林楠
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办公室：408
Internet协议与性能
第三讲
一个协议层可以由软件、硬件，或两者同时完成服务功能。
不同层的协议总合为 协议栈 -- protocol stack。
协议栈，服务模式
物理层
数据链接层
网络层
运输层
会话层
表示层
应用层
OSI七层协议
实际生活中从来没有实现过！
物理层
数据链接层
网络层 IP
运输层 TCP
应用层
Internet五层协议
网络接口层
网络层
运输层
应用层
TCP/IP 四层协议
ISO 组织 (International Standards Organization) 20世纪70年代末创建了
OSI 开放系统互联模型 (Open Systems Interconnection)
将网络的结构分为七层协议的模型，每一层完成相关的工作。
物理层
数据链接层
网络层
运输层
会话层
表示层
应用层
物理层
数据链接层
网络层
运输层
会话层
表示层
应用层
发送主机 A
接收主机 B
OSI七层协议
OSI参考模型各层功能与任务
物理层
数据链接层
网络层
运输层
会话层
表示层
应用层
任务: 为应用选择适当的服务；
功能: 提供文件打印，数据库和其他应用程序等服务；
任务: 提供编码转换，数据重新格式化；
功能: 数据加密，压缩，翻译等；
任务: 主机间通信；
功能: 会话控制；
任务: 提供端到端的数据完整通信；
功能: 提供可靠与不可靠数据传输 ；
任务: 寻址和最短路径（路由）；
功能: 提供逻辑地址，用于路由路径的选择；
任务: 相邻结点间透明、可靠的信息传输；
功能: 把字节性质的数据包组成帧，错误检测但不更正；
任务: 为数据传输提供通路，在设备之间传输比特；
功能: 定义物理拓扑结构，定义电压，线速，针脚等物理规范；
OSI七层协议
路由器
交换机
OSI七层协议
应用层: 支持网络各种应用程序
运输层: 主机与主机之间传输数据段
网络层: 从发送端到接收端路由数据报
链路层: 临近的两个结点之间传输帧
物理层: 临近的两个结点之间传输帧中的一位
针对不同的以太网使用不同的物理层标准。
物理层
数据链接层
网络层 IP
运输层 TCP
应用层
Internet协议栈
Internet 协议栈 （使用TCP/IP 协议，在现实网络中广泛使用！）
Internet协议栈
进程
主机
进程
主机
结点
结点
结点
结点
结点
数据链路层
网络层
运输层
运输层：实现进程与进程之间的通信。
网络层：实现主机与主机之间的通信。
数据链路层：实现结点与结点之间的通信。
Internet协议栈
Internet协议栈——物理层
物理层
数据链接层
网络层 IP
运输层 TCP
应用层
Internet协议栈
物理层 Physical Layer
通过介质传送比特流，提供机械及电气规格说明。
接口和介质的物理特性：定义了设备和传输介质之间接口的特性，还定义了传输介质的类型。
比特的表示：物理层数据由比特（0/1）流组成，要进行传输，必须把比特流编码成信号（电信号或光信号）。
数据速率(bps)由物理层定义。
比特同步：发送方和接收方不但要采用相同的比特速率，而且还要在比特层次上达到同步，即发送方和接收方的时钟必须同步。
Internet协议栈——数据链路层
物理层
数据链接层
网络层 IP
运输层 TCP
应用层
Internet协议栈
数据链路 Data Link Layer
负责将比特组成帧，并将帧从一个结点传输到另一个结点。
分帧：链路层将接收来自上层网络层的数据报，划分成便于管理的数据单元：帧。
物理寻址：链路层会在帧中加入头部信息（包括物理地址），用来定义该帧的发送与接收方。
流量控制：如接收方接收速率低于发送方的发送速率，链路层会采取流量控制机制来防止数据淹没接收方。
差错控制：通过采取检测和重传损坏或丢失的帧的机制，与物理层相比，数据链路层更加可靠。
访问控制：当两台或两台以上的设备连接到同一链路时，数据链路层协议就必须决定哪台设备在什么给定的时间内具有控制权。
Internet协议栈——网络层
物理层
数据链接层
网络层 IP
运输层 TCP
应用层
Internet协议栈
网络层 Network Layer
负责把数据报从发送主机传输到目的主机，提供网络互联。
逻辑寻址（IP地址）：负责处理本地网络的寻址问题，如果数据报通过网络边界，网络层就在上层的数据报上加个头部信息，用来定义该分组的发送与接收方的逻辑地址。
路由选择：当独立的网络连起来组成一个互联的网络时，交换设备（交换机或路由器）对数据报进行路由或交换，寻找一条能够把数据报送到目的地的路径，最终到达目的地。
主要协议IP，所有Internet组成必须运行IP。
网络层提供无连接不可靠的传输服务：不保证数据完整送达，不保证数据按顺序传输。
Internet协议栈——运输层
物理层
数据链接层
网络层 IP
运输层 TCP
应用层
Internet协议栈
运输层 Transport Layer
提供两端点上进程与进程之间的数据传输。
端口寻址：运输层通过端口地址，传送数据从一台计算机上的特定进程到另一台计算机上的特定进程。
分割与重组：将一个数据包分成数个可以发送的数据段，并在接收时重组。
连接控制：运输层可以是面向连接或无连接。
流量控制：类似链路层，运输层也负责流量控制，但运输层的流量控制是端到端的，不是通过单一的链路相临结点之间的。
差错控制：类似链路层，运输层也负责差错控制，但运输层的差错控制是端到端的，不是通过单一的链路相临结点之间的。
Internet协议栈——应用层
物理层
数据链接层
网络层 IP
运输层 TCP
应用层
Internet协议栈
应用层 Application Layer
负责向用户提供服务，允许用户访问网络资源。
文件传输
FTP、TFTP、NFS
电子邮件
SMTP、POP3
WWW应用
HTTP
远程登录
Telnet
网络管理
SNMP
域名管理
DNS
Internet协议栈——各层协议
物理层
数据链接层
网络层 IP
运输层 TCP
应用层
Internet协议栈
应用层：SMTP、HTTP、FTP、DNS…
运输层：TCP、UDP
网络层：IP、ICMP、ARP…
链路层：以太网Ethernet 、ATM、帧中继
（不同的物理网络标准不同）
物理层：无特定协议
（不同的传输介质标准不同）
所有运行网络层的Internet组成必须运行IP ！
举例： 运输层
从应用层取得数据；
加上地址,校验信息形成 “数据报”；
向对等实体( peer)发送数据报；
等待对等体在接收后的应答；
比喻: 邮局服务。
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
网络层
链路层
物理层
data
data
data
ack
运输层
运输层
Internet协议栈: 分层逻辑通信
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
网络层
链路层
物理层
data
data
Internet协议栈: 分层物理通信
在网络体系结构中，对等层协议之间交换的信息单元统称为
协议数据单元 (PDU, Protocol Data Unit)。
物理层
数据链接层
网络层
运输层
应用层
Internet协议栈
——报文（Message）
——数据段（Segment）
——分组（数据报）（ Datagram ）
——数据帧（Frame）
——比特（Bit）
Internet协议栈：协议数据单元PDU
数据封装：一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程称为封装；就是在数据前面加上特定的协议头部信息。
数 据
协议头
上层PDU
本层PDU
数据
协议头
服务数据单元SDU
服务数据单元SDU
下层PDU
Internet协议栈：数据封装
数据
段头
数据
段头
数据
报头
帧头
帧尾
应用层：数据
11010000110000101001011110110
运输层：数据段
网络层：数据报
数据链路层：帧
物理层：比特
电脉冲
数据封装
段头
数据
报头
Internet协议栈：数据封装
数据多层封装
消息
数据段
数据报
帧
发送端
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
Ht
Hn
Hl
M
Ht
Hn
M
Ht
M
M
接收端
应用层
运输层
网络层
链路层
物理层
Ht
Hn
Hl
M
Ht
Hn
M
Ht
M
M
网络层
链路层
物理层
链路层
物理层
Ht
Hn
Hl
M
Ht
Hn
M
Ht
Hn
Hl
M
Ht
Hn
M
Ht
Hn
Hl
M
Ht
Hn
Hl
M
路由器
交换机
位
位
位
位
消息
数据段
数据报
帧
Internet协议栈：数据封装
数据包时延的起因：
数据包到达速度超出连接的输出能力；
数据包在路由器的缓冲池中排队，等待。
注意：数据包完整地被接收后才被发送。
A
B
数据包被传送 (时延)
数据包排队 (时延)
空闲缓冲块:
因为没有空闲缓冲块，
来到的数据包将丢失。
分组交换网络的性能：时延与丢失
结点时延 = 处理时延 + 排队时延 + 发送时延 + 传播时延
1、处理时延:
交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
（检测数据包头信息；检测校验位有错；确定数据包的出口连接等）
处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
A
B
传播时延
发送时延
处理时延
排队时延
分组交换网络的性能：时延与丢失
结点时延 = 处理时延 + 排队时延 + 发送时延 + 传播时延
2、排队时延：
结点缓存队列中数据包排队所经历的时延（在出口等待被发送）
依赖于路由器拥塞水平；
每个数据包的排队延迟不尽相同；
A
B
传播时延
发送时延
处理时延
排队时延
分组交换网络的性能：时延与丢失
结点时延 = 处理时延 + 排队时延 + 发送时延 + 传播时延
3. 发送时延:
发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
信道带宽：数据在信道上的发送速率（数据在信道上的传输速率）
A
B
传播时延
发送时延
处理时延
排队时延
分组交换网络的性能：时延与丢失
发送时延 =
数据包长度 L（比特）
信道带宽 R（比特/秒）
结点时延 = 处理时延 + 排队时延 + 发送时延 + 传播时延
4. 传播时延:
电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
A
B
传播时延
发送时延
处理时延
排队时延
分组交换网络的性能：时延与丢失
传播时延 =
信道长度 d （米）
信号在信道上的传播速率 s（米/秒）
A
B
传播时延
发送时延
处理时延
排队时延
信号传输速率R (带宽b/s) 和 信号传播速率s (m/s) 概念完全不同
R 是路由器接口的发送速度，s 是传输介质的传输速度。
发送时延与包的长度有关，完整的包到达后才开始发送，
传播时延与包的长度无关，与两结点之间的距离有关。
分组交换网络的性能：时延与丢失
对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。
提高链路带宽减小了数据的发送时延。
好，从今天开始让我们来共同探索变幻莫测的计算机网络，看看我的背景图，可以想象最大的计算机网络INTERNET是什么样子吗？有点象我们人大脑的神经网络，错综复杂。我都迫不及待了，我相信你们也都在发自内心的欢呼，你们选择了如此伟大的专业，将去揭发世界上最大最复杂的计算机网络INTERNET的神秘面纱。
在开始学习之前我先调查一下（发调查问卷，匿名）
谁使用过电脑，谁上过INTERNET，使用过EMAIL，WWW，FTP，网上游戏，聊天，网上购物等等。
和以往教学方式不同的是，我剥橘子皮一样，新的方式来讲解这门课，不仅仅局限于你们的教材书，而是结合国外最新计算机网络教程与先进的教学经验，并你们实际接受能力相结合。
讲课方式：由于是你们网络专业的理论基础课程，多一授课方式教学为主，教学内容以丰富多彩的PPT教案为主要表现形式，但在教学中
应用层：利用应用程序来访问网络资源；
表示层：将传输数据加密/压缩/翻译；
会话层：
运输层：将数据包分段/重组；
网络层：决定数据包传送的路线；
数据链路层：写自己与对方的网卡地址；
物理层：实体线路的传送与数据信号转换。
应用层：利用应用程序来访问网络资源；
表示层：将传输数据加密/压缩/翻译；
会话层：
运输层：将数据包分段/重组；
网络层：决定数据包传送的路线；
数据链路层：写自己与对方的网卡地址；
物理层：实体线路的传送与数据信号转换。
