第3章 网络体系结构

1、计算机网络计算机网络计算机网络计算机网络1 1、网络协议、网络协议问题：为何要使用网络协议？问题：为何要使用网络协议？概念：概念：为计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的为计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。集合。 协议的特点：具有层次性和可靠性。协议的特点：具有层次性和可靠性。 协议的三要素：协议的三要素：语法：语法：数据和控制信息的结构与格式。即数据和控制信息的结构与格式。即“如何讲如何讲”语义：语义：对具体事件应发出何种控制信息，完成何种动作以对具体事件应发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。即及做出何种应答。即“讲什么讲什么”时序：时序：对事件实现

2、顺序的详细说明。对事件实现顺序的详细说明。网络协议实质上是实体间通信时使用的语言。网络协议实质上是实体间通信时使用的语言。计算机网络计算机网络2 2、开放系统互联参考模型、开放系统互联参考模型在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织：国际电报与电话咨询委员会国际电报与电话咨询委员会（Consultative Committee on International Telegraph Consultative Committee on International Telegraph and Telephoneand Telephone

3、，CCITT CCITT ）；）；国际标准化组织国际标准化组织（International Standards Organization International Standards Organization ，ISOISO）开放系统互联参考模型以层次（开放系统互联参考模型以层次（LayerLayer）观念为主，将计算）观念为主，将计算机网络的体系结构划分为机网络的体系结构划分为7 7层，每层都有独自负责的功能，层，每层都有独自负责的功能，但又息息相关。但又息息相关。计算机网络计算机网络（1 1）计算机网络系统采用层次结构及其原则）计算机网络系统采用层次结构及其原则分层的原因：分层的原因：将

4、一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，是将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，是工程中常用的方法。工程中常用的方法。每一层实现一种相对独立的功能，同时互相联系。每一层实现一种相对独立的功能，同时互相联系。分层原则：分层原则：网络中各结点都具有相同的层次。网络中各结点都具有相同的层次。不同结点的同等层具有相同功能。不同结点的同等层具有相同功能。同一结点内相邻层之间通过接口通信。同一结点内相邻层之间通过接口通信。 每层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。每层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。不同结点的同等层通过协议来实现通信。不同结点的同等层通过协议来实现通信。层数应适中。层数

5、太少，则每层的协议太复杂；层数层数应适中。层数太少，则每层的协议太复杂；层数太多，则体系结构复杂。太多，则体系结构复杂。计算机网络计算机网络（2 2）OSI/RMOSI/RM七层模型七层模型应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层传输介质传输介质传输介质主机主机CCPCCP网 络 层数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层主机主机CCPCCP网 络 层数据链路层物 理 层计算机网络计算机网络说明：说明：“开放开放”的含义：只要遵守的含义：只要遵守OSIOSI标准，一个系统可以位于世标准，一个系统可以位于世界任何地方

6、，与遵循同样标准的系统通信。界任何地方，与遵循同样标准的系统通信。OSI/RMOSI/RM定义了开放系统的层次结构、层次间关系，以及各定义了开放系统的层次结构、层次间关系，以及各层所包括的可能服务。层所包括的可能服务。OSI/RMOSI/RM并没有提供一个可以实现的方法，它只是描述了网并没有提供一个可以实现的方法，它只是描述了网络构建标准的一个概念性的框架。络构建标准的一个概念性的框架。计算机网络计算机网络（3 3）几个概念）几个概念实体实体：每层中具有数据收发能力的活动单元，可以是软实：每层中具有数据收发能力的活动单元，可以是软实体（如进程）或硬件实体（网卡）。体（如进程）或硬件实体（网卡）

7、。对等实体对等实体：不同计算机中同一层的实体叫做对等（：不同计算机中同一层的实体叫做对等（PeerPeer）实体。实体。服务服务：网络中各层向上层提供的一组功能（操作）。：网络中各层向上层提供的一组功能（操作）。 在网络中服务分为：在网络中服务分为：面向连接的服务面向连接的服务和和无连接服务无连接服务 服务定义了两层之间的接口，上层是服务的用户，下层是服务定义了两层之间的接口，上层是服务的用户，下层是服务的提供者。服务的提供者。服务访问点（服务访问点（SAPSAP）：上层访问本层服务的地址。：上层访问本层服务的地址。服务原语服务原语：上层通过与下层交换一些命令来使用下层为它：上层通过与下层交换

8、一些命令来使用下层为它提供的服务，这些命令称为服务原语。分为四种：请求、提供的服务，这些命令称为服务原语。分为四种：请求、指示、响应和确认。指示、响应和确认。计算机网络计算机网络例：例： 1. COENNCT.request1. COENNCT.request：呼叫方请求建立连接：呼叫方请求建立连接2. CONNECT.indication2. CONNECT.indication：被呼叫方指示有人请求建立连接：被呼叫方指示有人请求建立连接3. CONNECT.response3. CONNECT.response：被呼叫方表示接受：被呼叫方表示接受/ /拒绝建立连接拒绝建立连接请求请求4.

9、CONNECT.confirm4. CONNECT.confirm：通知呼叫方建立连接的请求是否被：通知呼叫方建立连接的请求是否被接受接受 计算机网络计算机网络数据单元：数据单元：网络中信息传送的单位，分为协议数据单元、网络中信息传送的单位，分为协议数据单元、服务数据单元和接口数据单元。服务数据单元和接口数据单元。协议数据单元协议数据单元PDUPDU：传输的数据信息称为传输的数据信息称为PDUPDU。协议控制信息协议控制信息PCI:PCI:在在PDUPDU进入下层之前，会在进入下层之前，会在PDUPDU中加入新中加入新的控制信息，这种控制信息称为的控制信息，这种控制信息称为PCIPCI。接口控

10、制信息接口控制信息ICIICI：在在PDUPDU中加入发送给下层的指令。中加入发送给下层的指令。接口数据单元接口数据单元IDUIDU：PDUPDU、PCIPCI与与ICIICI共同构成了共同构成了IDUIDU，它为，它为经过层间接口的数据单元。经过层间接口的数据单元。服务数据单元服务数据单元SDUSDU：下层接收到下层接收到IDUIDU后，从中除掉后，从中除掉ICIICI，此，此时的数据包称为时的数据包称为SDUSDU。计算机网络计算机网络面向连接的服务面向连接的服务特点（类似于电话系统服务模式）：特点（类似于电话系统服务模式）：1 1、数据传输过程必须经过建立连接、连接维护与终止连接、数据传

11、输过程必须经过建立连接、连接维护与终止连接的三个过程；的三个过程；2 2、面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在、面向连接服务的传输连接类似一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；一端放入数据，接收者从另一端取出数据；3 3、数据传输时，数据包不必携带目的结点的地址；、数据传输时，数据包不必携带目的结点的地址；4 4、接收到的数据与发送方发出的数据在内容和顺序上保持、接收到的数据与发送方发出的数据在内容和顺序上保持一致，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。一致，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。计算机网络计算机网络无连接服务无连接服务特点（类似于邮政

12、系统服务模式）：特点（类似于邮政系统服务模式）：1 1、无连接服务中的数据传输过程不需要经过建立连接、连、无连接服务中的数据传输过程不需要经过建立连接、连接维护与终止连接三个过程；接维护与终止连接三个过程；2 2、无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各、无连接服务的每个分组都携带完整的目的结点地址，各分组在系统中是独立传送的；分组在系统中是独立传送的；3 3、数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出、数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象；现乱序、重复与丢失的现象；4 4、无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效、无连接服务的可靠性不

13、好，但是协议相对简单，通信效率较高。率较高。计算机网络计算机网络（4 4）OSIOSI各层各层n物理层物理层物理层为物理层为OSIOSI的最底层，直接面向通信介质。的最底层，直接面向通信介质。物理层的功能物理层的功能利用传输介质为网络结点之间建立、管理和释放物理连接利用传输介质为网络结点之间建立、管理和释放物理连接利用物理介质为数据链路层提供物理连接，利用物理连接利用物理介质为数据链路层提供物理连接，利用物理连接透明地传输比特流；透明地传输比特流；物理层的数据传输单元是物理层的数据传输单元是比特（位）比特（位）。物理层常用的设备：物理层常用的设备：DTE和和DCE。DTE为数据终端设备，如计算

14、机、终端等；为数据终端设备，如计算机、终端等；DCE为数据电路连接设备，如调制解调器、中继器、集线为数据电路连接设备，如调制解调器、中继器、集线器等。器等。计算机网络计算机网络n数据链路层数据链路层为何设置数据链路层？为何设置数据链路层？原因：原因： 在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；目的：目的： 将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；作用：作用： 改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。数据链路层的功能数据链路层的功能数据链路管理：通信的两个实体

15、之间数据链路的建立、数据链路管理：通信的两个实体之间数据链路的建立、维护与释放。维护与释放。采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。成无差错的数据链路。数据链路层数据传送单位为数据链路层数据传送单位为帧帧。思考：数据链路与物理线路有什么区别？思考：数据链路与物理线路有什么区别？计算机网络计算机网络n网络层网络层网络中通信的两个计算机之间要经过许多的节点和链路或几网络中通信的两个计算机之间要经过许多的节点和链路或几个个通信子网，由于网络层数据传送单位是分组，因此网络层的通信子网，由于网络层数据传送单位是分组，因此网络层的

16、主主要任务是在复杂的网络环境中选择合适的路由，使得数据分要任务是在复杂的网络环境中选择合适的路由，使得数据分组组能够正确的到达目的结点。能够正确的到达目的结点。网络层的特点网络层的特点完成网络中任意结点间的数据传输；完成网络中任意结点间的数据传输；数据传送单位是数据传送单位是分组分组；通过路由选择算法为分组在通信子网中选择最适当的路通过路由选择算法为分组在通信子网中选择最适当的路径径为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。网络互连等功能。说明：说明：OSIOSI七层模型中的物理层、数据链路层和网络层是面向七层模型中的物理层

17、、数据链路层和网络层是面向网络通信的低三层协议，该三层构成通信子网，一般由硬件网络通信的低三层协议，该三层构成通信子网，一般由硬件完成。完成。计算机网络计算机网络n传输层传输层传输层是传输层是7 7层中最关键的一层，位于面向网络通信的通信子网层中最关键的一层，位于面向网络通信的通信子网和面向网络应用的资源子网之间。和面向网络应用的资源子网之间。传输层功能传输层功能传输层向高层屏蔽下层数据通信的细节；传输层以上层传输层向高层屏蔽下层数据通信的细节；传输层以上层不再管理信息的传送问题。不再管理信息的传送问题。接收会话层发来的数据，把其分成更小的单元，根据通接收会话层发来的数据，把其分成更小的单元，

18、根据通信子网的特性最佳的利用网络资源，以可靠的方式，建信子网的特性最佳的利用网络资源，以可靠的方式，建立一个端到端的连接；立一个端到端的连接；传输层数据传输单位是传输层数据传输单位是报文报文。计算机网络计算机网络n会话层会话层“会话会话”的含义：两个应用进程为交换数据信息而按一定的规的含义：两个应用进程为交换数据信息而按一定的规则则建立起来的一个暂时联系。建立起来的一个暂时联系。会话层功能会话层功能会话层不参与具体的网络传输，主要功能是对数据进行管理，会话层不参与具体的网络传输，主要功能是对数据进行管理，它为相互通信的两个进程之间提供一套会话设施，组织和同步它为相互通信的两个进程之间提供一套会

19、话设施，组织和同步他们的会话活动，管理他们的数据交换过程。他们的会话活动，管理他们的数据交换过程。计算机网络计算机网络n表示层表示层处理实体间交换数据的语法，解决格式和数据表示的差别，处理实体间交换数据的语法，解决格式和数据表示的差别，从从而为应用层提供一个一致的数据格式。而为应用层提供一个一致的数据格式。主要功能：主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换；数据格式变换；数据加密与解密；数据加密与解密；数据压缩与恢复。数据压缩与恢复。计算机网络计算机网络n应用层应用层应用层功能应用层功能为应用程序提供网络服务为应用程序提供网

20、络服务; ;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步作的应用程序之间的同步; ;建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。说明：说明：OSIOSI七层模型中的会话层、表示层和应用层是面向网络七层模型中的会话层、表示层和应用层是面向网络应用的高层，将这三层合并为应用层，组成网络的资源子应用的高层，将这三层合并为应用层，组成网络的资源子网网, ,一般由软件方式实现。一般由软件方式实现。传输层是通信子网和资源子网的接口，负责两个子网之间的传输层是通信子网和资源子网的接口，负责两

21、个子网之间的沟沟通。通。计算机网络计算机网络（5 5）OSIOSI环境中数据的传输过程环境中数据的传输过程nOSIOSI环境环境网 络 层数据链路层物 理 层数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层 数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层传输介质传输介质传输介质C CC CP P网 络 层应用进程AO OS SI I环环境境应用进程B主主机机A A主主机机B BA AC CC CP PB B计算机网络计算机网络步骤：进程步骤：进程A A要与进程要与进程B B交换数据。进程交换数据。进程A A、进程、进程B B分别

22、处于主分别处于主机机A A与主机与主机B B的本地系统中。的本地系统中。主机主机A A的应用层将进程的应用层将进程A A的通信请求传输到表示层，表示的通信请求传输到表示层，表示层再向会话层传送，直至物理层。层再向会话层传送，直至物理层。物理层通过与主机物理层通过与主机A A连接的路由器连接的路由器A A，将数据传输到路由，将数据传输到路由器器A A上。路由器上。路由器A A的物理层接收到数据后，通过数据链路的物理层接收到数据后，通过数据链路层进行检测，若没有错误由网络层确定下面应该把数据层进行检测，若没有错误由网络层确定下面应该把数据传输到哪个路由器。传输到哪个路由器。通过路由选择算法，确定下

23、一个结点是路由器通过路由选择算法，确定下一个结点是路由器B B，则把数，则把数据传输到路由器据传输到路由器B B。路由器。路由器B B采用同样的方法，将数据传采用同样的方法，将数据传输到主机输到主机B B上。上。主机主机B B将接到的数据从物理层传输到应用层。应用层再将将接到的数据从物理层传输到应用层。应用层再将数据传输给主机数据传输给主机B B的进程的进程B B。计算机网络计算机网络nOSIOSI环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层 数据链路层物 理 层应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层应用进程A应用进

24、程B比特序列帧分组报文数据单元数据单元数据数据传输介质主主机机A A主主机机B B计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首

25、部和尾部，成为数据链路层帧计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机网络计算机网络u应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机 2计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机网

26、络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110

27、101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机网络计算机网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机网络计算机网络H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交

28、给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机网络计算机网络H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层计算机网络计算机网络H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层计算机网络计算机网络应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程计算机网络计算机

29、网络5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！计算机网络计算机网络TCP/IPTCP/IP协议是美国国防部高级计划研究局为实现协议是美国国防部高级计划研究局为实现ARPANET(ARPANET(后后来发展为来发展为Internet)Internet)互连网而开发的。目前，互连网而开发的。目前，ITERNETITERNET采用采用TCP/IPTCP/IP协议，它成为一个事实上的网络标准。协议，它成为一个事实上的网络标准。1 1、TCP/IPTCP/IP的含义的含义TCPTCP（Transmission Control ProtocolTransmission Control Protocol）：传输控制协议）：传输控制协议IPIP（Internet ProtocolInternet Protocol）: :网际协议网际协议TCP/IPTCP/IP是