第2章网络拓扑结构和网络体系结构

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2 1
网络层
数据链路层 数据链路层
物理层
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OSI/RM——应用层

功能

7
6
应用层
表示层
为用户提供最直接的服务。
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）
5
4
会话层
运输层
3
2 1
网络层
数据链路层 数据链路层
物理层
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7层之间的关系
应用层 面向信息处理 表示层 资源子网 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
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网络拓扑结构

网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种 设备的物理布局，就是用什么方式把网 络中的计算机等设备连接起来。拓扑图 给出网络服务器、工作站的网络配置和 相互间的连接。
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拓扑
网状
星型
树型
总线型
环型
3
总线型拓扑
4

总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用 户的一种方式，也就是说，连接端用户的物理 媒体由所有设备共享，各工作站地位平等，无 中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形 式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节 点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息 一样，因此又称广播式计算机网络。各节点在 接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的 工作站地址相符，相符则接收网上的信息。
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环形拓扑的优点： （1）电缆长度短。 （2）增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作。 （3）可使用光纤。 环形拓扑的缺点： （1）节点的故障会引起全网故障。 （2）故障检测困难。 （3）环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传 达室递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说 就比较低。
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星型拓扑
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七层协议——物理层
5 4 3 2 1 应用层 运输层 网络层
数据链路层 数据链路层

定义内容

物理网络结构 所使用的传输媒介的机械和电气特性 位传输编码和计时规则 实现通信节点之间的物理连接，透明地传输二 进制比特流（bit、位）
主要功能

物理层

相关硬件

普通集线器、中继器 传输媒介连接器 调制解调器
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七层协议——数据链路层
5 4 3 2 1 应用层 运输层 网络层
数据链路层 数据链路层

主要功能

将物理层的位组成以帧为单位的数据 错误检测 控制数据流 识别网上每台计算机 网桥 交换机

相关硬件

物理层
智能集线器 网络接口卡
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七层协议——网络层
5 4 3 2 1 应用层 运输层 网络层
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总线拓扑结构的优点： （1）总线结构所需要的电缆数量少。 （2）总线结构简单，又是无源工作，较高的可靠性。 （3）易于扩充，增加或减少用户比较方便。
总线拓扑的缺点： （1）总线的传输距离有限，通信范围受到限制。 （2）故障诊断和隔离较困难。 （3）分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时 功能
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七层协议——运输层
5 4 3 2 1 应用层 运输层 网络层
数据链路层 数据链路层

功能
实现端到端的透明的数据报文传 输服务

物理层
为上层处理过程掩盖下层结构的细节， 补偿下层协议中面向连接的连接服务 在可靠性方面的缺陷。总之，向用户 提供可靠的端到端（End-to-End， 指应用程序或进程、或会话之间）的 数据传输
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对于复杂的计算机网络协议，采用分层式结构。 每一层关注和解决通信中的某一方面的规则。 1．为什么采用分层结构 （1）层之间是独立的：复杂程度下降。 （2）灵活性好 ：一层发生变化时，其他各层均不受 影响。 （3）结构上可分割开 ：各层都可以采用最合适的技 术来实现。 （4）易于实现和维护：系统已被分解为若干个相对独 立的子系统。 （5）能促进标准化工作：每一层的功能及所提供的服 务都有精确的说明。 20
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1．OSI/RM七层结构
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关于开放系统互连参考模型OSI/RM

OSI参考模型产生的背景


60-80年代出现了多种网络体系结构，这些 体系结构往往着眼于本公司的网络产品，没 有统一的标准，很难把它们互连起来，如 DOS与UNIX的互连。 1982年，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）公 布了异种网络操作系统互连的通信标准，即 开放系统互连参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model， OSI/RM）。
数据链路层 数据链路层


主要功能

物理层


路由选择。如何在组成网络的各子网之 间找到到达传送目的地的最佳路径 流量和拥塞控制。防止在于网中间出现 过多的分组，而造成通路阻塞和出现 “瓶颈” 差错及故障的恢复
路由器
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相关硬件

七层协议——网络层(续)



网络：这里指具有某个确切网络地址的网络 网络地址：逻辑上分离的网络，都有一个唯一的逻辑地址 网际通信：网络与网络间的数据通信 交换：可以理解为路径选择
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
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再设计一个网络接入模块
计算机 1 文件传送模块 通信服务模块 网络接入模块 网络 接口 通信网络 网络 接口 计算机 2 文件传送模块 通信服务模块 网络接入模块
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。
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4．网络的体系结构 网络的体系结构就是计算机网络各层次 及其协议的集合。
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开 放 系 统 互 连 OSI （ open system interconnection ， OSI ）参考模型是由 国 际 标 准 化 组 织 ISO （ international standard organization, ISO ） 提 出 和 定义的网络体系结构，是一种用于连接 异构系统的分层模型框架，为连接分布 式应用处理的开放系统提供了基础。
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网状拓扑
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网状型结构又称作无规则结点之间的连 接，是任意的、没规律的。网状拓朴主 要优点是系统可靠性高，结构复杂，必 须采用路由选择算法与流量控制算法， 目前使用的远程拓朴结构均采用了网状 拓朴结构型。
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树型拓扑
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树型拓扑结构就像一棵“根”朝上的树, 与总线拓扑结构相比,主要区别在于总线 拓扑结构中没有“根”。这种拓扑结构 的网络一般采用同轴电缆,用于军事单位、 政府部门等上、下界限相当严格和层次 分明的部门。
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关于开放系统互连参考模型OSI/RM


开放性：只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以 和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准 的其他任何系统进行通信。 在市场化方面 OSI 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。
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星型结构是指各工作站以星型方式连接 成网。网络有中央节点，其他节点（工 作站、服务器）都与中央节点直接相连， 这种结构以中央节点为中心，因此又称 为集中式网络。
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1、这种结构便于集中控制，因为端用户之间 的通信必须经过中心站。易于维护和安全等优 点。 2、端用户设备因为故障而停机时也不会影响 其它端用户间的通信。 3、同时它的网络延迟时间较小，传输误差较 低。4、 这种结构非常不利的一点是，中心系统必须具 有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整 个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双 机热备份，以提高系统的可靠性。
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面向数据通信
通信子网
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
计算机 2
应用进程数据先传送到应用层
AP2 5 4 3 2 1
加上应用层首部，成为应用层 PDU
4
3 2
1
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计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
计算机 2
AP2
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
1、以单向方式操作，于是便有上游端用户和下游端用 户之称； 2、信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅 有一条道路，故简化了路径选择的控制； 3、环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单；由 于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节 点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时 间延长； 4、环路是封闭的，不便于扩充； 5、可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维 护难，对分支节点故障定位较难。
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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。
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3．协议
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。协议是对同等层实体之间的通信 制定的有关通信规则、约定的集合。 网络协议3个要素： （1）语法：数据与控制信息的结构或格式。 （2）语义：定义数据格式中每一个字段的含义。 （3）同步：收发双方或多方在收发时间和速度上的严 格匹配，即事件实现顺序的详细说明。
第 2 章 网络体系结构和网络协议
２.１网络拓扑结构及其特点 ２.２计算机网络的体系结构 2.2.1计算机网络体系结构的形成 2.2.2 划分层次的必要性 2.2.3 计算机网络的原理体系结构 2.2.4 实体、协议、服务和服务访问点 2.2.5 面向连接服务和无连接服务 2.2.6 OSI 与 TCP/IP 体系结构的比较
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OSI/RM——会话层

功能

7
6
应用层
表示层
实现服务请求者和提供者之间的通信如 建立、管理和拆除会话进程。
5
4
会话层
运输层
3
2 1
网络层
数据链路层 数据链路层
物理层
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OSI/RM——表示层

功能

7
6
应用层
表示层
5
4
会话层
运输层
处理通信进程之间交换数据的表示方法， 包括语法转换、数据格式的转换、加密 与解密、压缩与解压缩等。
2．分层的原则 层次的数量和使每一层的功能非常明确。 （1）结构清晰，易于设计，层数应适中。 （2）每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。 （3）同一节点相邻层之间通过接口通信，层间接口必 须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。 （4）每一层都使用下层服务，并为上层提供服务。 （5）网中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层 按照协议实现对等层之间的通信。
站的链路组 成一个闭合环。 这种结构中的传输媒体 从一个端用户到另一个端用户，直到将 所有的端用户连成环型。数据在环路中 沿着一个方向在各个节点间传输，信息 从一个节点传到另一个节点。这种结构 显而易见消除了端用户通信时对中心系 统的依赖性。
8



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两个计算机交换文件
计算机 1 文件传送模块 把文件交给下层模块 进行发送 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 计算机 2 文件传送模块 把收到的文件交给 上层模块
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再设计一个通信服务模块
计算机 1 文件传送模块 通信服务模块 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 计算机 2 文件传送模块 通信服务模块
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树型拓扑结构的特点：优点是容易扩展、 故障也容易分离处理,缺点是整个网络对 根的依赖性很大,一旦网络的根发生故障, 整个系统就不能正常工作。
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计算机网络通信中的9个焦点问题 （1）寻址：识别通信的双方 ，分配地址的方案 （2）差错控制：连接的双方必须使用同一种检错和纠错算 法或数据重发的规则。 （3）流量控制：防止拥塞和数据丢失。 （4）分段及装配：不同的网络协议对报文长度要求不同 。 （5）路由选择：当源端和目标端有多条链路存在时。 （6）编码转换：不同的机器采用不同的编码 。 （7）信息的表达：数据表达、压缩、解压缩等技术 。 （8）同步问题：建立发送和接收的同步过程 。 （9）数据安全：防止数据丢失、非法查看、泄密、防抵赖
5 4 3 2 1
4
3 2
1
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计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
计算机 2
AP2 5
4
3 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）
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1
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计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
计算机 2
AP2 5 4
4
3 2
IP 数据报再传送到数据链路层