计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络层次结构模型和各层协议的集合被定义为计算机网络体系

结构，网络体系结构的提出不仅方便了大家对网络的认识和学习，同时也

加强了人们对网络设计和实现的指导。在这一节中我们主要讨论网络的分

层结构、一些基本概念及ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型等。

1.2.1计算机网络分层结构

网络分层结构的出现其实是将复杂的网络任务分解为多个可处理的部分，使问题简单化。而这些可处理的部分模块之间形成单向依赖关系，即

模块之间是单向的服务与被服务的关系，从而构成层次关系，这就是分层。

分层网络体系结构的基本思想是每一层都在它的下层提供的服务基础

上提供更高级的增值服务，且通过服务访问点（SAP）来向其上一层提供

服务。在OSI分层结构中，其目标是保持层次之间的独立性，也就是第（N）层实体只能够使用（N-1）层实体通过SAP提供的服务；也只能够向（N+1）层提供服务；实体间不能够跨层使用，也不能够同层调用。网络

是一个非常复杂的整体，为便于研究和实现，才将其进行分层，其中分层

的基本原则是。

（1）各层之间界面清晰自然，易于理解，相互交流尽可能少。（2）

各层功能的定义独立于具体实现的方法。

（3）网中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层具有相同的功能。（4）保持下层对上层的独立性，单向使用下层提供的服务。

计算机网络层次结构模型和各层协议的集合被定义为计算机网络体系

结构，网络体系结构的提出不仅方便了大家对网络的认识和学习，同时也

加强了人们对网络设计和实现的指导。在这一节中我们主要讨论网络的分

层结构、一些基本概念及ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型等。

1.2.1计算机网络分层结构

网络分层结构的出现其实是将复杂的网络任务分解为多个可处理的部分，使问题简单化。而这些可处理的部分模块之间形成单向依赖关系，即

模块之间是单向的服务与被服务的关系，从而构成层次关系，这就是分层。

分层网络体系结构的基本思想是每一层都在它的下层提供的服务基础

上提供更高级的增值服务，且通过服务访问点（SAP）来向其上一层提供

服务。在OSI分层结构中，其目标是保持层次之间的独立性，也就是第（N）层实体只能够使用（N-1）层实体通过SAP提供的服务；也只能够向（N+1）层提供服务；实体间不能够跨层使用，也不能够同层调用。网络

是一个非常复杂的整体，为便于研究和实现，才将其进行分层，其中分层

的基本原

则是。

（1）各层之间界面清晰自然，易于理解，相互交流尽可能少。（2）

各层功能的定义独立于具体实现的方法。

（3）网中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层具有相同的功能。（4）保持下层对上层的独立性，单向使用下层提供的服务。1.2.2

基本概念

网络中的计算机与计算机间要想正确地传送信息和数据，必须在数据

传输的顺序、数据传输的格式及内容等方面有一个约定或规则，这种约定

或规则称为计算机网络协议。网络协议主要有三个要素组成。（1）语义

对协议元素的含义进行解释，不同类型的协议元素所规定的语义是不

同的。例如，需要发出何种控制信息、完成何种动作，以及得到的响应等。（2）语法

将若干个协议元素和数据组合在一起，用来表达一个完整的内容所应

遵循的格式，也就是对信息的数据结构做一种规定。例如用户数据与控制

信息的结构与格式等。（3）时序

对事件实现顺序的详细说明。例如，在双方进行通信时，源点发出一

个数据报文，如果目标点正确收到，则回答源点接收正确；若接收到错误

的信息，则要求源点重发一次。在同一台计算机上相邻层之间（即不同实

体之间，如不同进程之间）的通信也有约定，我们称这种约定为接口（interface），也叫服务接口（erviceinterface），即下层通过接口向

上层提供服务。接口定义了上层如何调用下层提供的服务。当网络设计者

决定在一个网络中应该包含多少层，以及每一层应该提供哪些功能时，其

中最重要的是清楚地定义好不同层之间尤其是相邻层的接口。为了做到这

一点，要求网络设计者准确定义好每一层要完成的特定功能。良好的接口

定义除了可以尽可能地减少层与层之间要传递的信息的数量以外，还可以

方便人们用某一层协议的新实现来代替原来的实现或者用新的协议来代替

原来的旧协议。计算机网络协议描述的是不同计算机间的通信规则，而计

算机网络接口描述的是同一计算机相邻层之间的通信规则。具体的关系如

图1-4所示。

1.2.3ISO/OSI参考模型

在网络发展的初期，许多研究机构、计算机厂商和公司都大力发展计

算机网络，自从ARPANET出现后，市场上已经出现了许多商品化的网络系统。但是这些网络在体系结构上

差异很大，以至于它们之间互不相容，难于相互连接以构成更大的网

络系统。为此，许多标准化机构积极开展了网络体系结构标准化方面的工作，其中最为著名的就是国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互连参

考模型（OSI/RM）。ISO/OSI参考模型就是研究如何把开放系统连接起来的。

OSI参考模型将计算机网络分为7层，如图1-5所示。我们将从底层

开始，依次讨论ISO/OSI参考模型各层所要完成的功能。

1．物理层

物理层的主要功能是完成相邻节点之间原始比特的传输。物理层协议

关心的典型问题是使用什么样的物理信号来表示数据“0”和“1”？数据“0”或“1”持续的比特时间多长？数据传输是否可同时在两个方向上进行？节点之间最初的物理连接是如何建立起来的？完成通信后如何终止连接？物理接口（插头和插座）有多少个接头？各个接头的电气特性和功能

特性如何？物理层协议的设计主要涉及物理层接口的机械、电气、功能和

过程特性等问题，而且物理层协议的设计涉及通信工程领域内的一些问题。物理层接口的例子有：EIARS-232、RS-422、RS-530、USB口，以及10Mbp

以太网的RJ-45接口及各种光接口。2．数据链路层

数据链路层的主要功能是如何在不可靠的物理线路上保证相邻节点之

间数据的可靠传输。为了保证数据传输的可靠性，发送方把高层数据封装

成帧（frame），并按顺序发送每个帧。但由于物理线路是不可靠的，因

此发送方发出的帧有可能在物理线路上遭到破坏，引起出错，甚至丢失

（所谓丢失实际上是数据帧的帧头或帧尾出错），从而导致接收方不能正

确接收到数据。为了保证能让接收方正确接收到数据，首先必须让接收方

能够对接收到的数据是否正确进行判断，为此发送方为每个数据帧计算检