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第2章计算机网络体系结构_3第一讲网络体系结构及协议第二讲开放系统互联参考模型第三讲TCP/IP参考模型网络通信要解决的主要问题体系结构及网络协议的概念接口和服务网络通信协议的制定2.1网络体系结构及协议目前计算机网络最大的特点之一是网络通信Wh

atHowWhen电话通信的过程计算机网络通信的主要功能计算机网络通信中的焦点问题2.1.1网络通信要解决的主要问题工作内容网络通信功能电话线路建立通信子网通信节点和连接设备电话局及交换机通信网络节点物理连接、网络

拓扑装机、申请电话号码连网设备、资源子网建立用户站点、地址确定拨号开始确定目标地址、同步、申请建立连接呼叫接通建立逻辑连接交流语言、表达、内容应用、会话管理挂机停止终止连接付费电话网络使用成本网络管理计算机网络通信的主要功能数据通信与语音通信的区别信息传输的两个基本要求及时准确有效数据经网

络到达目的地后，能被用户识别计算机网络通信中的焦点问题寻址差错控制流量控制分段及装配路由选择编码转换信息的表达同步问题数据安全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。2.1.2体系结构及网络协议的概念划分层次的概念举例计算机1向计算机2通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个

计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。两个计算机交换文件文件传送模块计算机1计算机2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的

文件交给上层模块再设计一个通信服务模块文件传送模块计算机1计算机2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入模块文件传送模块计算机1计算机2文件传送模块通

信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层的好处各层之间是独立灵活性好结构上可分割开

易于实现和维护能促进标准化工作层数多少要适当原则结构清晰，易于设计，层数应适中每层功能明确且相互独立层间接口清晰，跨越接口的信息量应尽可能的少每一层都使用下层的服务，并为上层提供服务网中个节点都有相同的层次，不同节点的同等层次按照协

议实现对等层之间的通信划分层次的必要性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(networkprot

ocol)，简称为协议。网络协议的组成要素语法数据与控制信息的结构或格式。语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步事件实现顺序的详细说明。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。2.1.3接口和服务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。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。本层的服

务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。端口(套接字)接口协议和服务的关系协议是“水平的”，即协议是控制对等

实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。N层实体向N+1层实体能提供的服务:N层实体提供的某些功能从N-1层及其以下各层实体及本地系统得到的服务通过与对等的N层实体的通信得到的服务协议交换原语交

换原语服务用户提供服务服务提供者第n层第n+1层服务用户SAPSAP数据单元协议数据单元PDUPCI接口数据单元IDUSDU+ICI服务数据单元SDU分段与合并ICISDUICISDUSAPIDUn+1n服务原语服务是各层向它上层提供的一组原语(操作)，实体利用协

议来实现它们的服务定义。4类服务原语原语(primitive)含义请求(request)一个实体希望得到完成某些操作的服务指示(indication)通知一个实体有某个事件发生响应(response)一个实体希望

响应一个事件证实(confirm)返回对先前请求的响应服务原语举例:一个简单的面向连接服务的例子它使用了下述8个服务原语：连接请求:服务用户请求建立一个连接连接指示:服务提供者向被呼叫方示意有人请求建立连接连接响应

:被呼叫方用来表示接受或拒绝建立连接的请求连接确认:服务提供者通知呼叫方建立连接的请求已被接受或拒绝数据请求:请求服务提供者把数据传至对方数据指示:表示数据的到达断连请求:请求释放连接断连指示:将释放连接请求通知对等端服务原语举例:打电话邀请姑姑来喝茶1.拨姑姑家的电

话号码——连接请求2.她家的电话铃响了——连接指示3.她拿起电话——连接响应4.你听到响铃停止——连接确认5.你邀请她来喝茶——数据请求6.她听到了你的邀请——数据指示7.她说她很高兴来——数据请求8.你听到她接受邀请——数据指示9.你挂断电话——断连请

求10.她听到了，也挂断电话——断连指示你姑姑面向连接服务与无连接服务面向连接服务(connection-oriented)又称“虚电路”服务，是一种“电话通信系统模式”具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。无连接服务(conne

ctionless)两个实体之间的通信不需要先建立好连接。是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(besteffortdelivery)或“尽力而为”。2.1.4网络通信协议的制定协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都

是很理想和很顺利的。必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况。著名的协议举例占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山

谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发

送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定(即100%)取得胜利？明日正午进攻，如何？同意收到“同意”收到：收到“同意”………………这样的协议无法实现！结论这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。没

有一种协议能够蓝军能100%获胜。1．制定网络通信协议和标准的主要组织（1）IEEE—电气和电子工程师协会（2）ISO—国际标准化组织（3）ITU—国际电信联盟，前身是国际电报电话咨询委员会（CCITT）（4）其他—国际电子技术委员会IEC、电子工业协会EIA、国际商用机器公司IBM。2

．模型的发展和类型IBM公司1974年提出的SNA，数字设备公司DEC提出DNA。ISO于2019年开始研究，1983年正式批准的网络体系结构参考模型—开放系统互连（OSI）。两种国际标准法律上的(dejure)国

际标准OSI并没有得到市场的认可。是非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。2.2开放系统互联参考模型OSI/RM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。2.2.1OSI/RM结构及功能物理层（physicallayer）物理层功能通过规定物理设备和物理媒体之间的接口技术，实现物理设备之间的比特流透明传输物理层服务建立、维持和释放

物理连接，并涉及数据传输模式、采用何种信号、信号编码等设计物理层主要涉及领域机械、电气、物理传输介质数据链路层（datalinklayer）基于物理层的问题物理连接是有差错和不可靠的物理设备之间可能存在传输速度不匹配的问题数据链路层功能加强物理层

传输原始比特的功能，在数据链路上无差错地传输数据，使得它能够为网络层显现出一条无错的线路数据链路层服务标识和维护数据链路传输数据链路层数据单元，定义数据帧格式、施行流量控制、进行差错通知提供流量控制，解

决速度不匹配的问题提供差错处理，将不可靠的物理连接为可靠的数据链路网络层（networklayer）基于数据链路层的问题数据链路层仅支持相邻节点的数据链路数据链路层无法提供拥塞控制网络层功能路由选择拥塞控制实现异种网络的

互联网络层服务提供编址和路由技术提供拥塞控制算法，进行拥塞控制提供数据分组和分组的排序及重新组装功能传输层（transportlayer）基于网络层的问题由于网络的性能不同，用户的要求不同，网络的

性能和用户的要求之间存在差异传输层功能屏蔽网络传输细节，实现端到端的数据报文传输面向用户,使其获得相对稳定的数据传输服务(差错控制、流量控制、连接控制等)应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层通信子网资源子网面向信息处理面向数据通信会话层（s

essionlayer）会话层功能组织和同步不同主机上各进程间的通信，并对其进行控制和管理会话层服务令牌管理分段和拼接技术同步技术表示层（presentationlayer）表示层功能屏蔽不同计算机在信

息表示方面的差异表示层服务协商传输语法,实现抽象语法和传输语法的转换数据压缩/解压缩、加密/解密表示层服务举例应用层（applicationlayer）应用层功能直接面向用户,为用户提供使用网络服务的接口.例如网络

浏览、电子邮件、不同类文件系统的文件传输、虚拟终端和其它各种通用的和专用的功能等。应用程序的规范属于此层。应用层协议FTAM（FileTransferAccessandManagementProtocol）MHS（MessageHandlingSystems）VTP（Virtua

lTerminalProtocol）2.3TCP/IP参考模型TCP/IP是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合OSI

和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。网络接口层TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议一般各物理网络可以使用自己的数据链路层协议和物理层协议使用串行线路连接主机与网络，或连接网络与网络时，需运行专门的串行线路网际协议（

SLIP）或点到点（PPP）协议网际层主要功能消息寻址把逻辑地址和名称转换成物理地址主要协议互联网协议IP—寻址互联网控制报文协议ICMP—传送信息、错误报告Internet组管理协议IGMP—多播传输地址转换协议ARP—把

逻辑地址和名称转换成物理地址反向地址转换协议RARP—把物理地址转换成逻辑地址传输层提供从一个应用程序到另一个应用程序的通信，常称为端对端的通信主要协议传输控制协议（TCP）—面向连接的通信用户数据报协议（UDP）—无连接的通信应用层集合了OSI参考模型的会

话层、表示层和应用层3层的功能常用协议文件传输协议（FTP）远程登录协议（Telnet）域名服务（DNS）简单邮件传输协议（SMTP）超文本传输协议（HTTP）TCP/IP四层协议的表示方法举例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43212.3.4TCP/IP与OSI的比较应用层传输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI的体系结构应用层网络接口层网际层IP(各种应用层协议，如：T

ELNET,FTP,SMTP等)传输层(TCP或UDP)TCP/IP的体系结构无连接分组交付服务运输服务(可靠或不可靠)各种应用服务TCP/IP的三个服务层次OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较相

同点均以协议栈的概念为基础，协议之间彼此独立模型中各个层的功能基本相似不同点OSI模型有7层；TCP/IP模型则仅有4层OSI模型区分了服务，接口和协议的概念；TCP/IP模型没有明确的区分OSI区分了物理层与数据链路层；TCP/IP甚至

没有分别提及这两层TCP/IP模型中网际层是一个接口，处在网络层和数据链路层之间OSI模型出现在协议发明之前，因此模型与协议间存在不符合要求的服务规范。但是由于它不偏向任何一种协议，通用性更好；TCP/IP模型则相反，先出现协议，模型与协议匹配良好但不适用于其他协议栈O

SI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，传输层仅支持面向连接的通信；TCP/IP模型在网络层仅支持无连接的服务，在传输层支持两种类型的服务五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)

传输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)数据链路层5应用层4传输层3网络层2数据链路层1物理层计算机1向计算机2发送数据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，成为运输层报文计算机1向计算机2发送

数据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1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2IP数据报再传送到数据链

路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机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1向计算机2发送数据应用层(applicationlayer)543215432

1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取出数据部分，上交给网络层计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2网络层剥去首部，取出数据部

分上交给运输层计算机1向计算机2发送数据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1向计算机2发送数据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1向计算机2发送数据5432

154321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链路层尾部计算机1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机21010011010

0101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应用程序数据H5应用程序数据计算机1向计算机2发送数据543215

4321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1向计算机2发送数据5432154321计算机1AP2AP1计算机2我收到了AP1发来的应用程序数据！客户进程和服务器进程使用TCP/IP协议进行通信数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运

输层网络层①客户发起连接建立请求②服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用TCP和IP）功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机3服务器1服务器2数据

链路层物理层运输层网络层应用层计算机1客户1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机2客户2因特网