通信网基本概念与主体结构ch2要点

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1、第2章 通信网通信网络可以支持极可以支持极为广泛的广泛的业务，我，我们一般利用它一般利用它们进行通行通话、发送送电子子邮件、件、传送文件和送文件和查询、检索信息等。索信息等。随着因特网的随着因特网的应用，必用，必须使所使所设计的网的网络既能灵活地支持当既能灵活地支持当前的前的业务，又能适，又能适应未来未来业务发展的需要。展的需要。为了了实现这种灵种灵活性，必活性，必须建立一种整个网建立一种整个网络的体系的体系结构或构或规则。在在20世世纪70年代初，各年代初，各计算机公司开算机公司开发了自己了自己专用的用的网网络体系体系结构，其共同特征是将通信功能分成某几个构，其共同特征是将通信功能分成某几个

2、相关相关联、易、易处理和管理的理和管理的组，通常把，通常把这种种组称作称作层(layer)。人。人们利用利用网网络体系体系结构构(network architecture)这一一术语来表示用以来表示用以说明各明各层功能的功能的协议族。族。分分层优点：点：首先，当各首先，当各层的功能及其相互关系明确后，其的功能及其相互关系明确后，其设计过程可大程可大为简化；化；其次，利用其次，利用这种种层次方法可灵活地更改和次方法可灵活地更改和扩展网展网络。HTTP与Web通通过WWW框架我框架我们可以可以访问连接到接到Internet上的上的计算算机中的以超文本机中的以超文本标记语言（言（HTML）编写的文件

3、，通写的文件，通过浏览器程序器程序访问Web页，浏览其中所其中所显示的文档，示的文档，单击链接接访问其他文档。每个其他文档。每个链接都接都为浏览器提供器提供统一一资源源定位符（定位符（URL），用以指定存），用以指定存储文档的机器名和包含文档的机器名和包含请求文档的文件名。求文档的文件名。超文本超文本传输协议（HTTP）详细规定了客定了客户端和服端和服务器交器交互与文件互与文件读取有关的取有关的规则，且指定了表达，且指定了表达请求和响求和响应时的措辞方式。的措辞方式。例如，HTTP与Web客客户软件件必必须进行行域域名名系系统查询，以以确确定定对应于于主主机机名名(wwwcomm.utoron

4、to.ca)的的IP地地址址,然然后后该软件件建建立立一一条条与与给定定IP地地址址的的www服服务器器(由由端端口口80标识)的的TCP连接接，客客户端借助端借助临时端口号来端口号来标识自己。自己。连接建立后，客接建立后，客户机利用机利用HTTP请求文档。求文档。该请求求报文指文指定方法或命令定方法或命令(GET)、文档、文档(infocom/index.html)及及浏览器用的器用的协议版本版本(HTTP/1.0)。服。服务器器驻留程序确留程序确认报文的文的3个部分，并确定文件的位置个部分，并确定文件的位置)。HTTP与Web驻留程序留程序发送其信息的状送其信息的状态行和行和说明。明。结果

5、代果代码“200”指指示客示客户机机请求是成功的，后面即是文档。此求是成功的，后面即是文档。此报文文还包含包含有关服有关服务器器软件、文档件、文档长度度(414个字个字节)和文档内容和文档内容类型型等信息。等信息。HTTP驻留程序在留程序在TCP连接上接上发送文件，然后断开送文件，然后断开连接接.其其间客客户机接收文件并加以机接收文件并加以显示。示。为了取出了取出图像，像，浏览器必器必须启启动另一另一TCP连接，用于接，用于GET交互作用。交互作用。HTTP与Web在在HTTP情情况况下下，需需双双向向连连接接，以以正正确确的的次次序序无无误误地地传传送送字字节节流流。TCP协协议议能能够够提

6、提供供这这种种通通信信业业务务，每每个个HTTP进进程程都都将将报报文文插插入入一一缓缓存存器器内内，由由TCP以以信信息息块块(段段)形形式式将将其其传传送送到到另另一一TCP进进程程，每每段段包包含含端端口口号号，加加到到HTTP报报文文信信息息中中。HTTP利利用用底底层层TCP提提供供服服务务，这这样样，HTTP客客户户机机与与服服务务器器间间报报文文的的传传送送实实际际上上是是虚虚拟拟的的，经经TCP连连接接是是不不直直接接的的，而而TCP实际上利用实际上利用IP提供服务。提供服务。SMTP和电子邮件邮件件客客户机机应用用程程序序与与本本地地SMTP服服务器器进行行交交互互工工作作，

7、以以启启动传送送电子子邮件件报文文。用用户需需准准备该报文文，包包含含接接收收用用户的的电子子邮件件地地址址、标题行行与与报文文内内容容。当当用用户点点击“send”(发送送)时，邮件件应用用程程序序就就准准备了了一一个个含含有有上上述述信信息息和和附附加加信信息息(用用于于指指定定格格式式)的的文文件件，具具有有本本地地SMTP服服务器名，并可器名，并可发送一送一IP地址的地址的DNS查询报文。文。SMTP和电子邮件SMTP和电子邮件SMTP和电子邮件在在传送送电子子邮件件报文文前前，应用用进程程必必须先先建建立立TCP连接接。之之后后利利用用SMTP协议进行行一一系系列列报文文交交换，包包

8、括括客客户机机确确认本本身身、发送送者者与与接接收收者者。传送送SMTP服服务器器接接受受的的报文文及及结束束邮件会件会话。此后，本地与目的。此后，本地与目的SMTP服服务器重复器重复这一一过程。程。为定位目的定位目的SMTP服服务器，可器，可进行行MX(邮件交件交换)类型的型的DNS查询。当目的。当目的设备总处于可用状于可用状态时，SMTP的工作的工作最好。因此最好。因此,在在PC环境的用境的用户通常利用通常利用邮局局协议(Post Office Protocol，POP)从从邮件服件服务器器检索索电子子邮件。件。TCP和UDP传输层服务上述例子表明多上述例子表明多协议能能够利用利用TCP和

9、和UDP协议提供的通信服提供的通信服务进行工作行工作,TCP和和UDP协议的工作均是利用了的工作均是利用了IP提供的无提供的无连接接分分组网服网服务。UDP提供提供Internet上主机上主机进程之程之间无无连接的数据接的数据报传输，并提，并提供端口号，以供端口号，以识别每个主机的源每个主机的源进程和目程和目标进程。程。TCP提供提供Internet上主机上主机进程之程之间字字节流的可靠流的可靠传输，进程将程将字字节写到写到缓冲区，并通冲区，并通过TCP跨跨Internet传输。整个一整个一组协议都是在都是在IP基基础之上开之上开发和工作的，因此，和工作的，因此，层次概次概念很有用，在念很有用

10、，在现有有层次次协议所提供的服所提供的服务之上可以很快地开之上可以很快地开发出一些新的出一些新的业务。OSI参考模型国国际标准化准化组织(ISO)开开发出出开放系开放系统互互连(open system interconnection,OSI)参考模型，后来又开参考模型，后来又开发了有关的了有关的标准准协议。这种模型提供了一种描述整个种模型提供了一种描述整个通信系通信系统的框架，方便了的框架，方便了标准的开准的开发。OSI参考模型将整个通信参考模型将整个通信过程分成各程分成各层提供的功能。提供的功能。在每在每层中，一台中，一台设备的的进程只能与另一台程只能与另一台设备的的对等等进程程(Peer

11、Process)进行会行会话。图2.1对等通信等通信OSI参考模型在在OSI术语中，第中，第n层的的进程称作程称作第第n层实体体(layer n entity)。第。第n层实体体间通通过交交换协议数据数据单元元(protocol data unit，PDU)进行通信。每个行通信。每个PDU包包括一个括一个头部，而部，而头部中含有部中含有协议控制信息。通常用控制信息。通常用户信息信息为服服务数据数据单元元(service data unit SDU)格式。格式。n层实体的行体的行为由一由一组规则或或约定定进行管理，通常将行管理，通常将这些些规则与与约定称作定称作第第n层协议(layer n pr

12、otoc0l)。HTTP客客户机与服机与服务器器应用程序起着用程序起着对等等进程的作用。完程的作用。完成成TCP发送和接收功能的送和接收功能的进程也构成下一程也构成下一层的的对等等进程。程。对等等进程程间的通信是虚的通信是虚拟的，并不存在的，并不存在实际的直接通信的直接通信链路。路。为了了进行通信，第行通信，第n+1层实体需利用第体需利用第n层提供的提供的服服务，第，第n+1层PDU传输的完成，是通的完成，是通过称称为第第n层服服务访问点点(service access point，SAP)的的软件端口将信息件端口将信息块从第从第n+1层交交换到第到第n层而而实现的的,每个每个SAP由一个惟一

13、由一个惟一的的标识符符进行行标识。层次服次服务：n层SDU即即为n+1层PDU，封装在，封装在n层PDU内。内。这一一封封装装(encapsulation)过程减少了程减少了邻近近层间对服服务的依的依赖关系。关系。n层提供的服提供的服务一般包括接收来自一般包括接收来自n+1层的信息的信息块与与传送信息送信息块到它的到它的对等等进程，而程，而对等等进程再将信息程再将信息块送送到它的到它的n+1层用用户。由由层提供的服提供的服务可以是面向可以是面向连接的或无接的或无连接的，其中接的，其中面向面向连接的服接的服务(connection-oriented-service)包含包含3个步个步骤：在两个在

14、两个n层SAP问建立建立连接。接。该建立建立过程包括程包括协商商连接接参数和初始化参数和初始化“状状态信息信息”，如序号、流量控制，如序号、流量控制变量与量与缓存位置等。存位置等。利用利用n层协议实际传送送nSDU。断开断开连接，接，释放用于放用于该连接的各种接的各种资源。源。在在无无连接服接服务(connectionless service)中，不存在中，不存在连接建立，每个接建立，每个SDU在在SAP间直接直接传送。在送。在这种情况下，种情况下，从从n+1层到到n层控制信息必控制信息必须包含包含为传送送该SDU所需的所需的所有地址信息。所有地址信息。在在HTTP例子中，例子中，HTTP客客

15、户机机进程程为传送送HTTP PDU利用了利用了TCP所提供的服所提供的服务，而，而HTTP PDU中含有中含有请求求报文。在文。在HTTP客客户机与服机与服务器器进程程间建立建立TCP连接，接，TCP发送接收端送接收端实体体执行行TCP协议，为交交换HTTP PDU提供可靠的信息流服提供可靠的信息流服务。当收到。当收到HTTP响响应后，后，即即释放放该TCP连接。接。OSI参考模型OSI参考模型OSI参考模型会会话层（session layer）用于控制数据交）用于控制数据交换方式方式表示表示层（presentation layer）为应用用层提供服提供服务，使其，使其免受数据不同表示方式的

16、不便。免受数据不同表示方式的不便。应用用层（application layer）为通用通用应用程序提供服用程序提供服务，在在WWW例子中，例子中，浏览器器应用程序使用用程序使用HTTP应用用层协议访问WWW中的文件，中的文件，应用用层协议用于文件用于文件传输、虚、虚拟终端（端（远程登程登录）、）、电子子邮件、域名服件、域名服务、网、网络管理等管理等应用用程序。程序。OSI参考模型传输层(transport layer)的作用是的作用是实现从源端到目的端从源端到目的端设备会会话实体的端到端体的端到端间报文文传送。送。传输层协议包括称包括称为段或段或报文段文段(segment)的的传输层PDU在末

17、端在末端计算机系算机系统中中进行行传送。通常送。通常进程通程通过套接字套接字(socket)接口接口访问传输层。上上4层是端到端的，包括是端到端的，包括经网网络的的对等等进程交互作用；下程交互作用；下3层涉及通涉及通过单跳的跳的对等等进程交互作用。网程交互作用。网络中的每个中中的每个中间节点必点必须实现下下3层功能。功能。OSI参考模型网网络层(network layer)提供提供经通信网的通信网的分分组(packet)数数据据传送，其关送，其关键问题是是为从源端从源端设备到目的端到目的端设备的分的分组选择路由，所路由，所谓路由路由选择，就是，就是为通通过网网络的分的分组选择路径的方法。网路径

18、的方法。网络中的各中的各节点必点必须协同工作，以有效同工作，以有效地完成路由的地完成路由的选择。这一一层还涉及由于分涉及由于分组信息流的信息流的剧增而引起的增而引起的拥塞塞问题。若将两台若将两台计算机算机连到同一分到同一分组交交换网中，网中，则可利用一种可利用一种简单的路由的路由选择方法。方法。如果两合如果两合计算机算机连到不同的网到不同的网络中，那么数据中，那么数据传送必送必须通通过两个或多个内部路由可能不同的网两个或多个内部路由可能不同的网络。在。在这种情况种情况下，必下，必须采用采用网网络互互连(internetworking)技技术，为数数据在据在连接中接中间网网络的网关的网关间确定路

19、由，也必然涉及到确定路由，也必然涉及到寻址方式的不同和各网址方式的不同和各网络内所能内所能处理分理分组大小的差大小的差别。网网络层内的内的互互连网子网子层(internet sublayer)可以可以对上上层“隐藏藏”底底层网网络的的细节，这在大型网在大型网络和采用众多网和采用众多网络技技术的情况下，的情况下，为完成分完成分组传送是特送是特别重要的。重要的。利用同一路由利用同一路由选择方法的分方法的分组交交换网网 互互联网网OSI参考模型数据数据链路路层(data link layer)的作用是在直的作用是在直连两两节点的点的传输链路上路上传送送帧(frame)或信息或信息块。在。在该层，插入

20、，插入帧定位信息以指示定位信息以指示帧的的边界。同界。同时也在也在头部中插入控制部中插入控制与地址信息及在与地址信息及在帧内插入校内插入校验位以位以实现传输差差错恢复恢复与流量控制。与流量控制。物理物理层(physical layer)涉及在通信信道，如涉及在通信信道，如铜线对、同同轴电缆、无、无线电或光或光纤上比特流的上比特流的传送，包括系送，包括系统参数参数(像像电平、信号持平、信号持续时间等等)的具体的具体选择、物理、物理连接的建立与接的建立与释放及机械方面的要求。放及机械方面的要求。每每层都要在从上一都要在从上一层接收的接收的SDU中加上中加上头部，也可能部，也可能还要加上要加上层部。

21、下部。下图表示一表示一应用数据用数据块从第从第7层到第到第1层加加头部和尾部的情况。到目的端，每部和尾部的情况。到目的端，每层读其相其相应的的头部，以确定部，以确定应进行的行的动作，最后将去掉作，最后将去掉头部和尾部部和尾部后的后的SDU送到其上送到其上层。头部与尾部部与尾部2.3 TCP/IP 网络体系结构 TCPIP网网络体系体系结构是一构是一组允允许经多个异构网多个异构网络进行行通信的通信的协议。该体系体系结构的出构的出现源于当初源于当初为实现3种不种不同分同分组网网传送分送分组而而进行的研究。行的研究。应用用层提供可用于其他提供可用于其他应用程序的服用程序的服务，例如，例如为远程登程登

22、录、电子子邮件、文件件、文件传送、网送、网络管理而开管理而开发的的协议。该层组合了合了OSI上上3层的功能。的功能。HTTP协议实际上是一种上是一种TCPIP应用用层协议，HTTP请求求报文中包含了客文中包含了客户机与服机与服务器器间对话所定所定义的格式信息和的格式信息和HTTP协议。TCPIP模型不要求模型不要求严格分格分层，如，如图b所示，即所示，即应用用层可跨可跨越或涵盖中越或涵盖中间层，例如它能直接运行在互，例如它能直接运行在互联网网层传翰翰层提供了两种基本的服提供了两种基本的服务：第：第1种包括由种包括由传输控制控制协议(TCP)提供的面向提供的面向连接的字接的字节流可靠流可靠传输；

23、第；第2种种包括由包括由用用户数据数据报协议(UDP)提供的无提供的无连接接报文文传送，送，这种服种服务没有差没有差错恢复或流量控制机制。恢复或流量控制机制。UDP一般用一般用于要求速度快但不一定要求可靠的于要求速度快但不一定要求可靠的传送送场合。合。互互联网网层(internet layer)利用网关或路由器提供利用网关或路由器提供经多个多个网网络的信息的信息传送。送。该层对应于于OSI网网络层的一部分，因的一部分，因而它必然涉及而它必然涉及经不同网不同网络的分的分组路由路由选择与与拥塞控制塞控制问题。互。互联网网层的关的关键是确定接于网是确定接于网络上各上各计算机的全球算机的全球惟一地址。

24、惟一地址。这层提供一种服提供一种服务，即，即尽力而尽力而为的无的无连接分接分组传送送(best-effort connectionless packet transfer)。网网络接口接口层(network interface layer)涉及的是特定网涉及的是特定网络的分的分组传送送问题，同，同样它也必然涉及到它也必然涉及到OSI网网络层与与数据数据链路路层的部分功能。的部分功能。互互联网网层与网与网络接口接口层网网络接接口口层特特别涉涉及及到到用用于于接接入入中中间网网络的的协议。在在每每个个网网关关中中，利利用用网网络接接入入协议将将IP分分组装装到到底底层网网络或或链路路的的分分组或或

25、帧内内。在在给定定网网络的的出出口口网网关关处，恢恢复复IP分分组。该网网关关接接着着还需需将将此此IP分分组装装入入下下一一个个网网络或或链路路类型的分型的分组或或帧中。中。运行在运行在TCP上的协议很多，上的协议很多，图中列举了图中列举了HTTP与与SMTP，在，在UDP上的也只列举了上的也只列举了DNS与实时协议与实时协议(Real Time Protoc0l)。传输层协。传输层协议议TCP和和UDP运行在运行在IP上，上，许多网络接口支持许多网络接口支持IP。所有。所有高层协议均通过高层协议均通过IP访问网络访问网络接口，这样就提供了运行于接口，这样就提供了运行于各种网络上的能力。各种

26、网络上的能力。TCP/IP协议图协议图TCP/IP协议由由图a所示的网所示的网络配置可配置可见，服，服务器、工作站、路由器器、工作站、路由器连到以太局域网，到以太局域网，远地地PC经点到点点到点链路接于路由器。路接于路由器。从从IP观点看，以太网和点到点点看，以太网和点到点链路构成两个不同的网路构成两个不同的网络，如，如图b所示。所示。IP地址与物理地址因特网上的每台主机由一个惟一的因特网上的每台主机由一个惟一的IP地址加以地址加以标识。IP地地址址标识的是主机的网的是主机的网络接口，而不是主机本身，各接口，而不是主机本身，各IP地址地址均分成两部分：均分成两部分：网网络标记与与主机主机标记字

27、段。字段。物理地址的格式取决于相物理地址的格式取决于相应网网络的的类型，以太网采用型，以太网采用48比比特的地址。每特的地址。每块以太网接口卡以太网接口卡(NIC)分配有一个全球惟一分配有一个全球惟一的介的介质访问控制控制(MAC)地址或物理地址。当通地址或物理地址。当通过NIC将将计算机接到任一以太网算机接到任一以太网时，在此网上的所有，在此网上的所有计算机会自算机会自动拥有惟一地址。有惟一地址。这样，路由器、服，路由器、服务器和工作站也必然有物器和工作站也必然有物理地址，理地址，图中分中分别以以r，sw表示。表示。发送和接收IP数据报工作站工作站发送一个送一个IP数据数据报到服到服务器器时

28、,该IP数据数据报在其分在其分组头部中含有工作站与服部中含有工作站与服务器的器的IP地址。假定已知服地址。假定已知服务器的器的IP地地址，工作站的址，工作站的 IP实体在其路由表体在其路由表查看是否有服看是否有服务器的完整器的完整IP地址地址项，此，此时可以可以发现该服服务器直接器直接连到同一网到同一网络，且其物，且其物理地址是理地址是s。IP数据数据报传送到以太网送到以太网设备驱动器，构成以太网器，构成以太网帧。此后，以太网。此后，以太网帧就在就在LAN上广播。若服上广播。若服务器器NIC识别出出此此帧确是确是传给自己的，就从网上取下并自己的，就从网上取下并检查协议类型字段。型字段。如果如果

29、设置置为IP则服服务器将器将该IP数据数据报送到送到IP实体。体。在帧的头部包含源物理地址w和目的物理地址s，还含有协议类型字段，用于设定对应于IP的值。之所以需要有该类型字段，是由于以太网可能传送其他非IP协议的分组。发送和接收IP数据报服服务器将器将IP数据数据报发送到个人送到个人计算机算机时，个人，个人计算机通算机通过点点到点到点链路路连接到路由器，服接到路由器，服务器的器的IP实体体查询器路由表，确器路由表，确定是否有个人定是否有个人计算机的完整算机的完整IP地址地址项，若无，若无，则需需查看是否看是否有与个人有与个人计算机算机IP地址地址IP部分的网部分的网络ID相匹配的路由表相匹配的路由表项，若仍无，若仍无，则继续检查是否是否拥有指定默有指定默认路由器的路由表路由器的路由表项，再找不到其他表再找不到其他表项时使用使用该项。IP数据数据报被被传输到以太网到以太网设备驱动器中，生成以太网器中，生成以太网帧，帧的的报头包括源端和目的端物理地址包括源端和目的端物理地址s，r，不，不过帧中的中的IP数据数据报包含个人包含个人计算机的目的端算机的目的端IP地址（地址（2,2）而不是路由器的）而不是路由器的目的端目的端IP地址地址。Thank you！