第二章 计算机网络体系结构

IP over Everything Everything over IP 沙漏计时器形状的 IP 可为各式各样的应用程序提供服务 IP 可应用到各式各样的网络上 TCP/IP协议族
应用层 HTTP HTTP … SMTP SMTP DNS DNS … RTP RTP
运输层
TCP
UDP
网际层
Βιβλιοθήκη Baidu
IP
网络接口层
网络接口 1
网络接口 2
…
网络接口 3
TCP/IP协议栈
主机A 4 3 2 1 应用层 运输层 互联网层 网络 接口层 网络 1 互联网层 网络 接口层 网络 2 路由器 主机B 应用层 运输层 互联网层 网络 接口层
OSI参考模型和TCP/IP模型比较
OSI参考模型和TCP/IP模型都采用了分层结 构，OSI参考模型分为7层，TCP/IP模型分为 4层 在TCP/IP模型中没有表示层和会话层， TCP/IP模型的应用层相当于综合了OSI参考 模型中应用层、表示层和会话层的功能 TCP/IP模型没有数据链路层和物理层，网络 接口层包含了这两层的功能
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5 4
IP 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
3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5 4 3
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
应用层 PDU 再传送到运输层 加上运输层首部，成为运输层报文段
5 4 3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5
运输层报文段再传送到网络层 加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）
4 3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
层次化方法在其它领域的应用
程序设计
把一个大的程序分解为若干个层次的小模块 来实现，如操作系统。
邮政系统
邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输
银行系统 物流系统 。。。
划分层次的必要性
计算机网络中也采用了分层方法。—— 把复杂的问题划分为若干个较小的、单 一的局部问题，在不同层上予以解决。 网络的层次结构方法要解决的问题：
数据传递过程
在概念上可以认为通信是水平的，数据 好像由对等层的一端直接到达了另一端。 通信的目的就是要实现对等层之间的水 平通信，虽然事实上水平通信要依赖垂 直通信来实现 在理解问题时忽略中间的过程直接去考 虑水平通信会更简单
计算机网络体系结构
计算机网络的各个层次以及每个层次协议的集 合称为计算机网络体系结构。 各个层次的所有协议也被称为协议栈。 世界上第一个计算机网络体系结构是美国IBM 公司于1974年提出的SNA（系统网络体系结 构） 其他的网络体系结构：Digital公司的网络体 系结构DNA、Honeywell公司的分布式体系 结构DSA等
本书采用的体系结构
数据在网络中的传递过程
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 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
AP2 5 4 3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2
OSI 与 TCP/IP 体系结构的比较
OSI 的体系结构 7 6 5 4 3 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 TCP/IP 的体系结构 应用层 (各种应用层协议如 TELNET, FTP, SMTP 等) 运输层(TCP 或 UDP) 互联网层 IP 网络接口层 TCP/IP 的三个服务层次
OSI参考模型和TCP/IP模型比较
OSI参考模型的网络层可以提供无连接和面向连接的 两种服务，TCP/IP模型的互联网层只提供无连接的数 据报服务 OSI的运输层提供面向连接的可靠的数据传输服务， TCP/IP模型中的运输层有两个协议TCP和UDP，TCP 提供面向连接的可靠的数据传输服务，UDP提供无连 接的不可靠的数据传输服务 OSI参考模型，具有浓厚的通信背景，强调服务质 量，强调对差错的控制，先定义了一套完整的框架， 然后才发展相应的协议。TCP/IP协议产生于因特网的 连网需求，是先有了具体的协议的基础上，进一步完 善了其框架体系，从而也更适合计算机网络的特点。
2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5 4 3
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
2 1
应用层(application layer) 物理传输媒体
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5 4 3 2
网络协议的组成要素
语法：通信时双方交换数据和控制信息 的格式。（如何讲） 语义：每部分控制信息和数据所代表的 含义。 （讲什么） 时序：通信如何发起；在收到一个数据 后，下一步要做什么。 （讲话次序）
协议分层
不同主机上的同一个层次称为对等层， 对等层之间遵循相同协议。 每一层都使用下一层提供的服务， 同时也向自己的高层提供服务。
应用层剥去首部，取出应用程序数据 5 上交给应用进程
分层的空中旅行组织: 服务
柜台-to-柜台：“旅客+行李” 票务服务 行李托运-to-行李认领：行李服务 登机入口-to-到达出口：旅客乘务服务 跑道-to-跑道：飞机“航运”服务 从出发地到目的地的航线：导航服务 当某层实现变化时，该系统其余部分保持不变。 注意：一个服务改变实现方式与改变服务本身是极为不同的！
互联网层的四个主要协议
应用层
运输层 互联网层 网络接口
●IP ●ICMP ●ARP ●RARP
运 输 层
TCP
UDP
互 联 网 层
6
17
IP
IP分组中的协议域确 定目的端的上层协议
TCP/IP的体系结构层次
TCP/IP协议栈
应用层
HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet, …
PDU
OSI参考模型和TCP/IP模型比较
OSI模型体系比较复杂，设计先于实现，完全 实现OSI参考模型的系统并不多，应用的范围 有限，多限于理论研究和教学。 TCP/IP协议是在实践中产生和发展的，在各类 平台中都有稳定的实现，并有简单方便的编程 接口（API），得到了广泛的应用。 TCP/IP协议已成为目前网际互连事实上的国际 标准和工业标准
网络层剥去首部，取出数据部分 3 上交给运输层
2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5
运输层剥去首部，取出数据部分 4 上交给应用层
3 2 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2
虚线表示虚拟通信； 实线表示物理通信
哲学家—翻译—秘书结构
理解协议 接口之间的关系 协议是水平的； 服务是垂直的。
协议分层的优点
将复杂的网络通信任务分解为若干个比较容易 处理的子问题，降低了复杂度，易于实现和维 护。 每个层次都可以单独实现，只要提供的服务和 实现的功能不变，与相邻层次的接口也不变， 那么采用何种技术实现是每个层次内部的事 情，更有利于采用新的技术去解决问题。 层次明确也更有利于标准化。
各种 应用服务 运输服务 (可靠或不可靠) 无连接分组交付服务
2 数据链路层 1 物理层
应用层
F T P
T e l n e t
23
S M T P
D N S
T F T P
S N M P
port
21
25
53
69
161
运输层 TCP UDP
TCP和UDP都根据端口(port)号把信息提交给上层对 应的协议（进程）。
Message（报文）
运输层
TCP, UDP
Segment（段）
互联网(网络)层
IP, ICMP, ARP, RARP
Packet（分组） Frame（帧） Bit（比特）
网络接口层(数据链路层+物理层)
PPP, Ethernet, Token ring, ATM
每一层使用自己层的协议与其他系统的对等层相互通信。 每一层的协议在与对等层之间交换的信息称为协议数据单元（PDU）。
数据传递过程
数据传递过程
数据从发送端的最高层开始，层层向下，层层 封装，直到发送方的最底层，转换为电磁信号 后经过物理链路到达接收端的最底层，再层层 向上，层层解封装，最后到达接收方的最高 层，整个通信过程是垂直的 某一层添加的首部，在到达对等层后，就会被 剥掉，剩余的部分会继续向上传递，直至最高 层。 高层使用了低层的服务，低层向高层提供服 务，高层通过低层提供的服务接口访问低层的 服务
计算机网络
第2章计算机网络体系结构 靳海轶
东软信息学院计算机系网络教研室
本章知识点
理解网络协议与协议分层的原理 掌握计算机网络体系结构 掌握OSI模型和TCP/IP 模型各自特点 和区别 掌握数据在网络中的传递过程
信息交换过程
物理链路是网络通信必备要素，它是信号 传播的载体。 信息 数据 信号 信息 数据 信号
通信网络
网络通信的复杂性
发送方如何确定接收方愿意接收数据或已经 准备好了接收数据？ 发送方和接收方之间可能间隔了多个网络， 如何在网络之间找到一条正确的路，使得数 据能够到达接收方？ 数据在传输过程中可能受了干扰而产生了差 错，如何检测差错？出了差错如何处理？ 数据在传输过程中可能会丢失，如何检测丢 失，丢失以后如何处理？
空中旅行的组织
机票 (购买) 行李 (托运) 旅客 (出发) 飞机 (起飞) 飞行航线 飞行航线 机票 (投诉) 行李 (认领) 旅客 (到达) 飞机 (着陆) 飞行航线
一系列的步骤
空中旅行的组织: 从另一种不同的角度观察
机票 (购买) 行李 (托运) 旅客 (出发) 飞机 (起飞) 飞行航线 飞行航线 层次的观点： 每层实现一种特定的服务 – 通过自己内部的功能 – 依赖自己的下层提供的服务 机票 (投诉) 行李 (认领) 旅客 (到达) 飞机 (着陆) 飞行航线
OSI/RM七层体系结构
为网络应用提供服务 数据表示 在用户间建立会话关系 不同主机进程间的通信 在主机间传输分组 在结点间可靠地传输帧 位流的透明传输
7 6 5 4 3 2 1
应用层Application 表示层Presentation 会话层Session 运输层Transport 网络层Network 数据链路层Data Link 物理层Physical
网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什 么？（分层与功能） 各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交 互？（服务与接口） 通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协 议）
网络协议
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）。 为进行网络中的数据交换而建立的规则、 标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。
物理层接收到比特流，上交给数据链路层 1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5 4 3
数据链路层剥去帧首部和帧尾部 2 取出数据部分，上交给网络层
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4 3 2 1 计算机 2 AP2 5 4
网络协议的必要性和复杂性
在网络通信中双方必须对通信中可能出 现的各种情况进行明确的商定，必须遵 守相同的规则，这些规则称为协议。网 络中的主机、设备必须要遵循相同的协 议才能通信 网络通信是一个非常复杂的问题，这就 决定了网络协议也是非常复杂的
如何构建网络协议？
相互通信的两个计算机系统必须高 度协调工作才行，而这种“协调”是 相当复杂的。 解决：分而治之！ 举例：一个空中旅行的组织
计算机网络体系结构
采用不同体系结构的两个网络之间很难通信 。 为使所有的网络都能互连互通，国际标准化组 织ISO于1983年提出了开放系统互连参考模 型（Open Systems Interconnection Reference Model，OSI/RM），简称OSI 参考模型 TCP/IP协议也在实际的连网实践中发展起 来，并成为了事实上的网络互连协议标准