整套教学课件《计算机通信与网络》

计算机通信与网络

教学内容计算机网络概述 协议与体系结构 物理层 数据链路层 信道共享技术 局域网广域网(网络层)

网络互联(IP及其配套协议)传输层(TCP、UDP) 应用层

第一讲计算机网络概述

要点:计算机网络的概念计算机网络的发展过程通信子网和资源子网的概念三种交换方式Internet的发展OSI/RM与TCP/IP的体系结构标准及其标准组织计算机网络的分类有关三网融合网络的拓扑计算机网络的主要性能指标1.1计算机网络的概念计算机网络:利用通信设备和线路将地理位置不同、自主的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。自主的:autonomous互连:interconnect1.2计算机网络的发展过程面向终端的的计算机网络，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源以通信子网为中心，用户通过分组交换网可共享用户资源子网的硬件和软件资源采用标准的分层体系结构一、面向终端的计算机网络(1)H:Host主机T:终端M:调制解调器线路控制器:负责计算机和线路的通信，主要完成串行和并行传输的转换和简单的差错控制。HostTLinecontrollerMM一、面向终端的计算机网络(2)多重线路控制器:控制多条电路，主机负责每条线路的收发;通过拨号，多个终端可同时上到主机上。HostTMultilinecontrollerMMMMMMTTPSTN一、面向终端的计算机网络(3)HostTFrontEndProcessorMMMMMMTTPSTNFEP一、面向终端的计算机网络(4)

为了节省通信费用，可在远程终端密集处加一个集中器。集中器的一端用多条低速线路与各个终端相连，其另一端则用一条较高速率的线路和计算机相连。由于集中器不是简单的多路复用器而是一个智能复用器，它可利用一些终端的空闲时间来传送其他处于工作状态的终端的数据。HostTFrontEndProcessorMMMMTTPSTNFEPconcentrator分组交换的产生60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA(AdvancedResearchProjectAgency)提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。传统的电路交换(circuitswitching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。计算机网络的产生背景新型网络的基本特点网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。回顾一下电路交换的特点

两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

更多的电话机互相连通5部电话机两两相连，需10对电线。N部电话机两两相连，需N(N–1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。

使用交换机当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。…

交换机“交换”的含义在这里，“交换”(switching)的含义是：转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。二、从主机为中心到以网络为中心主机终端以主机为中心以分组交换网为中心主机分组交换网以通信子网为中心的计算机网络通信子网:负责计算机网络中的信息传递。由网络节点IMP(InterfacemessageProcessor)和通信链路组成，将主机、终端连在一起的部分。资源子网:负责信息处理，由主机和终端构成。主机:网络中的设备，运行用户程序的机器。HostIMPHostTHostCommunicationsubnetResourcesubnetIMP(InterfacemessageProcessor)报文分组交换的原理（一）在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数据数据数据报文分组交换的原理（二）每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组

1分组

2分组

3请注意：现在左边是“前面”分组交换的原理（三）分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3分组首部的重要性每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。分组交换的原理（四）接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3收到的数据数据数据数据分组交换的原理（五）最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5

发送分组H2向H6

发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

发送分组结点交换机主机在结点交换机

A

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

C

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

E

暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机

H5

三种交换方式(电路交换、报文交换、分组交换)

电路交换

：电话系统，通信前先建立连接，预先分配资源报文交换

：邮政系统，存储转发方式，动态分配资源，

数据传送的单位是较长的报文（message）分组交换

：存储转发方式，动态分配资源，数据传送的

单位是较短的分组（packet，包）三种交换的比较A

P1P2P3P4

P1P2P3P4

P1P2P3P4BCD分组交换报文交换报文报文报文ABCDABCD报文t呼叫阶段数据传送电路交换连接释放三种交换的比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发三种交换方式比较(1):1接续时间:电路交换:拨号时间相对长报文交换:发送用户不需建立端到端的连接，接通本地交换机的时间小于1秒。分组交换:

面向连接:<100ms无连接三种交换方式比较(2):2传播时延:是指电磁波在信道中传播所需要的时间。取决于电磁波在信道上的传播速率以及传输的距离。电路交换:最短，电磁波在电路中传播的速率为20万公里/秒。报文交换:最长;分组交换:

三种交换方式比较(3):3可靠性:电路交换:

报文交换:分组交换:每个分组在网络中传输时可以在中继线和用户线上分段进行差错校验，使信息在分组交换网络中传输的比特差错率大大降低，一般可以达到以下。三种交换方式比较(4):4对系统业务过载的反应:电路交换:有呼损;当对方用户终端设备忙或交换网负载过重而呼叫不通。报文交换:存储-转发，当业务过载，发不出去，在交换机内部存储，增加了报文传输时延。分组交换:有流量控制机制,通过抑制、控制发送方降低发送速率，甚至停止发送。三种交换方式比较(5):5信息传输的透明性电路交换:信息以数字信号形式在数据通路中“透明”传输，交换机对用户的数据信息不

存储、分析和处理。报文交换:不透明分组交换:不透明三种交换方式比较(6):6异种终端的互通电路交换:通信双方在信息传输、编码格式、同步方式、通信协议等方面要完全兼容，这就限制了各种不同速率、不同代码格式、不同通信协议的用户终端直接的互通。分组、报文:报文(分组)以存储转发方式通过交换机，输入输出电路的速率、编码格式等可以不同，很容易实现各种不同类型终端之间的相互通信。三种交换方式比较(7):7多功能通信(同文广播)

电路交换:不支持多功能通信报文交换、分组交换:根据报文指定的一个或多个目的地址，只

需发送一次。从用户的角度来看，支持多功能通信。

三种交换方式比较(8):8电路的利用率

电路交换:

连接建立后，电路资源被通信双方独占(即使无数据)，电路利用率低。电路的接续时间长，当传输较短信息时，通信通路建立的时间可能将大于通信时间，网络利用率低。

报文交换、分组交换:

可实现线路动态统计复用，资源利用率高一个用户可以同时进行多个通信（如发E-mail，通话，下载文件可同时进行）三、开放式标准化网络ISO/OSI数据链路层物理层网络层传输层应用层表示层会话层通路控制数据链路控制物理层传输控制端用户功能管理服务数据流控制路由控制传输组数据链路控制物理层网络服务端用户网络应用会话控制传输控制IMP-IMP物理层HOST-HOST用户层文件传输协议远程通信协议源IMP-目的IMP网络接口层IPTCP/UDP应用ARPASNADNATCP/IP网络层数据链路层物理层运输层应用层表示层会话层ISO/OSI模型网际层IP网络接口层运输层TCP、UDP应用层(FTP、SNMP、TELNET)TCP/IP体系结构OSI失败的原因OSI的专家们缺乏实际经验，他们在完成OSI标准时没有商业驱动力;OSI的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低;OSI标准的制订周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场标准提出的时机研究投资活动时间标准原理体系结构网络层数据链路层运输层应用层物理层1.3因特网发展的三个阶段第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。人们把1983年作为因特网的诞生时间。Internet的发展1969年，美国的分组交换网ARPANET投入运行，当时仅有4个node。1983年，连接300台计算机。1984年，ARPANET分解成两个网络。一个仍称为ARPANET，是民用科研网，另一个是军用计算机网MILNET.1985年，NSF围绕其6个大型计算中心建设计算机网络。1986年，建成国家自然科学基金网NSFNET,其为一个三级计算机网络，包括主干网、地区网和校园网，覆盖了全美国主要的大学和研究所。NSFNET后来接管了ARPANET，并改为Internet。最初NSFNET的主干网的速率不高，仅为56kb/s。在1989-1990年，提高为1.544Mb/s,1993年45Mb/s,1996年155Mb/s。1999年，622Mb/s,目前，主干网的速率高达Gb/s，10Gb/s。普及速度比较

累积5000万用户花费的年数年1.4标准标准对于保证不同厂家生产的产品的协调工作是至关重要的。标准不仅使不同的计算机能通信，而且可以使符合标准的产品扩大市场，这将导致大规模生产、制造业的规模经济、VLSI实现，以及降低成本并更进一步提高用户的可接受性。标准可以分为两大类：法定标准和事实标准法定标准是那些被官方认可的组织制定的。未被官方认可的、但却在实际应用中被广泛采用的标准称为事实标准。标准化组织国际电信联盟(ITU)国际标准化组织(ISO)OSIN7layer美国国家标准协会(ANSI)SONET美国电气电子工程师协会(IEEE)802(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)

美国电子工业联合会(EIA)和相关的电信工业联合会(TIA)Internet协会(ISOC)

IEEEInternet的标准化工作1992年国际性组织Internet协会(ISOC)成立，负责全面管理Internet。Internet体系结构委员会IAB(InternetArchitectureBoard)为ISOC下的一个技术组织，负责管理Internet有关协议的开发。IAB下设网络工程部IETF(InternetEngineeringTaskForce)和网络研究部IRTF(InternetResearchTaskForce)。IETF下设工作组集中研究短期和中期的工程问题，主要是对协议的开发和标准化。IRTF下设研究组，侧重从理论方面研究和开发一些需要长期考虑的问题。ISOCIABIETFIRTFRFC(RequestforComments)所有的Internet标准都是以RFC的形式发表的。普通的RFC文档成为Internet的正式标准要经过四个阶段:1Internetdraft;

2proposedstandard3draftstandard;4officialstandard所有的RFC文档、包括各种Internet标准都可以从网上免费下载。一些RFC文档举例SomeRFCs1986RFC0977NetworkNewsTransferProtocol.B.Kantor,1995RFC1883InternetProtocol,Version6(IPv6)Specification.S.Deening,…1996RFC1945HypertextTransferProtocol,T.Berners-Lee,…1999RFC2570

IntroductiontoVersion3oftheInternet-standardNetworkManagementFramework,…1999RFC2571AnArchitectureforDescribingSNMPManagementFrameworks,…1999RFC2574User-basedSecurityModel(USM)forversion3oftheSimpleNetworkManagementProtocol(SNMPv3)1999RFC2575View-basedAccessControlModel(VACM)fortheSimpleNetworkManagementProtocol(SNMP)2000RFC2863TheInterfacesGroupMIB2006RFC4741NETCONFConfigurationProtocol2008RFC5357Two-WayActiveMeasurementProtocol(TWAMP)1.5计算机网络的分类1按网络的交换功能:电路交换,报文交换,分组交换。2按网络的使用范围：公用网:是指国家的电信部门建造的网络。公用的意思是指所有愿意按电信部门规定交纳费用的人都可以使用。专用网:某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如,军队,铁路,电力等系统均有本系统的专用网。3按网络的作用范围:局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN),。局域网:局域网通常是私有的，用于连接一个办公室、建筑物或是

校园内的设备，局域网的范围被限定在几公里之内。城域网:城域网将网络覆盖范围延伸到整个城市，地理范围几十公里到上百公里，对硬件、软件的要求比局域网高。广域网:可把众多的局域网和城域网连接起来。提供跨越辽阔的地理距离进行长距离的数据、语音、图片和视频传输的功能。1.6分布式系统和计算机网络分布式系统的最大特点是整个系统中的各个计算机对用户都是透明的。计算机网络则不同，用户必须先在欲运行程序的计算机进行登录，然后按照该计算机的地址，将程序通过计算机网络传送到该计算机上运行。最后，根据用户的命令将结果传送到指定的计算机。由此可见，计算机网络并不等于分布式计算机系统。1.6三网融合数据链路层电话交谈计费、安全实时性宽带能力交换或寻址主要功能智能双向通信电视传送数据传送电话网

计算机网

有线电视网

三种网络的主要特点及演变方向

三网融合的技术背景数字技术使电话、数据和图像业务都可以统一编码传输和交换，而无任何区别。光通信技术的发展为传送各种业务信息提供了必要的带宽、传输质量和低成本。软件技术使三种网络都能通过软件变更最终支持各种用户所需的特性、功能和业务统一的TCP/IP协议的普遍采用使得各种以IP为基础的业务都能实现互通。人类首次有了为三大网络都能接受的通信协议。1.8网络拓扑结构拓扑是指网络物理布置的方式。(通信子网的结构)网络拓扑是所有链路和连接的所有设备互相之间关系的几何表示。几种主要的拓扑结构拓扑结构不同，其访问技术、性能、应用场合等也不同延迟、吞吐率、可靠性、信道利用率、设备开销......拓扑网状拓扑星型拓扑总线拓扑树型拓扑环型拓扑网状拓扑结构特征每一个设备都与其他所有设备有一条专线连接优点专用链路健壮性私有性方便故障检测缺点数量巨大N(N-1)/2总线拓扑结构特征

由一条长电缆组成的主干和连接在上面的网络设备组成优点小型网络比较便宜缺点管理的成本非常高网络流量小主要组件总线终结器电阻阻塞信号环形拓扑结构特点数据的路径是连续的，没有逻辑的起点与终点；单环；双环优点1管理起来比总线拓扑结构要容易2网络流量优于总线拓扑结构缺点1比总线拓扑结构要昂贵2设备选项较少星形拓扑结构特点：中央集线器＋多个结点每个设备只与通常称为集线器的中心控制器有点到点的专用链路。优点1启动成本目前比总线网络和环形网络低2比传统的总线网络易于管理3容易扩展4应用广泛缺点1集线器是单失效点2需要的电缆比总线拓扑结构多树形拓扑结构特点设备首先连接到一个次级集线器上，再由次级集线器连接到中央集线器上优点更多设备连接增加了传输距离隔离不同计算机通信设定计算机通信的优先级混合型拓扑通常一个网络会把几个采取不同拓扑结构的子网在一个更大的拓扑结构中结合在一起1.7计算机网络的主要性能指标

带宽“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。常用的带宽单位更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）时延(delay或latency)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。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延(delay或latency)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。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延(delay或latency)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。结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。时延(delay或latency)数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延三种时延所产生的地方1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点A向结点B发送数据链路参考书<<计算机网络>>(第5版)谢希仁等著电子工业出版社<<计算机网络>>(第4版)谢希仁等著电子工业出版社<<计算机网络>>谢希仁著大连理工大学出版社<<计算机网络>>熊桂喜等译清华大学出版社COMPUTERNETWORKS第三版AndrewsTanenbaumComputerNetworksandInternetsTHIRDEDITIONDouglasE.ComerTCP/IP详解卷1:协议范建华等译机械工业出版社……参考书试卷题目质量1.计算机通信与网络（张彬）：试卷出题规范，作为选修课，还是较正规的。总的看没有太难的题目，以基本概念和基础理论为主检查教学成果。大部分同学分数集中在70-79、80-89段，且80-89为多。填空、选择题目较多—覆盖面较大。第二讲计算机网络的协议及体系结构主要内容:协议的概念体系结构服务(service)、协议(protocol)、服务访问点(SAP)多层通信的实质信息传送单元PDU、SDU和IDU面向连接服务与无连接服务服务原语OSI模型中各层的功能2.1协议的概念

协议:在计算机网络中，为进行数据交换而建立的规则、标准或约定。协议的三个要素:(1)语法:数据与控制信息的结构或格式;(2)语义:需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答;(3)同步:即事件实现顺序的详细说明。举例：FInfoCAFFCS8bit16>0888CheckfieldTransparenttransferfieldHDLC的帧结构t从主机取数据上交主机DATA1DATA2结点A结点BACKACK数据链路层协议协议很复杂

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。2.2体系结构网络的体系结构:计算机网络的各层及其协议的集合，是对网络及其组成部分的功能的精确定义。分层的体系结构:

ARPANET的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构最好采用层次式的。一、分层体系结构的形成例:连接在网络上的两台计算机要互相传送文件:必须有一条传送数据的通路发起通信的计算机发出一些信令，保证要传送的数据能够在通路上正确发送和正确接收告诉网络如何识别接收数据的计算机发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据两个计算机文件格式不兼容，至少其中一个完成转换对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失、网络中某个结点交换机出现故障等，应有可靠的措施保证对方计算机最终能收到正确的文件。

分层原则按功能分:每层应当实现一个定义明确的功能每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构会过于庞大。

1层和层之间是独立的

某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。这样，整个问题的复杂程度就下降了。2灵活性好

当任何一层发生变化时，例如由于技术的变化，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层都不会受影响。此外，对某一层提供的服务还可进行修改。当某层提供的服务不再需要时，甚至可以将这层取消。3结构上可分割开各层都可以采用最合适的技术来实现。二、网络协议分层处理的优点(1)4易于实现和维护整个系统已被分解为若干个相对独立的子系统。使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得容易处理。5有利于标准化

因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。二、网络协议分层处理的优点(2)

结论

为了减少协议设计的复杂性，大多数网络都按层的方式来组织，每一层都建立在它的下层之上。不同的网络，其层的数量、各层的名字、内容和功能都不完全相同。然而，在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而是把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。

ISO/OSI数据链路层物理层网络层传输层应用层表示层会话层通路控制数据链路控制物理层传输控制端用户功能管理服务数据流控制路由控制传输组数据链路控制物理层网络服务端用户网络应用会话控制传输控制IMP-IMP物理层HOST-HOST用户层文件传输协议远程通信协议源IMP-目的IMP数据链路物理层IPTCP/UDP应用ARPASNADNATCP/IP2.3服务(service)、协议(protocol)、服务访问点(SAP)几个开放系统互连时，除最高、最低层外都可称为N层。表示方法:(N)表示第N层;(N+1)表示N层的上一层;(N-1)表示N层的下一层;(N)(N+1)(N-1)实体:指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。对等实体:位于不同系统内同一层次的两个实体。(N)协议:控制两个对等(N)实体进行通信的规则的集合。服务访问点:在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方。服务: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，还需要使用下面一层所提供的服务。协议栈:某一系统内的各层协议集。

EverythingoverIP:TCP/IP可以为各式各样的应用提供服务IPovereverything:TCP/IP可以连接到各式各样的网络上服务和协议的关系:服务是各层向它上一层提供的一组操作。尽管服务定义了该层能够代表它的上一层完成的操作，但并未涉及这些操作是如何完成的。服务定义了两层之间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。

而协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则。协议是“水平”的,即控制对等实体之间通信的规则;服务是“垂直”的，是由下层向上层通过层间接口提供的。

N+1层使用N层的服务;N层被称为服务提供者，N+1层为服务用户。N层利用N-1层的服务来提供它的服务。它可能提供几类服务，如CO或CL。

ISO/OSI模型和TCP体系结构的简单比较1TCP/IP一开始就考虑到多种异构网络互连的问题;ISO最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连在一起。2TCP/IP面向连接服务和无连接服务并重,而OSI只强调面向连接服务。无连接服务的数据报对于互连网中的数据以及分组语音通信十分方便。3TCP/IP有较好的网络管理功能,而OSI后来才考虑这个问题。TCP/IP的不足没有明确区分“服务”、“协议”、“接口”的概念TCP/IP模型的通用性较差,很难用它来描述其他种类的协议栈TCP/IP的网络接口层严格说并不是一个层次，而仅仅是一个接口。数据在各层之间的传递过程

实际上，数据不是从一台机器的第N层直接传送到另一台机器的第N层，而是每一层都把数据和控制信息交给它的下一层，直到最下层。第一层下是物理介质，它进行实际的通信。2.4多层通信的实质:协议栈间的通信对等协议对等协议对等协议对等协议对等协议对等协议对等协议中国教师德国教师翻译翻译秘书秘书消息“你好”“HALLO”“HELLO”“HELLO”传真传真2/3接口1/2接口2/3接口

1/2接口P3P1P2对交谈内容的共识用英语对话使用传真通信例1:

只要接口保持不变，每层协议和其它层协议完全无关。只需两位翻译认可，他们可以随意将中文翻译成法语，完全不改变他们和第1层和第3层之间的接口。与此类似，秘书。。。MH4MH3H4M1H3M2H2H3H4M1T2H2H3M2T2MH4MH3H4M1H3M2H2H3H4M1T2H2H3M2T2P1P2P3P4P5源主机目的主机

43215MTU:MaximumTransferUnit以一个五层的系统为例多层通信的实质对等层实体之间虚拟通信下层向上层提供服务实际通信在最底层完成各层设计应考虑的问题

寻址路由选择差错控制顺序控制流量控制拥塞控制分段/重装连接的多路复用与分解2.5信息传送单元PDU、SDU和IDUPDU(protocoldataunit)协议数据单元

在不同系统之间各层对等实体之间实现该层协议的数据单元。

PH:bit

DL:帧(frame)

N_:分组(packet)

T_:TPDUS_:SPDUP_:PPDUA_:APDU第(N)层的PDU送到(N-1)层作为(N-1)层的用户数据部分，再加上(N-1)层的PCI(协议控制信息),构成(N-1)层的PDU。第(N)层PDU送到另外一个系统的(N)层，取出第(N)层的用户数据部分;同理，(N-1)层NN-1ICI:接口控制信息

IDU:接口数据单元ICI:使得相邻两个层次能够正确交互。SDU:服务数据单元SDU:完成第(N)层服务所需传递的数据单元。(N)SDU(N)PCI(N)PDU(N)DATAPDU、SDU和IDU三者的关系:为了传递(N+1)SDU,N实体可能将SDU分成几段，每一段加上一个报头后作为独立的协议数据单元PDU送出。也可以是多个SDU合成一个PDU。2.6面向连接服务与无连接服务动态分配资源。(仅在数据传输时占用资源。)(2)不需要通信双方同时活跃不能防止报文的丢失、重复或失序。需要VC标识CO由表几乎不受影响由子网负责参考模型电话系统邮政系统特点数据交换之前，首先建立连接，预先申请资源，使用连接交换数据;数据交换结束后，释放连接。可靠性提供可靠的报文序列服务。CL目的地址的要求必须提供完整的目的地址。建立连接阶段，需要完整的目的地址，数据交换阶段，仅需要连接标识。适用情况比较适合于在一定期间内要向同一目的地发送许多报文的情况。适合于传送少量零星的报文。分类及示例可靠消息流例:文件传输可靠字节流例:远程登录数据报例:广播、组播可靠的数据报例:挂号信2.7服务原语服务原语:体系结构中，上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。四类服务原语

Request请求原语源（N+1）实体源（N）实体含义:一个实体希望得到某种操作的服务Indication指示原语

目的（N）实体目的（N+1）实体含义:通知一个实体，有某个事件发生Response响应原语

目的（N+1）实体目的（N）实体含义:一个实体响应一个事件Confirm证实原语

源（N）实体源（N+1）实体含义:返回对先前请求的响应原语可以带参数，并且大多数原语都带参数。

1连接请求的参数可能指明要与哪台机器连接、需要的服务类型和拟在该连接上使用的最大报文长度。2连接指示原语的参数可能包含呼叫者标志、需要的服务类型和建议的最大报文长度。如果被呼叫实体不同意呼叫实体所建议的最大报文长度，它可能在响应原语中作出一个反建议，呼叫方可从证实原语中获知它。

例如:T-CONN-REQT-CONN-REQ(CED-ADDR,CNQ-ADDR)

被叫地址主叫地址服务:有证实的服务(请求、指示、响应和证实)无证实的服务(请求和指示)CONNECT服务总是有证实的服务

因为远程对等实体必须同意才能建立连接。数据传输要么是有证实的要么是无证实的，这取决于发送方是否要求确认。A系统服务用户（N+1）服务提供者（N）B系统服务用户（N+1）服务提供者（N）ResponseConfirmRequestRequestIndicationIndication需证实无需证实一个简单的面向连接服务示例①连接请求（CONNECT.request）：主叫方服务用户请求建立连接②连接指示（CONNECT.indication）：被叫方服务提供者向其服务用户报告有连接建立请求③连接响应（CONNECT.response）：被叫方服务用户表示接受连接请求④连接证实（CONNECT.confirm）：主叫方服务提供者通知其服务用户连接已建立⑤数据请求（DATA.request）：服务用户请求其服务提供者把数据传送给对方⑥数据指示（DATA.indication）：服务提供者向其服务用户报告数据到达⑦断连请求（DISCONNECT.request）：服务用户请求释放连接⑧断连指示（DISCONNECT.indication）：服务提供者通知服务用户对方已释放连接电话系统工作示例例如：Tom打电话请Julia吃饭，服务提供者为电话局① CONNECT.request

Tom拨Julia的电话号码② CONNECT.indication

Julia的电话振铃③ CONNECT.response

Julia摘机④CONNECT.confirm

Tom听到振铃停止，知道有

人应答⑤ DATA.request

Tom说话，发出邀请⑥DATA.Indication

Julia听到Tom的邀请⑦DATA.Request

Julia说话，接受邀请⑧DATA.indication

Tom听到Julia的答复⑨DISCONNECT.request

Julia挂机⑩DISCONNECT.indication

Tom听到Julia挂机，也挂机2.8OSI模型物理层(第1层)数据链路层(第2层)网络层(第3层)传输层(第4层)会话层(第5层)表示层(第6层)应用层(第7层)物理层与传输介质：物理层不是传输介质，传输介质在物理层之下，有时把它们称为0层，传输介质的多样性物理层的作用是屏蔽掉计算机网络中种类繁多的具体物理设备和传输介质的差异，向数据链路层提供一致的服务。在物理层传送的基本数据单元为比特数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。基本功能:网络层是通信子网的最高层。对上层用户屏蔽了子网通信的全部细节，如子网类型、拓扑结构和子网数目等，向上层提供一致的服务，统一的地址。主要功能:路由选择和存储转发;通过网络连接在主机之间提供分组交换功能;差错控制和流量控制。

传输层在低层服务的基础上提供一种通用的传输服务。它可根据通信子网的特征最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，在两个端系统（源站和目的站）的会话层之间，建立一条运输连接，以透明地传送报文。当会话实体要求建立一个传输连接时，传输层就为其建立一个对应的网络连接。如果要求较高的吞吐量，传输层可能为其建立多个网络连接;相反，会把几个传输连接多路复用到一个网络连接上。

会话层使不同计算机上的两个应用程序进行建立、使用和终止连接，该连接就是所谓的会话。对话的管理包括决定该谁听，该谁讲。长的对话需要分段，一段一段地进行，如果一段传错了，可以回到分解限的对方重新传输。所有这些功能都需要专门的协议支持。在会话层及以上更高层次中，数据传送的单位一般都称为报文。表示层主要解决用户信息的语法表示问题。表示层将欲交换的数据从适合某一用户的抽象语法变换为适合于OSI系统内部使用的传送语法。有了这样的表示层，用户就可以把精力集中在他们所要交谈的问题本身，而不必更多地考虑对方的某些特征。对传送的信息加密/解密也是表示层的任务之一。应用层是OSI参考模型中的最高层，这一层的协议直接为端用户服务，其它层都是为支持这一层的功能而存在的。主要功能:不同系统间的文件访问、传输和管理邮件服务目录服务

ETE(EndtoEnd)PTP(PointtoPoint)HH交换设备PTPETE对等协议主机A主机BISO/OSI模型传输层应用层表示层会话层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层传输层应用层表示层会话层网络层数据链路层物理层路由器路由器通信子网本章基本要求

掌握协议的基本概念和协议的三个要素;掌握体系结构的基本概念和分层体系结构的优点;掌握服务、协议和服务访问点的概念;理解服务和协议的关系、服务和服务访问点的关系。理解多层通信的实质;理解PDU、SDU和IDU三者之间的关系;理解面向连接服务与无连接服务的特点;掌握服务原语的概念;理解OSI模型中各层的功能物理层要点:物理层的功能常用的物理层标准物理层物理层与传输媒体：物理层不是传输媒体，传输媒体在物理层之下，有时把它们称为0层。物理层的作用是屏蔽掉计算机网络中种类繁多的具体物理设备和传输媒体的差异，向数据链路层提供一致的服务。物理层的模型数据链路层实体物理实体物理实体物理实体P1P1接口M物理媒体连接物理媒体连接与媒体接口数据链路层实体系统连接的逻辑环境（物理层模型）一、物理层模型物理层的任务:透明地传送比特流，确定与传输媒体的接口的一些特性：机械特性电气特性功能特性规程特性机械特性:说明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。例如对各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定。电气特性:说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么范围，即什么样的电压表示1或0。

功能特性:说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性:说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

常用的物理层标准:EIA-232-E是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustriesAssociation)制定的著名物理层标准。它的前身是EIA在1969年制定的RS-232-C。RS-232-C早已成为各国厂家广泛使用的国际标准。1987年1月，RS-232-C经修改后，正式改名为EIA-232-D。1991年又修订为EIA-232-E。由于标准修改的并不多，因此现在很多厂商仍用旧的名称，有时甚至说的更简单一些“提供232接口”。

ITU-T制订的标准是V系列和X系列标准。

EIA-232-E标准（RS-232-C）DTE（数据终端设备）：具有一定数据处理能力及发送和接收数据能力的设备，如计算机。DCE（数据电路端接设备）：在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如MODEM。EIA-232是DTE与DCE之间的接口标准。DTE通过DCE与通信传输线路相连接调制解调原理一个调制器将数字信号转变为模拟信号，而解调器将模拟信号还原成数字信号。

调制器把数字信号当作一串1和0，因此可以采用ASK、FSK、PSK和QAM中的任何一种进行数字-模拟编码，把它转换为彻底的模拟信号。

解调器接收ASK、FSK、PSK及QAM编码信号并将它解码成为计算机可以使用的格式。然后就通过接口把解码后的数字信号传送给计算机。

机械特性：RS-232使用25根引脚的DB-25插头座。引脚分为上、下两排，分别有13和12根引脚，其编号分别规定为1至13和14至25,方向是从左到右。异步通信时比较简单，采用DB-9。电气特性：采用负逻辑，+3v—+12v表示逻辑“0”，相当于数据的空号或控制线的“接通”状态;-12v—-3v表示逻辑“1”，相当于数据的传号或控制线的“断开”状态;最大速率为20Kbps,最大电缆长度为15米。类型数据线控制线和定时线-3v—-12v+3v—+12v10OFFON接口电平的意义功能特性：引脚信号的含义，常用的有10条,如DTR表示DTE通电，DSR表示DCE通电。RS-232-C的功能特性：DCE(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE就绪(22)振铃指示DB-25信号线的定义:1GND地线2SDsenddata(从DTE

一侧)3RDreceivedata4RTS请求发送5CTS允许发送6DSRDCE就绪7SGND信号地

SD、RD、RTS、CTS共地8CD:载波检测20:DTR:DTE就绪22:振铃信号线:对拨号网有用。DTE规程特性：动作的顺序

物理层接口的规程特性规定了使用接口线实现数据传输的操作过程。DTEA计算机或终端DCEA调制解调器(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE就绪(22)振铃指示EIA-232/V.24DTEB计算机或终端DCEB调制解调器(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE就绪(22)振铃指示EIA-232/V.241DTE-A将20“DTE就绪”置为ON，同时通过2“发送数据”向DCE-A发送电话号码信号2.1DCE-B将22“振铃指示”置为ON，通知DTE-B有呼叫到达。2.2DTE-B此时将20“DTE就绪”置为ON2.3DCE-B产生载波信号，并将6“DCE就绪”置为ON3DCE-A检测到载波信号后，将8“载波检测”和6“DCE就绪”置为ON，以通知DTE-A通信电路已经建立4DCE-A向DCE-B发送载波信号，DCE-B接收到载波信号后，将8“载波检测”置为ON5.1DTE-A发送数据时，将4“请求发送”置为ON。5.2DCE-A作为响应，将5“允许发送”置为ON。5.3DTE-A通过2“发送数据”发送数据。5.4DCE-A将数字信号转换成模拟信号并向DCE-B发送。6DCE-B将接收到的模拟信号转换成数字信号并通过3“接收数据”向DTE-B发送。

两个DTE通过DCE进行通信的例子利用虚MODEM连接两台计算机:DTEDTE11保护地223R365422RI20DTR8CD7CR6DSR5CTS4RTS222087

T计算机计算机1GND地线2SDsenddata(从DTE

一侧)3RDreceivedata4RTS请求发送5CTS允许发送6DSRDCE就绪7SGND信号地

SD、RD、RTS、CTS共地8CD:载波检测20:DTR:DTE就绪22:振铃信号线:对拨号网有用。

EIA还规定了插头应装在DTE上，插座应装在DCE。因此当终端或计算机与调制解调器相连时就非常方便。然而有时却需要将两台计算机通过RS-232串口直接相连。例如:一台计算机通过引脚2发送数据，但仍然传送到另一台计算机的引脚2,这就使得对方无法接收。为了不改动计算机内标准的串行接口线路，可以采用虚拟调制解调器。所谓虚拟调制解调器就是一段电缆，具体的连接方法如图:。RS-449标准，用于模拟信道的宽带电路包含3个标准RS-449：规定机械特性、功能特性和规程特性，与CCITTV.35一致,采用37根引脚的插头座，典型速率为48-168kbps。RS-423-A：规定电气特性为非平衡传输，有公共地，电缆长度10米，最大数据率为300kbpsRS-422-A：规定电气特性为平衡传输，无公共地，电缆长度可超过60米，最大数据传输速率为2Mbps。RS-449标准RS-449的机械规范定义了两种连接头，一种是37针的DB-37，另一种是9针的DB-9。X.21标准X.21标准是ITU-T制订的，它的目的是为了解决EIA接口中存在的问题同时为完全的数字通信铺平道路。

X.21标准撤消了EIA标准中大多数控制线路，并将控制信息导向数据线路。DTE设备和DCE设备增加了可以将控制码转换成可以通过数据线路传输的比特流的线路逻辑，同时也都增加了用于在接收时识别控制信息和数据的附加线路逻辑。这种设计方案使得X.21标准不仅能只采用较少的针脚，而且能够在数字化远程通信中使用。

X.21设计工作环境是以64Kbps传输的平衡线路，这个速率已经成为工业标准

X.21建议(CCITT)机械特性：15根引脚功能特性：8条信号线DTEDCET（发送）C（控制）

R（接收）

I（指示）

S（位定时）B（字节定时，可选）Ga（DTE公共回线）G（地）数字信道接口标准，规定DTE在建立和释放呼叫时与DCE交换的信息，此时DCE表示DTE和网络接口的设备X.21规程特性主叫DTEDCEC接通，T=0R=“++...+”T=被叫地址R=呼叫进行信号R=1，I接通T=数据C断开，T=0R=0，I断开建立连接拆除连接X.21bis建议：用于RS-232-C/V.24设备的过渡，使用模拟信道，DCE为同步MODEM本章基本要求

掌握物理层的功能掌握物理层与传输媒体接口的特性:机械特性电气特性功能特性规程特性掌握EIA-232-E(RS-232-C)标准

数据链路层链路与数据链路数据链路层的基本功能数据链路层的服务停-等协议实用的停-等协议连续ARQ协议选择重传ARQ协议HDLC、SLIP、PPP要点数据链路层链路：一条无源的点到点的物理线路，中间没有任何交换结点。数据(逻辑)链路:(物理)链路+通信规程数据链路层的基本功能链路管理：数据链路的建立、维持和释放成帧:收方能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束流量控制：发方发送数据的速率必须使收方来得及接收差错控制：前向纠错、检错重发区分数据和控制信息：寻址：多点连接的情况下，可保证每一帧都能送到正确的目的站,收方也能知道发方是哪一个站。透明传输:不管所传数据是什么样的比特组合，都能在链路上传送。H4M数据链路层的模型成帧字符计数法带字符填充的首尾界符法带位填充的首尾标志法物理层编码违例法字符计数法

帧在帧头部中使用一个字段来标明帧内字符数51234567898012345687890123第1帧5个字符第2帧5个字符第3帧8个字符第4帧8个字符51234767898012345687890123第1帧第2帧(错误的)现在的一个字符计数

无差错

有差错

问题:计数器在传输过程中出现错误，导致整个数据流出错。带字符填充的首尾界符法

以特定的字符序列为控制字段DLESTXADLEBDLEETXDLESTXADLEBDLEETXDLEDLESTXADLEBDLEETX填充的DLE源(网)目(网)每一帧以ASCII字符序列DLESTX,以DLEETX结束。DLE=DateLinkEscapeSTX=StartofTextETX=EndofText缺点：依赖于字符集，不通用，也无法扩展面向字符的成帧方法，不利于系统之间相互通信。Bisync带位填充的首尾标志法HDLC帧中采用01111110作为开始和结束的标志位采用统一的帧格式，以特定的位序列进行帧同步和定界。效率高，转义时只需插入一个比特。 位序列进行帧同步和定界物理层编码违例法

SFD:帧首定界--10101011IEEE802.3712/62/6246-15004字节FCSPASALENSFDDALLCPDUPad适用于在物理介质的编码策略中采用冗余技术的网络。数据位1:编码成高-低电平对数据位0:编码成低-高电平对高-高电平对、低-低电平对在数据编码中没有使用。可用来确定位边界。优点：无需填充最简单而又最基本的一个数据链路层协议是：

停止等待协议(stop-and-wait)两机通信的简化模型一般，数据的传输受到两个因素的影响信道可靠性发送和接收能力理想化的数据传输无需数据链路层协议假定1：链路是理想的传输信道，数据既不会出错也不会丢失假定2：不管发送方的速率多快，接收方总能接收到并上交,缓冲区无穷大，无需流量控制而在一般情况下，上述情况难以保证停止等待协议(假定传输信道理想)

发送方发出一帧后，要停下来等待接收方的应答，收到确认后才能发送下一帧。AP1主机AAP2主机B数据链路DL从主机取数据上交主机DATA1DATA2结点A结点BACKACK从主机取数据上交主机DATA1DATA4DATA3DATA2结点A结点B理想信道具有简单流量控制的数据链路层协议t实用的停止等待协议时间ABDATA0送主机ACKDATA1送主机ACK(a)正常情况ABDATA0DATA0送主机ACK(c)数据帧丢失重传tout丢失！ABDATA0送主机ACKDATA0丢弃ACK(d)确认帧丢失重传tout丢失！ABDATA0NAKDATA0送主机ACK(b)数据帧出错重传出错四种情况超时计时器的作用结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器(timeouttimer)。计时器又称为定时器。若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧。一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。

解决重复帧的问题使每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。若结点B收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧。这时应丢弃重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且也交给了主机B。但此时结点B还必须向A发送确认帧ACK，因为B已经知道A还没有收到上一次发过去的确认帧ACK。帧的编号问题任何一个编号系统的序号所占用的比特数一定是有限的。因此，经过一段时间后，发送序号就会重复。序号占用的比特数越少，数据传输的额外开销就越小。对于停止等待协议，由于每发送一个数据帧就停止等待，因此用一个比特来编号就够了。一个比特可表示0和1两种不同的序号。

帧的发送序号数据帧中的发送序号N(S)以0和1交替的方式出现在数据帧中。每发一个新的数据帧，发送序号就和上次发送的不一样。用这样的方法就可以使收方能够区分开新的数据帧和重传的数据帧了。可靠传输虽然物理层在传输比特时会出现差错，但由于数据链路层的停止等待协议采用了有效的检错重传机制，数据链路层对上面的网络层就可以提供可靠传输的服务。实用的停止等待协议（ARQ协议）:

前提：实际信道不满足理想化数据传输的假定流量控制方法：等待发送差错控制：发送方数据帧中加入校验码（CRC），由接收方检查；若出错，返回NAK；发送方收到NAK后重发。帧丢失