Day3计算机网络概述——计算机网络体系结构-概述、OSI参考模型、服务模型、发展历史

三、计算机网络体系结构

计算机网络是一个非常复杂的系统,涉及许多组成部分:

 主机（hosts）  路由器（routers）  各种链路（links）  应用（applications）  协议（protocols）  硬件、软件  ……

要以怎样的角度去理解和分析计算机网络体系结构？

如何组织和实现这个复杂的网络功能？

先来看一个航空旅行的结构

帮旅人从一处到另一处。

每层完成一种（类）特定服务/功能

每层依赖底层提供的服务，通过层内动作完成相应功能

划重点：层次化实现复杂网络功能，利用下层提供的服务和对等层的信息，实现本层功能，并为上层提供服务。

第二个例子

1.计算机网络概述

1.1计算机网络的体系结构概述

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构(network architecture)是分层结构
• 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
• 体系结构是抽象的

1.2采取分层结构，why

•  结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
  •  分层的参考模型（reference model ）
•  模块化的分层易于系统更新、维护
  •  任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的（啥透明的？？？？
  •  例如，登机过程的改变并不影响航空系统的其它部分（层）
•  有利于标准化

1.3分层网络体系结构基本概念

上层使用下层服务，或言之，下层为上层提供服务

•  实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
•  协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的” 。
•  任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上 层提供服务，**服务是“垂直的”。
•  下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。
•  同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点 SAP(Service Access Point)，交换原语，指定请求的特定服务。

2. OSI参考模型

• 开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model，缩写为 OSI），简称为OSI模型（OSI model），是由国际标准化组织 (ISO) 于1984年提出的分层网络体系结构模型

  

   目的是支持异构网络系统的互联互通

   异构网络系统互连的国际标准

   理解网络通信的最佳学习工具（理论模型） ，（Theory Victory，Market defeat）

   7层（功能）,每层完成特定的网络功能

2.1OSI参考模型解释的通信过程

看图说话：

• 主机A和主机B要通信
• 对等层次之间遵从相同协议，交换数据（双向虚线箭头
• 双向实线箭头就是数据流动的实际过程。数据传输是纵向的。
• 相邻层，通过接口交互
• 上面四个层次，对应到目的主机的四个层次。 端到端层。

2.2 OSI参考模型数据封装与通信过程

如图所示：

• A-PDU :应用层的协议数据单元（Application-Protocol Data Unit）
• …-PDU:…
• AH、SH…DH。如AH，附加在这一层的控制信息，叫做应用层头（Application Header），构成了这一层协议的数据包
• DT 在数据链路层加了尾
• 物理层就不加头尾了，转换成比特流传输…
• 最后再去头去尾，去头去头去头…最终传到目标主机

——看图说话结语：我看图说话不太好，这些图里的精妙我说说不太懂

2.3为什么需要数据封装？

就好像为什么寄信要把信装在信封里。

• 增加控制信息

   构造协议数据单元 (PDU)

• 控制信息主要包括:

   地址（Address）: 标识发送端/接收端

   差错检测编码（Error-detecting code）: 用于差错检测或纠正

   协议控制（Protocol control）: 实现协议功能的附加信息，如: 优先（priority）、服务质量（QoS）、 和安全控制等

2.4 物理层功能

接口特性

•  机械特性、电气特性、功能特性、规程特性

比特编码

数据率 （数据传输速率、“百兆千兆网络”

比特同步

•  时钟同步

传输模式

•  单工（Simplex） (单工通信，比如电视机放电视，单向通信

   半双工（half-duplex） （双向通信，交替进行，比如对讲机，说的时候不能听，听的时候不能说

   全双工（full-duplex）（双向通信，同时进行，比如视频通话

2.5数据链路层功能

逻辑的，数据链路层。

看图说话：

负责结点-结点（node-to-node）数据传输（node2node，两个直接相邻的计算设备的，以帧为传输单位

组帧（Framing） （成帧，加头加尾

物理寻址（Physical addressing）

•  在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端
• 在物理层不能物理寻址

再如

看图说话：

•  流量控制（Flow control）
  •  避免淹没接收端 (让接收端和发送端的接受速度和发送速度匹配。
•  差错控制（Error control）
  •  检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧。（采用了差错编码
•  访问(接入)控制（Access control）
  •  在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路**(物理介质）控制使用权**

2.6网络层功能

看图说话：

 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付

•  可能穿越多个网络

 逻辑寻址（Logical addressing）

•  全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址

数据从END S，送到END D

再看图说话：

路由（Routing）

•  路由器(或网关)互连网络，并路由分组至最终目的主机

•  路径选择

  分组转发

2.7传输层功能

负责源-目的（端-端） （进程间） 完整报文传输

看图说话：

 分段与重组

 SAP寻址 （上图中的x ，y是SAP地址）

•  确保将完整报文提交给正确进程，如端口号

 连接控制

 流量控制

 差错控制

2.8会话层功能

对话控制（dialog controlling）

•  建立、维护

同步(synchronization)

•  在数据流中插入“同步点”

最“薄”的一层（在实际中，这一层不单独存在）

2.9表示层功能

处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics ）问题

数据表示转化

•  转换为主机独立的编码

加密/解密

压缩/解压缩

（这一层也不是独立存在的

2.10应用层功能

支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）

典型应用层服务：

•  文件传输（FTP）

   电子邮件（SMTP）

   Web（HTTP）

   ……

3其他参考模型

3.1TCP/IP参考模型

3.2五层参考模型

模型图

5层模型的数据封装：

3.3课后讨论

分层网络体系结构

现代网络体系结构大部分都采用分层体系结构，分层体系结构的优点在课程中也做了概括性介绍。那么分层网络体系结构有什么缺点那？在某些情况下是否有必要不采用分层结构那？查阅资料，看看是否存在夸层体系结构的网络设计？有什么优点？

分层网络体系结构的缺点有

1、降低系统的性能，原本只是简单的问题，经过多层的过程变得复杂

2、造成级联修改问题， 在一些问题中，若一部分需要变化或优化，可能会导致所有层都需要变化。

2、层次多，会使得效率降低，增加许多协议

在当网络较小、简单并且过程很清晰的时候，可以不采用分层结构，比如说用户基数小的私人网络。

跨层体系结构设计就是使网络体系结构中实现层之间的跨层交互。

优点：减少了没有必要的信息交互，提高了效率。

无线通信跨层结构

优点是：系统性能增强，提高了网络的综合性能

Fzu数计魏荣…2020-2-20

分组交换除了存储转发之外，还可以采用直通式和碎片隔离 。

1.直通式。 优点：不需要存储 ，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点。 缺点：因为数据包内容并没有 被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通，而且容易丢包。

2.碎片隔离。 它检查数据包的长度是否够64个字节，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包;如果大于64字节，则发送该包。 缺点：这种方式也不提供数据校验。 优点：它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢分层网络体系结构的缺点有1、降低系统的性能，原本只是简单的问题，经过多层的过程变得复杂2、造成级联修改问题， 在一些问题中，若一部分需要变化或优化，可能会导致所有层都需要变化。2、层次多，会使得效率降低，增加许多协议在当网络较小、简单并且过程很清晰的时候，可以不采用分层结构，比如说用户基数小的私人网络。跨层体系结构设计就是使网络体系结构中实现层之间的跨层交互。优点：减少了没有必要的信息交互，提高了效率。无线通信跨层结构优点是：系统性能增强，提高了网络的综合性能

mooc97533698…2020-5-10

（补充）4. 服务模型

•  服务( Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力

   服务用户(service user)

   服务提供者(service provider )

•  原语(primitive)：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行交互的—形式

•  服务访问点 SAP (Services Access Point) ：上层使用下层提供的服务通过层间的接口—地点；

   例子:邮箱

   地址(address)：下层的一个实体支撑着上层的多个实体，SAP有标志不同上层实体的作用  可以有不同的实现，队列  例子:传输层的SAP: 端口(port)

4.1服务的类型

 面向连接的服务和无连接的服务-方式

•  面向连接的服务( Connection-oriented Service)

  •  连接(Connection)：

    两个通信实体为进行通信而建立的一种结合

  •  面向连接的服务通信的过程：

    建立连接，通信，拆除连接

  •  面向连接的服务的例子：

    网络层的连接被成为虚电路

  •  适用范围：

    对于大的数据块要传输; 不适合小的零星报文

  •  特点： 保序

  •  服务类型:

     可靠的信息流 传送页面(可靠的获得,通过接收方的确认)

     可靠的字节流 远程登录

     不可靠的连接 数字化声音

•  无连接的服务(Connectionless Service)

  • 无连接服务：

    两个对等层实体在通信前不需要建立一个连接，不预留资源；不需要通信双方都是活跃；(例：寄信)

  • 特点： 不可靠、可能重复、可能失序，IP分组，数据包；
  • 适用范围： 适合传送零星数据；

  • 服务类型：

     不可靠的数据报 电子方式的函件

     有确认的数据报 挂号信

     请求回答 信息查询

4.2服务和协议

•  服务与协议的区别
  •  服务(Service)： 低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，是通过原语(primitive)来操作的，垂直
  •  协议(protocol) ：对等层实体(peer entity)之间在相互通信的过程中，需要遵循的规则的集合，水平
•  服务与协议的联系

  •  本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现

     本层实体通过协议为上层提供更高级的服务

4.3 数据单元Data Unit

口水话描述一下：

Layer n 代表本层（第n层），那么 n-1代表上一层，n+1代表下一层。

n+1层的SDU，通过层间的接口Interface，来到n层，n层实体在它们的n层协议中交换n- pdu，然后传输，成为下一层的SDU

（可能说的还是很含糊，等我开动一下脑筋再想想法子）

4.4分层处理和实现复杂系统的好处

对付复杂的系统

•  概念化： 结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系

   分层参考模型

•  结构化：模块化更易于维护和系统升级

   改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次

   对于其他层次而言是透明的

   如改变登机程序并不影响系统的其它部分

   改变2个秘书使用的通信方式不影响2个翻译的工作

   改变2个翻译使用的语言也不影响上下2个层次的工作

•  分层思想被认为有害的地方？（效率比较低，害处就一笔带过了）

5.各层次的协议数据单元

应用层：报文(message)

传输层：报文段(segment)：TCP段，UDP数据报

网络层：分组packet（如果无连接方式：数据报datagram）

数据链路层：帧(frame)

物理层：位(bit)

6.发展历史（挂几张图好了）

本篇结束。