INTERNET的网络体系结构

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第 三 章INTERNET的网络体系结构 INTERNET的网络体系结构

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INTERNET的网络体系结构 第3章 INTERNET的网络体系结构本章内容 层次化的网络体系结构 层次化的网络体系结构 开放系统互联参考模型(OSI/RM) 开放系统互联参考模型(OSI/RM) TCP/IP体系结构 TCP/IP体系结构 OSI和TCP/IP的主要层次功能 OSI和TCP/IP的主要层次功能 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层2

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3.1 计算机网络体系结构

网络体系结构提出的背景——计算机网络的复杂性、异质性 计算机网络的复杂性、 网络体系结构提出的背景 计算机网络的复杂性 不同的通信介质——有线、无线、… … 有线、无线、 不同的通信介质 有线 不同种类的设备——主机、路由器、交换机、复用设备、… … 不同种类的设备 主机、路由器、交换机、复用设备、 主机 不同的操作系统——Unix、Windows、… … Unix、Windows、 不同的操作系统 Unix 不同的软/硬件、接口和通信约定(协议) 不同的软/硬件、接口和通信约定(协议) 不同的应用环境——固定、移动、… … 固定、移动、 不同的应用环境 固定 不同种类业务——分时、交互、实时、… … 分时、交互、实时、 不同种类业务 分时 宝贵的投资和积累——有形、无形、… … 宝贵的投资和积累 有形、无形、 有形 用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏 不允许出现大的跌宕起伏 用户业务的延续性3

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对于复杂的网络系统， 对于复杂的网络系统，用什么方法能合理 地组织网络的结构，以达到： 地组织网络的结构，以达到： 结构清晰 简化设计与实现 便于更新与维护 较强的独立性和适应性

解决：分而治之！ 解决：分而治之！一个生活中的例子： 一个生活中的例子：空中旅行的组织4

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空中旅行的组织购买) 机票 (购买) 托运) 行李 (托运) 出发) 旅客 (出发) 起飞) 飞机 (起飞) 飞行航线 飞行航线 投诉) 机票 (投诉) 认领) 行李 (认领) 到达) 旅客 (到达) 着陆) 飞机 (着陆) 飞行航线

一系列的步骤

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空中旅行的组织: 空中旅行的组织: 从另一种不同的角度观察购买) 机票 (购买) 托运) 行李 (托运) 出发) 旅客 (出发) 起飞) 飞机 (起飞) 飞行航线 飞行航线 层次的观点： 每层实现一种特定的服务 层次的观点： 每层实现一种特定的服务 –通过自己内部的功能 通过自己内部的功能 –依赖自己的下层提供的服务 依赖自己的下层提供的服务 投诉) 机票 (投诉) 认领) 行李 (认领) 到达) 旅客 (到达) 着陆) 飞机 (着陆) 飞行航线

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分层的空中旅行组织: 分层的空中旅行组织: 服务柜台-to-柜台：“旅客+行李” 票务服务 柜台： 旅客 行李 行李” 柜台 柜台 行李托运-to-行

李认领：行李服务 行李认领： 行李托运 行李认领 登机入口-to-到达出口：旅客乘务服务 到达出口：旅客乘务服务 登机入口 到达出口 跑道-to-跑道：飞机“航运”服务 跑道：飞机“航运” 跑道 跑道 从出发地到目的地的航线： 从出发地到目的地的航线：导航服务

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层次功能的分布式实现购买) 机票 (购买 购买 投诉) 机票 (投诉) 认领) 行李 (认领) 到达) 旅客 (到达) 着陆) 飞机 (着陆)

起飞机场 起飞机场

托运) 行李 (托运 托运 出发) 旅客 (出发 出发 起飞) 飞机 (起飞)

中间空中交通枢纽飞行航线 飞行航线

飞行航线8

到达机场

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层次化方法在其它领域的应用程序设计 把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来 实现，如操作系统。 实现，如操作系统。 邮政系统 邮递员、邮政分局、邮政总局、 邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输 银行系统 物流系统 。。。9

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1. 计算机网络体系结构的定义计算机网络中也采用了分层方法。 计算机网络中也采用了分层方法。——把复杂的问题划 分层方法 把复杂的问题划 分为若干个较小的、单一的局部问题， 分为若干个较小的、单一的局部问题，在不同层上予以 解决。 解决。 网络的层次结构方法要解决的问题： 网络的层次结构方法要解决的问题： 网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？ 网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？ 分层与功能) (分层与功能) 各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？ 各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？ 服务与接口) (服务与接口) 通信双方的数据传输要遵循哪些规则？(协议) 通信双方的数据传输要遵循哪些规则？(协议) ?(协议10

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1. 计算机网络体系结构的定义计算机网络中， 计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称为计算 协议和层间接口的集合被称为计算 的集合被称为 机网络体系结构。 机网络体系结构。 换句话说：体系结构包括三个内容： 换句话说：体系结构包括三个内容：分层结构与每 层的功能，服务与层间接口，协议。 层的功能，服务与层间接口，协议。 最早的网络体系结构源于IBM SNA; IBM的 最早的网络体系结构源于IBM的SNA; 其它的网络体系结构还有DEC DNA等 DEC的 其它的网络体系结构还有DEC的DNA等 由国际化标准组织ISO ISO制定的网络体系结构国际标准是 由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标准是 OSI/RM; OSI/RM; 实际中应用最广泛的是TCP/IP TCP/IP体系结构 实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构 事实上的( facto) 事实上的(de facto)标准 11

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层次结构方法的优点独立性强——耦合程度低

耦合程度低 独立性强上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务—黑箱方法。 上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务 黑箱方法。 黑箱方法

适应性强只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。 只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。

易于实现和维护把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、 把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子单 元：使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。 使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。12

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2. 网络体系结构的分层原理基本概念： 基本概念： 实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 对等层：两个不同系统的同级层次。 对等层：两个不同系统的同级层次。 对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体. 对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体. 接口：相邻两层之间交互的界面， 接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的 操作及下层对上层的服务。 操作及下层对上层的服务。 服务：某一层及其以下各层的一种能力， 服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供 给其相邻上层。 给其相邻上层。 协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。 协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。13

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2. 网络体系结构的分层原理系统A 系统实体 服务 对等实体 接口 对等层

系统B 系统

物理网络14

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网 络 分 层 体 系 结 构

系统A 系统AN+1 N N-1

系统B 系统B Pn+1 Pn Pn-1N+1 N N-1

网络中的任何一个系统都 是按照层次结构来组织的 同一网络中， 同一网络中，任意两个端 系统必须具有相同的层次 每层使用其下层提供的服 务，并向其上层提供服务 通信只在对等层间进行 (间接的、逻辑的、虚拟 间接的、逻辑的、 ),非对等层之间不能 的),非对等层之间不能 互相“通信” 互相“通信” 实际的物理通信只在最底 层完成 Pn:第n层协议，即第 ： 层协议，即第n 层对等实体间通信时必须 遵循的规则或约定15

3 2 1

P3 P2 P1

3 2 1

物理通信线路

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对等层通信的实质网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层之间进行 网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层之间进行 禁止 直接通信。 想一想，为什么?) 直接通信。(想一想，为什么?) 实际上， 实际上，每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主 机的对等层通信。 机的对等层通信。 上层使用下层提供

的服务——Service user; 使用下层提供的服务 上层使用下层提供的服务 Service user; 下层向上层提供服务——Service provider。 下层向上层提供服务 Service provider。 提供服务 n+1层是第 层的服务用户， 层是第n 层是第n 第n+1层是第n层的服务用户，第n-1层是第n层的 服务提供者 层的服务也依赖于第n 第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服 务16