78第2章 计算机网络体系结构

1、主讲：林元乖主讲：林元乖本章内容提要本章内容提要 计算机网络体系结构概述计算机网络体系结构概述 isoosi 参考模型参考模型 tcp/ip 体系结构体系结构 教科书式的五层协议模型教科书式的五层协议模型 几个重要的概念几个重要的概念主讲：林元乖主讲：林元乖2.1 2.1 计算机网络体系结构概述计算机网络体系结构概述2.1.1 2.1.1 网络体系结构的概念网络体系结构的概念所谓所谓就是为了完成计算机就是为了完成计算机之间的通信合作，把每个计算机互连的功能之间的通信合作，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的划分成定义明确的层次层次，规定了同层次进程，规定了同层次进程通信的通信的协议协议及相邻

2、层之间的及相邻层之间的接口接口和和服务服务。将。将这样的层次结构模型和通信协议统称为网络这样的层次结构模型和通信协议统称为网络体系结构。体系结构。 主讲：林元乖主讲：林元乖2.1.2 2.1.2 网络体系结构的分层原理网络体系结构的分层原理计算机网络通信问题很复杂，很难一计算机网络通信问题很复杂，很难一揽子解决。揽子解决。 按功能按功能将计算机网络通信问题划分成将计算机网络通信问题划分成功能相对简单的、功能相对简单的、按层次按层次处理的问题。处理的问题。分层后，分层制订协议，比较容易。分层后，分层制订协议，比较容易。层与层之间通过层与层之间通过接口和服务接口和服务联系。联系。易于实现标准化。易

3、于实现标准化。 主讲：林元乖主讲：林元乖划分多少层才合适？划分多少层才合适？ 若层数太少，就会使每一层的协议太若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。的系统工程任务时遇到较多的困难。 主讲：林元乖主讲：林元乖2.2 isoosi 参考模型参考模型国际标准化组织国际标准化组织iso于于1978年提出了年提出了开放式系统互连参考模型开放式系统互连参考模型 (open system interconnection reference model)，该模型是设计和描述网络通，该模型是设计和描述网络通信的

4、基本框架（体系结构）。信的基本框架（体系结构）。简称为：简称为：isoosi rm主讲：林元乖主讲：林元乖isoosi 的分层结构物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层运输层运输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层主讲：林元乖主讲：林元乖iso/osi rm中各层的主要功能(1)物理层物理层在两个实体之间在两个实体之间建立、维持和释建立、维持和释放物理连接放物理连接规定在物理层传规定在物理层传送送0、1数据的电数据的电参数（波形、频参数（波形、频率、电平）率、电平）规定所用的规定所用的连接器连接

5、器传送二进传送二进制位流制位流主讲：林元乖主讲：林元乖数据链路层数据链路层数据链路的数据链路的建立、维持建立、维持和释放和释放帧的分界帧的分界和同步和同步差错检测差错检测与控制与控制顺序控制及顺序控制及层内管理层内管理流量控制流量控制传送帧传送帧iso/osi rmiso/osi rm中各层的主要功能中各层的主要功能(2)(2)主讲：林元乖主讲：林元乖网络层网络层路径选择路径选择网络中拥网络中拥塞控制塞控制传送分组传送分组iso/osi rmiso/osi rm中各层的主要功能中各层的主要功能(3)(3)主讲：林元乖主讲：林元乖传输层传输层提供两个端系统提供两个端系统之间可靠、透明之间可靠、透

6、明的数据传送的数据传送差错控制差错控制顺序控制顺序控制流量控制流量控制传送报文传送报文iso/osi rmiso/osi rm中各层的主要功能中各层的主要功能(4)(4)主讲：林元乖主讲：林元乖会话层会话层传送报文传送报文为通信的两个进为通信的两个进程建立会话连接，程建立会话连接，进行交换进行交换会话管理会话管理令牌管理令牌管理同步管理同步管理iso/osi rmiso/osi rm中各层的主要功能中各层的主要功能(5)(5)主讲：林元乖主讲：林元乖表示层表示层信息格式信息格式的转换的转换数据的加数据的加密和解密密和解密osi内部语法内部语法iso/osi rmiso/osi rm中各层的主要

7、功能中各层的主要功能(6)(6)主讲：林元乖主讲：林元乖应用层应用层为用户使用网为用户使用网络提供接口络提供接口(界面界面)iso/osi rmiso/osi rm中各层的主要功能中各层的主要功能(7)(7)主讲：林元乖主讲：林元乖小结:osi 参考模型中各层的功能层层 次次数据单位数据单位功功 能能物理层物理层比特比特主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明地传送比特流。以便透明地传送比特流。数据链路层数据链路层帧帧在物理层提供比特流传输服务的基础上，在通信的实体之在物理层提供比特流传输服务的基础上，在通信的实体之间建立

8、数据链路连接，传送以帧为单位的数据，采用差错间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，采用差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的控制、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。数据链路。网络层网络层分组（包）分组（包）网络层主要任务是通过路由算法，为分组通过通信子网选网络层主要任务是通过路由算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径。网络层要实现路由选择、拥塞控制与网择最适当的路径。网络层要实现路由选择、拥塞控制与网络互连等功能。络互连等功能。传输层传输层（运输层）（运输层）报文报文传输层的主要任务是负责主机中两个进程之间的通信。它传输层的主要任务是负责主机中两个进程

9、之间的通信。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体系结构中最关键的一层。系结构中最关键的一层。会话层会话层报文报文会话层的主要任务是组织两个远程系统建立通信会话，并会话层的主要任务是组织两个远程系统建立通信会话，并管理数据的交换。管理数据的交换。表示层表示层报文报文表示层主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方表示层主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。它包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与式。它包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。恢复等功能。应用层应用层报文报文应用层确定进程之间通信的性

10、质，以满足用户的需要（反应用层确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要（反映在用户的服务请求上）。应用层不仅要提供应用进程所映在用户的服务请求上）。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远程操作，而且还要作为应用进程的用需要的信息交换和远程操作，而且还要作为应用进程的用户代理来完成一些为进行信息交换所必需的功能。户代理来完成一些为进行信息交换所必需的功能。主讲：林元乖主讲：林元乖2.3 tcp/ip 体系结构体系结构应用层应用层运输层运输层网络层网络层表示层表示层会话层会话层数据链路层数据链路层物理层物理层7 76 65 54 43 32 21 1osi 的体系结构的体系结构应用层应用层网

11、络接口层网络接口层网际层网际层 ip (各种应用层协议如各种应用层协议如telnet, ftp, smtp 等等)运输层运输层(tcp 或或 udp)tcp/ip 的体系结构的体系结构无连接分组交付服务无连接分组交付服务运输服务运输服务 (可靠或不可靠可靠或不可靠)各种各种应用服务应用服务tcp/ip 的三种服务的三种服务主讲：林元乖主讲：林元乖网络接口层网络接口层又称为主机至网络层（又称为主机至网络层（host-to-host-to-network layernetwork layer），由数据链路），由数据链路层和物理层合并而成。层和物理层合并而成。tcp/ip体系结构中各层的主要功能体系

12、结构中各层的主要功能(1) 其实，其实，tcp/ip体系中并没有对网络接口层做出新体系中并没有对网络接口层做出新的定义和标准，而是利用原有的数据链路层和物的定义和标准，而是利用原有的数据链路层和物理层标准，如以太网、令牌环、理层标准，如以太网、令牌环、fddi和和atm等。等。 具体实现时包括操作系统中的设备驱动程序和计具体实现时包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与传输算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与传输媒介的物理接口细节。媒介的物理接口细节。主讲：林元乖主讲：林元乖网际层网际层又称互联网层，主要协议是网络又称互联网层，主要协议是网络互联协议（也称网际协

13、议，互联协议（也称网际协议，internet protocolinternet protocol，简称，简称ipip）。）。tcp/ip体系结构中各层的主要功能体系结构中各层的主要功能(2) 所有网际层以下或以上的各层通信在跨越协议栈所有网际层以下或以上的各层通信在跨越协议栈时，都必须通过时，都必须通过ip协议来完成。协议来完成。 此外，网际层还有一些支持性的协议，如此外，网际层还有一些支持性的协议，如icmp。主讲：林元乖主讲：林元乖传输层传输层tcp/iptcp/ip体系的传输层中有两种传体系的传输层中有两种传输协议输协议tcptcp和和udpudp。tcp/ip体系结构中各层的主要功能体

14、系结构中各层的主要功能(3) 传输控制协议（传输控制协议（transmission control protocol，tcp），是面向连接的、可靠的传输协议。），是面向连接的、可靠的传输协议。 用户数据报协议（用户数据报协议（user datagram protocol，udp），是无连接的传输协议，它的可靠性要由），是无连接的传输协议，它的可靠性要由应用层来提供。应用层来提供。主讲：林元乖主讲：林元乖应用层应用层tcp/iptcp/ip体系的传输层中有两种传体系的传输层中有两种传输协议输协议tcptcp和和udpudp。tcp/ip体系结构中各层的主要功能体系结构中各层的主要功能(4) 应用

15、层综合了应用层综合了osi应用层、表示层以及会话层的应用层、表示层以及会话层的功能。功能。 因此，应用层的协议很多，如支持因此，应用层的协议很多，如支持www应用的应用的http协议，支持发送电子邮件的协议，支持发送电子邮件的smtp协议，协议，支持文件传送的支持文件传送的ftp协议等。协议等。主讲：林元乖主讲：林元乖2.4 2.4 五层协议的体系结构五层协议的体系结构（教科书式）（教科书式） tcp/ip 是四层的体系结构：应用层、是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。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。最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取

16、折中的办法，即综合因此往往采取折中的办法，即综合 osi 和和 tcp/ip 的优点，采用一种只有五层的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。协议的体系结构。主讲：林元乖主讲：林元乖五层协议的体系结构五层协议的体系结构 数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层应用层应用层(application layer) (application layer) 运输层运输层(transport layer) (transport layer) 网络层网络层(network layer) (network layer) 数据链路层数据链路层(data link layer) (dat

17、a link layer) 物理层物理层(physical layer) (physical layer) 主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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，成为运输层报文主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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

18、部，成为 ip 数据报（或分组）主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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，成为数据链路层帧主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 1 向计算机 2 发送数据 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主讲：林元乖主讲：林元乖

19、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讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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，上交给网络层主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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主讲：

20、林元乖主讲：林元乖计算机 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主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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！主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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

21、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链路层尾部主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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 据主讲：林元乖主讲：林元乖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h2t2h3h

22、4h5应 用 程 序 数 据主讲：林元乖主讲：林元乖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主讲：林元乖主讲：林元乖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主讲：林元乖主讲：林元乖应 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 5432154321计算机

23、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主讲：林元乖主讲：林元乖计算机 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！主讲：林元乖主讲：林元乖实体实体(entity)(entity)：任何可以发送或接收信息的硬任何可以发送或接收信息的硬件件/ /软件进程。是每一层中的活动元素，在许多软件进程。是每一层中的活动元素，在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。情况下，实体就是一个特定的软件模块。对等实体：对等实体：位于不同系统内同一层次的两个实位于不同系统内同一层次的两个实体。协议在对

24、等实体之间起作用。体。协议在对等实体之间起作用。接口（接口（interfaceinterface）：）：相邻两层之间交互的界面，相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的服务原语操作及上层对下定义相邻两层之间的服务原语操作及上层对下层的服务。层的服务。2.5 几个重要的概念几个重要的概念主讲：林元乖主讲：林元乖协议（协议（protocolprotocol）：）：为进行网络数据交换为进行网络数据交换( (通信通信) )而建立的规则、标准或约定的总和。而建立的规则、标准或约定的总和。计算机网络协议主要由语义、语法和时序计算机网络协议主要由语义、语法和时序三部分组成。三部分组成。 协议栈：协议栈：某

25、一系统内的各层协议集。某一系统内的各层协议集。语法语法 数据与控制信息的结构或格式数据与控制信息的结构或格式 。 语义语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。响应。 时序时序 事件实现顺序的详细说明（又称同步）。事件实现顺序的详细说明（又称同步）。 协议控制两个或多个对等实体间的通信，在协议的控制协议控制两个或多个对等实体间的通信，在协议的控制下，对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，要下，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，还需要使用下面所提供的服务。实现本层协议，还需要使用下面所提供的服务。主

26、讲：林元乖主讲：林元乖服务：服务：某一层及其以下各层的一种能力，某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层的服务。通过接口提供给其相邻上层的服务。服务访问点服务访问点sap(service access point):sap(service access point):在同层实体按协议通信时，同一系统中相在同层实体按协议通信时，同一系统中相邻两层实体交换信息的地点。邻两层实体交换信息的地点。在任何相邻两层之间的关系可概括为如下图所示：主讲：林元乖主讲：林元乖服务原语：服务原语：是在定义（是在定义（n n）层向（）层向（n+1n+1）层提供服）层提供服 务时，使用的形式服务规范语言。

27、务时，使用的形式服务规范语言。一个完整的服务原语包括三部分：原语名字、原语一个完整的服务原语包括三部分：原语名字、原语类型、原语参数。类型、原语参数。原语类型原语类型分成四种：分成四种：请求：请求：requestrequest指示：指示：indicationindication响应：响应：responseresponse证实：证实：confirmationconfirmation主讲：林元乖主讲：林元乖 对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元数据单元pdu( protocol data unit)pdu( protocol data unit)

28、。 层与层之间交换的数据单位称为服务数据单元层与层之间交换的数据单位称为服务数据单元sdu( service data unit)sdu( service data unit)。 可以是多个可以是多个sdusdu合成为一个合成为一个pdupdu，也可以是一个，也可以是一个sdusdu划分为几个划分为几个pdupdu。 问题：服务和协议的区别？问题：服务和协议的区别？主讲：林元乖主讲：林元乖面向连接服务与无连接服务面向连接服务与无连接服务面向连接服务面向连接服务(connection-oriented)(connection-oriented)面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶

29、段。 无连接服务无连接服务(connectionless)(connectionless) 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”(best effort delivery)或“尽力而为”。 主讲：林元乖主讲：林元乖应用层的客户应用层的客户服务器方式服务器方式在在 tcp/ip tcp/ip 的应用层协议使用的是的应用层协议使用的是 客户客户- -服务器方式服务器方式计算机的计算机的进程进程(process)(process)是指运行着的计是指运行着的计算机程序。算机程序。 为解决具体应用问题而彼此通信的进程为解决具体应用问题而彼此通信的进程称为称为“应用进程应用进程”。应用层的具体内容就是规定应用进程在应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。通信时所遵循的协议。 主讲：林元乖主讲：林元乖客