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1、网络体系结构与协议 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望网络体系结构与协议网络体系结构与协议计算机网络也是由硬件和软件组成的计算机网络也是由硬件和软件组成的 硬件硬件:传输介质、计算机或网络设备、以及介质和计算机之间相连的接口等。软件：软件：控制信息传送的协议以及其他相应的网络软件。什么是协议?人际交流的协议人际交流的协议人际交流的协议人际交流的协议:introductionsintroductions“I have a question”“I have
2、 a question”“whats the time?”“whats the time?”说明发送的消息说明发送的消息 说明接收到某消息说明接收到某消息后所应采取的行动后所应采取的行动网络协议网络协议网络协议网络协议:l l计算机之间计算机之间l lInternetInternet中所有的通信活中所有的通信活动都是由协议所控制动都是由协议所控制协议：定义了网络实体间发送和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取得行动什么是协议?人的协议和网络协议之间的对比人的协议和网络协议之间的对比hellohelloHelloHelloTCP connectionTCP connection re
3、q.req.Get http:/ http:/ 1 1、协议协议 实实现现计计算算机机网网络络资资源源共共享享、信信息息交交换换，各各实实体体之之间间经经常常要进行各种通信和对话。要进行各种通信和对话。为所欲为、各行其是，其结果肯定是乱作一团。为所欲为、各行其是，其结果肯定是乱作一团。把把国国际际互互连连网网络络叫叫做做信信息息高高速速公公路路，要要想想在在上上面面实实现现共共享享资资源源、交交换换信信息息，必必须须遵遵循循一一些些事事先先制制定定好好的的规规则则标标准准，这这就就是协议。是协议。协协议议就就是是计计算算机机网网络络中中实实体体之之间间有有关关通通信信规规则则约约定定的的集集合
4、。合。协议有三个要素，即：协议有三个要素，即：语法（语法（SyntaxSyntax）：）：“怎么讲怎么讲”；数据与控制信息的；数据与控制信息的格式格式、数据数据编码编码等；等；语义（语义（SemanticsSemantics）：）：讲什么讲什么”；控制信息的；控制信息的内容内容，需要，需要 做出的做出的动作动作及及响应响应；时序（时序（TimingTiming）：）：“序速控序速控”；事件先后；事件先后顺序顺序和和速度速度 匹配匹配。以两个人打电话为例来说明协议的概念：以两个人打电话为例来说明协议的概念：甲甲要要打打电电话话给给乙乙，首首先先甲甲拨拨通通乙乙的的电电话话号号码码，对对方方电电话
5、话振振铃铃，乙乙拿起电话，然后甲乙开始通话，通话完毕后，双方挂断电话。拿起电话，然后甲乙开始通话，通话完毕后，双方挂断电话。在这个过程中，甲乙双方都遵守了打电话的协议。在这个过程中，甲乙双方都遵守了打电话的协议。在这个过程中，甲乙双方都遵守了打电话的协议。在这个过程中，甲乙双方都遵守了打电话的协议。其其中中，电电话话号号码码就就是是“语语法法”的的一一个个例例子子，一一般般电电话话号号码码由由五五到到八八位位阿阿拉拉伯伯数数字字组组成成，如如果果是是长长途途要要加加拨拨区区号号，国国际际长长途途还还有有国国家代码等等；两人之间的谈话选择使用什么语言也是家代码等等；两人之间的谈话选择使用什么语言
6、也是语法语法 甲拨通乙的电话后，乙的电话振铃，振铃是一个信号，表示有电话打进，乙选择接电话，讲话；这这一一系系列列的的动动作作包包括括了了控控制制信信号号、响应动作、响应动作、讲话内容等等，就是等等，就是“语义语义”的例子的例子；“时时序序”的的概概念念更更好好理理解解，因因为为甲甲拨拨了了电电话话，乙乙的的电电话话才才会会响响，乙乙听听到到铃铃声声后后才才会会考考虑虑要要不不要要接接，这一系列事件的因果关系十分明确，不可能没有人拨乙的电话而乙的电话会响，也不可能在电话铃没响的情况下，乙拿起电话却从话筒里传出甲的声音。2 2、分层分层 为为了了降降低低设设计计复复杂杂性性、便便于于维维护护、提
7、提高高运运行行效效率率，大多数网络都按大多数网络都按“层层”的方式来组织。的方式来组织。每每一一层层都都建建立立在在它它的的下下层层之之上上。不不同同的的网网络络，其其层层的的数数量量、各各层层的的名名字字、内内容容和和功功能能都都不不尽尽相相同同。然然而而，在在所所有有的的网网络络中中，每每一一层层的的目目的的都都是是向向它它的的上上一一层层提提供供一一定定的的服服务务，而而把把如如何何实实现现这这一一服服务务的的细细节节对对上上一一层层加加以屏蔽。以屏蔽。一一台台机机器器上上的的第第n n层层与与另另一一台台机机器器上上的的第第n n层层进进行行对对话话。对对话话的的规规则则就就是是第第n
8、 n层层协协议议。协协议议基基本本上上就就是是通通信信双双方关于通信如何进行所达成的一致。方关于通信如何进行所达成的一致。网络体系结构的几个基本概念网络体系结构的几个基本概念 协议协议协议协议：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定。标准或约定。标准或约定。标准或约定。(=(=语义语义语义语义+语法语法语法语法+规则规则规则规则)不同层具有各自不同的协议。不同层具有各自不同的协议。不同层具有各自不同的协议。不同层具有各自不同的协议。实体实体实
9、体实体：任何可以发送或接收信息的硬件：任何可以发送或接收信息的硬件：任何可以发送或接收信息的硬件：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。软件进程。软件进程。软件进程。对等层对等层对等层对等层：两个不同系统的同名层次。：两个不同系统的同名层次。：两个不同系统的同名层次。：两个不同系统的同名层次。对等实体对等实体对等实体对等实体：位于不同系统的同名层次中的两个实体。：位于不同系统的同名层次中的两个实体。：位于不同系统的同名层次中的两个实体。：位于不同系统的同名层次中的两个实体。协议作用在对等实体之间协议作用在对等实体之间协议作用在对等实体之间协议作用在对等实体之间。接口接口接口接口：相邻两层之间
10、交互的界面，定义相邻两层之间的：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。操作及下层对上层的服务。操作及下层对上层的服务。操作及下层对上层的服务。服务服务服务服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供：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。给其相邻上层。给其相邻上层。给其相邻上层。这是一个5层的协议。不同机器里包含对应层的实体叫对等对等进程进程，正是对等进程利用协议进行通信
11、。但实际上，数据不是从一台机器的第n层直接传送到另一台机器的第n层，而是每一层都把数据和控制信息交给它的下一层，直到最下层。第一层下是物理介质，由它进行实际的通信。图中虚线表示虚拟通信，实线表示物理通信。每一对相邻层之间都有一个每一对相邻层之间都有一个接口接口。接口定义下层向。接口定义下层向上层提供的上层提供的服务服务。当网络设计者在决定一个网络应包括多少层，每当网络设计者在决定一个网络应包括多少层，每一层应当做什么的时候，其中一个很重要的考虑就是一层应当做什么的时候，其中一个很重要的考虑就是要在相邻层之间定义一个清晰的接口。为了达到这些要在相邻层之间定义一个清晰的接口。为了达到这些目的，又要
12、求每一层能完成一组特定的有明确含义的目的，又要求每一层能完成一组特定的有明确含义的功能。除了尽可能的减少必须在相邻层之间传递的信功能。除了尽可能的减少必须在相邻层之间传递的信息数量外，一个清晰的接口可以使同一层能轻易的用息数量外，一个清晰的接口可以使同一层能轻易的用一种实现来替换另一种完全不同的实现（譬如用卫星一种实现来替换另一种完全不同的实现（譬如用卫星信道来代替所有的电话线），只要新的实现能像上一信道来代替所有的电话线），只要新的实现能像上一层提供旧的实现所提供的同一组服务就可以了层提供旧的实现所提供的同一组服务就可以了层和协议的集合被称为网络体系结构。某一系统所使用的协议列表，每层一个协
13、议，被称之为协议栈。社团社团A社团社团B消息消息哲学家哲学家给远程翻给远程翻译的信息译的信息翻译翻译秘书秘书给远程秘给远程秘书的信息书的信息汉语汉语我喜我喜欢兔欢兔子子汉语汉语我喜我喜欢兔欢兔子子汉语汉语我喜我喜欢兔欢兔子子汉语汉语我喜我喜欢兔欢兔子子哲学家-翻译-秘书结构上图的例子来说明多层通信的实质。上图的例子来说明多层通信的实质。两个社团的两位两个社团的两位哲学家（哲学家（第三层中的对等实体）希望通话。他们一个说英语，另一个说法语。由于没有共第三层中的对等实体）希望通话。他们一个说英语，另一个说法语。由于没有共同的语言，他们同的语言，他们无法直接通信无法直接通信。于是他们每个人都雇用了一
14、位于是他们每个人都雇用了一位翻译翻译（第二层中的对等实体）。每一个翻译又进一步和一位（第二层中的对等实体）。每一个翻译又进一步和一位秘书秘书（第一层中（第一层中的对等实体）联络，秘书负责打字、传真、接听电话等一般性工作。的对等实体）联络，秘书负责打字、传真、接听电话等一般性工作。这样，这样，每个社团都形成了三个层次的机构每个社团都形成了三个层次的机构。哲学家哲学家1 1希望向哲学家希望向哲学家2 2表达他对兔子的感情。他把这一信息用英语通过第二层与第三层之间的接口传给他表达他对兔子的感情。他把这一信息用英语通过第二层与第三层之间的接口传给他的的翻翻译译：“I I like like rabbi
15、ts”,rabbits”,如如上上图图所所示示。翻翻译译根根据据协协议议使使用用汉汉语语作作为为中中间间语语言言，消消息息被被转转换换为为“我我喜喜欢欢兔兔子子”。对语言的选择是第二层协议的事儿，与他人无关。对语言的选择是第二层协议的事儿，与他人无关。接下来翻译把消息交给秘书传递，例如使用传真（第一层协议）。当消息到达时，它被翻译成法语并通过接下来翻译把消息交给秘书传递，例如使用传真（第一层协议）。当消息到达时，它被翻译成法语并通过第二层与第三层之间的接口到达哲学家第二层与第三层之间的接口到达哲学家2 2。应当注意到每层协议与其他层协议完全无关，只要接口保持不变。只需两位翻译认可，他们可以随意
16、将汉应当注意到每层协议与其他层协议完全无关，只要接口保持不变。只需两位翻译认可，他们可以随意将汉语换成俄语而完全不必改变他们和第一层或第三层之间的接口。与之相似，秘书可以把传真换成电子邮件而不语换成俄语而完全不必改变他们和第一层或第三层之间的接口。与之相似，秘书可以把传真换成电子邮件而不会影响到其他层。某些层可能增加一些被对等实体使用的信息（如第一层的传真号）。这些信息不会被传递到会影响到其他层。某些层可能增加一些被对等实体使用的信息（如第一层的传真号）。这些信息不会被传递到在他们之上的层。在他们之上的层。这里，甲乙社团都可以看作是网络结点，而哲学家、翻译和秘书是一个个的通信实体。处于不同结点
17、的相这里，甲乙社团都可以看作是网络结点，而哲学家、翻译和秘书是一个个的通信实体。处于不同结点的相同层次的实体叫做对等实体同层次的实体叫做对等实体。而。而协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定。比如两个社团的秘书之间就。比如两个社团的秘书之间就有收发传真和普通信函的协议，翻译之间都遵照约定语言的协议，哲学家之间当然也有协议，不过那就是他有收发传真和普通信函的协议，翻译之间都遵照约定语言的协议，哲学家之间当然也有协议，不过那就是他们之间的事情了。们之间的事情了。通信系统采用了层次化的结构，有许多优点：通信系统采用了层次化的结构，有许多优点：各层之间相互独立
18、，高层不必关心低层的实现细节，可以真正做到各司其职。各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，可以真正做到各司其职。利于实现和维护，某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。利于实现和维护，某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。易于标准化易于标准化。两人通讯模型的特点：模型具有三个层次 相同层次的交流都是独立进行的，不受其他层次影响上下相邻两个层次之间的联系可以用“提供服务”和“使用服务”来进行说明 另一个例子：货物货物说明货包1说明标签货包1说明标签车厢货包1标签货包1标签车厢货物货物说明货包1说明标签货包1说明标签车厢货包1标签货包1标签车厢公司甲公司乙商业协定公司间发货规
19、章货运处规章车站规章 公司甲有货物要发给公司乙，并按照公司间发货规章给货物加了一个说明以识别该货物。并把加了说明的货物交给了车站货运处，货运处按照他们的规章，发现货物太大，于是将货物分成了多个小包裹，并给每个包裹按照他们的规章加上了标签，决定将它们交由哪次列车运送（可能并不是一次列车）。并将其交给了车站搬运处。搬运处将每个包裹分别装进了车厢，然后通过铁路运到目的地。到目的地后，按照上述过程的逆过程一层层去掉封装，每向上传递一层，该层的包装就被剥掉，绝不会出现把下层的包装交给上层的情况（譬如把车厢连包裹一起交给货运处）。直到公司乙拿到货物。该例子可以类比向图该例子可以类比向图1 1中中5 5层网
20、络的顶层层网络的顶层提供通信：提供通信：向图1中5层网络的顶层提供通信：第5层运行的某应用程序产生了消息M，并交给第4层进行传输。第4层在消息的前面加上了一个报头以识别该消息，并把结果传递给第3层。报头包括控制信息，例如序号，一是目标机器上的第4层能在下层未保持信息顺序时按正确的顺序提交。在某些层，报头还包括长度、时间和其他控制字段。在许多网络中，对于第4层传输的消息长度没有限制，但在第3层却常常有限制。因此，第三层必须把上层来的消息分成较小的单元（分组），在每个分组前加上第3层报头。第3层决定使用哪一条输出线路，并把分组传递给第2层。第2层不仅给每段消息加上报头信息，而且还加上尾部信息，然后
21、把结果交给第1层进行传输。在接受方，报文向上传递1层，该层的报头就被剥掉，决不会处想把带有第n层以下的报头的报文交给第n层的情况 理解图1的关键是要理解虚拟通信和实际通信之间的关系，以及协议和接口之间的区别。例如，第4层中的对等进程，概念上认为他们的通信是水平方向的使用第4层协议。每一方都好像有一个“发送到另一方去”和“从另一方接收”的过程调用。但实际上这些调用是跨过第3层与第4层的接口与下层通信，而不是直接与另一方通信。就好像公司甲写的货物说明是给公司乙看的，他认为他是在和公司乙通信，但实际上这些东西是通过货运处、车站、火车运给公司乙的。他只和货运处直接打交道。抽象出对等进程对等进程这一概念，对网络设计是至关重要的。有了这种技术，就可以把设计完整的网络这种难以处理的事情划分为n个小的、易于处理的问题 各层的设计。