计算机网络的协议与体系结构

《计算机网络教程》课程讲义

奸靠机网络教程

主讲教师：吴长虹

E-Mail:changhongboy@163.com

Tel/p>

66000（短号）

数学与计算机系主讲教师：吴长虹1

《计算机网络教程》课程讲义

教学目的：

1、了解计算机网络的协议形成过程与作用。

2、掌握几种计算机网络体系结构。特别是五层体

系结构。

教学重点：网络体系结构的形成。

教学难点：五层网络体系结构的划分。

课时：2课时°

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第2章计算机网络的协议与体系结构

2.1计算机网络体系结构的形成

2.2协议与划分层次

2.3五层协议的计算机网络体系结构

2.4TCP/IP的体系结构

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2.1计算机网络体系结构的形成

问题的提出：

1、激活通路

2、网络如何识别对目标机

3、查明对方是否准备好接收

4、格式的转换

5、差错控制

问题的解决方案：分层。

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2.1计算机网络体系结构的形成

1974年，美国的IBM公司宣布了它研

制的系统网络体系结构SNA(System

NetworkArchitecture)。现在它是世界上

使用得相当广泛的一种网络体系结构。

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2.1计算机网络体系结构的形成

为了使不同体系结构的计算机网络都

能互连，国际标准化组织ISO于1977年成

立了专门机构研究该问题。不久，他们

就提出一个试图使各种计算机在世界范

围内互连成网的标准框架，即著名的开

放系统互连基本参考模型OSI/RM(Open

SystemsInterconnectionReferenceModel),

简称为OSI。

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2.2协议与划分层次

为进行网络中的数据交换而建立

的规则、标准或约定即称为网络协

议。一个网络协议主要由以下三个

要素组成：

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2.2协议与划分层次

(1)语法，即数据与控制信息的结构或格式；

(2)语义，即需要发出何种控制信息，完成何

种动作以及做出何种响应；

(3)同步，即事件实现顺序的详细说明。

协议通常有两种形式：文字与代码。

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甲乙

书写信件、贴阅读信件

飕、送邮箱

收集信件、盖邮信件分拣、

我票、信件分拣信件投递

信件打包送运

输部门

路由选择、运接收邮包、

输转送邮局

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两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层（如图所示）。

计垓机1计垓机2

图2」划分层次的举例

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分层可以带来如下好处：

(1)各层之间是独立的。

(2)灵活性好。

(3)结构上可分割开。

(4)易于实现和维护。

(5)能促进标准化工作。

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计算机网络的各层及其协议的集合称为网

络的体系结构(architecture),也就是说，计算

机网络的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。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。

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2.3计算机网络的体系结构

2.3.1从OSI体系结构到原理体系结构

osi的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概

念清楚，体系价格低廉，理论较完整。TCP/IP的协议

现在得到了全世界的承认，但它实际上并没有一个完

整的体系结构。TCP/IP是一个四层的体系结构，它包

含应用层、运输层、网际层和网络接口层。

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但从实质上讲，TCP/IP只有三层，即应用

层、运输层和网际层，因为最下面的网络接

口层并没有什么具体内容。因此在学习计算

机网络的原理时往往采取折衷的办法，也就

是综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种原理体

系结构，它只有五层（如图2-2所示），这样既

_简洁又能将概念阐述清强:

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1.应用层(applicationlayer)

应用层是原理体系结构中的最高

层。应用层确定进程之间通信的性

质以满足用户的需要(这反映在用户

所产生的服务请求)。

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2.运输层(transportlayer)

运输层的任务就是负责主机中两个进

程之间的通信，其数据传输的单位是报

文段(segment)。运输层具有复用

(multiplexing)和分用(demultiplexing)的功

能。

因特网的运输层可使用两种不同协议。

即面向连接的传输控制协议TCP

(TransmissionControlProtocol),和无连

总的用户数据报协议UDP(UserDatagram

Protocol)o

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3.网络层(networklayer)

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信、选择合

适的路由。在网络层，数据的传送单位是分组或包。在TCP/IP

体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。

网络层的“网络”为专用述语，并非平时常指的网络。

网络层通常也叫：网际层或IP层。

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4.数据链路层(datalinklayer)

数据链路层的任务是在两个相邻结点间的

线路上无差错地传送以帧(frame)为单位的数

据。每一帧包括数据和必要的控制信息。数

据链路层有时也常简称为链路层。

数据链路层就把一条有可能出差错的实际

链路，转变成为让网络层向下看去好像是一

条不出差错的链路。

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5.物理层(physicallayer)

物理层的任务就是透明地传送比特流。

“透明”是一个很重要的术语。它表示：某一

个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

图2-3说明的是应用进程的数据在各层之间

的传递过程中所经历的变化。这里为简单起见,

假定两个主机是直接相连的。

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应用程序抽橱

首郃、—

5H敬耀部分

*****H4,教悔部分

数据都分II...........臂................

■.....H敖情部分|丁21......

■…卜。10011・・・比恃沆・・・01011101。

Q=O=物理传输媒体==0

图2・3数据在各层之间的传递过程

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不要误认为“从计算机1向计算机2传送数

据时，是先传送数据部分或尾部，而最后传

送首部。”

在OSI参考模型中，在对等层次上传送的

数据，其单位都称为该层的协议数据单元

PDU(ProtocolDataUnit)。

在文献中也还可以见到术语“协议

栈"(protocolstack)0这是因为几个层次画在

二励像三个槛f-―-一—

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232实体、协议、服务和服务访问点

实体(entity)这一名词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

要使用下面一层所提供的服务。

数学与计算机系主讲教师：吴长虹23

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二定要弄清楚,协议和服务在概念上是很不

一样的。

首先，协议的实现保证了能够向上一层提供

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。

其次，协议是“水平的”，即协议是控制对

等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，

即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。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。

数学与计算机系主讲教师：吴长虹24

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在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即

交换信息)的地方，通常称为服务访问点SAP

(ServiceAccessPoint)o

OSI将层与层之间交换的数据的单位称为服

务数据单元SDU(ServiceDataUnit)

在任何相邻两层之间的关系可概括为图2-4

所示的那样。在服务提供者的上一层的实体，

也就是“服务用户”，它使用服务提供者所提

伏蠹服墨足―

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《计算机网络教程》课程讲义一断

服务用户—物温.—L服界用」I

图二4相邻两层之间的关系

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2.3.3面向连接服务与无连接服务

从通信的角度看，各层所提供的服务可分为两

大类，即面向连接的(connection-oriented)与无连接

的(connectionless)。

1.面向连接服务

所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信

而进行的一种结合。面向连接服务是在数据交换

之前，必须先建立连接。当数据交换结束后，则

应终止这个连接。

面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接

释放这三个阶段。

面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。

数学与计算机系主讲教师：吴长虹27

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2.无连接服务

在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信

不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资

源不需要事先进行预定保留。这些资源将在数据

传输时动态地进行分配。

无连接服务的另一特征就是它不需要通信的两

个实体同时是活跃的(即处于激活态)。

(1)数据报(datagram)。

(2)证实交付(confirmeddelivery)。

(3)请求回答(request-reply)。

数学与计算机系主讲教师：吴长虹28

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2.4TCP/IP体系结构

OSI的体系结构TCP/IP的体系结何

7成用层/应用层

6.表示层（各种应用层协议如

TELNET,FTP,SMTP等）

5.今/

4总输层/运输层TCP,UDP

3;网络层/网际层IP"

2妙据鞋路层

Z

涧络接口层

1

物理层：/

图2・5TCP）IP与OSI体系结构的对比

数学与计算机系主讲教师：吴长虹29

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矗的处理上，TCP/IP与OSI是很不相同

的。

(1)TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连

问题。

(2)TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接

服务并重。

(3)TCP/IP有较好的网络管理功能。

在讨论两个主机通过两个网络互连在一起时，

可以使用如图2-6所示的层次关系。

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•・

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主:机A主KB

/

应用层路由黔应用层

/..A

运输层运输层i

••••

网际层网标层网际层

，网络网络网络

楼口层接口层接口层

网络1

*

图2・6TCPHP四层协议的表示方法举例

一-™.一♦.•:一一.▼.***K^、L...*/▼,.丁r

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还有一种方法，就是用按层次高低

的一些协议来表示TCP/IP协议族，如图2-

7所示。

数学与计算机系主讲教师：吴长虹32

《计算机网络教程》课程讲义-----@一

应用层[HTTP]…IsMTPlDNSI...IRTP|

图2・7沙漏计时器形状的TCP/IP协议族

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客户-服务器方式

在TCP/IP的进程之间的通信经常使用客户-服

务器方式。

应用层协议并不是解决用户各种具体应用的协

议，而是为最终用户提供服务。为了解决具体的应

用问题而彼此通信的进程就称为“应用进程”。而

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。

客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉

_及的两个应用进程。—_

数学与计算机系主讲教师：吴长虹34

《计算机网络教程》课程讲义

客户软件和服务器软件通常还具有以下一些主要

特点。

1.客户软件

(1)在进行通信时临时成为客户，但它也可在本

地进行其他的计算。

(2)被用户调用，在用户的计算机上运行，在打

算通信时主动向远地服务器发起通信。

(3)可与多个服务器进行通信。

(4)不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

数学与计算机系主讲教师：吴长虹35

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2.服务器软件

(1)是一种专门用来提供某种服务的程序，可

同时处理多个远地客户的请求。

(2)在共享计算机上运行。当系统启动时即自

动调用，且不断地运行着。

(3)被动地等待并接受来自多个客户的通信请

求。

(4)一般需要强大的硬件和高级的操作系统支

持。

客户与服务器的通信关系一旦建立，通信就可是

双向的，客户和服务器都可发送和接收信息。大多

数的应用进程都是使用TCP/IP协议进行通信。图2-8

画出了这种情况。

数学与计算机系主讲教师：吴长虹36

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图2-8客户进程和服务器进程使用TCP/IP协议进行通信

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功能较强的计算机可同时运行多个服务器进

程（如图2-9中的计算机3）。

由于运行服务器进程的机器往往有许多特殊

的要求（不同于普通的PC机），因此经常将主要运

行服务器进程的机器（硬件）不严格地称为服务器o

数学与计算机系主讲教师：吴长虹38

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计般U计卷机3计良机2

.....................

应用层应用层应用层

运输层