的服務用戶是透明的。 協議是“水平的”，即協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。上層使用服

64、務原語獲得下層所提供的服務。,服務訪問點,同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱為服務訪問點 SAP (Service Access Point)。 服務訪問點SAP是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯接口。OSI把層與層之間交換的數據的單位稱為服務數據單元 SDU (Service Data Unit)。SDU 可以與 PDU 不一樣，例如，可以是多個 SDU 合成為一個 PDU，也可以是一個 SDU 劃分為幾個 PDU。,

65、1.7.4 實體、協議、服務和服務訪問點,相鄰兩層之間的關系,協議很復雜,協議必須把所有不利的條件事先都估計到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 看一個計算機網絡協議是否正確，不能光看在正常情況下是否正確，還必須非常仔細地檢查這個協議能否應付各種異常情況。,【例1-1】著名的協議舉例,占據東、西兩個山頂的藍軍1和藍軍2與駐扎在山谷的白軍作戰(zhàn)。其力量對比是：單獨的藍軍1或藍軍2打不過白軍，但藍軍1和藍軍2協同作戰(zhàn)則可戰(zhàn)勝白軍?，F

66、藍軍1擬于次日正午向白軍發(fā)起攻擊。于是用計算機發(fā)送電文給藍軍2。但通信線路很不好，電文出錯或丟失的可能性較大（沒有電話可使用）。因此要求收到電文的友軍必須送回一個確認電文。但此確認電文也可能出錯或丟失。試問能否設計出一種協議使得藍軍1和藍軍2能夠實現協同作戰(zhàn)，因而一定（即100 %而不是99.999…%）取得勝利？,,,,,,,,…,…,…,…,…,…,這樣的協議無法實現！,結論,這樣無限循環(huán)下去，兩邊的藍軍都始終無法確定自己最后發(fā)出的

67、電文對方是否已經收到。沒有一種協議能夠使藍軍 100% 獲勝。這個例子告訴我們，看似非常簡單的協議，設計起來要考慮的問題還是比較多的。,1.7.5 TCP/IP 的體系結構,,,應用層運輸層網際層網絡接口層,,,,,,,,,主機A,主機B,路由器,網絡 2,網絡 1,,,,,應用層運輸層網際層網絡接口層,網際層網絡接口層,4321,路由器在轉發(fā)分組時最高只用到網際層而沒有使用運輸層和應用層。,TCP/I

68、P 是四層體系結構,TCP/IP 體系結構的另一種表示方法,實際上，現在的互聯網使用的 TCP/IP 體系結構有時已經發(fā)生了演變，即某些應用程序可以直接使用 IP 層，或甚至直接使用最下面的網絡接口層。,沙漏計時器形狀的TCP/IP協議族,,,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,,,,,,,網際層,網絡接口層,運輸層,應用層,…,…,…,,,,,,,,,,網絡接口 1,網絡接口 2,網絡接口 3,Everythin