第3章计算机网络体系结构

第3章计算机网络体系结构

【本章内容简介】计算机网络体系结构主要

涉及到网络的功能和服务的模型化。本章主要介

绍了计算机网络体系结构的层次化和分层原理，

ISO的开放式系统互连参考模型OSI/RM以及

OSI/RM各层的功能，TCP/IP协议的体系结构及各

层功能以及OSI/RM与TCP/IP参考模型的比较。

【本章重点难点】重点理解网络协议和网络

体系结构的概念，物理层和数据链层的作用和主

要功能。

第3章计算机网络体系结构

PartI

.计算机网络分为哪几层？

•各层的功能是什么？对应那些设备？

•数据在源和目的主机间传输过程是什么?

•相关概念（实通信与虚通信，服务和协议，实体和对等实体,

子系统，接口，）

课本p48-p56

第3章计算机网络体系结构

■计算机网络为什么要分层?

■为便于理解，先以两个公司之间进行通

信的工作过程为例进行说明。例：有甲

乙两个公司的两位总经理进行通信。

■通信的实体/对等实体/协议

第3章计算机网络体系结构

■网络采用层次化结构的优点有如下几点。

■(1)各层之间相互独立。高层不必关心低层的实现细

节，只要知道低层所提供的服务以及本层向上层所提

供的服务即可，能真正做到各司其职。由于每一层只

实现一种相对独立的功能，因而可将一个复杂地问题

分解为若干个较容易处理的小问题。

■(2)系统的灵活性好。某个层次实现细节的变化，只

要保持它和上、下层的接口不变，则不会对其他层产

生影响。

-(3)易于实现标准化。每层的功能及其所提供的服务

都有了明确的说明，就像一个被标准化的部件，只要

符合要求就可以拿来使用。

第3章计算机网络体系结构

■开放系统互联参考模型的特点：

■(1)每层的对应实体之间都通过各自的协议

进行通信。

■(2)各个计算机系统都有相同的层次结构。

■(3)不同系统的相应层次具有相同的功能。

■(4)同一系统的各层次之间通过接口联系。

■(5)相邻的两层之间，下层为上层提供服务,

上层使用下层提供的服务。

第3章计算机网络体系结构

OSI/RM七层分别对应的功能

—、牛勿壬里层

物理层是莅I参考模型的最低层，也是最基础的

一层，物理层主要考虑的是怎样才能在连接的各种

计算机的传输媒体上传输数据的比特流。

双绞线、同轴电缆、光缆等传输媒体属于物理层

吗？

物理层主要负责接口和数据信号表示的规定。

第3章计算机网络体系结构

OSI/RM七层分别对应的功能

二、数据链路层

数据链路层是OSI参考模型的第二层，它把物理层传来

的“0”、“1”信号组成帧的格式。保证数据在点到点（节点

到节点）链路间正确传输。

•什么是帧工

•帧是如何产生的？（帧是当计算机发送数据时由发送数据的计算机

产生的。具体来说，是由讨算机上安装的网卡产生的。网卡把对用户有

意义的信息分割成网络上可以传输的大小，然后封装到帧里面，再按照

~定的次序发送出去。）

•为什么要把数据封装成帧呢？（例：包裹）

•帧的内容？帧尾帧头

I10101101011101010101101>

第3章计算机网络体系结构

OSI/RM七层分别对应的功能

三、网络层

设置网络层的主要目的就是要为报文分组以最佳

路径通过通信子网到达目的主机提供服务。功能主

要有以下几点：

(1)建立、维护和拆除网络连接

(2)组包/拆包

(3)路由选择

(4)拥塞控制

第3章计算机网络体系结构

OSI/RM七层分别对应的功能

四、传输层

设置传输层的主要目的是在源主机和目的主机进

程之间提供可靠的端-端通信。传输层要完成这样一

些具体的工作：

1.把传输地址映射为网络地址

2,传输连接管理：一旦找到端点，就要通过握手过程建立

连接，然后才能进行数据传输

3.完成传输服务数据单元的传送

4.端点到端点传输时的差错检验及对服务质量的监督

传输层与网络层的关系

■网络层则提供网络中主机间的“逻辑通信”；

而传输层提供主机中的进程间的“逻辑通信”

■二者之间的差别：微妙而又重要

-类比

-主机：单位的传达室

・进程：单位中的职工

-应用层报文：信件

■网络层协议=邮局的投递服务，只负责递送到传达

室

-传输层协议=传达室的收发服务，负责递送到每个

职工

第3章计算机网络体系结构

OSI/RM七层分别对应的功能

五、会话层

会话层的功能主要包括以下几个方面。

(1)提供远程会话地址。

(2)建立会话。(通常，建立一次会话需要有一个过程。

首先，会话的双方都必须经过批准，以保证双方都有权参加

会话；其次，会话双方要确定通信方式，即单工、半双工或

全双工等。)

(3)报文编号和排序。

第3章计算机网络体系结构

OSI/RM七层分别对应的功能

7\、表小层

服务层处理的是通信双方之间的数据表示问题。

如文字、声音、图形的表示，数据格式的转换、数

据的压缩、数据的加密等。

第3章计算机网络体系结构

OSI/RM七层分别对应的功能

七、应用层

忘用程高勺实现。常用的网络服务包括文件服务

(FTP)、电子邮件(E-mail)服务、集成通信服务、

目录服务、网络管理服务、安全服务、多协议路由

与路由互连服务、分布式数据库服务以及虚拟终端

服务等。

口.数据在两台主机间传输过程是什么?

主机A主机B

应用进程B

应用

k

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

图3-6OSL/RM中封装和解封装的过程

数据在两台主机间传输过程是什么?

传输介质

图3-6OSI./RM中数据传输的过程

第3章计算机网络体系结构

7应用层Application一软件协议

6表示层Presentation一软件协议

5会话层session一软件协议

4传输层transportf软件协议

3网络层Network一路由器

2数据链路层DataLinkA网桥交换机

1物理层Physical＞中继器集线器

OSI/RM七层分别对应的设备

服务和协议的概念

纵向通信（实通信）

,在W层基构市，低层功能为高层功能提供服务，

高层功能使用低层功能提供的服务。

横向协作（虚通信）

分层结构中，对应的分层协同工作，以保证能够

成功完成通信。

•协议的概念：为了计算机实现通信，而做出的信息

交换规则。它主要有语义、语法和时序三个部分组成。

其它相关的概念

子系统：每一层都要完成各自层内的功能，所用层内

功能的集合成为功能子系统。

实体：在子系统中发送和接受信息的机构成为实体。

对等实体：一个子系统中可以有多个实体(http,ftp,

email等)层间遵循的协议必须发生在对等实体间的。

其它相关的概念

两种服务：

-面向连接服务

-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。

-具有连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。

■无连接服务

-是指两个实体在数据传输时动态地进行分配通信时所需

的资源。

两种服务的比较

1——-S向连接服务无连接服务

参考模式电话系统邮政系统

静态分配资源；传输

特点动态分配资源

前需要建立连接

提供可靠的传输服务：无不能防止报文的损坏、失

可靠性错、按序、无丢失/无重复序、丢失和重复

对目的地址仅在连接阶段需要完整的需要为每一个报文提供完

的要求目的地址整的目的地址

在一段时间内向同一目的地

少量零星报文

适用场合发送大量报文；实时性要求

1.可靠消息流-文件传输L数据报■广播/组播

分类及示例2.可靠字节流-远程登录2.可靠的数据报・挂号邮件

3.不可靠连接-数字化声首3•请求应答-数据库查询

相关的习题（一）

OSI的哪一层分别处理以下问题：

⑴把传输的比特划分为帧；

⑵决定使用哪条路径通过通信子网；

⑶提供端到端的服务；

（4）为了数据的安全将数据加密传输

⑸光纤收发器将光信号转换为电信号；

（6）电子邮件软件为用户收发邮件；

⑺提供同步和令牌管理。

答：（1）数据链路层（2）网络层（3）传输层（4）

表示层（5）物理层（6）应用层（7）数据链路层

相关的习题（二）

在OSI/RM中，各层都有差错控制过程，试指出下列每

种差错发生在OSI的哪些层：

⑴噪音使传输链路上的一个。变成一个1；

⑵一个分组被传输到错误的目的站；

⑶收到一个序号错误的帧；

（4）通信子网交付给一个终端的分组的序号错误；

⑸一个打印机正在打印，突然收到一个错误的指令要

打印头回到本行的开始位置；

⑹在一个半双工的会话中，正在发送数据的用户突然

开始接收对方发来的数据。

答：（1）物理层（2）网络层（3）数据链路层

（4）传输层（5）应用层（6）会话层

相关的习题（三）

L在OSI七层结构模型中，处于数据链路层与运输层之间的是（）

A、物理层B、网络层C、会话层D、表不层

答案：B

2.在有互连的开放系统中，位于同一水平行（同一层）上的系统构成了OSI

的。层。

A.物理B.对等C.传输D.网络

答案:B

3.工作在OSI参考模型的第二层数据链路层上的网络互联设备是（）

A.网桥B.路由器

C.中继器D.网关

答案：A

4.在OSI/RM中，网络管理实现在（）

A.数据链路层B.网络层

C.传输层D.应用层

答案：D

相关的习题（四）

5.数据链路层的主要功能中不包括（）

A.差错控制B.流量控制

C.路由选择D.MAC地址的定义

答案:C

6.定ISO/OSI参考模型中，实现端到端的通信功

能的层是（）

A.物理层B.数据链路层

C.传输层D.网络层

答案：C

第3章计算机网络体系结构

PartII

1.物理层的作用？

2.什么是DCE和DTE?

3.物理层的接口协议内容?

32物理层

3.2」物理层的作用和接口

1.物理层的作用

提供通信接口，完成传输媒体上信号与二进制数据

间的转换。

2.物理层的接口

物理层接口协议的主要内容是：

(1)提供物理连接的四种特性，即机械特性、

气特性、功能特性、规程特性；

(2)为传送物理层服务数据单元一比特流确定通

信方式、同步方式和编码规则。

J3.2.2DTE-DCE接口特性描述

1.机械特性。规定了物理连接时所使用的可接插连接器

的形状和尺寸，连接器中的引脚数量与排列情况等（RJ-45）。

2.电气特性。规定了DTE-DCE接口电缆上传送信号的电

压大小，即信号“1”和信号“0”的电压值；传号和空号的电压识别

等；最大数据传输率与距离限制；发送端与接收端间电路特性的说

明等。

3.功能特性。规定了物理接口上各条信号线的功能分配

和确切定义。

4.规程特性。定义了接口进行二进制比特流传输过程的

一组操作序列，即各信号引脚线的工作规程和时序关系。

322DTE-DCE接口特性描述

彳十么是DTE和DCE?

DTE叫做数据终端设备，是具有一定的数据处理能力以及发送

和接收数据能力的设备（讨算机）O大多数的数据处理设备的教

据传输能力是很有F艮的。直接将相隔很逅的两个数据处理设备连接

起来，是不现实的，必须在数据处理设备和传输线路之间加上一个

中间设备，这个中间设备就是数据通信设备CDCEJo

通信环境

用户设施通信设施用户设施

3.2.3物理层接口标准举例

EIARS-232C

3.2.3物理层接口标准举例

发送(TXD)

22

接收(RXD)

33

请求发送(RTS)

4.4

允许发送(CTS)

DTE55DCE

DCE就绪(DSR)

66

载波检测(DCD)

88

onDTE就绪(DTR)

ZUZOUH

信号地(SG)

77

1f

保护地(PG)

A1

\I

图3-8RS-232c接口的连线图

物理层相关的习题

1.RS-232是（）之间的接口标准，是目前各国厂家广泛使用的国

际标准。

A.硬件B.软件C.DTE与DCED.DCE与DCE

答案：C

2.下列流量控制层次中，从DTE至IJDTE的是（）

A.信源主计算机与目的主计算机之间

B.信源节点与目的节点之间

C.相邻中转节点之间

D.信源节点与信宿节点之间

答案：A

3.物理层协议定义的一系列标准有四个方面的特性，不属于这些特

性的是（）

A.接口特性B.电气特性C.功能特性D.机械特性

答案：A

第3章计算机网络体系结构

Partlll

i.数据链路层的作用？

2.作用如何实现（HDLC）?

3.3数据链路层

3.3.1数据链路层的作用（HDLC协议）

1.数据链路管理

2.装帧与帧同步

3.流量控制

4.差错控制

5.透明传输

6.寻址

Q3.3.2高级数据链路控制规程HDLC

HDLC协议规定了三种数据传输模式：

(1)正常响应模式(用于非平衡配置的传输模式，只有主站才

能启动数据传输，从站只有在收到主站的询问命令后才能向主站传送教

据。)

(2)异常响应模式(用于非平衡配置的传输模式，从站不必确切

地接收到来自主站的允许传输的命令就可开始传输教据，主站仍然负责

控制和管理链路。)

(3)平衡型异步响应模式(用于平衡配置的传输模式，传输

是在复合站之间进行的，任何一个复合站不必事先得到对方的许可就可

以开始传输数据。)

>3.3.2高级数据链路控制规程HDLC

2.HDLC的帧格式

FACIFCSF

标志地址控制数据帧校验序列标志

88/168口」变长168

图3-9HDLC帧结构

无编号帧（简称U帧）

•若控制字段的第1~2比特都是1时，表示该帧是无编号帧U。

•无编号帧中不包含信息字段，不带编号，可以在任何需要时出发，而不

影响带编号的信息帧的交换顺序。

•比特3,4,6,7,8表示不同功能的无编号帧。虽然总共可以有32个不

同组合，但实际上目前只定义了15种无编号帧，可分为命令帧和相应帧。

HDLC无编号帧（U帧）

表2无编号帧的名称和代码

凝

M]M2

记忆符名称

b

命令响应3%b&b?bg

SNRM置正常响应模式C00001

SARM/DM置异步响应模式/断开方式CR11000

SABM置异步平衡模式C11100

SNRME置扩充正常响应模式C11011

SABME置扩充异步响应模式C11010

SABME置扩充异步平衡模式C11110

DISC/RD断链/请求断链CR00010

SIM/RIM置初始化方式/请求初始化方式C10000

UF无编号探询C00100

UI无编号信息C00000

XID交换识别CR11101

RESET复位C11001

FRMR帧拒绝R10001

UK无编号确认R00110

3.3.2高级数据链路控制规程HDLC

2.HDLC的帧格式

FACIFCSF

标志地址数据帧校验序列标志

88/168可变长168

监控帧（简称s帧）

•用于差错控制和流量控制。第一二位为“10”

比特

记忆符名称%功能

RR接收准备好00确认，且准备接受下一帧，已收妥H00以前的各帧

RNR接收未准备好10确认，暂停接收下一帧，NCR）含义同上

REJ拒绝接收01否X，否认NCR）起的各帧，但N00以前的帧已收妥

SREJ选择拒绝接收11否认，只否认序号为NCR）的帧

3.3.2高级数据链路控制规程HDLC

2.HDLC的帧格式

FACIFCSF

标志地址控制数据帧校验序列标志

88/168口」变长168

信息帧(简称I帧)

•用于传送有效数据，并包括帧序号。

•控制字段的第一位为“0”

•2、3、4位为N(S)：用来指出本站发送下一帧的帧序号。

•6、7、8为N(R)：用来存放接收方下一个预期要接收的帧序号。

+3.3.2高级数据链路控制规程HDLC

2.HDLC的帧格式

FACIFCSF

_标志地址据.帧校验序列标志

88/168可变长168

标志字段F(Flag)

①内容为:011111为;

②帧的边界，标识一个帧的开始与结束；当连续传输两个帧时，前一

个帧的结束标志字段F可以兼作后一帧的起始标志字段。

如果数据信息中出现01111110和标志字段发生混淆怎么办？

零比特填充技术:

■HDLC采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不

会出现6个连续1。

■举例：CPU输出7F3A

■0111111100111100

3.3.2高级数据链路控制规程HDLC

2.HDLC的帧格式

FACIFCSF

标志地址控制|数据帧校验序列标志

88/168可变长168

地址字段（A）：

全1地址是广播方式，而全0地址是无效地址。因此有效地址

为254个。

3.3.2高级数据链路控制规程HDLC

2.HDLC的帧格式

FACIFCSF

标志地址控制|1数据帧校验序列标志

88/168可变长168

帧校验字段（FCS）：

CRC循环冗余编码校验得出的结果放在这个字段。

数据链路层相关的习题

1.下列不属于HDLC帧类型的是（）

A.信息帧B.控制帧C.管理帧D.无编号帧

答案：C

2.数据链路层的主要功能中不包括（）

A.差错控制B.流量控制C.路由选择D.MAC地址的定义

3,控制字段数据比特序列01101101表示的是（）。

A.监督帧B.信息帧C.无编号帧D.不要求对方响应

4.（1）在某面向比特同步协议的帧数据段中出现比特串

1111011111110111110,问位填充后输出什么？

（2）在某面向比特同步协议的帧数据段中某比特串经位填充后变为:

011110111110011111010,问原先的比特串是什么？

此次课内容结束,谢谢大家!

-请同学们预习第三周内容：

TCP/IP基础（教材3.4和6.16.2

6.36.4.5）

3.4TCP/IP体系结构

341TCP/IP的发展史

TCP/IP的发展史和ARPANET是分不开的，这个网络通

过租用的电话线连接了数百所大学和政府部门，当卫星和无

线网络出现以后，现有的协议在和它们互联时出现了问题，

所以需要有一种新的参考体系结构。因此能无缝隙地连接多

个网络的能力是从一开始就确定的主要目标，这个体系结构

在它的两个主要协议（TCP协议、IP协议）出现以后，被称

为TCP/IP参考模型。它最初定义在1974年，以后不断地修

改和完善。

»3.4.2TCP/IP体系结构

0sl参考模型TCP/IP参考模型

应用层

表层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

图3-10TCP/IP体系结构和OSI/RM的关系

3.4.2TCP/IP体系结构

■回顾一下OSI/RM出现背景

■OSI/RM存在的问题：

■适用于单个网络，在多个网络互连时存

在问题。出现TCP/IP参考模型。

TCP/IP参考模型设计重点：异种网络互

连。所以网络互连是TCP/IP的技术核心。

、■1.3计算机网络体系结构

■JI---------------------------

OSI与TCP/IP参考模型的比较

TCP/IP的网络接口层并不是真正的一层，在数据链路层和物理层的划分上基

本是空白，而这两个层次的划分是十分必要的；OSI的缺点是层次过多，事实证明

会话层和表示层的划分意义不大，反而增加了复杂性。

TCP/IP参考模型各层的主要功能:

（1）网络接口层。负责接收互联网层发来的数据报并通过具体网络发送，

或者从具体网络上接收帧，抽出卬数据报，交给互联网层。

（2）网际层。网际层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组，将分组

形成数据包（IP数据包），并为该数据包进行路径选择，最终将数据包

从源主机发送到目的主机。

（3）传输层。源端和目标端主机上的对等实体可以进行会话。除了在端与

端之间传送数据外，传输层还要解决不同程序的识别问题。

（4）应用层。TCP/IP模型的应用层的功能相当于OSI/RM的会话层、表示层

和应用层3层的功能。该层能向用户提供一组常用的应用程序，定义了大

量的TCP/IP应用协议。

两者不同之处主要体现在以下几个方面:

(1)TCP/IP虽然也分层，但层的数量不同，且层次之间的调用关

系不像OSI那样严格；

(2)TCP/IP一开始就考虑到了异种网的互连问题，并将互联网协

议作为TCP/IP的重要组成部分，因此TCP/IP异种网互连能力强。而

OSI只考虑到用一种统一标准的公用数据网将各种不同的系统连在

一起，根本未想到异种网的存在，这是OSI/RM的一个很大的不足。

(3)TCP/IP一开始就向用户提供可靠和不可靠的服务，而OSI/RM

在开始时只考虑到向用户提供可靠服务，相对来说，TCP/IP更注重

于考虑提高网络的传输效率，而OSI更侧重考虑网络传输的可靠性。

♦TCP/IP体系结构如图所示:

报文或

应用层数据流

TCP段或

传输层皿啜据报

网际层IP数据报

网络接口层网触

网际协议IP(InternetProtocol)不但为各个互联的网络提供统一

的数据包格式，而且还提供寻址、路由选择、数据的分段和重组功能，它

能将数据包从一个网络转发到另一个网络。

设置

▲个人设置系统设置一登录设置