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第 6 章 计算机网络及其体系结构

第 6 章 计算机网络及其体系结构. 概述 计算机网络的体系结构 体系结构的若干重要概念. 6.1 概述. 计算机网络的发展过程 计算机网络的定义 计算机网络的分类 计算机网络的功能及应用. 6.1.1 计算机网络的发展过程. 1946 年第一台数字电子计算机问世 单机 大、中、小型机 —— 庞大，昂贵 缺点 —— 资源无法共享 网络 始于 50’s ，近几十年发展迅速。发展的动力： —— 资源共享的需求 —— 大型项目的合作 —— 人与人之间的沟通 计算机网络的发展大致经历了三个阶段： 联机系统 计算机通信计算机网络.

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第 6 章 计算机网络及其体系结构

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Presentation Transcript

  1. 第6章 计算机网络及其体系结构 • 概述 • 计算机网络的体系结构 • 体系结构的若干重要概念

  2. 6.1 概述 • 计算机网络的发展过程 • 计算机网络的定义 • 计算机网络的分类 • 计算机网络的功能及应用

  3. 6.1.1 计算机网络的发展过程 • 1946年第一台数字电子计算机问世 • 单机 • 大、中、小型机——庞大，昂贵 • 缺点——资源无法共享 • 网络 • 始于50’s，近几十年发展迅速。发展的动力： • ——资源共享的需求 • ——大型项目的合作 • ——人与人之间的沟通 • 计算机网络的发展大致经历了三个阶段： 联机系统计算机通信计算机网络

  4. 一 以主机为中心的联机终端网络系统 • 20世纪60’s以前…… • 特征——共享主机资源 • 单台主机——计算、通信 • 多台终端——用户交互 • 本地、远程连接 • 结构

  5. 例子 • 美国的飞机订票系统SABRE-1 • 1 HOST • 2000 Terminal • 通信线路（电话线路） • 此结构的网络至今仍在使用 • 缺点 • 主机负荷重，数据处理＋通信 • 线路利用率低 • 改进 • 多点通信，近距 • 终端集中器，近/远距 • 前端处理机（FEP）——通信任务分离

  6. 二. 主机－主机网络 • 20世纪60’s –20世纪70’s • 特征 • 单主机终端网络的互联，形成多主机为中心的网络 • 网络结构从“主机－终端” 转变为“主机－主机” • 结构

  7. 计算机直接参与通信 主机 终端 主机 主机 通信线路 终端 终端 既担任事务处理工作，同时也担任通信工作

  8. 专职通信的计算机，形成通信子网 把主机从繁重的通信任务中解脱出来 数据处理 主机 主机 主机 IMP IMP 通信 主机 主机 IMP IMP 主机 主机

  9. 例子 • 因特网的前身——ARPANET • 美国军方建立的实验性网络 • 最初4个节点→70’s的60多个节点 • 地域跨越美洲、欧洲 • 具有现代网络的许多特征，例如 • 分组交换 • 分层次的网络协议 • 计算机网络的不足之处 • 网络普及程度低 • 标准不统一 • 网络体系结构的研究不成熟

  10. 三.体系结构标准化网络 • 20世纪70’s-至今 • 不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构的标准化的原动力 • 各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论等方面的研究日趋成熟是其基础 • 标准化过程的两个阶段 • 厂商标准：IBM-SNA,DEC-DNA • 缺点：适用范围：兼容性？ • 技术垄断：竞争？ • 标准不统一：用户利益？ • 标准制定问题 • 标准化任务只能由不偏向于任何厂商的非盈利中立组织来制定 • 例外——“事实上的标准”，如TCP/IP

  11. 国际标准：ISO-OSI/RM • Open System Interconnection/ Recommended Model（开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型） • OSI参考模型是一种概念上的网络模型 • 其标准保证了不同网络设备之间的兼容性和互操作性 • 规定了网络体系结构的框架 • 只说明了做什么（WHAT TO DO）而未规定怎样做（HOW TO DO） • 现在的计算机网络均是在OSI/RM的框架下运作的

  12. 6.1.2 计算机网络的定义 • 计算机网络是通过通信设施(通信网络)，将地理上分布的具有自治功能的多个计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、互操作和协同处理的系统。 • 特征： • 计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。 • 这些计算机系统是自治的，即每台计算机是独立工作的，它们在网络协议的控制下协同工作。 • 系统互连要通过通信设施(网)来实现。 • 系统通过通信设施执行信息交换，实现资源共享、互操作和协作处理，以满足各种应用要求。

  13. 计算机网络与分布式系统 • 从协调性和用途两方面进行比较 • 分布式系统 • 在分布式OS统一调度下，各计算机协调工作，共同完成一项任务。如并行计算 • 用户面对的是一台逻辑上的计算机，组成分布式系统的各计算机怎样协同工作，对用户透明 • 用途主要是科学计算和数据处理 • 计算机网络 • 非协调性的 • 各计算机对用户非透明，用户必须指定资源的位置 • 用途主要是资源共享 • 计算机网络与分和式系统的区别不在于硬件，而在于高层软件，尤其是分布式系统的管理软件应具有高度的全局性和透明性。因此，计算机网络不一定是分布式系统，但分布式系统却是一种具有特色的计算机网络。

  14. 6.1.3 计算机网络的分类 • 按网络拓扑结构进行分类 • 按网络的交换功能进行分类 • 按网络覆盖范围进行分类 • 按网络服务的对象进行分类

  15. 1.按网络拓扑结构进行分类 • 总线型 • 环型 • 星型 • 混合型 • 树型（星型级联） • 网状（星型+环型）

  16. 拓扑结构一览

  17. 2.按网络的交换功能进行分类 • 电路交换 • 报文交换 • 分组交换 • 混合交换

  18. 3. 按网络覆盖范围进行分类 • 局域网(LAN, Local Area Network) • 范围：小，＜20KM • 传输技术：基带，10-1000Mbps，延迟低，出错率低（10-11） • 拓扑结构：总线，环形 • 城域网(MAN, Metropolitan Area Network) • 范围：中等，＜100KM • 传输技术：宽带/基带 • 拓扑结构：总线 • 广域网(WAN, Wide Area Network) • 范围：大，＞100KM • 传输技术：宽带，延迟大，出错率高 • 拓扑结构：不规则，点到点

  19. 4.按网络服务的对象进行分类 • 公用网： • 是对全社会开放提供多种服务的网络，如国家邮电部门经营的公用数据网，只要按规定交费便可为其提供服务。 • 专用网： • 是某个部门因某种特殊需要而建造的网络，如军队、铁路、电力、公安、金融等部门均设有专用网。

  20. 6.1.4 计算机网络的功能及应用 • 计算机网络的功能 • 不同的计算机网络是为不同的目的需求而设计和组建的，它们所提供的服务和功能也有所不同。 • 计算机网络的功能主要体现在以下几个方面： • 实现资源共享 • 共享网络资源是开发计算机网络的动机之一。 • 资源包括硬件、软件和数据。 • 提高了系统的可靠性 • 有利于均衡负荷 • 提高了灵活的工作环境 • 性能价格比高、扩展方便、通信手段多等

  21. 2. 计算机网络的应用 • 用于企业的网络 • 资源共享（resource sharing）—— 核心问题 • 高可靠性（high reliability） • 节约经费（saving money） • 通信手段（communication medium） 客户-服务器模型（client-server model） 客户机 服务器 服务器 进程 客户 进程 网络 请求 应答

  22. 服务于公众的网络 • 访问远程信息—— WWW、Telnet • 个人间通信—— e-mail、video conference • 交互式娱乐—— VOD（video on demand） • 计算机网络的应用已深入到社会的各个角落，计算机网络已成为信息社会的命脉和发展经济的重要基础。

  23. 6.2 计算机网络的体系结构 • 层次型的体系结构 • OSI体系结构 • TCP/IP体系结构

  24. 网络不是一成不变的，它必须适应基本技术和应用程序需求的变化，网络设计者已经制定了通用的蓝图 ------ 网络体系结构，用以指导网络的设计和实现。 • 建立网络体系结构的目的是为了能够抽象的讨论和研究网络技术，使网络的实现与网络的功能发展能够相互独立的各自发展。

  25. 网络体系结构的模型分类： • 层次型：以OSI为代表，用严格的层次关系来表述网络功能的划分及其之间的关系，它所包含的各个协议具有很明确的层次依赖关系。 • 功能性：以TCP/IP为代表，依网络服务所需的各项功能为主线来刻画功能之间的关系，无严格的层次界限，它所包含的各个协议具有明确的功能依赖关系。

  26. Network 6.2.1 层次型的体系结构 • 计算机网络是个非常复杂的系统。 • 连接在网络上的两台计算机要互相传送文件 • 传送数据的通路的建立。 • 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活(activate)。 • 所谓“激活“就是发出一些信令，保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收。 • 要告诉网络如何识别接收数据的计算机。 • 发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据。 • 文件格式转换 • 意外情况处理

  27. 相互通信的计算机系统必须高度协调工作 • 出现了”分层“的概念 • 把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。 • 层次结构方法要解决的问题 • 1.网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能） • 2.各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口） • 3.通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）

  28. 各层直接面对的对象 下层为上层提供的服务 层间接口

  29. 网络协议： • 为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定 • 三要素： • 语法：规定数据和控制信息的格式 • 语义：规定通信双方如何操作 • 同步：规定通信事件发生的顺序及其详细说明 • 模型分层原则 • 根据不同的层次抽象的分层——逻辑层次概念 • 每层有一个定义明确的功能 • 每层功能选择有助于标准的制定 • 各层边界的选择应尽可能减少跨层通信量 • 层不能太少，以免每层功能复杂，也不能太多，以免结构复杂

  30. 采用分层设计法带来的好处，主要有： • 各层相对独立。 • 上层并不需要知道相邻下层的具体实现细节，而仅需要了解该层通过层间接口所提供的服务。从而降低了整个系统的复杂程度， • 设计灵活。 • 当某一层发生变更时，只要层间接口关系保持不变，就不会对该层的相邻层次产生影响，而且也不影响各层采用合适的技术来实现； • 易于实现和维护。 • 这是由于系统已被分解为相对简单的若干层次的缘故； • 易于标准化。 • 因为每一层的功能和所提供的服务均已有精确的说明。

  31. 网络体系结构（Architecture） • 就是计算机网络的各层及其协议的集合，或者说，就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 • 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

  32. 6.2.2 OSI体系结构 • OSI体系结构 • OSI各层的功能 • OSI标准

  33. 1. OSI体系结构 • OSI（Open System Interconnection）：开放系统互联参考模型 • 为网络的互连制定了标准互连模型 • 开放的含义： • 是指按OSI标准建立的系统可以和世界上任意一个也按OSI标准建立起来的系统互相进行通信。 • OSI/RM的意义 • 提供了网络间互连的标准参考模型 • 成为网络内部建立模型、分析、设计网络的重要参考工具

  34. OSI采用三级抽象，即 • 体系结构(architecture) • 服务定义(service definition) • 协议规范(protocol specification)

  35. OSI体系结构采用七个层次的层次模型 应用层Application 7 6 5 4 3 2 1 表示层Presentation 会话层session 传输层transport 网络层Network 数据链路层Data Link 物理层Physical

  36. 2. OSI各层的功能 • 物理层 • 主要作用： 通过与通信介质的连接，实现网络站点间的物理连接，并为数据链路层提供bit传输的手段 链路层 链路层 Bit流 Bit流 物理层 物理层 通信介质

  37. 物理层描述 • 为上层（链路层）提供的服务： 提供无结构的bit流传输服务 • 功能： Bit的信号表示、bit同步、收发、通信过程协调、物理介质驱动（电或光信号） • 标准： 定义物理接口的机械、电气、功能和规程特性 RS232、10Base2、V.35、X.21 • 注：传输介质不属于物理层

  38. 00110001110 00110011110 物理层可能出现bit传输差错 • 物理层模型 SAP SAP 信道编/解码 介质驱动 信道编/解码 介质驱动 • 传输介质 • 模拟信道 • 数字信道 • 数字通信网 介质接口

  39. 能提供bit传输服务的系统都可用作物理层 物理层等效为链路层的bit传输信道 链路层 链路层 Bit传输信道

  40. 数据链路层 Bit 传输信道 • 主要作用： • 把可靠性较低的物理信道转变成可靠性较高的逻辑信道。 网络层 网络层 数据链路 数据链路层 数据链路层

  41. 数据链路层描述： • 从一条传输链路的角度来解决传输中的可靠性问题 • 为网络层提供的服务： 分组传输，使物理信道对网络层呈现为可靠的信道（数据链路或分组信道），最大传输单元（MTU） • 功能： 帧封装，bit信道上帧传输:帧同步、信道的使用规则、帧边界识别、帧差错检测和处理（校验、重传等）、流量控制等。 • 相关标准： 不同的信道、或不同的传输要求有不同的标准。 如：HDLC、PPP、802.3（以太网）等。

  42. Packet 链路层模型 用多个SAP，提供通用的链路通信功能 Packet 通过帧校验，确保递交到上层的数据都是正确的 • 帧分类 • 封装/解封装 • 应答、重传 • 帧校验 • 帧同步 链路层协议 • 针对不同的物理信道，确定不同的最大传输单元（MTU） • 为了链路层的高速性能，一般不在链路层进行报文的分段和重装。 使用L1的bit传输服务实现Frame的传输 Frame 物理层

  43. 链路层等效为分组传输信道，为网络层提供无错误的分组链路层等效为分组传输信道，为网络层提供无错误的分组 网络层利用链路层提供的服务,实现分组的传输 网络层收到的分组是经过链路层差错检验,保证基本上是正确的(差错检测能力范围) 网络层可能会收到重复的分组、或者出现丢失现象（由链路层协议提供的服务确定） L3 L3

  44. 网络层 • 网络层从整个网络的角度来解决传输中的可靠性问题，考虑通信双方的终端节点及中间节点间的关系 • 一个网络中所有网络层协同工作来实现网络层的功能 • 为上层（传输层）提供的服务： 为传输层提供穿越网络的通信服务。 • 功能： 路由计算、 路由选择、报文分段和重组、拥塞控制、网络互连和组网。 • 相关标准： IP、X.25 等

  45. 网络层 网络层 网络层 网络层 网络层 网络层 a. 穿越网络的通信 网络A 网络B 网络层 网络层 网络互连 b. 互联和组网 数据链路 穿越网络的通信

  46. 网络层模型 • 端系统的L3 • 按选路算法确定传送的L2接口 • 依据实际L2的MTU，进行分段和封装 • 接收的数据全部送往上层 重组 选路 分段 分段 L2 L2

  47. 中继系统的L3 • 主要的工作是转发接收的数据 • 选路的算法直接影响网络的整体性能 • 中继系统之间互相交换选路信息，确定最佳路径 重组 选路 分段 分段 L2 L2 路由算法、分段和重装方法是L3协议的主要内容

  48. 不同的L3协议构成不同类型的网络 X.25网 IP net CLNP Ethenet

  49. 报文分段和重组 • 不同数据链路有不同的MTU，网络层需要根据实际情况进行报文的切割分段进行传输。 • 根据透明传输的要求，报文在到达目的地递交给上层前，要组装成和发送端完全一致的报文，满足上层的虚通信的条件。 报文重组 报文分段 网络层

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