Day3計算機網絡概述——計算機網絡體系結構-概述、OSI參考模型、服務模型、發展曆史

三、計算機網絡體系結構

計算機網絡是一個非常複雜的系統,涉及許多組成部分:

 主機（hosts）  路由器（routers）  各種鍊路（links）  應用（applications）  協定（protocols）  硬體、軟體  ……

要以怎樣的角度去了解和分析計算機網絡體系結構？

如何組織和實作這個複雜的網絡功能？

先來看一個航空旅行的結構

幫旅人從一處到另一處。

每層完成一種（類）特定服務/功能

每層依賴底層提供的服務，通過層内動作完成相應功能

劃重點：階層化實作複雜網絡功能，利用下層提供的服務和對等層的資訊，實作本層功能，并為上層提供服務。

第二個例子

1.計算機網絡概述

1.1計算機網絡的體系結構概述

• 網絡體系結構是從功能上描述計算機網絡結構
• 計算機網絡體系結構簡稱網絡體系結構(network architecture)是分層結構
• 每層遵循某個/些網絡協定完成本層功能
• 計算機網絡體系結構是計算機網絡的各層及其協定的集合
• 體系結構是一個計算機網絡的功能層次及其關系的定義
• 體系結構是抽象的

1.2采取分層結構，why

•  結構清晰，有利于識别複雜系統的部件及其關系
  •  分層的參考模型（reference model ）
•  子產品化的分層易于系統更新、維護
  •  任何一層服務實作的改變對于系統其它層都是透明的（啥透明的？？？？
  •  例如，登機過程的改變并不影響航空系統的其它部分（層）
•  有利于标準化

1.3分層網絡體系結構基本概念

上層使用下層服務，或言之，下層為上層提供服務

•  實體(entity) 表示任何可發送或接收資訊的硬體或軟體程序。
•  協定是控制兩個對等實體進行通信的規則的集合，協定是“水準的” 。
•  任一層實體需要使用下層服務，遵循本層協定，實作本層功能，向上 層提供服務，**服務是“垂直的”。
•  下層協定的實作對上層的服務使用者是透明的。
•  同系統的相鄰層實體間通過接口進行互動，通過服務通路點 SAP(Service Access Point)，交換原語，指定請求的特定服務。

2. OSI參考模型

• 開放式系統互聯通信參考模型（Open System Interconnection Reference Model，縮寫為 OSI），簡稱為OSI模型（OSI model），是由國際标準化組織 (ISO) 于1984年提出的分層網絡體系結構模型

  

   目的是支援異構網絡系統的互聯互通

   異構網絡系統互連的國際标準

   了解網絡通信的最佳學習工具（理論模型） ，（Theory Victory，Market defeat）

   7層（功能）,每層完成特定的網絡功能

2.1OSI參考模型解釋的通信過程

看圖說話：

• 主機A和主機B要通信
• 對等層次之間遵從相同協定，交換資料（雙向虛線箭頭
• 雙向實線箭頭就是資料流動的實際過程。資料傳輸是縱向的。
• 相鄰層，通過接口互動
• 上面四個層次，對應到目的主機的四個層次。 端到端層。

2.2 OSI參考模型資料封裝與通信過程

如圖所示：

• A-PDU :應用層的協定資料單元（Application-Protocol Data Unit）
• …-PDU:…
• AH、SH…DH。如AH，附加在這一層的控制資訊，叫做應用層頭（Application Header），構成了這一層協定的資料包
• DT 在資料鍊路層加了尾
• 實體層就不加頭尾了，轉換成比特流傳輸…
• 最後再去頭去尾，去頭去頭去頭…最終傳到目标主機

——看圖說話結語：我看圖說話不太好，這些圖裡的精妙我說說不太懂

2.3為什麼需要資料封裝？

就好像為什麼寄信要把信裝在信封裡。

• 增加控制資訊

   構造協定資料單元 (PDU)

• 控制資訊主要包括:

   位址（Address）: 辨別發送端/接收端

   差錯檢測編碼（Error-detecting code）: 用于差錯檢測或糾正

   協定控制（Protocol control）: 實作協定功能的附加資訊，如: 優先（priority）、服務品質（QoS）、 和安全控制等

2.4 實體層功能

接口特性

•  機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性

比特編碼

資料率 （資料傳輸速率、“百兆千兆網絡”

比特同步

•  時鐘同步

傳輸模式

•  單工（Simplex） (單工通信，比如電視機放電視，單向通信

   半雙工（half-duplex） （雙向通信，交替進行，比如對講機，說的時候不能聽，聽的時候不能說

   全雙工（full-duplex）（雙向通信，同時進行，比如視訊通話

2.5資料鍊路層功能

邏輯的，資料鍊路層。

看圖說話：

負責結點-結點（node-to-node）資料傳輸（node2node，兩個直接相鄰的計算裝置的，以幀為傳輸機關

組幀（Framing） （成幀，加頭加尾

實體尋址（Physical addressing）

•  在幀頭中增加發送端和/或接收端的實體位址辨別資料幀的發送端和/或接收端
• 在實體層不能實體尋址

再如

看圖說話：

•  流量控制（Flow control）
  •  避免淹沒接收端 (讓接收端和發送端的接受速度和發送速度比對。
•  差錯控制（Error control）
  •  檢測并重傳損壞或丢失幀，并避免重複幀。（采用了差錯編碼
•  通路(接入)控制（Access control）
  •  在任一給定時刻決定哪個裝置擁有鍊路**(實體媒體）控制使用權**

2.6網絡層功能

看圖說話：

 負責源主機到目的主機資料分組（packet）傳遞

•  可能穿越多個網絡

 邏輯尋址（Logical addressing）

•  全局唯一邏輯位址，確定資料分組被送達目的主機，如IP位址

資料從END S，送到END D

再看圖說話：

路由（Routing）

•  路由器(或網關)互連網絡，并路由分組至最終目的主機

•  路徑選擇

  分組轉發

2.7傳輸層功能

負責源-目的（端-端） （程序間） 完整封包傳輸

看圖說話：

 分段與重組

 SAP尋址 （上圖中的x ，y是SAP位址）

•  確定将完整封包送出給正确程序，如端口号

 連接配接控制

 流量控制

 差錯控制

2.8會話層功能

對話控制（dialog controlling）

•  建立、維護

同步(synchronization)

•  在資料流中插入“同步點”

最“薄”的一層（在實際中，這一層不單獨存在）

2.9表示層功能

處理兩個系統間交換資訊的文法與語義（syntax and semantics ）問題

資料表示轉化

•  轉換為主機獨立的編碼

加密/解密

壓縮/解壓縮

（這一層也不是獨立存在的

2.10應用層功能

支援使用者通過使用者代理（如浏覽器）或網絡接口使用網絡（服務）

典型應用層服務：

•  檔案傳輸（FTP）

   電子郵件（SMTP）

   Web（HTTP）

   ……

3其他參考模型

3.1TCP/IP參考模型

3.2五層參考模型

模型圖

5層模型的資料封裝：

3.3課後讨論

分層網絡體系結構

現代網絡體系結構大部分都采用分層體系結構，分層體系結構的優點在課程中也做了概括性介紹。那麼分層網絡體系結構有什麼缺點那？在某些情況下是否有必要不采用分層結構那？查閱資料，看看是否存在誇層體系結構的網絡設計？有什麼優點？

分層網絡體系結構的缺點有

1、降低系統的性能，原本隻是簡單的問題，經過多層的過程變得複雜

2、造成級聯修改問題， 在一些問題中，若一部分需要變化或優化，可能會導緻所有層都需要變化。

2、層次多，會使得效率降低，增加許多協定

在當網絡較小、簡單并且過程很清晰的時候，可以不采用分層結構，比如說使用者基數小的私人網絡。

跨層體系結構設計就是使網絡體系結構中實作層之間的跨層互動。

優點：減少了沒有必要的資訊互動，提高了效率。

無線通信跨層結構

優點是：系統性能增強，提高了網絡的綜合性能

Fzu數計魏榮…2020-2-20

分組交換除了存儲轉發之外，還可以采用直通式和碎片隔離 。

1.直通式。 優點：不需要存儲 ，延遲非常小、交換非常快，這是它的優點。 缺點：因為資料包内容并沒有 被以太網交換機儲存下來，是以無法檢查所傳送的資料包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力。由于沒有緩存，不能将具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通，而且容易丢包。

2.碎片隔離。 它檢查資料包的長度是否夠64個位元組，如果小于64位元組，說明是假包，則丢棄該包;如果大于64位元組，則發送該包。 缺點：這種方式也不提供資料校驗。 優點：它的資料處理速度比存儲轉發方式快，但比直通式慢分層網絡體系結構的缺點有1、降低系統的性能，原本隻是簡單的問題，經過多層的過程變得複雜2、造成級聯修改問題， 在一些問題中，若一部分需要變化或優化，可能會導緻所有層都需要變化。2、層次多，會使得效率降低，增加許多協定在當網絡較小、簡單并且過程很清晰的時候，可以不采用分層結構，比如說使用者基數小的私人網絡。跨層體系結構設計就是使網絡體系結構中實作層之間的跨層互動。優點：減少了沒有必要的資訊互動，提高了效率。無線通信跨層結構優點是：系統性能增強，提高了網絡的綜合性能

mooc97533698…2020-5-10

（補充）4. 服務模型

•  服務( Service)：低層實體向上層實體提供它們之間的通信的能力

   服務使用者(service user)

   服務提供者(service provider )

•  原語(primitive)：上層使用下層服務的形式，高層使用低層提供的服務，以及低層向高層提供服務都是通過服務通路原語來進行互動的—形式

•  服務通路點 SAP (Services Access Point) ：上層使用下層提供的服務通過層間的接口—地點；

   例子:郵箱

   位址(address)：下層的一個實體支撐着上層的多個實體，SAP有标志不同上層實體的作用  可以有不同的實作，隊列  例子:傳輸層的SAP: 端口(port)

4.1服務的類型

 面向連接配接的服務和無連接配接的服務-方式

•  面向連接配接的服務( Connection-oriented Service)

  •  連接配接(Connection)：

    兩個通信實體為進行通信而建立的一種結合

  •  面向連接配接的服務通信的過程：

    建立連接配接，通信，拆除連接配接

  •  面向連接配接的服務的例子：

    網絡層的連接配接被成為虛電路

  •  适用範圍：

    對于大的資料塊要傳輸; 不适合小的零星封包

  •  特點： 保序

  •  服務類型:

     可靠的資訊流 傳送頁面(可靠的獲得,通過接收方的确認)

     可靠的位元組流 遠端登入

     不可靠的連接配接 數字化聲音

•  無連接配接的服務(Connectionless Service)

  • 無連接配接服務：

    兩個對等層實體在通信前不需要建立一個連接配接，不預留資源；不需要通信雙方都是活躍；(例：寄信)

  • 特點： 不可靠、可能重複、可能失序，IP分組，資料包；
  • 适用範圍： 适合傳送零星資料；

  • 服務類型：

     不可靠的資料報 電子方式的函件

     有确認的資料報 挂号信

     請求回答 資訊查詢

4.2服務和協定

•  服務與協定的差別
  •  服務(Service)： 低層實體向上層實體提供它們之間的通信的能力，是通過原語(primitive)來操作的，垂直
  •  協定(protocol) ：對等層實體(peer entity)之間在互相通信的過程中，需要遵循的規則的集合，水準
•  服務與協定的聯系

  •  本層協定的實作要靠下層提供的服務來實作

     本層實體通過協定為上層提供更進階的服務

4.3 資料單元Data Unit

口水話描述一下：

Layer n 代表本層（第n層），那麼 n-1代表上一層，n+1代表下一層。

n+1層的SDU，通過層間的接口Interface，來到n層，n層實體在它們的n層協定中交換n- pdu，然後傳輸，成為下一層的SDU

（可能說的還是很含糊，等我開動一下腦筋再想想法子）

4.4分層處理和實作複雜系統的好處

對付複雜的系統

•  概念化： 結構清晰，便于标示網絡元件，以及描述其互相關系

   分層參考模型

•  結構化：子產品化更易于維護和系統更新

   改變某一層服務的實作不影響系統中的其他層次

   對于其他層次而言是透明的

   如改變登機程式并不影響系統的其它部分

   改變2個秘書使用的通信方式不影響2個翻譯的工作

   改變2個翻譯使用的語言也不影響上下2個層次的工作

•  分層思想被認為有害的地方？（效率比較低，害處就一筆帶過了）

5.各層次的協定資料單元

應用層：封包(message)

傳輸層：封包段(segment)：TCP段，UDP資料報

網絡層：分組packet（如果無連接配接方式：資料報datagram）

資料鍊路層：幀(frame)

實體層：位(bit)

6.發展曆史（挂幾張圖好了）

本篇結束。