计算机网络基础-2-计算机网络体系结构

此资料为个人学习期间所提供的教学资料，如果责任违权等问题，请联系本人！！

文章目录

• 协议与分层
• 协议概念
• 协议分层
• 各层设计问题
• 网络体系结构
• ISO/OSI RM
• 物理层
• 数据链路层
• 网络层
• 传输层
• 会话层
• 表示层
• 应用层
• 总结
• TCP/IP RM
• 应用层
• 原理体系结构
• 模型

协议与分层

• 什么是网络协议?
    网络协议(Network protocol),简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。
  • 协议主要是由三个要素组成：
    • 语法：通信时双方交换数据和控制信息的格式
    • 语义：每部分控制信息和数据所代表的含义
    • 同步：事件实现顺序的详细说明。例如：通信如何发起；在收到一个数据后下，下一步要做什么。
• 网络协议举例

协议概念

• 协议设计
    设计网络协议是一个十分复杂的系统，而工程设计中对复杂的系统常采用结构化设计方法(划分层次)，网络协议的设计也可以借鉴。
• 协议分层
  
• 解释
  • 不同主机上的同一个层次成为对等层。对等层之间遵循相同的协议，通过协议实现特定的功能；
  • 每一层中实现了协议的元素称为实体，实体既可以是软件，也可以是硬件
  • 对等层内的实体称为对等实体。对等实体实现并遵循相同的协议进行对话；
  • 每一层都有特定的功能，使用下一层为它提供的服务，同时也为自己的高层提供服务

协议分层

• 数据传递过程
  
  • 解释
    • 概念上可以认为通信时水平的，但是事实上水平通信要依赖垂直通信来实现
        数据从发送端的最高层开始，层层向下，层层封装，直到发送方的最底层，转换为电磁信号后经过物理链路到达接收端的最底层，再层层向上，层层解封装，最后到达接收方的最高层，整个通信过程是垂直的。
    • 某一层添加的首部，在到达对等层后，就会被剥掉，剩余的部分会继续向上传递，直到最高层
    • 高层使用了低层的服务，低层向高层提供服务，高层通过低层提供的服务接口访问低层的服务
• 分层主要原则
  • 每层的功能应该明确，并且互相独立。这样当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层间的接口不变，便不会对邻居产生影响
  • 层间的接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少
  • 层数应适中。若层数太少，则多种功能混杂在一层中，造成每一层协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现变得困难
• 分层优点
  • 各层之间是独立的
  • 灵活性好
  • 结构上可分割开
  • 易于实现和维护
  • 能促进标准化工作
• 身边的例子
  

各层设计问题

• 编址机制
• 差错控制
• 保序
• 流量控制
• 分段与重组
• 多路复用/解多路复用
• 路由选择

网络体系结构

  网络体系结构(architecture)是计算机网络的各层级其协议的集合，即:这个计算机网络及其部件所应完成的功能的明确定义。各个层次的所有协议也被称为协议栈
  网络实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题
  体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件

ISO/OSI RM

  OSI RM(开放系统互连参考模型)有ISO组织提出，目的是实现异种机互连。”开放“表示任何两个遵守OSI标准的系统可以互连。”系统“指计算机、终端或外部设备等。
  与OSI Rm相关得协议已经很少使用，但是该模型本身是非常通用的，并且依然有效，在每一层上讨论到的特性也仍然非常重要

物理层

• 功能
    在物理介质上传输原始的比特流
• 内容
    定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的电器的、功能的和规程的特性
• 数据单位
    比特流
• 图示物理层
  

数据链路层

• 功能
    为它的上一层(网络层)提供一条无差错的数据链路(点-点：直接相连)
• 内容
    数据成帧、差错控制和流量控制
• 数据单位
    帧
• 图示数据链路层
  
• 点到点传输
  

网络层

• 功能
    对于通信子网的运行进行控制
• 内容
    路由选择、阻塞控制、Qos和网络互连
• 数据单位
    分组
• 图示网络层
  
• 端到端传输
  

传输层

• 功能
    负责主机中两个进程之间的通信
• 内容
    分流与复用、端~端的差错控制和端~端的流量控制
• 数据单位
    TPDU(传输层协议数据单元)
• 图示传输层
  
• 网络层和传输层
  

会话层

• 功能
    组织和同步进程间得通信
• 内容
    对话管理、令牌管理和数据同步
• 数据单位
    SPDU(会话层协议数据单元)
• 图示会话层
  

表示层

• 功能
    对数据/信息的语法表示进行交换
• 内容
    数据交换、数据压缩和数据加密
• 数据单位
    PPDU(表示层协议数据单元)
• 图示表示层
  

应用层

• 作用
    为OSI用户提供服务
• 例如
    FTAM(文件传送访问和管理)、MHS(文电处理系统)、VT(虚拟终端)等
• 数据单位
    APDU(应用层协议数据单元)
• 图示应用层
  

总结

• 命运
    OSI只获得了一些理论研究成果，而在市场化方面OSI却失败了，主要原因有：
  • OSI 专家在指定OSI标准时没有商业驱动力
  • OSI 协议实现过于复杂，且运行效率很低
  • OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场
  • OSI的层次划分并不太合理，有些功能在多个层次中重复实现

TCP/IP RM

  TCP/IP RM 是Internet所使用的体系结构，目的是用于网络互连，是事实上的工业标准(从这个意义上说，ISO/OSI RM可以说是法律上的国际标准)。
  TCP/IP RM的模型本身并不非常有用，但是协议却被广泛使用开了，TCP和IP协议是其中最重要的两个协议

• ISO/OSI RM和TCP/IP协议
  
• TCP/IP RM协议栈
  

应用层

• 功能
    本层主要为用户提供所需要的各种服务
• 协议
    Telent、FTP、SMTP、DNS等

原理体系结构

模型

  综合OSI和TCP/IP的优点而形成的用以学习计算机网络的网络体系结构

• 数据在网络中的传递过程
  

习题一
  一个有n层协议的系统，用户应用程序产生长度为M字节的数据，在每层都加上h字节的报头，问：网络带宽中有多大比例是在传输各层报头？

习题二
  特种颜料公司的总裁打算与本地的啤酒酿造商合作生产一种啤酒罐。总裁指示他的法律部门调查此事，后者又请工程师部门帮助；于是总工程师打电话给啤酒公司的这方面主管讨论此事的技术问题，然后工程师们又各自向自己的法律部门汇报，双方法律部门通过电话商议，安排了有关法律方面的事宜，最后两位公司总裁讨论这笔生意的经济方面的问题。请问：这是否符合OSI RM分层思想？

习题三
  在两台计算机之间传输一个文件，有两种可行的确认方案。第一种方案：将文件分成若干分组，分别进行传输，接收方逐个地确认每个分组（但就整体而言，文件的传输没有得到确认）。第二种方案：不确认单个分组，但当所有分组收齐后，对整个文件进行确认。请讨论这两种方案的优缺点。