计算机网络分类性能指标OSITCPIP模型

计算机网络原理与应用第1章计算机网络概述了解计算机网络分层的必要性和协议的概念熟悉OSI/RM参考模型掌握TCP/IP模型掌握具有五层协议的体系结构理解封装与解封装的过程1.6计算机网络的体系结构

1.6.1计算机网络体系结构的形成相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

信息交换过程信息数据信号通信网络信息数据信号物理链路是网络通信必备要素，它是信号传播的载体。网络通信的复杂性发送方如何确定接收方愿意接收数据或已经准备好了接收数据？发送方和接收方之间可能间隔了多个网络，如何在网络之间找到一条正确的路，使得数据能够到达接收方？数据在传输过程中可能受了干扰而产生了差错，如何检测差错？出了差错如何处理？数据在传输过程中可能会丢失，如何检测丢失，丢失以后如何处理？网络协议的必要性和复杂性在网络通信中双方必须对通信中可能出现的各种情况进行明确的商定，必须遵守相同的规则，这些规则称为协议。网络中的主机、设备必须要遵循相同的协议才能通信网络通信是一个非常复杂的问题，这就决定了网络协议也是非常复杂的

如何构建网络协议？相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。解决：分而治之！层次化方法在其它领域的应用程序设计把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来实现，如操作系统。邮政系统邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输银行系统物流系统。。。划分层次的必要性计算机网络中也采用了分层方法。——把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题，在不同层上予以解决。网络的层次结构方法要解决的问题：网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能）各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口）通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）网络协议计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(networkprotocol)，简称为协议。

网络协议的组成要素语法：通信时双方交换数据和控制信息的格式。（如何讲）语义：每部分控制信息和数据所代表的含义。（讲什么）时序：通信如何发起；在收到一个数据后，下一步要做什么。（讲话次序）协议分层虚线表示虚拟通信；实线表示物理通信不同主机上的同一个层次称为对等层，对等层之间遵循相同协议。每一层都使用下一层提供的服务，同时也向自己的高层提供服务。协议分层的优点将复杂的网络通信任务分解为若干个比较容易处理的子问题，降低了复杂度，易于实现和维护。每个层次都可以单独实现，只要提供的服务和实现的功能不变，与相邻层次的接口也不变，那么采用何种技术实现是每个层次内部的事情，更有利于采用新的技术去解决问题。层次明确也更有利于标准化。

数据传递过程数据传递过程数据从发送端的最高层开始，层层向下，层层封装，直到发送方的最底层，转换为电磁信号后经过物理链路到达接收端的最底层，再层层向上，层层解封装，最后到达接收方的最高层，整个通信过程是垂直的

某一层添加的首部，在到达对等层后，就会被剥掉，剩余的部分会继续向上传递，直至最高层。高层使用了低层的服务，低层向高层提供服务，高层通过低层提供的服务接口访问低层的服务

数据传递过程在概念上可以认为通信是水平的，数据好像由对等层的一端直接到达了另一端。通信的目的就是要实现对等层之间的水平通信，虽然事实上水平通信要依赖垂直通信来实现在理解问题时忽略中间的过程直接去考虑水平通信会更简单

1.6.2计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

OSI开放系统互连参考模型ISO（InternationalOrganizationforStandardization）国际标准化组织OSI（OpenSystemInterconnection）开放系统互联只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。特点：定义了网络的七层功能及对应各个层的协议，称七层协议。OSI的七层网络结构

应用层

表示层

会话层

运输层

网络层数据链路层

物理层ApplicationPresentationSessionTransportNetworkDataLinkPhysical面向应用依赖网络（1）物理层物理层是OSI的最低层，建立在物理通信介质上，但应注意，物理层并不是指传输介质。物理层处理数据的单位是二进制位，比特（bit）。物理层定义了纯粹的物理及电子技术细节，通过物理连接的建立实现传输介质上比特流的传输。OSI模型中各层的功能OSI模型中各层的功能（2）数据链路层链路层传送数据的单位是“帧”。从网络层接收数据，将特定的控制信息封装到名为“帧”的数据信息里，再将其传给物理层。数据链路层能提供差错控制和流量控制能力，可确保数据从一台计算机正确无误地传递给另一台计算机。什么叫帧？网络上最小的数据传输单位称为帧。帧由几部分组成，不同的部分执行不同的功能。“帧”数据由两部分组成：帧头和帧数据。

帧头包括接收方主机物理地址的定位以及其它网络信息。

帧数据区含有一个数据体。为确保计算机能够解释数据帧中的数据，这两台计算机使用一种公用的通讯协议。OSI模型中各层的功能（3）网络层网络层传送数据的单位是：包，也叫分组或IP数据报。网络层把分组从源结点传送到目标结点。网络层具有路由选择、拥塞控制、解决异构网络互连问题的功能。网络层主要使用的协议：IP协议OSI模型中各层的功能（4）运输层运输层处理数据的单位是：数据段运输层是OSI模型中承上启下的层，它下面的3层主要面向网络通信，上面的3层则面向主机用户运输层能分割长的报文，再交给网络层运输层能确保数据包顺利地到达目的地，保证数据包不丢失、不重复和无差错运输层使用的协议：TCP和UDPOSI模型中各层的功能（5）会话层在两个结点之间建立、维护和释放面向用户的连接，负责通讯双方在正式开始传输前的沟通，建立传输时所遵循的规则，使传输更顺畅、高效。采取何种通信方式，提供更有效的差错控制，是否允许暂时中断对话。OSI模型中各层的功能（6）表示层处理被传送数据的表示问题。负责数据格式的转换、压缩与解压缩、加密与解密。OSI模型中各层的功能（7）应用层该层包括许多与应用有关的服务，提供对用户程序的直接支持。应用层的功能最丰富，实现也最复杂。应用层的协议很多，如支持万维网的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传输的FTP协议等等。OSI各层主要功能归纳物理层：透明地传输比特流。数据链路层：在相邻结点之间无差错地传送帧。网络层：在源和目的子网结点之间选择路由。运输层：在端到端之间可靠地传输报文。会话层：进行会话管理与会话同步。表示层：数据格式转换、数据加密、解密等。应用层：直接支持用户程序。应用层运输层表示层会话层网络层数据链路层物理层7654321主机A应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321主机B网络层数据链路层物理层321

OSI模型对等层通信OSI的层次间关系OSI模型每一层数据的名称包每层间对应的“协议数据单元”（ProtocolDataUnit，简称PDU）的名称都是不同的TCP/IP的体系结构

开放系统互连参考模型OSI/RM的失败只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面OSI却失败了。OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

两种国际标准法律上的国际标准OSI并没有得到市场的认可。非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的国际标准。

互联网TCP/IP模型当今互联网广泛使用的是DoD（DepartmentOfDefenseModel，美国国防部模型），是美国国防部设计的一个网络模型，最早用于ARPANET。有时也称TCP/IP体系结构，是四层的结构。互联网使用TCP/IP协议族，注意并不是指TCP和IP这两个协议，而是一组协议，只不过TCP和IP是其中最重要的两个协议。TCP/IP模型的体系结构TCP/IP为四层模型网络接口层网际层运输层应用层应用层网络接口层网际层运输层TCP/IP的体系结构TCP/IP的体系结构应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络

2网络

1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。

TCP/IP各层主要协议沙漏计时器形状的TCP/IP协议族

HTTPSMTPDNSFTPTCPUDPIP网络层网络接口层运输层应用层………网络接口

1网络接口

2网络接口

3EverythingoverIPIP可为各式各样的应用程序提供服务IPoverEverythingIP可应用到各式各样的网络上OSI与TCP/IP模型的比较应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI模型应用层网络接口层网际层IP

(各种应用层协议如TELNET,FTP,HTTP、SMTP等)运输层(TCP

或

UDP)TCP/IP模型OSI参考模型和TCP/IP模型比较OSI参考模型和TCP/IP模型都采用了分层结构，OSI参考模型分为7层，TCP/IP模型分为4层在TCP/IP模型中没有表示层和会话层，TCP/IP模型的应用层相当于综合了OSI参考模型中应用层、表示层和会话层的功能TCP/IP模型没有数据链路层和物理层，网络接口层包含了这两层的功能

OSI参考模型和TCP/IP模型比较OSI参考模型的网络层可以提供无连接和面向连接的两种服务，TCP/IP模型的互联网层只提供无连接的数据报服务OSI的运输层提供面向连接的可靠的数据传输服务，TCP/IP模型中的运输层有两个协议TCP和UDP，TCP提供面向连接的可靠的数据传输服务，UDP提供无连接的不可靠的数据传输服务OSI参考模型，具有浓厚的通信背景，强调服务质量，强调对差错的控制，先定义了一套完整的框架，然后才发展相应的协议。TCP/IP协议产生于因特网的连网需求，是先有了具体的协议的基础上，进一步完善了其框架体系，从而也更适合计算机网络的特点。

OSI参考模型和TCP/IP模型比较OSI模型体系比较复杂，设计先于实现，完全实现OSI参考模型的系统并不多，应用的范围有限，多限于理论研究和教学。TCP/IP协议是在实践中产生和发展的，在各类平台中都有稳定的实现，并有简单方便的编程接口（API），得到了广泛的应用。TCP/IP协议已成为目前网际互连事实上的国际标准和工业标准协议堆栈网络各层的功能由各层的协议来完成，不同层的各种协议在一起协同工作，构成“协议堆栈”。协议堆栈是为了完成通信所使用的一组协议的总称。（1）封装：网络结点将要传送的数据用特定的协议头打包或是在数据尾部加上报文来传送数据。1.6.3封装与解封装主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

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

1

向计算机

2

发送数据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，成为运输层报文主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

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）主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

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主机

1

向主机

2

发送数据5432154321物理传输媒体主机

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主机

2（2）解封装计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！（3）封装与解封装的整体过程协议堆栈是为了完成网络通信的一组协议的总称，每一层使用下一层的服务，并向自己的上一层提供服务。每一层，数据均是由数据加上本层的信息头或尾组成。（注意每层数据有不同的称谓）从高层到底层，每经一层，都要在首部或尾部加上相应的控制信息，对应操作——封装。从底层到高层，每经一层，都要去掉首部或尾部相应的控制信息，对应操作——解封。计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101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链路层尾部物理传输媒体计算机

1

向计算机

2

发送数据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H3H4H5应用程序数据计算机

1

向计算机

2

发送数据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给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据计算机

1

向计算机

2

发送数据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H5应用程序数据H4H5应用程序数据计算机

1

向计算机

2

发送数据5432154321计算机