第2章 网络体系结构

网络体系结构的定义：
层 服务 协议
主机A 第3层 3/2层接口 第2层 2/1层接口 第1层
第3层协议
主机B 第3层
第2层协议
第2层
第1层协议
第1层
物 理 媒 介
层、协议和接口
层次设计主题



编址机制（addressing） 数据传输（data transferring） 差错控制（error controlling） 顺序控制（sequence controlling） 流量控制（flow controlling） 拆分与重组（disassembling and reassembling） 复用与解复用（multiplexing & demultiplexing） 路由（routing）
第3层：网络层(Network)
在源结点与目的结点之间建立、维护、终止网 络的连接。 功能和服务 最佳路由选择和数据包中转 流量控制和拥塞控制 差错检测与恢复 流量统计和记账

第4层：传输层(Transport)
为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输 服务；屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受 通信子网技术变化的影响。 进行数据分段并组装成报文流。
第二章 网络体系结构

主要内容

网络体系结构

接口、服务与协议
网络参考模型

分层范例
例子：两个哲学家讨论哲学问题
1. 两个哲学家使用不同的语言 2. 两个哲学家位于不同的国家
哲学 知识 翻译
通信
消息
......
...... 哲学家2
给远程翻 译的信息
(3)
哲学家1
(3)
......
...... 翻译2


OSI 参考模型
层次 7 6 5 4 3 2 1 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层 运输协议 通信子网内部协议 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层 分组 帧 比特 表示协议 会话协议 应用协议 协议数据 单元名称 应用层 表示层 会话层 传输层 APDU PPDU SPDU TPDU
连接
(n) 连接： (n+1) 实体利用 (n) 实体提供的 服务而建立的联系。 (n+1) 层对等实体要进行通信必须通过 相邻下层以及下面各层通信来完成，即 调用相邻下层的服务来完成。
协议

协议 protocol：计算机网络同等层次中，通 信双方进行信息交换时必须遵守的规则。
协议的组成： 1. 语法（syntax)：以二进制形式表示的命令和 相应的结构 2. 语义（semantics)：由发出的命令请求，完 成的动作和回送的响应组成的集合 3. 定时关系（timing)：有关事件顺序的说明
为用户的应用程序提供网络通信服务 识别并证实目的通信方的可用性 使协同工作的应用程序之间进行同步 判断是否为通信过程申请了足够的资源

应用层协议的例子：



远程登录协议Telnet、文件传输协议FTP、 超文本传输协议HTTP、域名服务DNS、 简单邮件传输协议SMTP、邮局协议POP3等

第2层：数据链路层(Data Link)


在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络 层呈现为一条无错的线路。 所关心的问题包括：


物理地址、网络拓扑； 组帧：把数据封装在帧中,按顺序传送,并处理返回的 确认帧； 定界与同步：产生/识别帧边界； 差错恢复：采用重传（ARQ）的方法； 流量控制：收发双方传输速率的匹配。 广播式共享信道的访问控制




1-3层：链接,中继； 4-7层：端到端
第5层：会话层(Session)

建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间 的会话。

会话：完成一项任务而进行的一系列相关的信息交 换。
设置检查点——会话失败后，恢复到最后一个检查 点处，而不用从头开始。

同步（解决失败后从哪里重新开始）

例如：数据送到打印服务器上打印。接收的数据已 被确认，但打印机出现故障。这时没必要再从头开 始打印，只要在每页开始处设置检查点，打印出错 时只需重传最后一个检查点以后的页面。
服务原语
服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描 述的。当 (n+1) 实体向 (n) 实体请求 (n) 服务时，服务提 供者和服务用户间需要交流一些必要信息，以说明要 求的服务的一些情况，这些信息即服务原语。 服务原语可分为四种类型：



请求（Request） 指示（Indication） 响应（Response） 确认（Confirm）
第6层：表示层(Presentation)

处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和 语义。如有必要，使用一种通用的数据表示格 式。在多种数据表示格式之间进行转换。 例如：在日期、货币、数值（特别是浮点数） 等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间 进行转换；数据的加/解密、压缩/解压缩等。

第7层：应用层(Application)
PDU IDU SDU
数据单元间关系
IDU （n+1） 接口 （n） ICI SDU ICI SDU SAP SAP：服务访问点 IDU：接口数据单元 SDU：服务数据单元 PDU：协议数据单元 ICI：接口控制信息 PCI：协议控制信息 (n)PDU PCI SDU
协议数据单元 PDU
定义：不同系统 (n) 对等实体为实现该层协议所交换 的信息单位，称为(n)协议数据单元(n)PDU。 (n)PDU的具体格式如下：
当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传 送数据。使用完后，关闭连接。 特点：可靠，顺序性好。
无连接服务
直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。 特点：不可靠，顺序性差。
无连接服务种类
数据报（datagram） 证实交付（confirmed
delivery） 请求应答（request-reply）



(n)实体自己提供的某些功能。 从(n-1)层及以下各层及本地系统得到的服务。 通过与对等实体通信而得到的功能

(n)服务提供者：
提供(n)服务的下一层实体。 直接的(n)服务提供者： (n)层实体。 间接的(n)服务提供者： (n)层及其以下各层的 实体。


(n)服务用户：
接受(n)服务的上一层实体。 直接的(n)服务用户： (n+1)层实体。 间接的(n)服务用户： (n+1)层及其以上各层的 实体。
(2)
(2)
翻译1
给远程秘 书的信息
......
...... 秘书2
(1)
(1)
秘书1
哲学家—翻译—秘书结构
分层优点
各层独立。每一层不需要知道下层是如何实现的，
只需要知道层间的接口和所提供的服务。
灵活性好。当任意层发生变化时，只要接口不变，
上下层均不受影响。
结构上分开。各层可采用最适合的技术。 易于实现和维护。 促进标准化。由于每一层及其提供的服务都有明确

协议与连接关联
系统A 系统B
（N+1）层实体 （N+1）层 （N）层 （N）层实体
（N+1）层实体
（N）协议
（N）层实体
（N）连接
接口和服务


在计算机网络分层结构中，每一层次的功 能都是为它的上层提供服务的。 服务Service：(n)实体向(n+1)实体提供的相 互通信的能力 。是(n+1)实体能看见的(n) 实体提供的功能集合，包括：

服务访问点SAP
服务访问点SAP（Service Access Point） • 任何层间服务是在接口的SAP上进行的； • 每个SAP有唯一的识别地址； • 每个层间接口可以有多个SAP。
数据单元 Data Unit
在网络中信息传送的单位，称为数据单元。 对等实体在协议的控制下交换信息 相邻层实体按服务交换信息 数据单元包括： 协议数据单元 接口数据单元 服务数据单元
(n)SDU
(n)PCI
(n)PCI
提问：为什么(n)PDU的大小一般都有一定的长度要求？ 过大或者过小会怎么样？
(n+1)
(n+1)PDU (n+1)实体 (n)连接
(n+1)PDU
(n)
(n)SDU (n)PDU
(n)协议 (n)实体
(n)SDU (n)PDU
(n)UD
(n)PCI (n-1)PDU
(n) PCI (n) 用户数据
–
(n)PCI 为(n)协议控制信息，是为实现(n)协议而在 传送的数据的首部或尾部加的控制信息，如：地 址、差错控制信息、序号信息等。 – (n) 用户数据为 (n) 层实体为提供 (n) 服务而传送的 信息。 – 考虑到协议的要求，如时延、效率等因素， (n)PDU的大小一般都有一定的长度要求。
服务数据单元SDU
定义： (n)服务用户所要求传递的逻辑数据单元称为 (n)服务数据单元。 (n)SDU与(n)PDU的用户数据部分的关系： 由于 (n)PDU 的大小一般都有一定的长度要求。因 此， (n)PDU的用户数据部分可能是经过分段或合 并的(n)SDU。两者的关系为：1:1、1:n、n:1。
物理介质
第1层：物理层(Physical)
实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。 定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、 电气的、过程的和功能的特性。

物理层的特性包括：
机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格 电气特性：信号电平，脉冲宽度，频率，数据传送 速率，最大传送距离等 功能特性：接口引脚的功能作用 规程特性：信号时序，应答关系，操作过程
(n-1)
(n-1)PDU
(n-1)连接
图 2-5 (n)SDU和(n)PDU的关系
(n+1)
(n)SDU
(n)SDU (n)IDU
(n)ID
(n)SAP (n) (n)SDU
(n)SAP (n)SDU
(n)ICI
(n-1)连接
图 2-6 (n)IDU和(n)SDU的关系
服务分类
基于连接的服务
实体和协议


实体（entity）是指层中的活动元素，它可以是 软件（如进程），也可以是硬件（如网卡、智 能输入/输出芯Biblioteka Baidu），不同网络层次中的实体实 现的功能可以相同。 (n)层和(n)实体


(n)层：指在网络体系结构中的某特定层 (n+1)层：指(n)层的相邻上层 (n-1)层：指(n)层的相邻下层 (n)实体：(n)层中具有数据收发能力的活动单元。一 般就是该层的软件进程或者实现该层协议的硬件单元。 (n)对等实体(同等实体)：位于不同子系统的同一层的 实体间的互称。
的定义。
分层原则
1. 2. 3. 4. 5. 根据功能需要分层 每层的功能明确 每层的功能选择有利于制定国际标准 每层的接口信息量尽可能少 层数足够多：避免不同的功能混于同一层 层数不能太多：避免体系结构过于庞大
网络体系结构
研究方法：
按功能抽象分层 定义层间的接口和提供的服务 定义同层间通信的规则——协议
(n)PDU与(n+1)PDU的关系
（n+1)PDU
(n) PCI
(n) 用户数据
接口数据单元 IDU
定义：在同一系统的相邻两层实体的一次交互中， 经过层间接口的信息单元，称为(n)接口数据单元。 (n)IDU的具体格式如下：
(n) ICI (n) 接口数据
–
(n)ICI 为 (n) 接口控制信息，协议在通过层间 接口时，需要加一些控制信息，如通过多少字 节、或要求的服务质量等。 – (n)ICI只对PDU 通过接口时有作用，进入下层 后丢弃。 – (n)接口数据为通过接口传送的信息内容。
原语是由若干条机器指令构成的一段程序，用以完成特定功能。原语在执行 过程中不可分割。
（N+1） 1 （N） 1 （N+1） （N）
2 4
5
6
7
计算机1 10 时间
8
2
3
3
4
5
6
7
5
8
9
6
计算机2
面向连接服务的原语执行过程
协议与服务的关系

是两个完全不同的概念；
服务是各层向上层提供的一组原语（操 作），只定义接口不涉及具体实现； 协议定义同层对等实体的具体规则； 实体利用协议实现服务定义的接口；只要 服务不变，可以任意改变协议。

提供“面向连接”（虚电路）和“无连接” （数据报）两种服务。 传输差错校验与恢复。 信息流控制，防止数据传输过载。

传输层特点

传输层以上各层：面向应用；以下各层：面向传 输。传输层位于资源子网和通信子网的交界处， 起着承上启下的作用。 与网络层的部分服务有重叠交叉。如何平衡取决 于两者的功能划分。 真正意义上的从源到目标实现“端到端”连接的 层。