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1、台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件网络体系结构与网络协议 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。有生命必有希望台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件u掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念。u掌握：网络体系结构的层次化研究方法。u掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能。u掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务功能与主要协议。u了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较。u了解：网络协议标准
2、组织，RFC文档、Internet草案与Internet协议标准的制定过程。本章学习要求Page 2 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.1 2.1 网络体系结构的基本概念网络体系结构的基本概念一、网络分层结构计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”。为了简化网络的设计，常将网络按功能划分成一系列的层次，让每一层完成一个特定的功能。完成某一层功能的硬件和软件集合称为实体。Page 3 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件社会上存在的邮政系统社会上存在的邮政系统Page 4 台州学院计
3、算机系Copyright kevin 2010 课件网络分层结构网络分层结构Page 5 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件分层原则分层原则u不同的系统分成相同的层次；u不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；u对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定(协议)；u高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。Page 6 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件二、网络协议的概念二、网络协议的概念u网络协议是指为网络同层实体之间数据交换而制定的规则、约定与标准，亦称同层协议或通信协议；u网络协议的三要素：语义、语法与时序；
4、u语义：用于解释比特流的每一部分的意义；u语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；u时序：事件实现顺序的详细说明。Page 7 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件协议栈协议栈将网络功能分解为许多层后，在每一个功能层次中，通信双方需共同遵守的约定和规定，这些约定和规定的集合称为同层协议（即通信协议，简称为协议）。网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列称为网络协议栈。Page 8 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件三、接口（三、接口（interfaceinterface）u接口是同一系统内相邻层之间交换信息的连
5、接点;u同一个系统的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务;u只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作（只要接口不变，各层是相互独立的）。Page 9 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件接口示意图接口示意图Page 10 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件四、服务四、服务 相邻层的上层都是通过下层完成本层的功能，其中下层称为服务提供者，上层称为服务使用者，服务的提供和使用都是通过相邻层的接口进行。如第N-1层为第N层提供服务，称第N-1层是第N层的服务提供者，第N层称为服
6、务使用者。Page 11 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件服务示意图服务示意图Page 12 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件服务原语服务原语相邻层间的数据交换都是通过规定的服务原语来进行，服务原语一般有四类：请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）和确认（Confirm）。具体过程如下图所示：Page 13 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件服务访问点服务访问点SAPSAP（Service Access PointService Access Point）Page 1
7、4 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件五、网络体系结构（五、网络体系结构（network architecturenetwork architecture）u一个功能完备的计算机网络的复杂的协议是按层次结构来组织的；u网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构；u体系结构是个抽象的概念，其具体实现是通过特定的硬件和软件来完成的。Page 15 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件层次结构研究方法的优点层次结构研究方法的优点u各层之间相互独立;u灵活性好;u各层都可以采用最合适的技术来实现;u易于实现和维护;u有利于促进标准化。Page
8、 16 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.2 2.2 OSIOSI参考模型参考模型2.2.1 2.2.1 OSIOSI参考模型的基本概念参考模型的基本概念u在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会 （Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT）；国际标准化组织 （International Standards Organization，ISO）。uCCITT与ISO的工作领域是不同的：CCITT 主要是考虑通信标准的制定；ISO主
9、要是考虑信息处理与网络体系结构。Page 17 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件uOSI参考模型是国际标准化组织为解决异种机互连而制订的开放式计算机网络层次结构模型。u在OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、遵循同一标准的其他任何系统进行通信；uOSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定；u在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的，而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；uOSI参考模型只是一个概念性的框架。OSI参考模型参考模型Page 18 台州学院计算机系Copyright kevin
10、2010 课件2.2.2 2.2.2 OSIOSI参考模型的结构参考模型的结构ISO划分七层结构的基本原则划分七层结构的基本原则u网中各结点都具有相同的层次；u不同结点的同等层具有相同的功能；u同一结点内相邻层之间通过接口通信；u每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；u不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。Page 19 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件OSI参考模型的结构参考模型的结构 Page 20 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.2.3 2.2.3 OSIOSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程1
11、.OSI环境（OSI environment）Page 21 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.OSI2.OSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程 Page 22 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.2.4 2.2.4 面向连接服务与无连接服务面向连接服务与无连接服务u服务可以分为通信子网对网络中数据传输所提供的服务,与全网络系统为用户提供的服务；u通信子网的服务是指通信子网对主机间数据传输的效率和可靠性所提供的保证机制；u通信服务可以分为两大类：面向连接服务（connect-oriented service）；无连接服务（c
12、onnectless service）。Page 23 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件 理解网络服务需要注意的问题理解网络服务需要注意的问题u面向连接服务与无连接服务对实现服务的传输可靠性与协议复杂性有很大的影响；u根据主机间数据传输的可靠性和效率要求的不同，设计者可以选择面向连接服务与无连接服务的类型；u在网络数据传输的各层，如物理层、数据链路层、网络层与传输层都会涉及面向连接服务与无连接服务的问题。Page 24 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件面向连接服务面向连接服务Page 25 台州学院计算机系Copyright kevi
13、n 2010 课件面向连接服务的特点面向连接服务的特点u面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；u面向连接服务在数据传输过程中，各分组可以不携带目的结点的地址；u面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；u面向连接数据传输的收发数据顺序不变，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。Page 26 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件无连接服务无连接服务Page 27 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件无连接服务的特点无连接服务的特点u无连接服务的每个分组都携带完
14、整的目的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；u无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程；u数据分组传输过程中，目的结点接收到的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；u无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。Page 28 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件发送数据发送数据监控信道监控信道监控信道监控信道应答应答发发收收收收发发确认和重传机制确认和重传机制 Page 29 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件确认和重传机制的特点确认和重传机制的特点 u网络数据传输的可靠性一般通过确认和重传
15、机制保证；u确认是指数据分组的接收结点在正确地接收到每个分组后，要求向发送结点发回接收分组的确认信息；u在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送结点重新发送该数据分组；u确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽。Page 30 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件从使用服务原语的角度考虑，可将服务分为需要证实的服务和不需要证实的服务两大类，前者每次服务要使用全部四种服务原语，而后者只使用两种服务原语。服务类型与服务质量服务类型与服务质量P
16、age 31 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件通信协议四种类型通信协议四种类型u面向连接与确认服务；u面向连接与不确认服务；u无连接与确认服务；u无连接与不确认服务。设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。Page 32 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.3 2.3 TCP/IPTCP/IP参考模型参考模型u在TCP/IP协议研究时，并没有提出参考模型；u1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；u20世纪80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP参考模型进一步的研究；uTCP/IP协议一共出现了6个
17、版本，后3个版本是版本4、版本5与版本6；u目前我们使用的是版本4，它的网络层IP协议一般记作IPv4；u版本6的网络层IP协议一般记作IPv6（或IPng,IP next generation）；uIPv6被称为下一代的IP协议。2.3.1 TCP/IP参考模型的发展Page 33 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件TCP/IPTCP/IP协议的特点协议的特点 u开放的协议标准;u独立于特定的计算机硬件与操作系统，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；u 统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有惟一的地址；u标准化的高层协议，可以提供多种
18、可靠的用户服务。Page 34 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.3.2 2.3.2 TCP/IPTCP/IP参考模型各层的功能参考模型各层的功能 u应用层（application layer）u传输层（transport layer）u互连层（internet layer）u主机-网络层（host-to-network layer）Page 35 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件TCP/IP 参考模型与参考模型与 OSI 参考模型的对应关系参考模型的对应关系 Page 36 台州学院计算机系Copyright kevin 2010
19、 课件主机主机-网络层网络层u负责发送和接收IP数据报;u允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等;Page 37 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件互连层互连层u相当OSI参考模型网络；u处理互连的路由选择、流量控机与拥塞控制问题；uIP协议是无连接服务。Page 38 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件传输层传输层u主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；u传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议；u用户数据报协议U
20、DP是一种不可靠的无连接协议。Page 39 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件应用层应用层u网络终端协议Telnet；u文件传输协议FTP；u简单邮件传输协议SMTP；u域名系统DNS；u简单网络管理协议SNMP；u超文本传输协议HTTP。Page 40 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.4 2.4 OSIOSI参考模型与参考模型与TCP/IPTCP/IP参考模型的比较参考模型的比较u层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；u寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统
21、效率；u数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；Page 41 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.4.2 2.4.2 对对TCP/IPTCP/IP参考模型评价参考模型评价u在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其他非TCP/IP协议族；uTCP/IP参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；u物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而TCP/IP参考模型却没有做到这点。Page 42 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.5 2.5 网络与网络与Interne
22、tInternet协议标准组织及管理机构协议标准组织及管理机构 u网络协议标准组织uRFC(请求注解)文档uInternet草案uInternet协议标准uInternet管理机构Page 43 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.5.1 2.5.1 网络协议标准组织网络协议标准组织 u国际电话电报咨询委员会CCITTu国际电信联盟ITUu国际标准化组织ISO u电子工业协会EIAu电气与电子工程师协会IEEEuATM论坛 Page 44 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.5.2 2.5.2 RFCRFC文档文档 u请求注解RFC(
23、Request For Comments)文档从1969年ARPANET出现时就开始存在；u它们是用于Internet开发团体的最初的技术文档系列；u任何人都可以提交RFC文档，但它并不是一定会成为标准，事实上很多RFC 文档都没有实现；uRFC文档草案对于从事Internet技术研究与开发的技术人员是获得技术发展状况与动态的重要信息来源；u读者可以很方便地从相关主机使用FTP、Web和其他的检索方式获取这些文档。Page 45 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件读读RFC文档时，需要注意的问题文档时，需要注意的问题u一是需要确定它是否是最新的文档，二是需要注意RF
24、C文档的类别；u所有RFC文档都要经历评论和反馈过程，并且在这一段时间内它们会被划分为不同的类别；uRFC文档一旦被提交，IFTF和IAB组织将审查RFC文档，通过后可以成为一项标准；uRFC文档按照它发展与成熟的过程可以分为标准、草案标准、提案标准、实验性的、信息性或历史性的；uRFC文档又可以分为被要求、被推荐、被选择、受限制使用或不被推荐。Page 46 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.5.3 2.5.3 InternetInternet管理机构管理机构 u美国国家科学基金会NSF uInternet协会ISOCuInternet体系结构委员会IABuI
25、nternet工程任务组IETFuInternet工程指导委员会IESGuInternet研究任务组IRTFuInternet网络信息中心InterNICuInternet地址分配授权机构IANAuWWW联盟 Page 47 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.6 2.6 一种建议的参考模型一种建议的参考模型 Page 48 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件小小 结结u网络体系结构与网络协议是网络技术中两个最基本的概念；u网络中计算机之间要做到有条不紊地交换数据就必须遵守一些事先约定好的规则。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。功能完备的网络需要制定一系列的协议；u网络协议就是按照层次结构模型来组织的，网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构；u ISO定义的开放系统互联参考模型对推动网络协议标准化的研究起到了重要的作用；u Internet的广泛应用使TCP/IP协议成为事实上的标准。Page 49 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件Page 50