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1、数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络电子信息与电气工程学部崔 君 郭艳卿 第三章第三章 网络协议及网络体系结构网络协议及网络体系结构基本概念的理解基本概念的理解1OSI体系结构体系结构23OSI各层基本功能各层基本功能vv简单的双机通信：简单的双机通信：简单的双机通信：简单的双机通信：只有传送数据的通路是远远不够的只有传送数据的通路是远远不够的只有传送数据的通路是远远不够的只有传送数据的通路是远远不够的v至少还要完成以下工作：至少还要完成以下工作：至少还要完成以下工作：至少还要完成以下工作：“激活激活”数据通信的通路数据通信的通路告诉网络如何识别接收数据的计算机告诉网络如何识别接收数据的计
2、算机查明对方是否已准备好接收数据查明对方是否已准备好接收数据查明对方文件管理程序是否准备好存储文件查明对方文件管理程序是否准备好存储文件如发方和收方的文件格式不同，则需转换如发方和收方的文件格式不同，则需转换需有措施来保证收方能够接收到正确的文件需有措施来保证收方能够接收到正确的文件1.1.基本概念的理解基本概念的理解v协议（协议（协议（协议（ProtocolProtocol）：）：）：）：原为外交辞令，据说是为了在原为外交辞令，据说是为了在国与国之间进行顺利交流而规定的约束事项国与国之间进行顺利交流而规定的约束事项(规则规则)。v协议的定义协议的定义协议的定义协议的定义:为在网络节点计算机间
3、进行通信和共为在网络节点计算机间进行通信和共为在网络节点计算机间进行通信和共为在网络节点计算机间进行通信和共享资源而建立的规则（标准）。享资源而建立的规则（标准）。享资源而建立的规则（标准）。享资源而建立的规则（标准）。包括：硬件连接方式、数据编码、传输控制、数据格式及组织、差错、流量、复用、交换、压缩、安全措施、互连及互连设备等。v协议的组成（三要素）协议的组成（三要素）协议的组成（三要素）协议的组成（三要素）:语法：语法：语法：语法：即数据与控制信息的结构或格式即数据与控制信息的结构或格式即数据与控制信息的结构或格式即数据与控制信息的结构或格式 语义：语义：语义：语义：即需要发出何种控制信
4、息，完成何种即需要发出何种控制信息，完成何种即需要发出何种控制信息，完成何种即需要发出何种控制信息，完成何种 动作以及做出何种响应动作以及做出何种响应动作以及做出何种响应动作以及做出何种响应 同步：同步：同步：同步：即事件实现顺序的详细说明即事件实现顺序的详细说明即事件实现顺序的详细说明即事件实现顺序的详细说明1.1.基本概念的理解基本概念的理解协议协议1.1.基本概念的理解基本概念的理解层次层次v为了减少协议设计的复杂性，大部分网络都按为了减少协议设计的复杂性，大部分网络都按为了减少协议设计的复杂性，大部分网络都按为了减少协议设计的复杂性，大部分网络都按层的方式来组织。层的方式来组织。层的方
5、式来组织。层的方式来组织。v分层的好处：分层的好处：分层的好处：分层的好处：各层之间相互独立各层之间相互独立各层之间相互独立各层之间相互独立 灵活性好灵活性好灵活性好灵活性好 结构上可分割开结构上可分割开结构上可分割开结构上可分割开 易于实现和维护易于实现和维护易于实现和维护易于实现和维护 能促进标准化工作能促进标准化工作能促进标准化工作能促进标准化工作v层数多少要适当：层数多少要适当：层数多少要适当：层数多少要适当：若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各
6、层功能的系统工程任层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。务时遇到较多的困难。务时遇到较多的困难。务时遇到较多的困难。1.1.基本概念的理解基本概念的理解层次层次v通常每一层要实现以下功能的一种或多种：通常每一层要实现以下功能的一种或多种：差错控制差错控制流量控制流量控制分段和重装分段和重装复用和分用复用和分用连接建立和释放连接建立和释放v分层的缺点：分层的缺点：分层的缺点：分层的缺点：有些功能会在不同的层次中重复出现，因此产有些功能会在不同的层次中重复出现，因此产有些功能会在不同的
7、层次中重复出现，因此产有些功能会在不同的层次中重复出现，因此产生了额外开销。生了额外开销。生了额外开销。生了额外开销。划分层次的概念举例划分层次的概念举例 v计算机计算机计算机计算机 1 1 1 1 向计算机向计算机向计算机向计算机 2 2 2 2 通过网络发送文件。通过网络发送文件。通过网络发送文件。通过网络发送文件。v可以将要做的工作进行如下的划分。可以将要做的工作进行如下的划分。可以将要做的工作进行如下的划分。可以将要做的工作进行如下的划分。v第一类工作与传送文件直接有关。第一类工作与传送文件直接有关。第一类工作与传送文件直接有关。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文
8、件的准备。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。双方协调好一致的文件格式。v两个计算机将两个计算机将两个计算机将两个计算机将文件传送模块文件传送模块文件传送模块文件传送模块作为最高的一层作为最高的一层作为最高的一层作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。剩下的工作由下面的模块负责。剩下的工作由下面的模块负责。剩下的工作由下面的模块负责。1.1.基本概念的理解基本概念的理解层次层次两个计算机交换文件两个计算机交换文件 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块文件及文件传送命令把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块1.1.基本概念的理解基本概念的理解层
9、次层次再设计一个通信服务模块再设计一个通信服务模块 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块1.1.基本概念的理解基本概念的理解层次层次再设计一个网络接入模块再设计一个网络接入模块 文件传送模块计算机 1计算机 2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。1.1.基本概念的理解基本概念的理解层次层次v一个生活中通信的例子一个生活中通信的例子一
10、个生活中通信的例子一个生活中通信的例子1.1.基本概念的理解基本概念的理解层次层次v网络体系结构（网络体系结构（网络体系结构（网络体系结构（Network ArchitectureNetwork ArchitectureNetwork ArchitectureNetwork Architecture ）：）：）：）：计算机网络的各层及其协议的集合v计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所完成的功能的精确定义。ISO/OSI/RM 开放系统互连参考模型，广域网协议的集合TCP/IP 互连网体系结构IEEE802 局域网体系结构1.1.基本概念的理解基本概念的理解体系结
11、构体系结构第三章第三章 网络协议及网络体系结构网络协议及网络体系结构基本概念的理解基本概念的理解1OSI体系结构体系结构23OSI各层基本功能各层基本功能vvOSIOSIOSIOSI参考模型参考模型参考模型参考模型 ISOISO（国国际际标标准准化化组组织织）19781978年年提提出出的的OSI/RM(OSI/RM(开开放放式式系系统统互互连连参参考考模模型型 open open system system interconnection interconnection reference reference model)model)，该模型是设计和描述网络通信的基本框架。，该模型是设计和描
12、述网络通信的基本框架。vvOSIOSIOSIOSI的分层结构的分层结构的分层结构的分层结构 成功之处：分开了服务、接口、协议的概念。成功之处：分开了服务、接口、协议的概念。为开放系统提供了一个概念上和功能性的为开放系统提供了一个概念上和功能性的主体结构主体结构，仅反映开放系统通信结构方面相互间的逻辑关系，而仅反映开放系统通信结构方面相互间的逻辑关系，而非开放系统互连的具体实施规范。非开放系统互连的具体实施规范。特点特点：定义了七层功能及对应协议，称七层协议。：定义了七层功能及对应协议，称七层协议。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RMvOSI/RM（开放系统互连参考模型）
13、（开放系统互连参考模型）“开开放放”指指：只只要要遵遵循循OSIOSI标标准准，一一个个系系统统就就可可以以和和位位于于世世界界上上任任何何地地方方的的、也也遵遵循循这这同一标准的其他任何系统进行通信。同一标准的其他任何系统进行通信。2020世世纪纪8080年年代代，许许多多大大公公司司甚甚至至一一些些国国家家的的政府机构都纷纷表示支持政府机构都纷纷表示支持OSIOSI。2020世世纪纪9090年年代代初初期期，虽虽然然OSIOSI标标准准已已完完成成制制定，但因特网已抢先覆盖了世界相当大范围。定，但因特网已抢先覆盖了世界相当大范围。结结论论：OSIOSI只只获获得得了了一一些些理理论论研研究
14、究成成果果，但但在市场化方面却失败了。在市场化方面却失败了。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM1、每层功能明确且相互独立。2、同一节点内相邻两层间有接口协议，并通过接口协议通信。3、层间接口协议不变，当某层具体实现方法更新时，不会对邻层有影响。4、网中各节点都应有功能相同的层次。5、每层使用下层提供的服务并向上层提供服务。6、不同节点间的同等层按照协议,实现对等层间的通信。层次划分原则层次划分原则：2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层2.OSI2.OSI
15、体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层OSIOSIOSIOSI模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalvOSI的应用层的应用层(Application LayerApplication Layer)应应用用层层确确定定进进程程之之间间通通信信的的性性质质，以以满满足足用用户户需需要要以以及及提提供供网网络络与与用用户户应应用用软软件件之之间间的的接口服务接口服务
16、注：进程就是指正在运行的程序注：进程就是指正在运行的程序2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层OSIOSIOSIOSI模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalvOSI的表示层的表示层(Pres
17、entation LayerPresentation Layer)主要解决用户信息的语法表示问题。主要解决用户信息的语法表示问题。将将欲欲交交换换的的数数据据从从适适合合于于某某一一用用户户的的抽抽象象语语法法，转转换换为为适适合合于于OSIOSI系系统统内内部部使使用用的的传传送送语语法。法。即提供格式化的表示和转换数据服务。即提供格式化的表示和转换数据服务。负责数据的压缩和解压缩，加密和解密等。负责数据的压缩和解压缩，加密和解密等。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM基于ASCII码的计算机基于EBCDIC码的计算机网络网络48 45 4C 4C 4F48 45 4
18、C 4C 4FASCII码“HELLO”EBCDIC码“!”vOSI的表示层的表示层(Presentation LayerPresentation Layer)主要解决用户信息的语法表示问题。主要解决用户信息的语法表示问题。将将欲欲交交换换的的数数据据从从适适合合于于某某一一用用户户的的抽抽象象语语法法，转转换换为为适适合合于于OSIOSI系系统统内内部部使使用用的的传传送送语语法。法。即提供格式化的表示和转换数据服务。即提供格式化的表示和转换数据服务。负责数据的压缩和解压缩，加密和解密等。负责数据的压缩和解压缩，加密和解密等。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM基于A
19、SCII码的计算机基于EBCDIC码的计算机网络网络48 45 4C 4C 4FC8 C5 D3 D3 D6ASCII码“HELLO”EBCDIC码“HELLO”物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层OSIOSIOSIOSI模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPh
20、ysicalvOSI的会话层的会话层(Session LayerSession Layer)也称为会晤层或对话层，在会话层及以上的也称为会晤层或对话层，在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。统称为报文。会话层不参与具体的传输，它提供包括访问会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成。如服务器验证用户登录便是由会话层完成。会话层使用校验点可使通信会话在通信失效会话层使用校验点可使通信会话在通信失效时从
21、校验点继续恢复通信。时从校验点继续恢复通信。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层OSIOSIOSIOSI模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalvOSI的传输层的传输层(Transport
22、LayerTransport Layer)该层的任务是根据通信子网的特性最佳地利该层的任务是根据通信子网的特性最佳地利用网络资源。用网络资源。并以可靠和经济的方式，为两个端系统（也并以可靠和经济的方式，为两个端系统（也就是源站和目的站）的会话层之间，提供建就是源站和目的站）的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责可靠立、维护和取消传输连接的功能，负责可靠地传输数据。地传输数据。在这一层，信息的传送单位是报文。在这一层，信息的传送单位是报文。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应
23、用层应用层2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层OSIOSIOSIOSI模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalvOSI的网络层的网络层(Network LayerNetwork Layer)在在计计算算机机网网络络中中进进行行通通信信的的两两个个计计算算机机之之间间可可能能会会经经过过很很多多个个数数据据链链路路，也也可可能能还还要要经经过
24、很多通信子网。过很多通信子网。网网络络层层的的任任务务就就是是选选择择合合适适的的网网间间路路由由和和交交换结点，换结点，确保数据及时传送。确保数据及时传送。网网络络层层将将数数据据链链路路层层提提供供的的帧帧组组成成数数据据包包，包包中中封封装装有有网网络络层层包包头头，其其中中含含有有逻逻辑辑地地址址信息信息-源站点和目的站点地址的网络地址。源站点和目的站点地址的网络地址。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物
25、理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层OSIOSIOSIOSI模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalvOSI的数据链路层的数据链路层(Data Link LayerData Link Layer)数数据据链链路路层层负负责责在在两两个个相相邻邻结结点点间间的的线线路路上上，无差错的传送以帧为单位的数据。无差错的传送以帧为单位的数据。每每一一帧帧包包括括一一定定数数量量的的数数据据和和一一些些必必要要的的控控
26、制信息。制信息。和和物物理理层层相相似似，数数据据链链路路层层要要负负责责建建立立、维维持和释放数据链路的连接。持和释放数据链路的连接。在在传传送送数数据据时时，如如果果接接收收点点检检测测到到所所传传数数据据中有差错，就要通知发方重发这一帧。中有差错，就要通知发方重发这一帧。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层OSIOSIOSI
27、OSI模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构模型的七层结构ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalvOSI的物理层的物理层(Physical LayerPhysical Layer)要要传传递递信信息息就就要要利利用用一一些些物物理理媒媒体体，如如双双纽纽线、同轴电缆等线、同轴电缆等但但具具体体的的物物理理媒媒体体并并不不在在OSIOSI的的7 7层层之之内内，有有人把物理媒体当作第人把物理媒体当作第0 0层层物物理理层层的的任任务务就就是是为为它它的的上上一一层层提提供供一一个个物物理理连连接接，以以及
28、及它它们们的的机机械械、电电气气、功功能能和和过过程特性。程特性。在在这这一一层层，数数据据还还没没有有被被组组织织，仅仅作作为为原原始始的位流或电气电压处理，单位是比特。的位流或电气电压处理，单位是比特。2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM各层功能总结各层功能总结2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM发送方 把用户数据按层加上控制信息提交给下层。即每一层接收的数据加上本层的控制信息传送下去。接收方 进行与发送方相反的操作每层的数据单元称呼不同。下图中：表示各层所加的控制信息2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM应用层表示层传
29、输层会话层网络层数据链路层物理层用户数据用户数据报文分组P2101011010101010110010 二进制流报文P1Pn f2帧f1 fn-用户数据2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM3 32 21 13 32 21 1OSIOSI环境环境网络环境网络环境数据通数据通信网信网计算机计算机A A计算机计算机B实际系统环境实际系统环境2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM2.OSI2.OSI体系结构体系结构OSI/RMOSI/RM实现用户功能实现网络功能第三章第三章 网络协议及网络体系结构网络协议及网络体系结构基本概念的理解基本概念的理解1OSI体
30、系结构体系结构23OSI各层基本功能各层基本功能协议很复杂协议很复杂 v协议必须将协议必须将协议必须将协议必须将各种各种各种各种不利的条件事先都估计到，不利的条件事先都估计到，不利的条件事先都估计到，不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。v必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。有的不利情况。有的不利情况。有的不利情况。应当注
31、意：事实上难免有应当注意：事实上难免有极个别的极个别的不利情不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付议往往只能应付绝大多数绝大多数的不利情况。的不利情况。著名的协议举例著名的协议举例vv占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山量对比是：一个
32、山顶上的蓝军打不过白军，但两个山量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能山顶上的友军。但
33、通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定使得蓝军能实现协同作战因而一定使得蓝军能实现协同作战因而一定使得蓝军能实现协同作战因而一定(即即即即100%)100%)100%)100%)取得胜利取得胜利取得胜利取得胜利？明日正午进攻，如何？明日正午进攻，如何？同意收到收到“同意同意”收到：收到“同意”不可能设计出100%可靠的协议！