《计算机网络原理》第二章 网络体系结构

2.1 概述

2.2 网络分层

分层优点

• 各层独立每一层不需要知道下一层是如何实现的，只需要知道层间的接口和需要提供的服务。
• 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
• 促进标准化每一层及其提供的服务，都有明确的定义。

2.2.1 分层思想

• 根据功能需要分层
• 每层功能明确
• 每层功能的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：便面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
  • 定义层间的接口和接口提供的服务
  • 定义同层间通信的规则–协议
• 网络体系结构的定义
  • 层
  • 服务
  • 协议
• 层、协议和接口
  • 

2.2.2 层次设计主题

• 编址机制
• 数据传输
• 差错控制
• 顺序控制
• 流量控制
• 拥塞控制
• 拆分与重组
• 复用与解复用
• 路由

2.2.3 实体和协议

• 实体和对等实体
• 实体
  • 层中的活动元素
  • 可以是软件（如进程）、也可以是硬件（如网卡、智能输入/输出芯片），不同网络层次中的实体实现的功能可以相同
  • 对等实体（同等实体）：对于不同子系统的同一层的实体间的互称。
• 层
  • (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)：指n层的相邻下层
  • 每层实体与同一系统的相邻层实体交互
  • 每层实体与不同系统的对等实体交互
• 协议
  • 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
    • 语法：以二进制形式表示的命令和相应的结构
    • 语义：由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应组成的集合
    • 定时关系：有关事件顺序的说明
• n连接
  • n+1实体利用n实体而建立的联系
  • 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
• 协议与连接
  • 

2.2.4 接口和服务

• 在计算机网络分层结构中，每一层的本质是为他的上层提供服务。
• 服务：n实体向n+1实体提供的相互通信的能力
• 服务是n+1实体能看见的n实体提供的功能集合，包括：
  • 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得到的功能

服务提供者和服务用户

• 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层及以上各层的实体
• 服务访问点SAP
  • 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

2.2.5 数据单元

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 PDU
• 接口数据单元 IDU
• 服务数据单元 SDU

协议数据单元PDU

• PDU不同系统的对等实体为实现该层协议所交换的信息单位
• 格式：
  • 
  • PCI（协议控制信息）是为实现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。
  • 用户数据为提供服务而传送的信息
  • 考虑到协议的要求，如时延、效率等因素，PDU的大小有长度要求
• （n）PDU与（n+1）PDU的关系
  • 

接口数据单元IDU

• 同一系统的相邻层实体的一次交互中，经过层间接口的数据单元。
• IDU的具体格式如下：
  • 
  • ICI（接口控制信息）是协议在通过层间接口时，添加的一些控制信息，如通过多少字节，或要求的服务质量等。
  • ICI只对PDU通过接口时有用。
  • 接口数据为通过接口进行传送的信息内容。

服务数据单元SDU

• 上层服务用户所要求传递的数据单元
• 由于PDU的大小一般都有一定的长度要求，因此，PDU的用户数据可能是经过分段或合并的SDU
• 
• nSDU和nPDU的关系
• 

2.2.6 面向连接服务和无连接服务

面向（基于）连接的服务

• 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。
• 可靠、顺序性好。

无连接服务

• 直接使用服务传送数据，每个报独立进行路由选择
• 特点：不可靠，顺序性差。

2.2.7 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之间需要交流一些必要信息，以说明要求和服务的一些情况，这些信息即服务原语

服务原语的类型

• 请求
• 指示
• 响应
• 确认

面向连接服务的原语执行过程

• 

2.2.8 服务与协议间关系

• 服务
  • 服务是各层向上层提供的一组原语（操作），只定义接口不涉及实现
• 协议
  • 协议定义同层对等实体的具体规划
• 二者关系
  • 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。

2.3 网络参考模型

2.3.1 OSI参考模型

• 物理层
  • 实现在物理媒体上透明地传送原始比特流
  • 物理层的特性包括
    • 机械特性：物理连接器的尺寸、形状、价格
    • 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
    • 规程特性：信号时序、应答关系、操作过程
    • 功能特性：接口引脚的功能作用
• 数据链路层
  • 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
  • 主要功能和服务
    • 物理地址
    • 成帧
    • 定界和同步
    • 差错控制
    • 流量控制
    • 信道的访问控制
• 网络层
  • 在源结点与目的结点之间建立、维护、终止网络连接。
  • 主要功能和服务
    • 路由选择
    • 数据分组转发
    • 流量控制和拥塞控制
    • 差错检测与恢复
    • 审计：流量统计和记账
• 传输层
  • 为源端主机到目的端主机提供可靠的、满足服务质量要求的数据传输服务
  • 主要功能和服务
    • 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
    • 弥补应用层和通信子网之间差异
    • 提供进程级通信能力
• 会话层
  • 建立、管理和终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
• 表示层
  • 处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义。
• 应用层
  • 为用户的应用程序提供网络通信服务
  • 主要功能
    • 识别并证实通信方的可用性
    • 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多的资源
• 各层功能总结
  | 应用层 | 负责用户信息的语义表示 |
  | — | — |
  | 表示层 | 解决用户信息的语法表示 |
  | 会话层 | 会话的管理和数据的同步 |
  | 传输层 | 建立一条传输的连接 |
  | 网络层 | 选择合适的路由 |
  | 数据链路层 | 在链路上无差错地传送帧 |
  | 物理层 | 将比特流送到物理媒体上传送 |

2.3.2 TCP/IP参考模型

• TCP/IP 参考模型
  • TCP/IP协议产生于20世纪70年代后期
  • TCP/IP协议集是Internet的核心，是事实上的标准
  • TCP/IP协议集的产生遵循了按需要制定协议的原则
• TCP/IP层次结构
  • 网络接口层
    • TCP/IP协议集把物理层和数据链路层合起来称为网络接口层
  • Internet层
    • 控制通信子网提供源点到目的点的IP包传送
    • IP
  • 传输层
    • 提供端到端的数据传送服务
    • TCP、UDP
  • 应用层
    • 提供各种Internet管理和应用服务功能
    • FTP、SMTP

2.3.3 OSI与TCP/IP参考模型的比较

• 

2.4 五层网络参考模型

2.4.1 OSI与TCP/IP参考模型的评价

• OSI参考模型
  • 是20世纪80年代计算机网络技术
  • OSI网络体系结构的核心和贡献
    • 分层模型，网络体系结构的研究方法
    • 服务、接口、协议
  • 糟糕的时机（太晚）、糟糕的技术（模型和协议都有缺陷）、糟糕的实现（庞大笨拙缓慢）、糟糕的策略（政府和组织的官僚）
• TCP/IP参考模型
  • TCP/IP是Internet的支撑协议，是目前使用最广泛的协议
  • TCP/IP网络体系结构的主要优点
    • 简单、灵活、易于实现
    • 充分考虑不同用户的需求
  • 评价
    • 没有明显地区分出协议、接口、服务的概念
    • 不通用，只能描述它本身
    • 主机-网络层只是个接口
    • 不区分物理层和数据链路层
    • 有缺陷的协议很难被替换

2.4.2 五层参考模型概述

问答题

什么是网络体系结构？请说出使用分层协议的两个理由?

• 所谓网络体系结构就是，为了完成计算机之间的通信合作，把（各个计算机互连的功能）划分为定义明确的层次，并规定对等实体进行通信的协议。这些层与协议的集合被称为网络体系结构。
• 使用分层协议原因：
  • （1）网络结构化，层与之间相对独立，各层只需提供与自己相邻层接口即可，不必知道其他层实现的细节；
  • （2）各层有对应的数据和语法格式以及需要完成的数据处理任务。

什么是实体？什么是对等实体？

• 网络体系结构定义的实体是指层中的活动元素，它可以是软件（如进程），可以是硬件（如网卡、智能输入/输出芯片），不同网络层次中的实体实现的功能互不相同。
• 发送端与接收端处于同一层次的实体称作对等实体。

面向连接的服务和无连接服务的主要区别是什么？

• 面向连接，在发送任何数据之前，要求建立会话连接（与打电话类似），然后才能开始传送数据，传送完成后需要释放连接。
  • 建立连接是需要预先分配相应的资源如缓冲区，以保证通信能正常进行，这种方法通常称为“可靠”的网络业务。
  • 它可以保证数据以相同的顺序到达。面向连接适用于有可靠需求，数据量较大的应用。（比较适合于在一定期间内要想同一目的地发送多个报文的情形）
  • 建立链接分配资源、数据顺序到达、可靠；
  • 可能造成资源浪费，可能会拒绝用户
• 无连接服务，不要求发送方和接收方之间的会话连接，发送方只简单地开始向目的地发送数据分组，相关资源不需要事先进行预订保留，这些资源在数据传输时才动态地进行分配。
  • 优点是通信比较迅速，连接开销小；
  • 缺点是可靠性低，不能防止报文的丢失、重复或失序（适合于传送少量报文）
  • 不建立连接，资源不预先保留而是动态分配、顺序性差、不可靠、能为尽可能多的用户服务。

面向连接服务和无连接服务各自的特点是什么？

• 面向连接服务 是在数据交换之前，必须建立连接。当数据交换结束后，则应终止这个连接。
  • 面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务，虚表示：虽然在两个服务用户的通信过程中并没有自始至终专用一条端到端的完整物理电路，但却好像一直占用了一条这样的电路。
  • 面向连接服务比较适合在一定期间内要向同一目的地发送许多报文的情况。
• 无连接服务 两个实体之间的通信不需要提前建立好一个连接，因此下一层的相关资源不需要事先进行预订保留。
  • 这些资源将在数据传输时动态地进行分配。
  • 无连接服务的另一个特征是它不需要通信的两个实体同时是活跃的。只有当接收端的实体正在进行接收时，它才必须是活跃的。
  • 无连接服务的优点是：灵活方便和比较迅速。
  • 无连接服务不能防止报文的丢失、重复或失序。
  • 无连接服务特别适合传送少量零星的报文。

OSI网络参考模型定义了哪些数据单元

• PDU：协议数据单元
• SDU：服务数据单元
• IDU：接口数据单元

有两个网络都可以提供可靠的面向连接服务，其中一个提供可靠的字节流，另一个提供可靠的报文流。这两者是否相同？

• 两者不尽相同（主要是边界问题）
• 可靠字节流是指收发实体间的可控数据颗粒度为字节，不能保证对上层服务数据的边界，典型例子是TCP连接。
• 可靠报文是指收发实体间的可控数据颗粒度为报文，能保证对上层服务数据的边界，典型例子就是ATM网络。

“有证实”和“无证实”服务之间的差别是什么？对于建立连接，数据传输和连接释放这三种情况，请说出哪些是“有证实”服务或者“无证实”服务？哪些两者皆可？哪些两者不可？

• 服务是通过服务原语（请求，指示，响应，证实）来实施的
  • “有证实”服务需要四条服务原语，即请求原语、指示原语、响应原语和证实原语。
  • “无证实”服务只需要请求原语、指示原语这两条原语服务即可。
• 建立连接属于“有证实”服务，可靠性数据传输属于“有证实”服务，不可靠数据传输属于“无证实”服务，连接释放与数据传输相同。

协议与服务有何区别？有何关系？

• 网络协议是保证网络正常通信的规范，在分层网络结构中，每一层有不同的网络协议来保障本层通信。
• 而服务是承载与某一层网络协议上的具体应用。
  • 协议的实现保证了能够向上一层提供服务，使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的实体是透明的。
  • 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间的通信规则，但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
  • 并非在一个层内完成的全部功能都能称之为服务，只有哪些能够被高一层实体看得见的功能才能被称之为“服务”。

试述五层协议的网络体系结构的要点，包括各层的主要功能

• 物理层：能够在通信媒介上传输0、1比特流；
• 数据链路层：提供了TCP/IP与各种物理网络的接口，把IP数据报分装成能在网络中传输的数据帧，为数据报的传送和校验提供了可能。
• 网络层：网络层的功能主要表现在IP和ICMP协议上。
• 传输层：建立并提供端到端的通信连接，传输层实质上是为任何两台需要相互通信的计算机建立连接，并负责管理计算机之间的会话。
• 应用层：根据不同用户的各种需求，向用户提供所需的网络应用程序服务。

列出OSI参考模型和TCP/IP参考模型的主要相同点和不同点

• 相同点
  • 两者都以协议栈的概念为基础，并且协议中的协议彼此独立；
  • 两个模型的各个层的功能也大体相似
  • 两个模型的传输层之上的各层也都是传输服务的用户，并且用户是面向应用的用户。
• 不同点：
  • 对于OSI/RM模型有三个明确的核心概念，即服务、接口和协议，而TCP/IP对此没有明确区分；
  • OSI/RM参考模型是在协议发明之前设计的，而TCP/IP是在协议出现之后设计的
  • OSI/RM模型有7层，而TCP/IP只有4层。
  • OSI/RM的网络层同时之处无连接和面向连接的通信，但是在传输层上只支持面向连接的通信；而TCP/IP模型上的网络层上只有一种无连接通信模式（IP协议：数据报方式的分组交换），但是在传输层上同时支持两种通信模式。

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