通信网 第2章 网络协议的体系结构(1)

IP网与传统电信网的比较
电路交换的电信网 传统电信网向用户（即电话机）提供的服务质 量有保证。 连接在传统电信网上的电话机几乎没有智能， 因此全部的服务质量由电信网完成。
电信网
电信网向用户话机提供信息可靠交付
因特网的设计思路
一般而言，通信必须是可靠的。但应当由谁负责 可靠交付？因特网和传统电话网的思路不同。 严格地讲，计算机通信是在计算机上运行的应用 程序之间的通信。所以实现可靠通信最终应当是 让计算机应用程序(应用进程)之间的通信可靠。 因特网认为，IP 协议没有必要提供可靠服务 （这样做可以使网络简单、灵活性好、价格便 宜），但如何解决可靠通信的问题呢？ 办法：在计算机网络中增加 TCP 协议，这样就 可以实现计算机应用程序之间的可靠通信。
OSI的层功能
层名称 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 主要层功能 与用户应用进程的接口 数据格式的转换 会话管理与数据传输的同步 端-端经网络透明的传送报文 分组交换、寻址、路由选择 和流量控制 在网络上无差错的传送帧 经物理媒体透明地传送 比特流 通俗含义 做什么 对方看起来像什么 轮到谁讲话、从何处 讲 对方在何处 走哪条路可达到该处 每一步应该怎么走 对上一层的每一步应 该怎样利用物理媒体 数据单元格式
2.2.2 通用的协议分层思想（4）

两个结点之间进行协议通信的实质
如下图所示，两个结点之间的通信体现为两个结点对等 层（结点A的N+1层与结点B的N+1层）之间遵从本层协议 的通信。 结点 A 结点 B 各层的协议由各层的实 N+1 层协议 N+1 实体 N+1 实体 N+1 层 体实现，通信双方对等层中 接口 N 层协议 完成相同协议功能的实体称 N 层 N 实体 1 N 实体 2 N 实体 1 N 实体 2 为对等实体。 接口 对等实体按协议进行通 N-1 层 信，所以协议反映的是对等层的对等实体之间的一种横向关系， 严格地说，协议是对等实体共同遵守的规则和约定的集合。协 议中的格式和语义只有对等实体能够理解。

分组交换的因特网
带有 TCP 协议的计算机 向用户程序提供可靠交付
TCP 协议
TCP
因特网
TCP
丢弃
丢弃
丢弃
分组交换的因特网不保证可靠交付
你会思考吗？
IP、TCP等协议是以何种方式工作的？ 一个网络协议包含哪些要素？ 不同协议的作用范围如何界定？ 各种协议之间是孤立的还是保持一定的依赖关系？ 网络协议生存的基础是什么？

送和接收信息的任何对象，包括终端、应用软件 和通信进程等。
2.2.2 通用的协议分层思想（2）
网络中的两个系统中实体间的通信是一个十分复 杂的过程，为了减少协议设计和调试过程的复杂 性，大多数网络的实现都按层次的方式来组织。 通用的协议分层思想表述： 每一层只完成一定的功能，每一层又都建立 在它的下层之上。不同的网络，其分层的数量、 各层的名字、内容和功能不尽相同。然而，在所 有的网络中，每一层都是通过层间接口向上一层 提供服务的，同时把这种服务实现的细节对上层 加以屏蔽。
2.2.3 OSI体系结构
1.开放系统互连参考模型OSI/RM
20世纪70年代出现了SNA、DNA等多种网络体系 结构，使得不同公司的网络之间很难实现互通。针对 这一问题，国际标准化组织(ISO)吸取了SNA、DNA 以及ARPA网等网络体系结构的成功经验，提出了著 名的开放系统互连参考模型(OSI-RM)。 所谓“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的、也遵循这同一标准的其 他任何系统进行通信。所以开放系统互连参考模型 OSI-RM是个抽象的概念。 开放系统互连的目的：将不同的网络互连成一个更大 的网络，解决异种网络互连的兼容性。

协议分层思想示意具体包含以下几个含义：
第N层实体在实现自身定义的功能时，只使用N-1层提供的服务。 N层向N+1层提供服务，此服务不仅包含N层本身所具有的功能， 还包括由下层提供的功能总和。 最低层只提供服务；最高层只是用户；中间各层既是下一层的用户 又是上一层服务的提供者。 仅在相邻层间有接口，且下层服务的实现细节对上层完全透明。

1.开放系统互连参考模型OSI/RM（2）

OSI的结构化分层
OSI 模型
应用层（7）A 高层 表示层（6）P 主机层，保证主机之间 会话层（5）S 数据的无差错传输 中间层 传输层（4）T 网络层（3）N 低层，又称介质层，控制网络中 数据链路层（2）DL 信息的物理传输 物理层（1）PH
1.开放系统互连参考模型OSI/RM（3）
每一个分组独立选择路由。 发往同一个目的地的分组，后发送的有可能 先收到（即可能不按顺序接收）。 当网络中的通信量过大时，路由器就来不及 处理分组，于是要丢弃一些分组。 因此， IP 网络不保证分组的可靠地交付。 IP 网络提供的服务被称为： 尽最大努力服务(best effort service)
任何网络体系结构都是一个从需求目标开始的、过程
2.2.2 通用的协议分层思想
网络协议分层的思想不是TCP/IP特有的，而是 一种被广泛认可的通用思想。著名的OSI模型也 采用了分层结构。 协议的实现要落实到一个个具体的硬件模块和软 件模块上，在网络中将这些实现特定功能的模块 称为实体（Entity）。 网络中的通信是指在不同系统中的两个实体之间 的通信。因此，更具体地说所谓实体，是指能发
本课程主要教学内容
第1章 通信网概论
第2章
第3章 第4章 第5章 第6章
网络协议的体系结构
局域网协议与技术 因特网协议与技术 IP广域网的路由与QoS控制 网络新技术及其发展
ຫໍສະໝຸດ Baidu
第2章
网络协议的体系结构
IP网络的重要特点 TCP/IP协议模型
2.1 2.3
2.2 计算机网络体系结构概述
2.1 IP 网络的重要特点
下层向上层提供的服务可以划分为面向连接和无连 接两大类别。
2.2.2 通用的协议分层思想（6）

网络协议分层的好处：
有利于将复杂的问题分解成多个简单的问题，从而分而治之； 独立性强——上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务 （黑箱方法）； 适应性好——只要服务和接口不变，层内实现方法可任意改变； 有利于网络的互联，进行协议转换时可能只涉及某一个或几个 层次而不是所有层次； 分层可以屏蔽下层的变化，新的底层技术的引入，不会对上层 的应用协议产生影响； 有利于促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务 都有精确的说明。

2.2.1 网络协议及相关概念（3）
网络体系结构(Network Architecture)是指网络 的各层功能及其协议的集合。 建立网络体系结构的目的是为了能够抽象地讨论 和研究网络技术，使网络的实现技术与网络的功 能发展能够相互独立地各自发展。 Network Architecture的主要任务是指导网络技 术设计，为研究人员提供在多种可选方案中进行 审慎选择的决策指导，从而试图保证这些技术决 策能在网络演进过程中保持一致性和连贯性。
整个计算机网络的功能实现体现为协议的实现。 为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便 于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议， 并且让这些协议保持一种层次结构，子协议的集 合通常称为协议簇。

2.2.1 网络协议及相关概念（2）
网络协议的分层：以因特网为例，TCP/IP协议族 中包含多个协议，它们之间并不孤立，那么设计们 又是按照什么样的思路来构建整个协议族的体系结 构呢？这就涉及网络协议的分层问题。 计算机通信网的协议包含的内容相当复杂，如何将 复杂的问题分解为若干较简明且有利于处理的问题, 实践表明，采用网络的分层结构最为有效。 采用分层次的体系结构是人们对复杂问题进行处理 的基本方法。网络分层主要是将复杂的通信问题分 成不同的功能块，由不同的层次通过本层的协议来 执行某个功能块。网络分层是基于透明性原则。
②面向网络的功能
包括传输层，网络层、数据链路层和物理层 面向网络的传送功能，主要负责数据的传送。 更接近网络传送和硬件
实际上传输层是承上启下的中间层，传输层及其以上各层只存 在于网络之外的主机中，在网络内部的各个结点只包括下三层.
1.开放系统互连参考模型OSI/RM（5）
OSI七层模型→根据逻辑功能划分
原始数据+ 本层协议控制信息
上层数据+ 本层协议控制信息 上层数据+ 本层协议控制信息 报文段 分组 数据帧 比特流
1.开放系统互连参考模型OSI/RM（4）
OSI根据逻辑功能划分
①面向应用的功能
包括应用层、表示层和会话层 面向网络的应用，负责数据的处理和用户接口，主要进行 数据的处理 更接近网络应用和软件，只与终端用户有关
2.2.2 通用的协议分层思想（5）

网络协议的层间关系
在同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方，通 常称为服务访问点SAP(Service Access Point)。服务访问 点SAP也是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接 口，与通常所说的两个设备之间的硬件并行接口或串行 接口是很不一样的。 如右图，N层实体实现的服务 是在N层SAP处提供给N+1层的， 即 N层SAP就是N+1层可以访问N 层服务的地方。每个SAP都有一 个能够唯一标识它的地址。

2.2.1 网络协议及相关概念（4）

Network Architecture的研究内容： 关于网络系统构成要素的研究 关于命名、编址和路由的研究 关于网络协议模块化方法的研究 关于网络系统中的状态和功能部署位置的研究
前后连贯的、各个认知阶段之间存在紧密逻辑关系的 系统概念，因此对任何网络体系结构的合理认知或研 究途径，都应该遵循“ 需求目标->设计原则->具体 实现”的路线。
2. OSI/RM的数据单元
OSI-RM于1984年5月被正式批准为ISO7498国际
标准。与此同时，ITU-T从通信系统的角度，进一步 研究了如何实现设备的兼容性要求，规定了ITU-T应 用OSI-RM、各层提供的服务以及开放系统中对等实 体间通信所必须遵循的规程——X.200系列建议。 X.200建议为了便于对不同系统的同层实体之间交换 的信息数据单元组成和同一系统的相邻层之间的信息数 据单元之间的映射关系进行规范化的描述，定义了如下 几种常用的信息数据单元：
（N）层协议控制信息（PCI） （N）层协议数据单元（PDU） （N）层服务数据单元（SDU）
2. OSI/RM的数据单元（2）
2.2.2 通用的协议分层思想（5）

网络协议的层间关系
在同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方，通 常称为服务访问点SAP(Service Access Point)。服务访问 点SAP也是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接 口，与通常所说的两个设备之间的硬件并行接口或串行 接口是很不一样的。 如右图，N层实体实现的服务 N+1 实体 N+1 层 是在N层SAP处提供给N+1层的， N 层 SAP 即 N层SAP就是N+1层可以访问N N 层层 N 实体 1 N 实体 2 层服务的地方。每个SAP都有一 N-1 层 SAP 个能够唯一标识它的地址。 N-1 层 层

2.2.2 通用的协议分层思想（3）

通用的协议分层思想示意（下图需替换）
结点 A N+1 实体 N+1 层协议 结点 B N+1 实体 (N+1)PDU (N)SDU (N)PCI (N)PDU
N+1 层
N层
N 实体 1
N 实体 2
SAP
N 实体 1
N 实体 2
N-1 层
(N-1)SDU 图 2-2 协议实体间关系及数据单元
2.2 计算机网络协议与体系结构概述
2.2.1 网络协议及相关概念 2.2.2 通用的协议分层思想 2.2.3 OSI体系结构
2.2 计算机网络协议与体系结构概述
2.2.1 网络协议及相关概念

网络协议是通信双方共同遵守的规则和约定的集合。 网络协议包括三个要素：
语法，规定了信息的结构和格式； 语义，表明信息要表达的内容； 同步规则，涉及双方的交互关系和事件顺序。