第2章 计算机网络协议与体系结构

第2章计算机网络协议与体系结构本章内容与要求了解：计算机网络协议了解：网络系统的分层体系结构掌握：ISO的OSI七层参考模型掌握：网络中计算机结点交换文件时的数据流了解：网络的3个著名标准化组织掌握：ARPA的TCP/IP四层模型第2章计算机网络协议与体系结构2计算机网络协议协议（protocol）本质

定义了网络上的各种计算机和设备之间相互通信、数据管理、数据交换的整套规则网络协议的优劣直接影响网络的性能网络协议的中心任务语义：做什么（whattodo）语法：怎么做（howtodo）定时关系：何时做（whentodo）计算机网络协议网络协议的组成语义：做什么（whattodo）

定义了通信双方应当完成的操作

语法：怎么做（howtodo）

定义了如何进行通信的问题，即对通信双方采

用的数据格式、编码等进行定义。

定时关系：何时做（whentodo）定义了何时进行通信，先讲什么，后讲什么，讲话的速度等计算机网络协议

计算机网络中存在有多种协议协议之间的相互作用:为避免重复工作，每个协议应该处理没有被其他协议处理过的通信问题;协议之间可以共享数据和信息。（1）分割与重组

在发送端将较大的数据单元分割成较小的数据包后，再进行传输；在接收端是反过程“重组”，即将小的数据包还原为原有的数据单元，协议的功能分割与重组（2）寻址与路由

协议的“寻址”功能使得设备彼此识别；而“路由”功能可以实现网络中的路径选择（3）封装与拆装

协议的“封装”功能是指在数据单元（数据包）的始端或者末端增加控制信息，其相反的过程是“拆装”。封装与拆封协议的功能（4）排序

报文发送与接收顺序的控制。保证接收端接收报文的顺序与发送端发出顺序一致。协议的功能（5）信息流控制

协议的流量控制功能可以实现信息流的控制。例如：使发送端速率不要太快，以便接收端可以正常接收。（6）差错控制

该功能使得数据在不可靠的通信线路中得以正确地传输，以实现网络中可靠性参数“误码率”要求的指标。协议的功能（7）同步

可以保证收发双方在数据传输时保持一致。（8）干路传输

使多个用户信息共用干路（9）连接控制

控制通信实体之间建立和终止链路的过程协议的功能（1）标准协议或非标准协议

标准协议涉及各类的通信环境；而非标准协议只涉及专用环境。（2）直接或间接协议

设备之间可以通过专线进行连接，也可以通过公用通信网络相连接。无论哪种，若想使数据顺利地传输，连接的双方必须遵循某种协议。

当设备直接进行通信时，需要一种直接通信协议；而设备之间，间接通信时，则需要一种间接通信协议.协议的分类（3）整体的协议或分层的结构化协议协议的分类整体协议：一个协议就是一整套的规则。实施时，这个协议作为一个整体。分层的结构化协议：分多个单位（结构）实施，由多个部分（层次）复合而成。分层的结构化协议的整套规则由各层次协议组合而成。计算机网络体系结构层次性体系结构层次性体系结构1.购买机票、托运行李、寻找登机口、登机2.飞机起飞，延航线飞到目的地并着陆3.从登机口离开、认领行李、（向票务机构表扬或投诉航班）层次性体系结构1.首层提供票务功能2.对已经检票的乘客有行李功能3.对已经检票并检查过行李的乘客有登机口功能4.对于已经检票、检查行李、通过登记的乘客有起飞和着陆、按预定线路飞行的功能层次性体系结构以水平的方式看待上述功能：层次性体系结构以水平的方式看待上述功能：票务票务AB完成了乘客从A地票务中心到B地票务中心的转移，至于如何转移，并不需要关心层次性体系结构以水平的方式看待上述功能：AB完成了乘客从A地行李检查到B地认领行李的转移，注意，行李层仅对已经完成票务的人进行票务行李票务行李层次性体系结构以水平的方式看待上述功能：AB完成了乘客从A地离开登机口到B地达到登机口的转移票务行李登机口票务行李登机口层次性体系结构以水平的方式看待上述功能：AB完成了乘客及其行李从A地跑道到B地跑道的转移票务行李登机口从跑道起飞票务行李登机口从跑道起飞层次性体系结构总结，每个层次通过以下方式提供服务：

①

在该层中执行某些动作（例如在登机口层，乘客的登机及到达后的离机）

②

使用直接下层的服务（例如在登机口层，要实现从A地登机口到B地登机口势必需要下面从跑道起飞层提供的旅客转移服务，或者在票务层，要实现乘客从A地票务口到B地票务口，需要下面的行李层提供的行李托运及认领服务）层次性体系结构分层的优越性：

当某层服务的实现变化时，该系统的其余部分就可以保持不变。（注：一个服务改变实现方式与改变服务自身）

例如：如果登机口的实现方式改变（让人们按身高登机和离机），航线的其余部分将不会受影响，因为登机口仍然提供相同的功能（人们登机和离机），知识实现的方式变化实际邮政系统信件发送、接收过程示意图层次性体系结构ABBCCDDA层次性体系结构的工作流程将发信端和收信端从上到下分为A、B、C、D四个层次。1.发送端（发件人所在A城市）在“发信人端”是按照从上至下，即A→B→C→D的顺序进行处理的。在每一层，都是按照本层和下层联系的要求，依次封装成新的邮包，并加入本层特有的标签；之后，再传递到下一层指定的位置。2.接收端（收件人所在地区）在接收端是按照由下至上，即D→C→B→A，的顺序进行处理的。在每一层，都是依次拆封收到的包装，完成本层应当完成的功能，并根据每层特有的标签信息，再传递到上一层指定的位置，最终到达收信人的手中。计算机网络层次主机

1

向主机

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。两个主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。两个主机交换文件文件传送模块主机

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再设计一个通信服务模块文件传送模块主机

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再设计一个网络接入模块文件传送模块主机

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。计算机网络体系结构层n+1层n-1层n层n+1层n-1层n接口接口接口接口调用服务服务调用调用调用服务服务n+1层服务n层服务完成对等实体间的信息交换功能；每层是一个独立的实体n层服务于n+1层，并接收来自n－1层的服务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。层数多少要适当若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。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。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。设计者以分层的方式组织协议及实现这些协议的网络硬件及软件。具有五层协议的体系结构TCP/IP四层体系结构：应用层、传输层、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。OSI/RM七层体系结构：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。在实际应用中往往采取折中的办法，即综合

OSI/RM和

TCP/IP

的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。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

PDUPDU：协议数据单元主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层PDU再传送到传输层加上传输层首部，成为传输层报文主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2传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发送数据应用层(applicationlayer)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主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

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传输层主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2传输层剥去首部，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！主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

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传输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

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应用程序数据主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给传输层H5应用程序数据H4H5应用程序数据主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2传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应用程序数据主机1向主机2发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

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！54321AP应用程序数据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H4H3H2T2进程message(报文）segment（报文段）datagram（数据报）frame（帧）应用层传输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321数据链路层5应用层4传输层3网络层2数据链路层1物理层五层模型OSI/RM应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321PhysicalLayer（数据的物理传输、二进制传输）TransportLayer(端到端的连接)DataLinkLayer(错误检测和校正、组帧、流量控制）PresentationLayer(转换数据格式，数据加密和解密)NetworkLayer(分组转发、地址规划、路由选择）SessionLayer(通信同步，错误恢复和事务操作）ApplicationLayer

(独立的应用程序)OSI参考模型的基本思想:网络中各节点具有相同的层次；不同节点的同等层具有相同的功能；同一节点内相邻层之间通过接口通信；每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。两个通信实体之间的层次结构实线：实际传送方向虚线：逻辑传送方向OSI/RM的信息流动OSI/RM七层模型物理层

物理层是OSI/RM的最低层，物理层保证通信信道上传输0和1二进制比特流，用以建立、维护和释放数据链路实体间的连接。物理层并不是指物理传输介质，而是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接。物理层

L2DATA01001011010110110101010物理层比特流L2DATA01001011010110110101010物理层比特流传输媒体发送端数据链路层的数据接收端数据链路层的数据物理层

物理层定义了设备连接接口（插头或插座）的四个特性：机械特性：接口的形状、几何尺寸的大小、引脚的数目工程规范：接口引脚的意义、特性、标准电气特性：接口规定信号的电压、电流、阻抗、波形工作方式：二进制数据流的传输方式（单工、半双工、全双工）物理层的功能在无差错信道的理想情况下，只要互连的两台机器都遵守上述物理层四大特性，就能确保比特信号在两台计算机之间的可靠传输。发“0”→收“0”

发“1”→收“1”物理层没有解决的问题在现实世界中，信道一般都存在误码率→如何进行差错控制物理层只管传送比特信号，不关心信号的含义→如何定义所传输信号的具体含义？连网的两台机器速率不匹配→如何进行流量控制，以避免快的发送将慢的接收给淹没了。为了解决这些问题，在物理层的基础上引入数据链路层?数据链路层的主要功能1.成帧:数据链路层要将网络层的数据分成可以管理和控制的数据单元，称其为帧。2.物理地址寻址:数据帧在不同的网络中传输时，需要标识出发送数据帧和接收数据帧的节点。

3.流量控制:数据链路层对发送数据帧的速率必须进行控制，如果发送的数据帧太多，就会使目的节点来不及处理而造成数据丢失。数据链路层的主要功能

数据链路层的主要功能是确保数据（帧）在链路上的可靠传输。4.差错控制:为了保证物理层传输数据的可靠性，数据链路层需要在数据帧中使用一些控制方法，检测出错或重复的数据帧，并对错误的帧进行纠错或重发。5.接入控制:当两个或者更多的节点共享通信链路时，由数据链路层确定在某一时间内该由哪一个节点发送数据，接入控制技术也称为媒体访问控制技术。数据链路层11010111……0101011L3DATADHDT数据链路层数据帧发送端网络层的数据发送端物理层11010111……0101011L3DATADHDT数据链路层数据帧接收端网络层的数据接收端物理层网络层网络层与传输层的关系

主要功能：确保分组在通信子网内（从源IMP到目的IMP之间）的传输L3DATAL4DATANH网络层数据包发送端传输层的数据发送端数据链路层L3DATAL4DATANH网络层数据包接收端传输层的数据接收端数据链路层网络层涉及的概念有以下几个：逻辑地址寻址数据链路层的物理地址只是解决了在同一个网络内部的寻址问题，如果一个数据包从一个网络跨越到另外一个网络时，就需要使用网络层的逻辑地址。路由功能

路由选择就是根据一定的原则和算法在传输通路中选出一条通向目的节点的最佳路由。网络层涉及的概念有以下几个：流量控制在数据链路层中介绍过流量控制，在网络层同样也存在流量控制问题。拥塞控制在通信子网中，由于出现过量的数据包而引起网络性能下降的现象称为拥塞。传输层

完成同处于资源子网中的两个主机（即源主机和目的主机）间的连接和数据传输，也称为端到端的数据传输。传送层是负责数据传送的最高层次，它需要弥补网络层所提供的传输质量的不足。传输层具体功能：①为高层数据传输建立、维护和拆除传输连接，实现透明的端到端数据传送。②提供端到端的错误恢复和流量控制。会话层会话层的功能是实现进程（又称为会话实体）间通信（或称为会话）的管理和同步。具体功能：①提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以提供单方向会话或双向同时进行的会话。②在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。表示层表示层的任务是完成语法格式转换，即在计算机所处理的数据格式与网络传输所需要的数据格式之间进行转换。具体功能：

数据格式转换、字符集转换、图形、文字、声音的表示、数据压缩、加密与解密、协议转换等。应用层应用层是OSI模型的最高层，是计算机网络与用户之间的界面，由若干个应用进程（或程序）组成。OSI提供的常用应用服务有：①目录服务。②电子邮件。③文件传输。④作业传送和操作。⑤虚拟终端。完整的OSI数据传递与流动过程54321AP应用程序数据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H4H3H2T2进程message(报文）segment（报文段）datagram（数据报）frame（帧）两个通信实体之间的层次结构实线：实际传送方向虚线：逻辑传送方向TCP/IP的分层结构OSI模型与TCP/IP模型的对照物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层网络层传输层应用层网络接口层OSI的参考模式TCP/IP的参考模式TCP/IP体系结构中各层的功能