计算机网络计算机网络分层结构概述

Dr Sandra I. WoolleyTranslated by D. Shang

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课程内容

介绍计算机网络 分层结构

– OSI 和 TCP/IP 层次模型

– TCP/IP 概述

– 应用协议和 TCP/IP 使用

OSI – Open Systems Interconnection （开放式系统互联）TCP/IP - Transmission Control Protocol/Internet Protocol( 传输

控制协议 / 互联网协议 )

8P8C (RJ45) network connectorshttp://www.flickr.com/photos/kluzz/1694878799/

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什么是通信网络？

通信网络是一组提供通信服务的仪器和设备。

通信仪器举例：路由器，服务器，交换机，多路器，集线器，调制解调器等。

通信设备举例：铜导线，同轴电缆，光纤，热管，导电管等。 云状图标一般用来指代一个计算机网。

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网络协议 计算机间的通信需要明确、具体、没有

歧义的规则。

协议是一系列控制各各通信模块相互作用的规则。比如：– 互联网协议 Internet Protocol (IP)

– 传输控制协议 Transmission Control Protocol (TCP)

– 超文本传输协议 HyperText Transfer Protocol (HTTP)

– 简单邮件传输协议 Simple Mail Transfer Protocol (SMTP)

http://www.flickr.com/photos/kairin/68086104/

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标准制定团体 互联网工程任务组（ IETF ）

– 制定互联网相关技术规范。– Request for Comments (RFCs):

www.ietf.org

国际电信联盟‘ International Telecommunications Union’ （ ITU）– 制定国际通信规范

电气电子工程师学会 802委员会（ IEEE 802 Committee ）– 局域网和城域网规范

工业组织（ Industry Organizations）– MPLS 论坛 , WiFi 联盟 , 万维网

联盟（ w3c ）

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封包交換 vs. 电路交换 随着时间的推移，技术结构更新换代。

– 电报 ( 电报交换 )– 电话 ( 电路交换 )– 互联网 ( 封包交换 )

封包交换是现今的发展趋势– 封包技术为基础的系统实例：蜂窝无线通信系统– 但是，大量的数据包流用电路方法更容易控制。

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计算机网络的发展 20 世纪 50 年代：电报通信技术和计算机技术得到结合。

20 世纪 60 年代：共用主机的哑终端访问– SABRE 航空预订系统 SABRE airline reservation system

20 世纪 70 年代：实现计算机之间的互联– ARPANET 封包交换网络– 以太网局域网络– TCP/IP 互联网协议

20 世纪 80 ， 90 年代 : 新型应用和因特网诞生– 因特网商业化– E-mail, file transfer, web, P2P, . . .– 因特网流量超过电话通信流量。

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ARPANET 由美国国防部开发的 ARPANET 网

络 (The Advanced Research Projects Agency Network ) 是第一个运营的封包交换网络。它是全球因特网的先驱。

之前的数据通信都使用电路交换技术，这种技术需要特定的电路来保持每一次通信的持续。

使用封包交换技术，不同的通信可以公用链接，封包可以独立进行。

Heart, F., McKenzie, A., McQuillian, J., and Walden, D., ARPANET Completion Report, Bolt, Beranek and Newman, Burlington, MA, January 4, 1978.

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以太网局域网络 20 世界 80 年代，可购性工作站得以推

广。 低成本，高速网络需求增加

– 用于联接本地工作站– 用于使各个用户均可使用本地共享资源

（打印机，存储空间，服务器等）

共轴电缆的使用使得低成本、高速度、低出错率的通信成为可能。

以太网成为了计算机高速无线网络的标准。

Category 5 Ethernet cablehttp://www.flickr.com/photos/zinkwazi/474203018/

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以太网介质访问控制 网络接口控制器 (NIC 网卡 )把工作站联

接到本地局域网。 每一快网卡都拥有全球唯一的地址。

数据帧在网络中以广播的形式传播。 网卡以他们的地址标识监听每个传输结构

的中段信息 . 交换机 (Transmitting NICs 是指某个局域网与外界连接的接口 )监听来自各个工作站的传输冲突 ,并中止和重新安排传输 .

收发机

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互联网 互联网是一种链接各各网络的网络 . Internet 第一个字母‘ I’ 大写（见右面注释） 路由（ gateways ）将不同的网络链接。 主机准备好网络协议 (IP) 封包并把它们传送

到附属的网络。 路由在网络间传递 IP 封包。 网络协议提供了一个“最有效”的服务。

网络 1 网络 2

路由器

08:14 AM Aug. 16, 2004 PT 新闻网站 Wired News 使用 internet 这个词时不再大写首字母‘ I’ 。同时， Web, Net 等单词的首字母也将不再大写。（ http://www.wired.com/culture/lifestyle/news/2004/08/64596 ）

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互联网寻址和路由 网络协议中使用了一种分等级的地址：网络 ID+ 主机 ID 。 网络协议封包（数据报）根据网络 ID寻址。 路由器根据路径选择表确定每个封包的传输去向。

G

G

G

GG

G

Net 1

Net 5

Net 3

Net 4Net 2

H

HH

H

1313

互联网名和 IP 地址 数据传输基于 IP 地址。 IPv4 技术使用 32位地址。 IPv6 技术我们将在

以后涉及。 点分十进制表示法

– 128.100.11.1

主机同样依照名字来识别– 更方便记忆。– 主机名结构依然是分级的形式：如 www.eee.bham.ac.uk.

域名服务系统 (DNS) 实现了我们容易记忆的网址域名与不容易记忆的 IP地址作自动解析互换。

域名可以购买。例如从 uk2.net 网站。

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互联网传输协议

主机在 IP 层之上，应用层之下的中间层运行两种传输协议以实现进程间通讯– 用户数据包协议：确保最高效的传输。– 传输控制协议：确保可靠的数据传输。

所有的网络应用都运行在 TCP 层和 UDP 层之上。比如：– TCP 层上 : HTTP ( 网页 ); SMTP (e-mail); FTP ( 文件传输 )

– UDP 层上 : DNS, RTP ( 传送音频和视频 )

互联网

传输协议

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书中的实例 在推荐的材料中，有一个实例讲解了当用户点击了一个统一资源定位符

（ URL ）后，会发生什么。– 注意： DNS 域名服务使用了 UDP 协议， HTTP 使用了 TCP 协议。同

时端口号的使用也要留意（临时端口号和知名端口号）

浏览器软件使用超文本传输协议（ HTTP ）发送文本请求。 HTTP 服务器时时监听知名端口等待请求。（ HTTP 使用 80号） HTTP客户机通过临时端口发送请求信息（比如 1127 ） HTTP 需要传输控制协议（ TCP ）链接客户机和 HTTP 服务器以保证信息

传输可靠、稳定。

TCP Connection RequestFrom: 128.100.11.13 Port 1127To: 64.15.247.200 Port 80

ACK, TCP Connection RequestFrom: 64.15.247.200 Port 80 To:128.100.11.13 Port 1127

ACK

网络层模型

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网络层，服务和协议

多台相连机器间的跨网通信是一个很复杂的过程。

网络层将相同的通信功能放入一个方便管理的群组中。

每一层都为上层提供一种服务。

每一层都依照一种协议工作。

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开放系统互联模型（ OSI ）*Open Systems Interconnection

网络结构：– 定义网络层。– 为每层设计网络协议。

到 20 世纪 70 年代，每个计算机厂商都开发出了独有的网络层结构。

不同厂商的计算机不能互联。

开放系统互联（ OSI ）是国际标准组织（ ISO ）努力的结果。它使得了不同厂商计算机的互联成为可能。

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开放系统互联模型

7

6

6

4

3

2

1

应用层

表示层表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

应用层

表示层表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

网络层

应用 A 应用 B

数据链路层

物理层

网络层

数据链路层

物理层

通信网络

2020

OSI 层 应用层 : e-mail, 文件传输 , 网络管理等

表示层 : 独立显示数据。

会话层 : 会话控制。

传输层 : 端对端数据传输，错误控制，流控制，建立和接触链接。

网络层 : 网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点， 确保数据及时传送。 路由关键方面。

数据链路层 : 在网络节点间传送帧。功能有物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等等。

物理层 : 为数据端设备提供传送数据的通路并传输数据（单位为 bit ）。建立和拆除物理链接。

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n层实体

n-PDUs

n层实体

点对点通信技术 在网络层 n （ 7 层中的任意一层）中，所运行的进程称为网络层 n 的实体。

通过称为层服务访问点（ SAP ）的软件端口，第 N+1 层实体使用第 n 层的服务

实体间交换协议数据单元（ PDU ）。

协议数据单元包含一个头文件（ header ）（含有协议控制信息）和服务数据单元（ SDU ） ( 包含所需通信的信息 ) 。

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N+1 层实体

n-SAP

N+1 层实体

n-SAP

N 层实体 N 层实体

n-SDU

n-SDU

n-SDU

H

H n-SDU

n-PDU

网络层服务

第 n 层的 SDU 是第 n+1 层的 PDU ，同时也囊括在第 n 层的 PDU中。 网络层所提供的服务可以进行面向连接或无连接。

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Headers and Trailers

sh

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

应用 A 应用 B数据

ah

以比特为单位的数据

dhdt

nh

th

ph

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

H表示 headers 。 t表示trailers 。 a,p,s 等字母代表相应的层

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n-PDU

分割和重组 在每一层中，数据单元大小都有限

制，以保证数据可以传输并被读取或用于其他用途。

因此，有时网络层 n 的 SDU 可能过于庞大，导致 n-1 层不能将其以一个单独数据单元处理。

为防止上述情况发生，在发送端， SDU被分割成多个 PDU 。

在接收端， PDU序列重新组合，得到了分割前的 SDU 。、

n-SDU

n-PDU n-PDU n-PDU

分割(a)

n-SDU

n-PDU n-PDU

重组(b)

互联网和 TCP/IP

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TCP/IP 网络结构 当 OSI 标准提出时， TCP/IP （传输控制协议 / 互联网协议）网络结

构出现了。 作为伯克利 UNIX 系统的一部分， TCP/IP 被免费发放。

– 大量的应用程序被各个大学开发出来。最终网络软件市场形成。– 这引导了全球网络形成并使 TCP/IP 网络结构成为了最通用的网络结构、– IP 提供了一个无连接的，最高效的信息封包服务。

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应用层

传输层

网络层

网络界面

应用层

传输层

网络层

网络界面

TCP/IP 网络结构

TCP/IP 不需要绝对的层结构。

比如应用程序可直接在网络层上运行。

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各各网络层层是怎么协调工作的？ ( 封装实例 )

TCP 头文件包含源端口号和目的端口号。

IP 头文件包含源 ip 地址，目的 ip 地址和传输协议种

类。

以太头文件包含源 MAC 地址，目的 MAC 地址和网络

协议类型。

HTTP 请求

TCP 头文件 HTTP 请求

IP 头文件

TCP 头文件 HTTP 请求

以太header

IP 头文件

TCP 头文件 HTTP 请求 FCS*

*FCS – 数据帧检测序列

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TCP/IP 网络结构 TCP/IP 网络结构式一组允许在多重不同网络进行通信的网

络协议。 此结构含有 4 个网络层。 TCP/IP 应用层结合了 OSI 模型前三层的功能。

应用层程序（ email ，文件传输等）可直接在传输层运行。 在传输层中，两种基本服务被提供：

– 传输控制协议（ TCP ） - 可靠的面向连接传输。– 用户数据包协议 (UDP) – 最高效的无连接传输。

网络层处理多网络间的信息传输（比如路由和阻塞控制）。网络层的一个关键方面是为机器定义一个全球唯一的地址。同时，网络层提供了一个单独的最高效的无连接分包传输服务。

网络界面层确保了不同网络间的 IP 通信。

应用层

传输层

网络层

网络界面

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网络协议作用方式。 IP 封包在网络间传输信息。 主机 A IP → 路由→ 路由→ 路由→ 主机 B IP 每个路由中的 IP 层决定了下一个路由方向。 网络界面在各个网络间传输 IP 封包。

应用层

传输层

网络层

网络界面层

网络层

网络界面层网络界面层

网络１ 网络２

主机Ａ 主机Ｂ

路由 / 网关应用层

传输层

网络层

网络界面层

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TCP/IP 网络协议

(ICMP, ARP)

可靠的流服务

HTTP SMTP RTP

TCP UDP

IP

网络界面 1 网络界面 3网络界面 2

DNS

最高效的无连接封包传输

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IP Utilities PING – 一个用来检测主机是否可以连接的基本应用程序。

– 使用控制报文协议（ ICMP ）。控制报文协议作用是将接端收主机和路由遇到的错误告知发送端服务器。

Traceroute - 显示信息从计算机到互联网另一端的主机是走的什么路径。– 使用 ICMP 和 UDP 协议。发送端向目标主机送出一个 TTL 为 1 的（生存时

间为 1 ） UDP 数据包和一个无效的端口号。第一个路由将 TTL 置 0 （减少1 ），并丢弃数据包，之后向发送端发出 ICMP 超时信息。这样就检测到了数据传输路径中的第一个设备。发送端所发出的数据包的 TTL会逐个增加，直到到达接收端。之后接收端会返回 ICMP 端口不能连接的信息（因为发送的是无效的端口号）。

Netstat – 提供网络状态的信息。 Tcpdump – 捕捉和观察线路中的数据包交换。

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自学推荐 Private Study Recommendations 阅读第一章和第二章（章节 2.4 sockets 协议没有涉及） Read

chapters 1 and 2 (Section 2.4 on sockets is NOT assessed).

思考书中关于“ nytimes” 的例子。 尝试使用 Wireshark软件（以前名为“ Ethereal” ）。 练习使用 Experiment with utilities, for example:

– Ping 命令 -在运行框中输入“ command”然后输入“ ping” ，命令的帮助提示将出现。

– traceroute – 在 www.snapfiles.com 有相关 visual traceroute 或者 3D traceroute 应用程序的信息。（在命令提示符中输入“ tracert” 同样会出现帮助信息）

– 关于“ VisualRoute ” 和 “ Myspeed”软件的信息，访问www.mycooltools.com

谢谢