第2章计算机网络体系结构与协议-2.ppt
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1、 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 第2章 计算机网络体系结构与协议 1 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 OSIOSI七层参考模型七层参考模型应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层通信通信子网子网面向通信面向通信面向面向服务服务面向应用面向应用应用程序:应用程序:FTP、E-mail、Telnet数据结构表示、数据转换、加密、压缩数据结构表示、数据转换、加密、压缩进程管理、双工、半双工、单工、断点续发进程管理、双工、半双工、单工、断点续发将数据传给正确的应用程序,提供可靠的数据传输将数据传给正确的应用程序,提供可靠的数据传
2、输将包传给正确的主机,数据分组、路由选择将包传给正确的主机,数据分组、路由选择将数据组成帧,差错控制、流量控制、媒体访问控制将数据组成帧,差错控制、流量控制、媒体访问控制规定物理信号、接口、信号形式、速率规定物理信号、接口、信号形式、速率 计算机网络 第3章 计算机网络体系结构与协议 开放系统互联参考模型(开放系统互联参考模型(OSI/RM)2 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 1 1、物理层物理层 物理层的主要功能是实现通信结点之间物理层的主要功能是实现通信结点之间的物理连接,在物理传输介质上传输接,在物理传输介质上传输非结构化的非结构化的“0 0”和和“1 1”二进制比特流二进
3、制比特流。物理层并不是指物理传输介质物理层并不是指物理传输介质,它是介于数据链路层和物理传输介质之间的一层,是OSI参考模型的最底层,起着数据链路层到物理传输介质之间的逻辑接口的作用。物理层向数据链路层提供的服务物理层向数据链路层提供的服务包括:包括:物理连接服务物理连接服务 指向数据链路层提供物理连接,数据链路层通过接口将数据传送给物理层,物理层就物理层就通过传输介质一位一位地送到对等的数据链路层实体通过传输介质一位一位地送到对等的数据链路层实体;至于数据是如何传送的,数据链路层并不关心。物理服务数据单元服务物理服务数据单元服务 是在物理介质上传输非结构化的比特流传输非结构化的比特流,所谓非
4、结构化的比特流,指顺序地传输“0”、“1”信号,而不必考虑这些“0”、“1”信号表示什么意义。顺序化服务顺序化服务 是指“0”、“1”信号一定要按照原顺序传送给对方按照原顺序传送给对方,而不必考虑这些“0”、“1”信号表示什么意义。3 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 物理层协议的设计问题主要是建立、维护和释放物理链路物理层协议的设计问题主要是建立、维护和释放物理链路所需的机械的、电气的所需的机械的、电气的/光学的、功能的和规程的特性。光学的、功能的和规程的特性。OSIOSI参考模型中并未定义实际的物理层协议,具体的物理层协议如参考模型中并未定义实际的物理层协议,具体的物理层协议如
5、EIAEIA组织制定的组织制定的RS-232CRS-232C协议、协议、CCITTCCITT的的X.21X.21协议等。协议等。机械特性机械特性指网络接口形状指网络接口形状等。在等。在RS-232CRS-232C中,规定采用的连接器接口中,规定采用的连接器接口有有2525根针,接口形状为根针,接口形状为D D形接口。形接口。电气特性电气特性包括信号电压、持续时间等包括信号电压、持续时间等。目前计算机的二进制信号多数。目前计算机的二进制信号多数是用电信号表示的,当然在用到光纤传输的时候也有光信号和光电转是用电信号表示的,当然在用到光纤传输的时候也有光信号和光电转换问题。换问题。RS-232CRS
6、-232C规定,对数据信号,以规定,对数据信号,以+12V+12V或或+8V+8V表示表示“0 0”,-12V-12V或或-8V-8V表示表示“1 1”,对控制信号,对控制信号,“0 0”表示表示“开开”,“1 1”表示表示“断断”,数据速率数据速率0-20Kbps(0-20Kbps(比特每秒比特每秒)。功能特性功能特性描述物理设备的功能描述物理设备的功能,如,如RS-232-CRS-232-C的第二根针是用于发送数的第二根针是用于发送数据的,第三根针是用于接收数据的,第四根针表示请求发送,第五根据的,第三根针是用于接收数据的,第四根针表示请求发送,第五根针表示允许发送。针表示允许发送。规程特
7、性规程特性指事件发生的合法顺序指事件发生的合法顺序。例如,。例如,RS-232-CRS-232-C的一段规程为:的一段规程为:第四根针置位,请求发送第四根针置位,请求发送第五根针置位,允许发送第五根针置位,允许发送数据通过第二根针数据通过第二根针发送。发送。4 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 数据链路层功能:1、链路管理:数据链路的建立、维持和释放2、帧同步:收方应当能从收到的比特流中准确地区分 出一帧开始和结束的地方3、流量控制:发方发送数据的速率必须使收方来得及 接收。4、差错控制:利用编码技术,保证极低的比特差错率。a.前向纠错。b.检错重传。5、将数据和控制信息分开:将混
8、合在帧内一起的数据 和控制信息分开。6、透明传输:不论所传输的数据是什么样的比特组合,都能在链路上传送。7、寻址:保证每一帧都发送到正确的目的地。5 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 数据链路层的简化模型(续)局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动6 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 完全理想化的数据传输数据链路层主机 A缓存主机 B数据链路
9、AP2AP1缓存发送方接收方帧高层帧7 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 两种情况的对比(传输均无差错)ABDATADATADATADATA送主机 B送主机 B送主机 B送主机 BABDATA送主机 BDATA送主机 B时间不需要流量控制需要流量控制8 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 实用的停止等待协议时间ABDATA0送主机ACKDATA1送主机ACK(a)正常情况ABDATA0DATA0送主机ACK(c)数据帧丢失重传tout丢失!ABDATA0送主机ACKDATA0丢弃ACK(d)确认帧丢失重传tout丢失!ABDATA0NAKDATA0送主机ACK(b)数据帧
10、出错重传出错四种情况9 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 停止等待协议 ARQ 的优缺点 优点:比较简单。缺点:通信信道的利用率不高,也就是说,信道还远远没有被数据比特填满。为了克服这一缺点,就产生了另外两种协议,即连续 ARQ 和选择重传 ARQ。10 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 连续 ARQ 协议在发送完一个数据帧后,不是停下来等待确认帧,而是可以连续再发送若干个数据帧。如果这时收到了接收端发来的确认帧,那么还可以接着发送数据帧。由于减少了等待时间,整个通信的吞吐量就提高了。连续 ARQ 协议的工作原理11 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 连续
11、ARQ 协议的工作原理 DATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5重传 DATA2重传 DATA3ACK1ACK2ACK1 确认 DATA0ACK2 确认 DATA1DATA2 出错,丢弃DATA3 不按序,丢弃,重传 ACK2DATA4 不按序,丢弃,重传 ACK2DATA5 不按序,丢弃,重传 ACK2ACK3ACK3 确认 DATA2ACK4 确认 DATA3ACK4重传 DATA5重传 DATA4超时重传时间ABtout送交主机送交主机?ACK2ACK2ACK212 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 选择重传 ARQ 协议 可加大接收窗口,先收下发送序号不
12、连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧。等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。选择重传 ARQ 协议可避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧。但我们付出的代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间。对于选择重传 ARQ 协议,若用 n 比特进行编号,则接收窗口的最大值受下式的约束WR 2n/2 (3-18)13 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 PPP 协议的帧格式PPP 有一个 2 个字节的协议字段。当协议字段为 0 x0021 时,PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。若为 0 xC021,则信息字段是 PPP 链路控制数据。若为 0 x8021,则表示这是网络控制数据
13、。IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信 息 部 分首部尾部14 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 3 3、网络层网络层网络层(Network Layer)的核心任务就是控制通信子网的运行。具体说是进行路由选择、拥塞控制和网络互连。它可以为传输层提供面向连接的网络服务及无连接的网络服务。网络层控制子网运行的关键任务是选择路径,它管理的是网络信息包,信息包的路径选择又叫路由选择,有各种各样的路由选择算法,但总体上分为静态和动态两大类,静态路由就好像乘坐公交车辆,709路一定要走洪山广场,无论怎样堵车也不能改变行车路线,但
14、如果你是在一辆出租车上,你可以选择任何一条认为好走的路线行使,网络层的动态路由算法就是这样的,信息包的路由选择根据当时的网络负载情况动态变化。15 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 3 3、网络层网络层网络层的第二个任务是拥塞控制,通过某种拥塞控制机制,尽量避免拥塞的发生,以及尽快缓解已经发生的拥塞情况。网络层的第三个任务网络互连问题。当数据包从一个网络传输到另一个网络,会面临诸如数据包大小、网络速度、甚至协议可能不同的,这些都是网络层需要解决的问题。网络层的第四个任务是要有统计、控制功能。如统计那些用户需要的网络流量比较多,访问那些站点比较频繁,或者禁止用户访问某些非法站点需要控
15、制;记帐功能一般也在此层解决。16 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 4、传输层传输层(Transport Layer)的任务是向用户提供可靠的、透明的端到端的数据传输,以及差错控制和流量控制机制。由于它的存在,网络硬件技术的任何变化对高层都是不可见的,也就是说会话层、表示层、应用层的设计不必考虑低层硬件细,因此传输层的作用十分重要。所谓端到端(End to End)是相对链接(Chained)而言的。OSI参考模型的四层到七层属于端到端的方式,而一到三层属于链接的方式。在传输层,通信双方的两机器之间,有一对应用程序或进程直接对话,它们并不关心低层的实现细节。低层的链接方式就不一样
16、,它要负责处理通信链路中的任何相邻机器之间的通信。17 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 5、会话层,表示层和应用层会话层的功能会话层的功能 在在不不同同的的机机器器之之间间提提供供会会话话进进程程的的通通信信。如如建建立立、管管理理和和拆除会话进程拆除会话进程。与与传传输输层层的的进进程程通通信信不不同同的的是是它它还还提提供供了了许许多多增增值值服服务务,如如:交交互互式式对对话话管管理理,允允许许一一路路交交互互、两两路路交交换换和和两两路路同同时时会会话话,类类似似于于数数据据通通信信里里的的单单工工、半半双双工工和和全全双双工工方方式式管管理理用用户户登登录录远远程程分分
17、时时系系统统;在在两两机机器器之之间间传传输输文文件件,进进行行同同步步控制等控制等。表示层的功能表示层的功能 处处理理通通信信进进程程之之间间交交换换数数据据的的表表示示方方法法,包包括括语语法法转转换换、数据格式的转换、加密与解密、压缩与解压缩等。数据格式的转换、加密与解密、压缩与解压缩等。18 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 应用层的功能应用层的功能 负责管理应用程序之间的通信。应用层为用负责管理应用程序之间的通信。应用层为用户提供最直接的服务户提供最直接的服务,包括虚拟终端、文件传输、,包括虚拟终端、文件传输、事务处理、网络管理等大量的网络协议事务处理、网络管理等大量的网
18、络协议。应用层是应用层是OSIOSI参考模型的最高层,低层所有参考模型的最高层,低层所有协议的最终目的都是为应用层提供可靠的传输手协议的最终目的都是为应用层提供可靠的传输手段,低层协议并没有直接满足用户的任何实际需段,低层协议并没有直接满足用户的任何实际需求。我们日常使用的电子邮件程序、文件传输、求。我们日常使用的电子邮件程序、文件传输、WWWWWW浏览器、多媒体传输等都属于应用层的范畴。浏览器、多媒体传输等都属于应用层的范畴。5、会话层,表示层和应用层19 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 OSIOSI参考模型中的数据传输参考模型中的数据传输20 计算机网络 第2章 计算机网络体
19、系结构与协议 物理传输媒体1212AP1543AP25431010011比特流010111010H2数据部分T2数据部分数据部分数据部分数据部分H4H3H5计算机1计算机2数据在各层之间的传递过程21 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 OSIOSI参考模型中的数据传输参考模型中的数据传输 所谓数据单元是指各层传输数据的最小单位。图中最左边一列交换数据单元名称,是指各个层次对等实体之间交换的数据单元的名称。PDU-协议数据单元,就是对等实体之间通过协议传送的数据。APDU-应用层的协议数据单元。PPDU-表示层的用户数据单元。直到网络层的协议数据单元,除了NPDU外,通常我们叫它数据
20、分组或数据包(Packet),数据链路层是数据帧(Frame),物理层是比特。22 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 发送进程需要发送某些数据到达目标系统的接收进程,数据首先要经过本系统的应用层,应用层在用户数据前面加上自己的标识信息(H7),叫做头信息。H7加上用户数据一起传送到表示层,作为表示层的数据部分,表示层并不知道哪些是原始用户数据、那些是H7,而是把它们当作一个整体对待。同样,表示层也在数据部分前面加上自己的头信息H6,传送到会话层,并作为会话层的数据部分。这个过程一直进行到数据链路层,数据链路层除了增加头信息H2以外,还要增加一个尾T2,然后整个作为数据部分传送到物理
21、层。物理层不再增加信息,而是直接将二进制数据通过物理介质发送到目的结点的物理层。目的结点的物理层收到该数据后,逐层上传到接收进程,其中数据链路层负责去掉H2和T2,网络层负责去掉H3,一直到应用层去掉H7,把最原始用户数据传递给了接收进程。OSIOSI参考模型中的数据传输参考模型中的数据传输23 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 OSIOSI参考模型中的数据传输参考模型中的数据传输这个在发送结点自上而下逐层增加头(尾)信息,而在目的结点又自下而上逐层去掉头(尾)信息的过程叫做封装(encapsulation),封装是在网络中很常用的手段。协议数据单元(PDU)主要用于描述同一层次中
22、的对等实体之间的虚连接,图中的横向带箭头虚线所示。纵向传输的数据用接口数据单元(IDU)表示。接口数据单元指相邻层次之间通过接口传递的数据,它分为两部分,即接口控制信息(ICI)和服务数据单元(SDU),其中接口控制信息只在接口局部有效,不会随数据一起传递下去,而服务数据单元,是真正提供服务的有效数据,它的内容基本上与协议数据单元(PDU)一致。24 计算机网络 第2章 计算机网络体系结构与协议 我们不妨将控制信息、服务数据单元与C语言里面的局部变量和全程变量作一类比。接口数据单元的控制信息就好比局部变量,只在特定的某两层接口有效,如二、三层接口的控制信息与三、四层接口的控制信息完全不同;服务
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