第七讲网络体系结构

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1、第七讲 网络体系结构若干重要的概念一、若干重要概念1 1、协议、协议 实现计算机网络资源共享、信息交换，各实体之间经实现计算机网络资源共享、信息交换，各实体之间经常要进行各种通信和对话。常要进行各种通信和对话。为所欲为、各行其是，其结果肯定是乱作一团。为所欲为、各行其是，其结果肯定是乱作一团。把国际互连网络叫做信息高速公路，要想在上面实现把国际互连网络叫做信息高速公路，要想在上面实现共享资源、交换信息，必须遵循一些事先制定好的规则标共享资源、交换信息，必须遵循一些事先制定好的规则标准，这就是协议。准，这就是协议。协议就是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的协议就是计算机网络中实体之间有关通信

2、规则约定的集合。集合。协议有三个要素，即：协议有三个要素，即：语义语义：“讲什么讲什么”；控制信息的；控制信息的内容内容，需要做出的，需要做出的动作动作及及响应响应；语法语法：“怎么讲怎么讲”；数据与控制信息的；数据与控制信息的格式格式、数据、数据编码编码等；等；时序时序：“顺序速度顺序速度”；事件先后；事件先后顺序顺序和和速度匹配速度匹配。以两个人打电话为例来说明协议的概念：以两个人打电话为例来说明协议的概念：甲要打电话给乙，首先甲拨通乙的电话号码，对方电话振铃，乙甲要打电话给乙，首先甲拨通乙的电话号码，对方电话振铃，乙拿起电话，然后甲乙开始通话，通话完毕后，双方挂断电话。拿起电话，然后甲乙

3、开始通话，通话完毕后，双方挂断电话。其中，其中，电话号码就是电话号码就是“语法语法”的一个例子的一个例子，一般电话号码由五，一般电话号码由五到八位阿拉伯数字组成，如果是长途要加拨区号，国际长途还有国到八位阿拉伯数字组成，如果是长途要加拨区号，国际长途还有国家代码等等；家代码等等；甲拨通乙的电话后，乙的电话振铃，振铃是一个信号，表示有电话打进，乙选择接电话，讲话；这一系列的动作包括了控制信号、这一系列的动作包括了控制信号、响应动作、响应动作、讲话内容等等，就是等等，就是“语义语义”的例子的例子；“时序时序”的概念更好理解，因为甲拨了电话，乙的电话才会响，的概念更好理解，因为甲拨了电话，乙的电话才

4、会响，乙听到铃声后才会考虑要不要接乙听到铃声后才会考虑要不要接，这一系列事件的因果关系十分明确，不可能没有人拨乙的电话而乙的电话会响，也不可能在电话铃没响的情况下，乙拿起电话却从话筒里传出甲的声音。2 2、分层分层 计算机网络是一个非常复杂的系统计算机网络是一个非常复杂的系统。计算机、通信、材料、家电、应用不同，实现互连、互操作计算机、通信、材料、家电、应用不同，实现互连、互操作-开放性开放性 互连：互连：不同计算机之间，通过通信子网连接起来，进行数据通信不同计算机之间，通过通信子网连接起来，进行数据通信 互操作：互操作：不同计算机用户，能通过通信子网上计算机，使用相同的的命令不同计算机用户，

5、能通过通信子网上计算机，使用相同的的命令 计算机网络体系结构计算机网络体系结构，就是为，就是为不同不同计算机之间的计算机之间的互连、互操作互连、互操作提供相应的规范和标准的。提供相应的规范和标准的。为了降低设计复杂性、便于维护、提高运行效率，网络设计一般都采用层次结构。为了降低设计复杂性、便于维护、提高运行效率，网络设计一般都采用层次结构。图图2-12-1的例子来说明层次结构的通信原理。的例子来说明层次结构的通信原理。这这两位经理两位经理私人关系不太好，又都比较官僚，总之他们之间私人关系不太好，又都比较官僚，总之他们之间不能直接通话不能直接通话。他们每个人都雇用了他们每个人都雇用了一位高级助理

6、一位高级助理，负责起草公函、与贸易伙伴沟通的事务性工作。由于公司较大，业，负责起草公函、与贸易伙伴沟通的事务性工作。由于公司较大，业务繁忙，高级助理务繁忙，高级助理又有一些秘书负责又有一些秘书负责打字、传真、接听电话等一般性工作。打字、传真、接听电话等一般性工作。这样，这样，每个公司都形成了三个层次的机构每个公司都形成了三个层次的机构。甲方甲方经理经理对乙方的供货不满意，希望对乙方经理表达退货的意思对乙方的供货不满意，希望对乙方经理表达退货的意思，于是他让自己的于是他让自己的高级助理高级助理起草一份文起草一份文件发送出去。这位助理先生领会了经理的意思后，按照业界的惯例写了一份正式公函，并加上了

7、一些冠冕堂件发送出去。这位助理先生领会了经理的意思后，按照业界的惯例写了一份正式公函，并加上了一些冠冕堂皇的理由，然后把它交给皇的理由，然后把它交给秘书秘书发送出去。秘书拿到公函，按照公司通信录查到乙公司的传真号码，整理好后发送出去。秘书拿到公函，按照公司通信录查到乙公司的传真号码，整理好后发给了乙公司。乙公司的秘书接到传真后将有用的公函部分呈交给高级助理，而高级助理经过分析后，将关发给了乙公司。乙公司的秘书接到传真后将有用的公函部分呈交给高级助理，而高级助理经过分析后，将关键内容汇报给了经理键内容汇报给了经理。乙公司经理对公文格式、表面理由都不感兴趣，当然他更不会关心最初收到的信息是乙公司经

8、理对公文格式、表面理由都不感兴趣，当然他更不会关心最初收到的信息是传真、电子邮件还是邮寄信函，他所关心的只是甲公司经理的意见。传真、电子邮件还是邮寄信函，他所关心的只是甲公司经理的意见。这里，甲乙公司都可以看作是网络结点，而经理、助手和秘书是一个个的通信实体。处于不同结点的相这里，甲乙公司都可以看作是网络结点，而经理、助手和秘书是一个个的通信实体。处于不同结点的相同层次的实体叫做对等实体同层次的实体叫做对等实体。而。而协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定。比如两个公司的秘书之间就。比如两个公司的秘书之间就有收发传真、和普通信函的协议，高级助理之间都遵

9、照标准公函的协议，经理之间当然也有协议，不过那就有收发传真、和普通信函的协议，高级助理之间都遵照标准公函的协议，经理之间当然也有协议，不过那就是商人们的事情了。是商人们的事情了。通信系统采用了层次化的结构，有许多优点：通信系统采用了层次化的结构，有许多优点：l各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，可以真正做到各司其职。各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，可以真正做到各司其职。l利于实现和维护，某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。利于实现和维护，某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。l易于标准化易于标准化。我我们们希希望望退退货货他他们们要要退退货货尊敬的Jo

10、hn:由于.方面的原因我我们们希希望望退退货货尊敬的John:由于.方面的原因我我们们希希望望退退货货经理们的想法公司之间的正规书信利用信函、传真等传递的公文尊敬的John:由于.方面的原因我我们们希希望望退退货货尊敬的John:由于.方面的原因我我们们希希望望退退货货FAX#.FAX#.图2-1 协议层次实例通讯线路普京俄译法翻译秘书希拉克法译俄翻译秘书分层协议：分层原则分层原则层次结构虽然有它的优点，但是如果划分的不合理，反而会带来许多负面影响。层次结构虽然有它的优点，但是如果划分的不合理，反而会带来许多负面影响。通常要遵循如下一些通用的原则：通常要遵循如下一些通用的原则：1 1 层次的数

11、量不能过多层次的数量不能过多。真正需要的时候才划分一个层次，。真正需要的时候才划分一个层次，2 2 层次的数量也不能过少层次的数量也不能过少。层次的数量应该保证能够从逻辑上将功能分开，。层次的数量应该保证能够从逻辑上将功能分开，截然不同的功能最好不要合在同一层。截然不同的功能最好不要合在同一层。3 3 类似的功能放在同一层类似的功能放在同一层。4 4 在实现技术经常变化的地方增加层次在实现技术经常变化的地方增加层次。这看起来有些抽象，但是我们只。这看起来有些抽象，但是我们只要想一想为什么每家公司都要设置秘书这个职位就明白了。原因是两公司之要想一想为什么每家公司都要设置秘书这个职位就明白了。原因

12、是两公司之间的通信手段经常变化，以前是信函、传真，后来出现了电子邮件，以后可间的通信手段经常变化，以前是信函、传真，后来出现了电子邮件，以后可能是视频电话或某些更先进的东西，这些当然聘请秘书做比较好一些，如果能是视频电话或某些更先进的东西，这些当然聘请秘书做比较好一些，如果这些都由高级管理人员来做，表面上省了一个人的工资，实际上是分散了管这些都由高级管理人员来做，表面上省了一个人的工资，实际上是分散了管理人员的大量精力，无法完成好本职工作。另外，如果以前的秘书不会用电理人员的大量精力，无法完成好本职工作。另外，如果以前的秘书不会用电子邮件，换一个也比较容易，但总不能因为一个经理不会用计算机就换

13、掉他子邮件，换一个也比较容易，但总不能因为一个经理不会用计算机就换掉他吧。吧。5 5 层次边界要选得合理，使层次之间的信息流量最小层次边界要选得合理，使层次之间的信息流量最小。注意，这里不是要。注意，这里不是要求数据流量小，而是指用于控制、交流的额外信息流量要尽量少。求数据流量小，而是指用于控制、交流的额外信息流量要尽量少。3 3、系统、子系统、系统、子系统、N N层与实体层与实体 系统：系统：网络中有自治能力的计算机或交换设备，网络中有自治能力的计算机或交换设备，从拓扑学的角度，我们往往也把它叫做网络结点或从拓扑学的角度，我们往往也把它叫做网络结点或简称结点。简称结点。图中每一个垂直列表示一

14、个开放系统图中每一个垂直列表示一个开放系统。子系统：子系统：对每一个开放系统均可以有对每一个开放系统均可以有N N个划分，个划分，每一划分称为一个子系统。显然，每一划分称为一个子系统。显然，每一个子系统与每一个子系统与其上、下子系统进行交互作用，它们是通过子系统其上、下子系统进行交互作用，它们是通过子系统间的边界进行的。间的边界进行的。N N层：层：指指N N个划分中，除去顶层和底层的任一层，个划分中，除去顶层和底层的任一层，通常称通常称N N层；与层；与N N层相连的上、下层次称为（层相连的上、下层次称为（N+1N+1）层、）层、（N-1N-1）层。这种概念也适应于协议、服务、功能等。）层。

15、这种概念也适应于协议、服务、功能等。对等层：对等层：在所有的开放系统中，在所有的开放系统中，位于同一水平位于同一水平（同层）上的子系统，构成了对等层。（同层）上的子系统，构成了对等层。对等层中的对等层中的实体间能够发送和接收信息。实体间能够发送和接收信息。实体：实体：开放系统中，开放系统中，能够发送和接收信息的软件能够发送和接收信息的软件（如进程）和硬件（如智能（如进程）和硬件（如智能I/OI/O芯片），称为实体芯片），称为实体。每层由多个实体组成。实体是系统中的活动元素。每层由多个实体组成。实体是系统中的活动元素。一个子系统可以包含一个或多个实体。一个子系统可以包含一个或多个实体。位于不同系

16、位于不同系统中的同一层次的实体叫做对等实体。统中的同一层次的实体叫做对等实体。协议就是计算机网络中对等实体之间有关通信规则约定的集合。协议就是计算机网络中对等实体之间有关通信规则约定的集合。4 4、协议栈（协议栈（Protocol StackProtocol Stack）协议是关于同一层次的对等实体之间的概念，协议是关于同一层次的对等实体之间的概念，而协议栈是指特定系统而协议栈是指特定系统中所有层次的协议的列表。中所有层次的协议的列表。5 5、网络体系结构（网络体系结构（Network ArchitectureNetwork Architecture）网络体系结构（网络体系结构（Network

17、 ArchitectureNetwork Architecture）是指层次结构与协议的集合。）是指层次结构与协议的集合。前面，我们已经介绍了协议和层次的概念，网络体系结构就是把他们组织前面，我们已经介绍了协议和层次的概念，网络体系结构就是把他们组织在一起的有机的整体。由于有了网络体系结构的规范，网络开发人员就可在一起的有机的整体。由于有了网络体系结构的规范，网络开发人员就可以根据协议设计每一层的软件程序或是硬件设备。以根据协议设计每一层的软件程序或是硬件设备。需要指出的是网络体系需要指出的是网络体系结构并不包括实现细节和接口规范，结构并不包括实现细节和接口规范，这些都是各个计算机系统设计者需

18、要这些都是各个计算机系统设计者需要解决的问题。解决的问题。6 6、接口、服务、访问点接口、服务、访问点 接口接口：相邻两层之间的边界，相邻两层之间的边界，N N层通过接口为（层通过接口为（N+1N+1）层提供服务）层提供服务；换句话说，上层；换句话说，上层通过接口使用低层提供的服务（通过接口使用低层提供的服务（调用调用）；）；上层叫作服务的使用者，低层叫作服务上层叫作服务的使用者，低层叫作服务的提供者。的提供者。访问点访问点：服务的使用者和提供者通过服务访问点直接联系。服务的使用者和提供者通过服务访问点直接联系。所谓服务访问点所谓服务访问点SAPSAP（Service Access Point

19、)Service Access Point)是指相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务是指相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务的联系点。的联系点。服务服务：N N实体向实体向N+1N+1实体提供的实体提供的N N层服务是由下述三部分组成：层服务是由下述三部分组成：（1 1）N N实体自身提供的某些功能；实体自身提供的某些功能；（2 2）由（）由（N-1N-1）层及其以下各层及本地系统环境提供的服务；）层及其以下各层及本地系统环境提供的服务；（3 3）与另一开放系统中的对等（）与另一开放系统中的对等（N N）实体的通信而提供的服务。）实体的通信而提供的服务。确定两个对等实体通信行为规则

20、的集合称为确定两个对等实体通信行为规则的集合称为N N协议。协议。N N服务用户只能看到服务用户只能看到N N服服务，却无法看到务，却无法看到N N协议的存在，即协议的存在，即N N协议对协议对N N服务用户是透明的。服务用户是透明的。服务是同一开放系统中相邻层之间的操作；协议是不同开放系统的对等实体服务是同一开放系统中相邻层之间的操作；协议是不同开放系统的对等实体间虚拟通信所必须遵守的规定间虚拟通信所必须遵守的规定。7 7、服务原语服务原语 服务并不抽象，它由一系列的服务原语来描述。服务并不抽象，它由一系列的服务原语来描述。所谓原语，就是不可再细所谓原语，就是不可再细分的意思。分的意思。在接

21、口的服务访问点上，服务使用者看到的只是几个简单的原语。在接口的服务访问点上，服务使用者看到的只是几个简单的原语。关于原语是如何实现的，完全是服务提供者自己层次内部的事情，在接口上完关于原语是如何实现的，完全是服务提供者自己层次内部的事情，在接口上完全不必考虑。全不必考虑。常用原语有：常用原语有：l 请求（请求（RequestRequest）：）：表示某实体希望开始调用服务做事；表示某实体希望开始调用服务做事；l 指示（指示（IndicationIndication）：）：表示某实体被通知有事件发生；表示某实体被通知有事件发生；l 响应（响应（ResponseResponse）：）：表示某实体对

22、事件做出响应；表示某实体对事件做出响应；l 确认（确认（ConfirmConfirm）：）：表示对发回响应的确认。表示对发回响应的确认。以打电话为例说明服务原语：以打电话为例说明服务原语：甲和乙位于高层，是服务的使用者；电话机位于低层，是服务的提供者，甲和乙位于高层，是服务的使用者；电话机位于低层，是服务的提供者，为打电话的人提供上述四个服务原语。首先，为打电话的人提供上述四个服务原语。首先，甲在自己的电话机上拨乙的电话甲在自己的电话机上拨乙的电话号码，发出号码，发出“请求请求”；乙的电话机响铃，乙的电话机响铃，“指示指示”给乙有电话打进来；给乙有电话打进来；乙拿起乙拿起电话，电话，作为作为“

23、响应响应”；甲的电话由振铃音变为通话音，甲就收到了可以通话的甲的电话由振铃音变为通话音，甲就收到了可以通话的“确确认认”。8 8、数据单元数据单元 在在OSI/RMOSI/RM中规定了下属数据单元：中规定了下属数据单元：l 服务数据单元（服务数据单元（SDUSDU）相邻层实体间传送的数据单元；并将相邻层实体间传送的数据单元；并将N+1N+1层与层与N N层传送信息的服务数据单元层传送信息的服务数据单元记为（记为（N N）SDUSDU。l 协议数据单元（协议数据单元（PDUPDU）对等实体之间传送的数据单元；并将对等实体之间传送的数据单元；并将N N层的协议数据单元记为（层的协议数据单元记为（N

24、 N）PDUPDU。（N N）PDUPDU由两部分组成：由两部分组成：N N用户数据单元（用户数据单元（N N）UDUD和和N N协议控制信息（协议控制信息（N N）PCIPCI；如；如果某层协议控制单元只用于控制，则协议数据单元中的用户数据可省略。果某层协议控制单元只用于控制，则协议数据单元中的用户数据可省略。l 接口数据单元（接口数据单元（IDUIDU）相邻实体间通过层间服务访问点一次交互信息的数据单元，称为接口数据相邻实体间通过层间服务访问点一次交互信息的数据单元，称为接口数据单元；并将之记为（单元；并将之记为（N N）IDUIDU。（N N）IDUIDU由两部分组成：由两部分组成：N

25、N与与N+1N+1层间的交互数据，称为接口数据，记为层间的交互数据，称为接口数据，记为 （N N）IDID；另一部分是为了控制；另一部分是为了控制N N与与N+1N+1层间的交互操作而附加的控制信息，记为层间的交互操作而附加的控制信息，记为（N N）ICIICI。物理介质第一层通信实体第二层通信实体图2-2 层次、协议、接口与服务等概念第三层通信实体第一层通信实体第二层通信实体第三层协议第三层PDU第一层协议第一层PDU第二层协议第二层PDUSDUSDUSDUSDU二/三层接口一/二层接口调用服务原语调用服务原语第三层通信实体提供服务提供服务9 9、对等实体间的数据交换方式对等实体间的数据交换

26、方式l 面向连接的服务面向连接的服务 面向连接的服务就象打电话，有一个明显的拨通电话、讲话、面向连接的服务就象打电话，有一个明显的拨通电话、讲话、再挂断电话的过程，面向连接服务的提供者也要作建立连接、维护再挂断电话的过程，面向连接服务的提供者也要作建立连接、维护连接和拆除连接的工作，这种服务的最大好处就是可靠性高，而且连接和拆除连接的工作，这种服务的最大好处就是可靠性高，而且保证数据顺序传输。保证数据顺序传输。l 无连接的服务无连接的服务 无连接的服务就像发电报，无连接的服务就像发电报，电报发出后你并不能马上确认对方电报发出后你并不能马上确认对方已经收到，无连接的服务不需要维持连接的额外开销，但是可靠性已经收到，无连接的服务不需要维持连接的额外开销，但是可靠性较低，也不保证数据的传输顺序。较低，也不保证数据的传输顺序。