1、1,第二章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),徐明偉xmw,2,主要內(nèi)容,2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成2.1.1資源子網(wǎng)2.1.2通信子網(wǎng)2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)2.2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能的分層2.2.2協(xié)議和協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)2.2.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)參考模型2.3.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化2.3.2OSI參考模型2.3.3TCP/IP參考模型2.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù),3,2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成（1）,計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成兩級結(jié)構(gòu)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源子網(wǎng)（或用戶子網(wǎng)）和通信子網(wǎng),4,2.1.1資源子網(wǎng)組成服務(wù)器客戶計算機(jī)2.1.2通信子網(wǎng)基本組成通信線路（或稱通道）網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備（路由器、交換機(jī)、HUB等）,2

2、.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成（2）,5,2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成（3）,基本結(jié)構(gòu)點(diǎn)到點(diǎn)通道基本特點(diǎn)一條線路連接二臺網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備一般情況下，二臺計算機(jī)的連接要經(jīng)過多臺網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)star,ring（loop）,tree,complete,intersectingrings,irregular關(guān)鍵技術(shù)：路由選擇（Routing）,6,7,2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成（4）,廣播通道基本特點(diǎn)多臺計算機(jī)共享一條通信線路任一臺計算機(jī)發(fā)出的信息可以直接被其它計算機(jī)接收典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)bus,ring,8,2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成（5）,關(guān)鍵技術(shù)：通道分配靜態(tài)分配：分時間片特點(diǎn)：控制簡單，通道利用率低動態(tài)分配：各站點(diǎn)

3、動態(tài)使用通道特點(diǎn)：控制復(fù)雜，通道利用率高通道分配方法：集中式：只有一個仲裁機(jī)構(gòu)分布式：各站點(diǎn)均有仲裁機(jī)構(gòu),9,2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成（6）,網(wǎng)絡(luò)分類：從地域范圍角度局域網(wǎng)絡(luò)（LocalAreaNetworks）主要采用廣播通道技術(shù)城域網(wǎng)絡(luò)（MetropolitanAreaNetworks）廣域網(wǎng)絡(luò)（WideAreaNetworks）主要采用點(diǎn)到點(diǎn)通道技術(shù),10,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（1）,計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)：對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其部件所完成功能的比較精確的定義。即從功能的角度描述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。是層次和協(xié)議的集合。注意:計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)僅僅定義了網(wǎng)絡(luò)及其部件通過協(xié)議應(yīng)完成的功能；不定義協(xié)

4、議的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和各層協(xié)議之間的接口關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)功能的分層協(xié)議的分層體系結(jié)構(gòu)的分層協(xié)議分層易于協(xié)議的設(shè)計、分析、實(shí)現(xiàn)和測試。,11,2.2.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能的分層計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本功能是為地理位置不同的計算機(jī)用戶之間提供訪問通路。下述功能是必須提供的：連接源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)的物理傳輸線路，可以經(jīng)過中間結(jié)點(diǎn)；每條線路兩端的結(jié)點(diǎn)利用波形進(jìn)行二進(jìn)制通信；無差錯的信息傳送多個用戶共享一條物理線路按照地址信息，進(jìn)行路由選擇,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（2）,12,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（3）,信息緩沖和流量控制會話控制滿足各種用戶、各種應(yīng)用的訪問要求上述功能有三個顯著特點(diǎn)上述功能必須同時滿足一對用戶用戶之間的

5、通信功能是相互的這些功能分散在各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和用戶設(shè)備中。一般人們采用“層次結(jié)構(gòu)”的方法來描述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，即：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中提供的功能是分成層次的。,13,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（4）,2.2.2協(xié)議和協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)協(xié)議的定義和組成層次結(jié)構(gòu)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能中，最重要的功能是通信功能這種通信功能主要涉及同一層次中通信雙方的相互作用位于不同計算機(jī)上進(jìn)行對話的第N層通信各方可分別看成是一種進(jìn)程，稱為對等（同等）進(jìn)程。協(xié)議（Protocol）：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同等層次中，通信雙方進(jìn)行信息交換時必須遵守的規(guī)則。,14,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（5）,協(xié)議的組成語法（syntax）：以二進(jìn)制形式表示的命令和相

6、應(yīng)的結(jié)構(gòu)語義（semantics）：由發(fā)出的命令請求，完成的動作和回送的響應(yīng)組成的集合定時關(guān)系（timing）：有關(guān)事件順序的說明協(xié)議的分層和層間結(jié)構(gòu)協(xié)議的分層原則（layeringprinciple）LayerNsoftwareonthedestinationcomputermustreceiveexactlythemessagesentbylayerNsoftwareonthesendingcomputer.Mathematically,ifthesenderappliesatransformationT,thereceivermustapplytheinverseT-1.協(xié)議分層要保證整

7、個通信系統(tǒng)功能完備、高效。,15,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（6）,每一相鄰層之間有一個接口（Interface），它定義了下層向上層提供的原語操作和服務(wù)。對于第N層協(xié)議來說，它有如下特性不知道上、下層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)獨(dú)立完成某種功能為上層提供服務(wù)使用下層提供的服務(wù),16,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（7）,2.2.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)基本術(shù)語與分層結(jié)構(gòu)接口：定義了下層向上層提供的原語操作和服務(wù)。協(xié)議：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同等層次中，通信雙方進(jìn)行信息交換時必須遵守的規(guī)則。服務(wù)：層間交換信息時必須遵守的規(guī)則。服務(wù)和協(xié)議的關(guān)系服務(wù)提供者，服務(wù)用戶,17,18,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（8）,服務(wù)訪問點(diǎn)SAP（S

8、erviceAccessPoint）任何層間服務(wù)是在接口的SAP上進(jìn)行的每個SAP有唯一的識別地址每個層間接口可以有多個SAP。接口數(shù)據(jù)單元IDU（InterfaceDataUnit）IDU是通過SAP進(jìn)行傳送的層間信息單元IDU由上層的服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU（ServiceDataUnit）和接口控制信息ICI（InterfaceControlInformation）組成,19,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（9）,協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（ProtocolDataUnit）第N層實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)傳送給它的對等實(shí)體的信息單元PDU由上層的服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU或其分段和協(xié)議控制信息PCI（ProtocolCont

9、rolInformation）組成分段和重組,20,21,22,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（10）,服務(wù)分類和服務(wù)原語（primitives）基于連接的服務(wù)和無連接服務(wù)基于連接的服務(wù)當(dāng)使用服務(wù)傳送數(shù)據(jù)時，首先建立連接，然后使用該連接傳送數(shù)據(jù)。使用完后，關(guān)閉連接。特點(diǎn)：順序性好。無連接服務(wù)直接使用服務(wù)傳送數(shù)據(jù)，每個包獨(dú)立進(jìn)行路由選擇。特點(diǎn)：順序性差。注意：連接并不意味可靠，可靠要通過確認(rèn)、重傳等機(jī)制來保證。,23,2.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（11）,服務(wù)原語服務(wù)在形式上是由一組接口原語（或操作）來描述的服務(wù)原語可分為四種類型請求（Request）:Anentitywantstheservicet

10、odosomework指示（Indication）:Anentityistobeinformedaboutanevent響應(yīng)（Response）:Anentitywantstorespondtoanevent確認(rèn)（Confirm）:Theresponsetoanearlierrequesthascomeback,24,25,WhyLayering?,Nolayering:eachnewapplicationhastobere-implementedforeverynetworktechnology!,Telnet,FTP,NFS,Coaxialcable,Fiberoptic,Applicat

11、ion,TransmissionMedia,26,WhyLayering?,Solution:introduceanintermediatelayerthatprovidesauniqueabstractionforvariousnetworktechnologies,Telnet,FTP,NFS,Coaxialcable,Fiberoptic,Application,TransmissionMedia,Intermediatelayer,27,Layering,AdvantagesModularityprotocolseasiertomanageandmaintainAbstractfunc

12、tionalitylowerlayerscanbechangedwithoutaffectingtheupperlayersReuseupperlayerscanreusethefunctionalityprovidedbylowerlayersDisadvantagesInformationhidinginefficientimplementations,28,End-to-EndArgument,ThinktwicebeforeimplementingafunctionalitythatyoubelievethatisusefultoanapplicationatalowerlayerIf

13、theapplicationcanimplementafunctionalitycorrectly,implementitalowerlayeronlyasaperformanceenhancement,29,Example:ReliableFileTransfer,Solution1:makeeachstepreliable,andthenconcatenatethemSolution2:end-to-endcheckandretry,OS,Appl.,OS,Appl.,HostA,HostB,30,Discussion,Thereceiverhastodothecheckanyway!Th

14、us,fullfunctionalitycanbeentirelyimplementedatapplicationlayer;noneedforreliabilityfromlowerlayersIsthereanyneedtoimplementreliabilityatlowerlayers?Yes,butonlytoimproveperformanceExample:AssumeahigherrorrateoncommunicationnetworkThen,areliablecommunicationserviceatdatalinklayermighthelp,31,Trade-off

15、s,Applicationhasmoreinformationaboutthedataandthesemanticoftheserviceitrequires(e.g.,cancheckonlyattheendofeachdataunit)Alowerlayerhasmoreinformationaboutconstraintsindatatransmission(e.g.,packetsize,errorrate)Note:thesetrade-offsareadirectresultoflayering!,32,RuleofThumb,Implementingafunctionalitya

16、talowerlevelshouldhaveminimumperformanceimpactontheapplicationthatdonotusethefunctionality,33,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（1）,2.3.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化電信標(biāo)準(zhǔn)1865年成立國際電信聯(lián)盟ITU（InternationalTelecommunicationUnion）1947年ITU成為聯(lián)合國的一個組織，由三部分組成ITU-R：無線通信ITU-T：電信標(biāo)準(zhǔn)，1956-1993年稱為CCITT，下設(shè)許多研究組SG，研究組下設(shè)專題，例如：Q42/SGVII專門研究OSI參考模型。ITU-D：開發(fā),3

17、4,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（2）,國際標(biāo)準(zhǔn)1946年成立的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO負(fù)責(zé)制定各種國際標(biāo)準(zhǔn)，ISO有89個成員國家，85個其他成員。ISO有200多個技術(shù)委員會TC，每個技術(shù)委員會下設(shè)若干分委員會SC，每個分委員會由由若干工作組WG組成。例如：TC97-計算機(jī)和信息處理，TC97/SC21/WG1-OSI體系結(jié)構(gòu)、概念性方案和形式描述一個國際標(biāo)準(zhǔn)的形成：CD（CommitteeDraft）-DIS（DraftInternationalStandard）-IS（InternationalStandard）,35,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（3）,其它標(biāo)準(zhǔn)化組織：ANSI：美國

18、國家標(biāo)準(zhǔn)研究所，ISO的美國代表NIST：美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所，美國商業(yè)部的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)IEEE：發(fā)表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。例如IEEE802，后成為ISO8802。OIF（OpticalInternetworkingForum）值得注意的是，ITU-T和ISO之間有很好的合作和協(xié)調(diào)。,36,Internet標(biāo)準(zhǔn)Internet的標(biāo)準(zhǔn)是自發(fā)而非政府干預(yù)的，稱為RFC（RequestForComments）。1969年ARPANET時就開始發(fā)布RFC，1969.4產(chǎn)生RFC0001，至今已超過3000個。1983年成立IAB（InternetArchitectureBoard）1989年在IAB下又成立了

19、IRTF和IETF，IETF的各工作組負(fù)責(zé)組織提出相應(yīng)的RFC建議。,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（4）,37,2.3.2OSI（OpenSystemInterconnection）參考模型1983年ISO的OSI模型正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)物理層（ThePhysicalLayer）：在物理線路上傳輸原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位（基本網(wǎng)絡(luò)硬件）數(shù)據(jù)鏈路層（TheDataLinkLayer）：在有差錯的物理線路上提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸（Frame）網(wǎng)絡(luò)層（TheNetworkLayer）：控制通信子網(wǎng)提供源點(diǎn)到目的點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送（Packet）運(yùn)輸層（TheTransportLayer）：為用戶提供端到端的數(shù)據(jù)傳送

20、服務(wù)。,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（5）,38,會話層（TheSessionLayer）：為用戶提供會話控制服務(wù)（安全認(rèn)證）tokenmanagementandsynchronization（insertcheckpointsintothedatastream）表示層（ThePresentationLayer）：為用戶提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和表示服務(wù)。應(yīng)用層（TheApplicationLayer）,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（6）,39,40,41,2.3.3TCP/IP參考模型以TCP/IP協(xié)議為核心的Internet網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)物理層：在物理線路上傳輸原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)鏈路層：在有差錯

21、的物理線路上提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸TCP/IP參考模型把第1層和第2層合起來稱為：Host-to-NetworkInternet層（網(wǎng)絡(luò)層）：控制通信子網(wǎng)提供源點(diǎn)到目的點(diǎn)的IP包傳送,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（7）,42,運(yùn)輸層：提供端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。TCP和UDP應(yīng)用層：提供各種Internet管理和應(yīng)用服務(wù)功能TCP/IP與OSI的比較,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（8）,43,44,45,OSI的歷史經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)OSI是80年代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的主流OSI網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的核心和貢獻(xiàn)：分層模型服務(wù)、接口、協(xié)議AndrewS.Tanenbaum在“ComputerNetwo

22、rks”中評價OSI：Badtiming（toolate）Badtechnology（boththemodelandtheprotocolareflawed）Badimplementations（huge，unwieldy，andslow）Badpolitics（governmentandorganizationsbureaucrats）,2.3典型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的參考模型（9）,46,2.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（1）,2.4.1NovellNetWare在PC機(jī)中應(yīng)用廣泛，client-server結(jié)構(gòu)參考模型,47,2.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（2）,基于XerorNetworkSystem（XNS），但有

23、很多改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，IPX：不可靠無連接協(xié)議，與IP類似，地址長度不同：IPX，10字節(jié)（4字節(jié)網(wǎng)絡(luò)號，6字節(jié)機(jī)器號（MAC地址）；IP，4字節(jié)。傳輸層協(xié)議，NCP/SPX/TCP：面向連接協(xié)議。工作過程Server：使用SAP（serviceadvertisingprotocol）協(xié)議，每分鐘廣播一個包，告知地址和提供的服務(wù)Router：接收服務(wù)器的廣播包，構(gòu)造數(shù)據(jù)庫；接收客戶機(jī)的請求，查詢數(shù)據(jù)庫，將查詢結(jié)果（服務(wù)器信息）告知客戶機(jī)Client：啟動時廣播請求，查詢最近的服務(wù)器，得到路由器的回答后，與服務(wù)器建立NCP連接，協(xié)商參數(shù)，訪問服務(wù)。,48,2.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（3）,2.4.2AR

24、PANET產(chǎn)生背景：60年代中期，冷戰(zhàn)高峰，DoD想建設(shè)一個核戰(zhàn)爭情況下的網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)電路交換網(wǎng)絡(luò)太脆弱，不滿足要求。ARPA（AdvancedResearchProjectsAgency）負(fù)責(zé)研制，采用分組交換，subnet和hostcomputer兩極結(jié)構(gòu)。由稱為IMP（InterfaceMessageProcessors）的小型計算機(jī)和線路組成存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式,49,2.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（4）,1968年12月，BBN公司負(fù)責(zé)建網(wǎng)，采用改進(jìn)的HoneywellDDP-316小型機(jī)作為IMP，IMP間用56Kbps租用電話線連接。軟件分為兩部分：subnet和host1969年12月，建成四個節(jié)

25、點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展迅速網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展暴露出協(xié)議軟件的不足，1974年，TCP/IP模型和協(xié)議誕生。TCP/IP協(xié)議軟件被集成進(jìn)BerkeleyUNIX中，并開發(fā)出socket接口。TCP/IP便于LAN接入ARPANET,50,2.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（5）,1983年，ARPA將ARPANET交給DCA（DefenseCommunica-tionsAgency），DCA將軍用部分分離出來，構(gòu)成MILNET。80年代，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，出現(xiàn)DNS（DomainNamingSystem）1990年，ARPANET停止運(yùn)行，MILNET仍在工作。,51,52,53,2.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（6）,2.4.3NSFNE

26、T二十世紀(jì)七十年代末，大學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究的需要促使NSF（U.S.NationalScienceFoundation）建立一個虛擬網(wǎng)絡(luò)CSNET。1984年，NSF開始設(shè)計一個高速網(wǎng)絡(luò)，對所有大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開放。NSF建立了一個骨干網(wǎng)，把六個超級計算機(jī)中心連接起來。56Kbps租用線路，軟件使用TCP/IP技術(shù)，成為第一個TCP/IP廣域網(wǎng)。,54,2.4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（7）,1990年，MERIT、MCI和IBM公司成立一個非贏利機(jī)構(gòu)ANS（AdvancedNetworksandServices）管理NSFNET，把骨干網(wǎng)帶寬從1.5Mbps升級為45Mbps（ANSNET）。1991年，NREN（NationalResearchandEducationalnetwork）啟動，研究NSFNET的下一代，目標(biāo)是達(dá)到G比特。1995年，ANSNET賣給AmericaOnline。單一骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)被商業(yè)驅(qū)動的、競爭的多骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)替代