计算机通信与网络

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第二章计算机网络的体系结构第二章计算机网络的体系结构2.1 体系结构的发展

ARPANET1969年分组交换及分层结构SNA1974年七层结构模型及协议DNA1975年分布式层次结构

OSI/RM 1983年七层结构模型及协议TCP/IP RM 四层结构模型及协议1969~


2.2 计算机网络的分层结构 1 、计算机单机系统的层次结构

作为软件资源的应用程序

数学模型、算法用户程序

从硬、软件角度划分的层次结构模型

语言处理程序解释、编译操作系统

机器语言指令系统微程序控制器

硬件连接逻辑部件

系统分析级

硬核

用户程序级

操作系统级传统机器级微程序级

2 、计算机网络的分层原理 (1) 、分层原则： ---- 参考性原则 ① 各层有主从顺序； ② 各层的功能应是明确的 ;

③ 经过层间接口的控制信息量应尽可能少 ; ④ 有利于国际标准的建立 ; ⑤ 层次功能定义与层间接口相互独立； ⑥ 层数应适中 ;


（ 2 ）、网络分层次结构的优点： ① 给出了面向对象的设计实现方法。 ② 分层使复杂问题简单化。 ③ 有利于扩展、升级和维护。 ④ 易于标准化。


OSI/RM 、TCP/IP RM 的体系结构

TCP/IP RM OSI∕RM

应用层 Application

传输层 Transport

网际层 Internet

网络接口层 Network Access

物理层 PH数据链路层 DL网络层 N传输层 T会话层 S表示层 P应用层 A 基于数据处理

基于通信硬件

软件

Nos

用户空间

3 、 OSI/RM 与 TCP/IP RM 的层次结构计算机通信与网络计算机通信与网络计算机专业教研室计算机专业教研室

4 、 OSI/RM 各层的功能及实现的核心 7 应用层 Application Layer （ A ）6 表示层 Presentation Layer （ P ）5 会话层 Session Layer （ S ）4 传输层 Transport Layer （ T ）3 网络层 Network Layer （ N ）2 数据链路层 Data Link Layer （ DL ）1 物理层 Physical Layer （ PH ）

OSI/RM 的 7 层结构


物理层（ PH ）提供传输介质接口，如 RJ45 、 BNC 、 ST 等；保证比特流在物理信道上的透明透明传输。

接口特性主要包含：机械特性。电气特性。功能特性。规程特性。


数据链路层（ DL ）在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（帧（ FramFramee ））为单位的数据。

数据链路层的主要功能：① 流量控制（ Flow Control ） ② 差错控制：查错，纠错③ 链路管理：链路建立、维护、释放④ 帧的封装与同步： ⑤ 透明传输（提法不准确提法不准确）：⑥ 寻址（物理地址）：


比较著名的数据链路层协议有： □ 停止等待协议（ Stop-and-Wait Protocol ）。 □ 连续 ARQ （ Automatic Repeat reQuest ）协议。 □ 选择重传 ARQ （ Select Repeat reQuest ）协议。 □ 面向比特的链路控制规程 HDLC （ High_Level Data Link Control ）协议。 □ 点对点协议 PPP （ Point-to-Point Protocol ）。


网络层（ Network Layer ）是通信子网的最高层，它在数据链路层提供服务的基础上向资源子网提供服务。主要功能：

逻辑地址寻址，如： IP 、 IPX 地址；路由功能：存在多个子网的最佳路径选择；拥塞拉制（解决办法：流量控制）；记帐：根据时间或流量的记费；


传输层（ Transport Layer ）承上启下承上启下的一层，主要功能如下：

Port1

Host 1

Port2

Host 2

(IP(IP 源、源、 IPIP目、目、 PORTPORT 源、源、 PORTPORT 目、目、协议协议 ))

端到端的透明传输：

差错控制流量控制


会话层（ Session Layer ）会话层允许不同主机上各种进程之间进行会话，并组织、协调和同步进程间的对话。表示层 (Presentation Layer) 表示层主要解决用户信息的语法表示问题，完成数据格式的转换以及数据的加密、解密等。应用层 (Application Layer) 提供用户访问 OSI/RM环境的接口，如： FTP 、 SMTP 、 DNS 、 Telnet 等。


5 、 TCP/IP 各层的功能及实现的核心 4 应用层 Application Layer

3 传输层 Transport Layer

2 网际层 Internet Layer

1 网络接口层 Network Access Layer

问题：层次结构中没有物理层？ -- 四层四层结构模型如何实现异种机型、异种网络异种机型、异种网络的互连？


网际网层（ Internet ） -- 网间网层、互连层实现网络互连协议（即： IInternet PProtocol ），

提供路由选择、拥塞控制，提供无连接服务。

网络接口层（ Network Access ） -- 主机至网络层主机至网络层向下提供不同物理层接入的协议规范，向上提供统一的协议接口。

这两层功能的实现，完成了“异种机型、异种网络”的互连这两层功能的实现，完成了“异种机型、异种网络”的互连IP

NA1 NA1


传输层 (Transport)提供端到端的数据传输。

TCP ：面向连接，有差控、流控，提供可靠的连接服务；UDP ：无连接，无差控、流控，提供不可靠的连接服务；

应用层 (Application) 提供用户访问 OSI/RM环境的接口，如： FTP 、 SMTP 、 DNS 、 Telnet 等。同时提供数据加密、认证等同时提供数据加密、认证等功能。功能。


2.3 、协议及网络的协议体系结构 11 、协议、协议协议：不同系统中两个对等实体交换数据信息的规则。协议三要素：语法：数据格式的表示；语义：对特定格式数据的解释、操作或执行；同步：解释、操作或执行的顺序和速率。


2、网络的协议体系结构－－网络体系结构网络的协议体系结构指的是网络的分层结构、各网络的协议体系结构指的是网络的分层结构、各层协议及相邻层接口的集合。层协议及相邻层接口的集合。

例如：例如： TCP/IPTCP/IP 的网络体系结构如下：的网络体系结构如下：TCP UDP

FTP SMTP TELNET DNS …IP

Ethernet FDDI X.25 …



2.4 、 OSI/RM 的通信环境1 、协议数据单元（ Protocol Data Unit,PDU)

AAPPSSTTNNDLDLPHPH

APDUAPDUPPDUPPDUSPDUSPDUTPDUTPDUNPDUNPDUDLPDDLPD

UUPHPH

Data

AH Data

发Data

PH Data

收Data

AAPPSSTTNNDLDLPHPH

AAPPSSTTNNDLDLPHPH

NNDLDLPHPH

NNDLDLPHPH

DATA2、 OSI 通信环境

DATA对等协议

链路协议链路协议子网协议



3 、 OSI 的三个核心概念：协议、服务、协议、服务、 SAPSAP（ 11 ）、子系统与实体）、子系统与实体

(N+1) (N) (N-1)

(N+1) (N) (N-1)

对等对等实体实体

(N)N) 子系统：子系统：(N)(N) 实体：实体：(N)(N) 对等实体：对等实体：对等通信：对等通信：对等网络：对等网络：

实体：是具有独立数据收发能力的硬、软件模实体：是具有独立数据收发能力的硬、软件模块或程序进程。块或程序进程。

(N+1)实体 (N+1)实体

(N)实体(N)实体

协议协议(N(N ＋＋ 1)1)

协议协议(N)(N)

(N)(N) 协议：“水平的”；协议：“水平的”； (N)(N) 服务：“垂直服务：“垂直的”的”


（ 22）、协议与服务）、协议与服务

(N)SAP(N)SAP(N(N ＋＋ 1)1)层层(N)(N) 层层(N)SAP(N)SAP(N)(N) 服务服务(N)(N) 服务服务


（ 33 ）、服务访问点—）、服务访问点— SAP(Service Access Point)SAP(Service Access Point)SAP: SAP: 相邻层间交换数据的逻辑接口相邻层间交换数据的逻辑接口 -------- 层间接口。层间接口。应用中，有以下三种情况：应用中，有以下三种情况：

一个（ N ） SAP只能被一个（ N ）实体使用，也只能为一个（ N＋ 1 ）实体提供服务；一个（ N ）实体可以向多个（ N ） SAP 提供服务；一个（ N＋ 1 ）实体可以使用多个（ N ） SAP ；


（ 33 ）、服务访问点—）、服务访问点— SAP(Service Access Point)SAP(Service Access Point)

(N+(N+1)1)(N)(N)

(N)SAP(N)SAP

(N+1)实体(N+1)实体

(N)实体

(N+1)实体 (N+1)实体

(N)实体 (N)实体 (N)实体

SAP: SAP: 相邻层间交换数据的逻辑接口相邻层间交换数据的逻辑接口 -------- 层间接口。层间接口。应用中，有以下三种情况：应用中，有以下三种情况：

4 、数据单元信息总是封装在各种数据单元内传送的。信息的传送包括两种情况：

在已建立连接的对等 N 实体之间的数据传送；在相邻层间接口之间的数据传送；

在 OSI/RM 中定义了三种数据单元：协议数据单元： PDU(Protocol Data Unit)

接口数据单元： IDU(Interface Data Unit)

服务数据单元： SDU(Service Data Unit)


(1)、 (N)PDU (N)PCI ： (N)协议控制信息，是第 (N)层协议封装处理数据单元的控制信息。 (N)UD ： (N) 用户数据； (N)PDU:(N)协议数据单元，由（ N ） PCI 和（ N ） UD组成；

(N)PCI (N+1)(N+1)UD

(N)PDU(N)

(N-1)

(N+1)


PH

DPDUDL

NPDUN

TPDUT

SPDUS

PPDUP

APDUA DATA

DATA

DATA

DATA

APCI

APCIPPCI

APCIPPCISPCI

………

由此可知，分层越多，数据在传输时的效率也越低；

User Data


(2)、 (N)IDU: 通过层间接口的数据单元。（ N ） ICI ： (N ）接口控制信息；（ N ） ID ：（ N ）接口数据；（ N ） IDU：（ N ）接口数据单元；

(N)PCI (N+1)(N+1)UD

(N)PDU(N)

(N-1)

(N+1)

(N-1)IDU

(N-1)ICI

(N-1)SAP


(3)、 (N)SDU (N)服务数据单元 : 发送端从 (N)实体到 (N-1)实体的信息，或者接收端从 (N-1)实体到 (N)实体的逻辑数据单元。 NOTE：对等实体间的 SDU必须大小、内容完全相同，才能保证收发双方数据的一致性；


(4)、 PDU、 SDU、 IDU三者的关系(N+1)SDU(N+1)PCI

(N+1)PDU (N)ICI

(N)IDU

(N)SDU(N)PCI (N)ICI

(N)PDU

(N)层(N+1)层 (N)SAP


注意： ① (N)IDU的大小取决于 (N)SAP 协议； ② (N+1)PDU与 (N)SDU的大小没必然联系； ③ (N+1)PDU与 (N+1)SDU的大小无关系；（ N+1 ） SDU > （ N+1 ） PDU 分段封装（ N+1 ） SDU < （ N+1 ） PDU 可封装多个 SUD


5 、服务原语原语是服务用户和服务的提供者之间的一种抽象且与实现无关的交互，是一种不可中断的原子操作；

(1)、 OSI/RM 定义的四种原语：服务原语的四种类型

原语类型英文对照含义请求 Request 一个实体希望得到完成某些操作的服务指示 Indication 通知一个实体，有某个事件发生响应 Response 一个实体对某个事件做出响应证实 Confirm 返回对先前请求的响应


（ 2）、原语的表示方法空间表示法：

Request Confirm

Response Indication


时间表示法：计算机通信与网络计算机通信与网络计算机专业教研室计算机专业教研室

服务层APP1 APP2

RequestIndication

ResponseConfirm

完整表示法：原语名字 ;原语类型；原语参数；

T_Connect.Request(参数 )如：

全相关地址：（ IP 源、 IP 目、 PORT 源、 PORT 目、 PROTOCOL ）半相关地址：（ IP 源、 PORT 源、 PROTOCOL ）

T_Connect.Request （ IP 源、 IP 目、 PORT 源、 PORT 目、 PROTOCOL ）


6 面向连接的服务与无连接服务在网络的体系结构中，下层向上层提供两种类型的服务，即：面向连接（ Connection-Oriented ）服务无连接（ Connectionless ）服务。

面向连接的服务在数据交换前，必须先建立连接；当数据交换结束时后，则应终止这个连接。


1

2

3

4H1

H2

2

1 3

5

建立连接：利用网络全相关地址，建立一个逻辑的专用链路； (各链路有链路标识符 )H1 1 2 4 H2

2 1 3 5


数据传输：沿建立的专用链路传输数据；仅需使用链路标识符就能够完成数据传输；管道操作——先发先到，按序到达，提供差错控制；故面向连接的服务是一种可靠服务；释放连接：使用网络全相关地址，逐段释放；

面向连接服务比较适合于在一段时间间隔内要向同一目的地发送许多报文的情况。对于发送很短的零星报文，连接建立和释放所带来的开销就显得过大了。


无连接服务： “尽力”传输方式；每个数据包携带网络全相关地址信息；每个数据包独立寻址——不能保证各数据包按序到达，故需要在 H2设立足够 Buffer来为数据包重新排序；不提供差错控制≠不可靠服务；

H2

H1

1

2

1

1

1

22

2


无连接服务常见类型：① 数据报（ Datagram ）： UDP——不可靠服务；

尽力传输（ Best Effort Delivery ），发完就行，不需要确认；

② 证实交付（ Confirmed Delivery ）——半可靠服务；发送方每发一个数据包，均需本机底层给予确认（证实）；该证实只能保证报文已经发送给远端的目的站了，但并不能保证目的站用户已收到这个报文


③ 请求应答（ Request-Reply ）——可靠服务；接收端用户每收到一个报文，就向发送端用户发送一个应答报文


2.4 OSI/RM 与 TCP/IP RM 比较 OSI: 明确了服务、协议、 SAP三个核心的概念，建立了 OO 的实现框架； TCP/IP ：开始未明确，后修改完善，与 OSI趋于一致；OSI ：先模型后协议；重复差控、流控，效率较低； TCP/IP: 先协议后模型；不适合其他的体系结构；OSI ：网络层有有连接和无连接服务，传输层只有有连接服务； TCP/IP: 网络层只有无连接服务，传输层有有连接和无连接服务；


OSI TCP/IP

N

T 有

有无

有(TCP)

有 (IP)

无(UDP)



第二章结束

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