第3讲 计算机网络体系结构

主讲教师：刘宏月Tel-Mail：hautxxxylhy@126.com计算机网络2023/2/31CollegeofInformationScienceandTechnology,HAUT第3讲计算机网络体系结构刘宏月河南工业大学信息科学与工程学院上讲知识回顾数据交换方式：电路交换、报文交换、分组交换计算机网络的性能指标：速率、带宽、吞吐量、时延、利用率上讲知识回顾收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速度为2×108m/s。试计算以下两种情况的发送延时和传播延时：数据长度为107bit，数据发送速率为100kbit/s。数据长度为103bit，数据发送速率为1Gbit/s。从以上结算结果可得出什么结论？很多时候传播延时是固定的，提高效率只能提高发送速率。本讲学习目标理解计算机网络体系结构，了解计算机网络分层设计思想；掌握协议、实体、服务等概念及其关系；理解TCP/IP体系结构工作原理。本讲主要内容1.

计算机网络体系结构2.

OSI参考模型3.TCP/IP参考模型4.一种建议的参考模型5.几个基本概念1.计算机网络体系结构相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作，而这种“协调”是相当复杂的。如何“激活”通路？如何识别目的主机？对方是否准备好接收数据？对方是否做好存储文件的准备？若文件不兼容怎么办？出现了差错和意外事故怎么处理？“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。1.计算机网络体系结构两个主机交换文件划分层次举例文件传送模块主机

1主机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1.计算机网络体系结构

两个主机交换文件划分层次举例文件传送模块主机

1主机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1.计算机网络体系结构两个主机交换文件划分层次举例文件传送模块主机

1主机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。1.计算机网络体系结构分层的好处各层之间是独立的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分层越多越好？还是越少越好？1.计算机网络体系结构网络协议(networkprotocol)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）。网络协议，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。1.计算机网络体系结构网络协议的组成包括包括3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。1.计算机网络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)是遵循某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

与

TCP/IP体系结构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体系结构应用层网络接口层网际层IP

(各种应用层协议如FTP,HTTP,SMTP等)运输层(TCP

或

UDP)TCP/IP体系结构开放系统互连参考模型OSI/RMTCP/IP现在获得了最广泛的应用，称为事实上的(defacto)国际标准。本讲主要内容1.

计算机网络体系结构2.

OSI参考模型3.TCP/IP参考模型4.一种建议的参考模型5.几个基本概念2.OSI参考模型OSI参考模型的提出1974年，IBM公司提出了世界上第一个网络体系结构SNA(SystemNetworkArchitecture)；此后，很多公司提出各自的网络体系结构。这些体系结构的共同之处：采用分层技术。但层次划分、功能分配与采用的协议均不同。不同的网络体系结构与协议，使得很难实现异构网络之间的互联。2.OSI参考模型OSI参考模型的提出国际标准化组织(ISO)于1977年成立专门机构研究“不同体系的计算机网络互连”的问题，提出了开放系统互连参考模型OSI/RM(OpenSystemsInterconnection/ReferenceModel)。1983年，形成了OSI/RM的正式文件，即ISO7498国际标准，也就是七层协议的体系结构。应用层运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2.OSI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、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。然而，在市场化方面OSI/RM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。本讲主要内容1.

计算机网络体系结构2.

OSI参考模型3.TCP/IP参考模型4.一种建议的参考模型5.几个基本概念3.TCP/IP参考模型TCP/IP协议的特点OSI参考模型的研究对促进计算机网络体系理论结构的形成起到了重要作用，但受到TCP/IP协议的挑战。TCP/IP协议具有以下几个主要的特点：开放的协议标准；独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件；具有统一的网络地址分配方案；标准化的应用层协议，可以提供多种可靠的网络服务。3.TCP/IP参考模型TCP/IP的发展过程1969年，ARPANET网络产生，节点间采用分组交换技术。由于底层硬件来自不同的公司，其互操作性存在很多问题，这就促使ARPA开始解决网络互联问题。1973年，ARPA启动了名为Internetting的互联网研究项目，并因此引发了TCP/IP的出现与发展。1974年，IP和TCP问世，合称TCP/IP协议。3.TCP/IP参考模型TCP/IP的发展过程1977~1979年，推出目前形式的TCP/IP体系结构和协议规范。1980年前后，ARPANET上的所有机器开始转向TCP/IP，并以ARPANET为主干逐步建立Internet。1983年，向TCP/IP的转换全部结束。美国国防部命令所有联入远程网计算机都必须采用TCP/IP；同时，ARPANET被一分为二。1984年，Internet基本形成。3.TCP/IP参考模型TCP/IP的发展过程网络互联的需要孕育了TCP/IP，TCP/IP又极大地推动了网络互联技术的迅猛发展，并逐步形成了覆盖全球的因特网。1995年10月24日，通过广泛征询Internet和知识产权方面专家的意见，美国联邦网络委员会一致通过了一项提案，为Internet作了如下定义：

Internet是一个全球性的信息系统，系统中的每台主机都有一个全球唯一的主机地址，地址格式通过IP协议定义。系统中主机与主机间的通信遵循TCP/IP协议标准，或者其他与IP兼容的协议标准来交换信息。TCP/IP的沙漏模型HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际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

3TCP/IP可以为各种各样的应用提供服务(所谓的everythingoverIP)，同时TCP/IP也可以允许IP在各种各样的网络构成的互联网上运行(所谓的IPovereverything)。本讲主要内容1.

计算机网络体系结构2.

OSI参考模型3.TCP/IP参考模型4.一种建议的参考模型5.几个基本概念4.一种建议的参考模型OSI和TCP/IP都有其成功和不足之处：OSI在市场化方面做的不好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，但最下面的网络接口层并没有具体内容。为保证计算机网络教学的科学性和系统性，这里采取折中的办法，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。三种体系结构的比较

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HTTP,FTP,SMTP等)运输层(TCP

或

UDP)TCP/IP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物理层五层的建议参考模型五层协议的体系结构

五层协议的体系结构最高层，直接为用户的应用进程提供服务。负责向两个主机中进程之间的通信提供服务

为分组交换网上的不同主机提供通信服务，路由和寻址。在相邻节点间的链路上“透明”的传输数据帧。透明的传送比特流。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4.一种建议的参考模型5432154321主机1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主机

1

向主机

2

发送数据AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321主机1主机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AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321主机1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AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据帧。主机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321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

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体电信号（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

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321物理层接收到比特流，上交给数据链路层。主机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321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

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321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

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321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

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321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

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321我收到了AP1发来的应用程序数据！主机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次5432154321应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101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链路层尾部主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型543215432110100110100101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应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP1H3H4H5应用程序数据4.一种建议的参考模型5432154321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应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP1H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据4.一种建议的参考模型5432154321网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层主机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP1H5应用程序数据H4H5应用程序数据4.一种建议的参考模型5432154321运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层主机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP1应用程序数据H5应用程序数据4.一种建议的参考模型5432154321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机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP14.一种建议的参考模型5432154321我收到了AP1发来的应用程序数据！主机

1

向主机

2

发送数据主机1主机2AP2AP1本讲主要内容1.

计算机网络体系结构2.

OSI参考模型3.TCP/IP参考模型4.一种建议的参考模型5.几个基本概念5.几个基本概念名词：实体、协议、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。本层服务的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。5.几个基本概念协议和服务的区别协议是“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。同一系统相邻两层实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。5.几个基本概念

实体、协议、