【正文】 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及應(yīng)用 任課教師： xxx 電子郵箱： 聯(lián)系電話： 13xxxx45 第三章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議 ?OSI參考模型 ?物理層與物理接口協(xié)議 ?數(shù)據(jù)鏈路層 ?網(wǎng)絡(luò)層 ?高層協(xié)議 ?網(wǎng)絡(luò)互連 ?現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)通信模型 ?網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的背景 ——網(wǎng)絡(luò)的狀況 ?多種 通信媒介 ——有線、無(wú)線 …… ?不同種類的 設(shè)備 ——通用、專用 …… ?不同的 操作系統(tǒng) ——Unix、 Windows …… ?不同的 應(yīng)用環(huán)境 ——固定、移動(dòng) …… ?不同種類 業(yè)務(wù) ——分時(shí)、交互、實(shí)時(shí) …… ?寶貴的 投資和積累 ——有形、無(wú)形 …… ?用戶業(yè)務(wù)的 延續(xù)性 ——不允許出現(xiàn)大的跌宕起伏 它們互相交織，形成了非常復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境。 OSI參考模型 ?網(wǎng)絡(luò) 異質(zhì)性 問(wèn)題的解決 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型和各層協(xié)議的集合，也就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能的定義和抽象。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 是為了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、約定或標(biāo)準(zhǔn)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的組成部分。包括語(yǔ)法、語(yǔ)義和時(shí)序三要素。 語(yǔ)法 是指用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)和格式； 語(yǔ)義 是指需要發(fā)出何種控制信息，以及完成的動(dòng)作與做出的響應(yīng)；時(shí)序 是對(duì)事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明。 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)解決異質(zhì)性問(wèn)題采用的是 分層方法 。 —— 把復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題劃分為若干個(gè)較小的、單一的問(wèn)題，在不同層上予以解決。 就像編程時(shí)把問(wèn)題分解為很多小的模塊來(lái)解決一樣。 ?層次結(jié)構(gòu)方法要解決的問(wèn)題 1. 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有哪些層次？每一層的功能是什么？（ 分層與功能 ） 2. 各層之間的關(guān)系是怎樣的？它們?nèi)绾芜M(jìn)行交互？（ 服務(wù)與接口 ） 3. 通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸要遵循哪些規(guī)則？（ 協(xié)議 ） 層次結(jié)構(gòu)方法包括三個(gè)內(nèi)容：分層及每層功能，服務(wù)與層間接口，協(xié)議。 ?層次結(jié)構(gòu)方法的優(yōu)點(diǎn) ?把網(wǎng)絡(luò)操作分成復(fù)雜性較低的單元，結(jié)構(gòu)清晰，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù) ?定義并提供了具有兼容性的標(biāo)準(zhǔn)接口 ?使設(shè)計(jì)人員能專心設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)所關(guān)心的功能模塊 ?獨(dú)立性強(qiáng) —— 上層只需了解下層通過(guò)層間接口提供什么服務(wù) — 黑箱方法 ?適應(yīng)性強(qiáng) —— 只要服務(wù)和接口不變，層內(nèi)實(shí)現(xiàn)方法可任意改變 ?一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的變化不會(huì)影響另外一個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，因此每個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)可單獨(dú)升級(jí)或改造 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO于 1997年成立了專門的機(jī)構(gòu)來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。不久之后， ISO就提出了開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型 OSI RM（ Open System Interconnection Reference Model）。 開(kāi)放是指遵循 OSI標(biāo)準(zhǔn)的任何系統(tǒng)之間均可通信 系統(tǒng)是指各系統(tǒng)中與互連有關(guān)的部分 模型層次劃分的原則 層次太多會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的繁冗；層次太少又會(huì)使不同功能集中在一個(gè)層中，不便于層次的描述，造成層次不清。 ?網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)都有相同的層次，相同層次具有同樣的功能； ?同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層次間通過(guò)接口通信； ?每一層使用下層提供的服務(wù)，并向上層提供服務(wù)； ?不同節(jié)點(diǎn)的同等層按照協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)等層之間的通信。 OSI參考模型結(jié)構(gòu) OSI參考模型結(jié)構(gòu) ?層次越靠上，其與信息處理的關(guān)系越密切，層次越靠下，其與通信的關(guān)系越密切； ?資源子網(wǎng) 的節(jié)點(diǎn)（端節(jié)點(diǎn)）具有七層的全部功能， 通信子網(wǎng) 中的節(jié)點(diǎn)（交換節(jié)點(diǎn)）可以簡(jiǎn)化為只有下面的三層； ?數(shù)據(jù)單元在不同的層次中名稱也不相同，物理層以 比特流 方式傳輸；數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)單元稱為 幀 ；網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)單元稱為 數(shù)據(jù)報(bào)文分組 ；傳輸層的數(shù)據(jù)單元稱為 報(bào)文 ；會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層的數(shù)據(jù)單元統(tǒng)稱為 數(shù)據(jù)包 。 ?第 7層：應(yīng)用層 (Application) –為用戶的應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù) –識(shí)別并證實(shí)目的通信方的可用性 –使協(xié)同工作的應(yīng)用程序之間進(jìn)行同步 –判斷是否為通信過(guò)程申請(qǐng)了足夠的資源 應(yīng)用層協(xié)議的例子： 遠(yuǎn)程登錄協(xié)議 Tel、文件傳輸協(xié)議 FTP、 超文本傳輸協(xié)議 HTTP、域名服務(wù) DNS、 簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議 SMTP、郵局協(xié)議 POP3等 ?第 6層：表示層 (Presentation) –處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問(wèn)題，即信息的語(yǔ)法和語(yǔ)義。如有必要，使用一種通用的數(shù)據(jù)表示格式在多種數(shù)據(jù)表示格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如：在日期、貨幣、數(shù)值（特別是浮點(diǎn)數(shù)）等本地?cái)?shù)據(jù)表示格式與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表示格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)的加解密、壓縮 /解壓縮等 本地表示 1 本地表示 2 公共表示 公共表示 表示層 傳輸層 ?第 5層：會(huì)話層 (Session) –建立、管理和中止不同機(jī)器上的應(yīng)用程序之間的會(huì)話。 ? 會(huì)話： 完成一項(xiàng)任務(wù)而進(jìn)行的 一系列相關(guān)的信息交換 。 –同步（解決失敗后從哪里重新開(kāi)始） ? 設(shè)置檢查點(diǎn) —— 會(huì)話失敗后，恢復(fù)到最后一個(gè)檢查點(diǎn)處，而不用從頭開(kāi)始。 例如：數(shù)據(jù)送到打印服務(wù)器上打印。接收的數(shù)據(jù)已被確認(rèn)，但打印機(jī)出現(xiàn)故障。這時(shí)沒(méi)必要再?gòu)念^開(kāi)始打印，只要在每頁(yè)開(kāi)始處設(shè)置檢查點(diǎn)，打印出錯(cuò)時(shí)只需重傳最后一個(gè)檢查點(diǎn)以后的頁(yè)面。 –活動(dòng)管理，保證活動(dòng)的完整性和正確性。 ?活動(dòng) ：相對(duì)獨(dú)立的一組相關(guān)操作。 例如：一次會(huì)話傳送多個(gè)文件，其中每一個(gè)文件的傳送為一個(gè)活動(dòng)。 活動(dòng) 1 活動(dòng) 2 會(huì)話 文件 1 文件 2 ?第 4層：傳輸層 (Transport) –為源端主機(jī)到目的端主機(jī)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；屏蔽各類通信子網(wǎng)的差異，使上層不受通信子網(wǎng)技術(shù)變化的影響。 –進(jìn)行數(shù)據(jù)分段并組裝成報(bào)文流； –提供 “ 面向連接 ” （虛電路）和 “ 無(wú)連接 ”（數(shù)據(jù)報(bào)）兩種服務(wù)； –傳輸差錯(cuò)校驗(yàn)與恢復(fù)； –信息流控制，防止數(shù)據(jù)傳輸過(guò)載。 數(shù)據(jù)報(bào)與虛電路的概念 數(shù)據(jù)報(bào)：無(wú)連接的服務(wù)；虛電路：面向連接的服務(wù) 數(shù)據(jù)報(bào) —— 每個(gè)分組作為一個(gè) 獨(dú)立 的信息單位傳送 特征：不需要連接，也無(wú)需確認(rèn) 完整的網(wǎng)絡(luò)地址（源和目的） —— 信道利用率低 不保證按序到達(dá)；每個(gè)分組均需進(jìn)行路由選擇 虛電路 —— 傳輸前先建立一條邏輯連接，傳輸結(jié)束后拆除 特征：需要建立連接 僅在建立連接時(shí)需要全網(wǎng)地址，傳輸時(shí)用虛電路號(hào) 按序到達(dá)；僅在建立連接時(shí)需要路由選擇 兩類虛電路： 永久虛電路 —— 租用后便永久建立，退租后拆除。 交換虛電路 —— 需要通信時(shí)建立，通信結(jié)束便拆除。 傳輸層的特點(diǎn) – 傳輸層以上各層：面向應(yīng)用；以下各層：面向傳輸。傳輸層位于資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的交界處，起著承上啟下的作用。 – 與網(wǎng)絡(luò)層的部分服務(wù)有重疊交叉。如何平衡取決于兩者的功能劃分。 – 真正意義上的從源到目標(biāo)實(shí)現(xiàn)“端到端”連接 的層。 13層：鏈接中繼； 47層：端到端 ?第 3層：網(wǎng)絡(luò)層 (Network) –在源端與目的端之間建立、維護(hù)、終止網(wǎng)絡(luò)的連接。 –功能和服務(wù) ?最佳路由選擇和數(shù)據(jù)包中轉(zhuǎn) ?流量控制和擁塞控制 ?差錯(cuò)檢測(cè)與恢復(fù) ?流量統(tǒng)計(jì)和記賬 –－路由選擇 ? 如何在多條通信路徑中找一條 最佳路徑 ？ 依據(jù)：速度 ,距離 (步跳數(shù) ),價(jià)格 ,擁塞程度 ? 路由表建立與維護(hù) ? 靜態(tài)： 人工設(shè)置，只適用于小型網(wǎng)絡(luò) ? 動(dòng)態(tài)： 運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況自動(dòng)地動(dòng)態(tài) 維護(hù) ? 路由算法 ? 距離向量算法： RIP、 CGP等 ? 鏈路狀態(tài)算法： OSPF等 ?第 2層：數(shù)據(jù)鏈路層 (Data Link) –在物理線路上提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層呈現(xiàn)為一條無(wú)錯(cuò)的線路。 –所關(guān)心的問(wèn)題包括： ?物理地址、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌? ?組幀：把數(shù)據(jù)封裝在幀中 ,按順序傳送 ,并處理返回的確認(rèn)幀； ?定界與同步：產(chǎn)生 /識(shí)別幀邊界； ?差錯(cuò)恢復(fù)：采用重傳（ ARQ）的方法； ?流量控制：收發(fā)雙方傳輸速率的匹配。 –廣播式信道問(wèn)題 (LAN or Wireless)： 涉及到如何控制對(duì) 共享信道 的訪問(wèn)。 將數(shù)據(jù)鏈路層劃分為 邏輯鏈路控制 (Logical Link Control, LLC)和 介質(zhì)訪問(wèn)控制 子層 (Media Access Control， MAC)兩個(gè)子層，由 MAC子層解決介質(zhì)訪問(wèn)控制問(wèn)題。 兩種主要的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法： CSMA/CD TOKEN PASSING Token Ring Token Bus –鏈路層幀的結(jié)構(gòu) A： MAC地址字段，包括源地址和目的地址 C：控制字段 FCS：幀檢驗(yàn)序列，一般采用 CRC校驗(yàn)。其校驗(yàn)范圍包括 A、 C和 Data字段 C A FCS 校驗(yàn)區(qū)間 Data 網(wǎng)絡(luò)層的分組被封裝在幀的 Data域中 ?第 1層：物理層 (Physical) –實(shí)現(xiàn)在物理媒體上透明地傳送原始比特流。 –定義了激活、維護(hù)和關(guān)閉終端用戶之間機(jī)械的、電氣的、過(guò)程的和功能的特性。 數(shù)據(jù)終端設(shè)備 DTE、數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備 DCE ?DTE—— 用于處理用戶數(shù)據(jù)的設(shè)備。如計(jì)算機(jī)、路由器。 ?DCE—— 用于把 DTE發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男问?。如MODEM。 –物理層的特性包括： ?機(jī)械特性： 物理連接器的尺寸、形狀、規(guī)格 ?電氣特性： 信號(hào)電平，脈沖寬度，頻率，數(shù)據(jù)傳送速率，最大傳送距離等 ?功能特性： 接口引腳的功能作用 ?規(guī)程特性： 信號(hào)時(shí)序，應(yīng)答關(guān)系，操作過(guò)程 OSI參考模型的基本概念 “ 你好 ” “ Hello” 傳真 中國(guó)教師 翻譯 秘書(shū) “ Hallo” “ Hello” 傳真 德國(guó)教師 翻譯 秘書(shū) 對(duì)交談內(nèi)容的共識(shí) 用英語(yǔ)對(duì)話 使用傳真通信 P3 P2 P1 物理通信線路 對(duì)等通信示例：中德教師之間的對(duì)話 問(wèn)題： 中國(guó)教師與德國(guó)教師之間、翻譯之間，他們是在直接通信嗎？ 翻譯、秘書(shū)各向誰(shuí)提供什么樣的服務(wù)？ 中德教師、翻譯各使用誰(shuí)提供的什么服務(wù)？ OSI參考模型的基本概念 ?對(duì)等層通信的實(shí)質(zhì) ： ? 對(duì)等層實(shí)體之間虛擬通信 ? 下層向上層提供服務(wù) ?實(shí)際通信在最底層完成 右圖給出了對(duì)等層通信更一般的抽象。 P3 P2 P1 2 1 3 2 1 物理通信線路 3 N+1 N N1 N+1 N N1 Pn1 Pn Pn+1 系統(tǒng) A 系統(tǒng) B 消息 OSI參考模型的基本概念 協(xié)議： 為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換（通信）而建立的規(guī)則、 標(biāo)準(zhǔn)或約定。 不同層具有各自不同的協(xié)議。 實(shí)體： 任何可以發(fā)送或接收信息的硬件 /軟件進(jìn)程。 對(duì)等層： 兩個(gè)不同系統(tǒng)的同名層次。 對(duì)等實(shí)體： 位于不同系統(tǒng)的同名層次中的兩個(gè)實(shí)體。 ? 協(xié)議作用在對(duì)等實(shí)體之間 。 接口： 相鄰兩層之間交互的界面，定義相鄰兩層之間的 操作及下層對(duì)上層的服務(wù)。 服務(wù)： 某一層及其以下各層的一種能力，通過(guò)接口提供 給其相鄰上層。 OSI參考模型的基本概念 N服務(wù)： N層中能被上 N＋ 1層直接使用的功能。 N實(shí)體本身提供的某些功能； 本系統(tǒng) N－ 1層以及以下各層提供的服務(wù)； 為與另一開(kāi)放系統(tǒng)中對(duì)等 N實(shí)體通信而提供的服務(wù)； N＋ 1層可以通過(guò)使用 N層的功能，卻不能看見(jiàn) N－ 1及以下層提供的服務(wù)； N服務(wù)是 N＋ 1層所看