第2章计算机网络体系结构
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6
2.1.2 网络体系结构的分层模型
主机A 应用进程A 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 数据 数据 数据单元 数据单元 报文 分组 帧 比特序列 传输介质
主机B 应用进程B 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
表示层的主要功能：
用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式； 数据格式变换； 数据加密与解密； 数据压缩与恢复。
38
应用层的主要功能:
为应用程序提供了网络服务; 应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使 得协同工作的应用程序之间的同步;
建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机 制。
11
服务原语
服务原语（Service Primitive）是指用户与服务提供者 之间进行交互时所要交换的一些必要信息。 OSI/RM规定了四种服务原语类型，如表所示。
13
服务分为有确认服务和无确认服务两大类，前者每次 服务要使用全部四种服务原语，而后者只使用两种服 务原语，如图：
系统A 用户A Request 服务层 系统B 用户B
有确认 需要证实 的服务 服务
Confirm 不需要证实 服务 的服务
Indication Response 时 间 Indication
无确认
Request
14
数据单元
（1）协议数据单元PDU： （2）接口数据单元IDU （3）服务数据单元 SDU
15
不同系统某层对等实体为实现该层协议所交换的信息单 位 ，分为协议控制信息PCI和用户数据
第2章 计算机网络体系结构
【本章内容简介】本章系统介绍计算机网络体系结构 的概念和内容，包括分层原理和通信协议、开放系统互 联参考模型（OSI/RM），以及OSI/RM各层的功能及各层 服务。同时，在介绍TCP/IP的基本概念和分层模型的基
础上，对OSI/RM与TCP/IP两种模型进行比较分析。
【本章重点难点】重点掌握计算机网络体系结构的概 念、OSI/RM各层的功能以及TCP/IP协议的体系结构。
图3.2 协议数据单元PDU、接口数据单元IDU和服务数据单元SDU
协议数据单元PDU、接口数据单元IDU和服务数据单元SDU
16
2.1.2 网络体系结构的分层模型 2、分层原理
社会上存在的邮政系统
发信者 书写信件 贴邮票 送邮箱 收集信件 盖邮戳 信件分拣 信件打包 送运输部门 通信者活动 收信者 通信者活动 阅读信件
39
OSI环境中的数据传输过程
1. OSI环境（OSI environment）
2
2.1 计算机网络体系结构 2.1.1 网络体系结构的定义和发展 规定同层次进程通信的协议以及相邻层之间的接口与服务， 将这些同层进程间通信的协议以及相邻层接口统称为网络 体系结构（Network Architecture）。
层次结构模型+协议集=网络体系结构
网络体系结构对计算机网络的功能进行了精确的定义； 体系结构是抽象的，而实现是硬件和软件。
7
2.1.2 网络体系结构的分层模型 1．OSI/RM模型的相关概念 （1）实体 Entity：在某一层中表示任何可发送或接收 信息的硬件或软件进程 （2）服务 Service：各层向其相邻上层提供的一组功 能集合，是相邻两层之间的界面。
（3）接口 Interface：不同功能层之间交换信息的连结
1
2.1 计算机网络体系结构 2.1.1 网络体系结构的定义和发展 1．网络体系结构的定义 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。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的 局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处
理。
为了完成计算机间的通信合作，人们把计算机互联的 功能划分成定义明确的层次
20
2.1.3 网络协议
在网络系统中，为了保证数据通信双方能正确而自动
地进行通信，针对通信过程中的各种问题，制定了一整套 约定，这就是网络协议（Network Protocol）。
网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；
网络协议的三要素：语义、语法与时序；
语义semantics：对构成协议的元素含义，“讲什么”；
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
传输介质
传输介质
传输介质
33
OSI参考模型各层的功能
物理层的主要功能：
利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管 理和释放物理连接； 实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数 据传输服务； 物理层的数据传输单元是比特。
每个SAP都有唯一的标识，称为端口port或插口socket
一个（N）层服务是由一个（N）层实体作用在一个（N） 层SAP上来完成的，
两层之间可以有多个SAP
一个（N）层实体可以向多个（N）层SAP提供服务，这称为连 接复用；
一个（N＋1）层实体可以使用多个（N）层SAP，这称为连接分 裂。
同一系统的相邻两层实体的一次交互中，经过层间接口 的数据信息单元，分为接口控制信息ICI和接口数据
上层服务用户要求服务提供者传递的逻辑数据单元
（N）PCI
（N）SDU
（N）层
（N）PDU
（N-1）ICI
（N-1）IDU （N-1）层 （N-1）PCI （N-1）SDU （N-1）ICI
（N-1）PDU
36
传输层的主要功能：
向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务； 处理数据包错误、数据包次序，以及其他一
些关键传输问题；
传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节， 是计算机通信体系结构中关键的一层。
37
会话层的主要功能：
负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到
点传输不中断；
管理数据交换。
Pn ：为n层协议
N
N
N－1
N－1
2
P2
2
1
P1
1
物理通信线路
18
3、分层的好处
各层之间相互独立; 灵活性好;
各层都可以采用最合适的技术来实现;
易于实现和维护; 有利于促进标准化。
19
4、分层的原则
（1）层次不能太多，也不能太少。 （2）应在接口服务描述工作量最小、穿过相邻边界相互作用次数 最少或 通信量最小的地方建立边界。 （3）每层应当实现一个定义明确的功能。 （4）每一层的功能要尽量局部化。 （5）每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。 （6）同一节点内相邻层次之间通过接口通信，每一层只与它的上、 下邻层产生接口，规定相应的业务。 （7）不同节点的同等层按照协议实现同等层之间的通信。
点。 （4）服务原语 Service Primitive：服务在形式上使用 服务原语来描述的。供实体访问服务或报告事件。 （5）数据单元 Data Unit：网络中信息传输的单位。
8
协议和服务关系
在开放系统互连参考模型OSI/RM中采用了七层协议体 系结构 其中任何一层，均可记为（N），表示“第N层”。
3
2．网络体系结构的发展
1974年，美国IBM公司首先公布了世界上第一个计算 机网络体系结构（SNA，System Network Architecture），凡是遵循SNA的网络设备都可以很方 便地进行互连。
1977年3月，国际标准化组织ISO的技术委员会TC97 成立了一个新的技术分委会SC16专门研究“开放系统 互连”，并于1983年提出了开放系统互连参考模型， 即著名的ISO 7498国际标准（我国相应的国家标准是 GB 9387），记为OSI/RM。
语法syntax：语法是用户数据与控制信息的结构与格
式，以及数据出现的顺序的意义；“如何讲”
时序timing：事件实现顺序的详细说明。
21
协议很复杂
协议必须把所有不利的条件事先都估计 到，而不能假定一切都是正常的和非常 理想的。 看一个计算机网络协议是否正确，不能 光看在正常情况下是否正确，而且还必 须非常仔细地检查这个协议能否应付各 种异常情况。
层间接口
（N-1）层
通过（N-1）层连接进行通信 （N）层服务提供者
图3.1 协议与服务的概念 协议、服务的概念
10
服务访问点 SAP
接口，也称服务访问点（SAP，Service Access Point）
SAP是指同一系统中相邻两层实体之间进行交换信息之 处，即（N）层实体和（N＋1）层实体之间的逻辑接口。
邮局服务业务
邮局服务业务
信件投递 信件分拣
邮局转送业务
邮局转送业务
分发邮件 邮件拆包 转送邮局 接收邮包
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路由选择 运输
运输部门的邮件运输业务
在网络的分层结构中：每一层都要为上层提供服务， 并说明调用这种服务的接口。如下图
系统A 应用进程
N +1
系统B 应用进程 Pn+1 Pn
Pn-1 N +1
网中各结点都具有相同的层次； 不同结点的同等层具有相同的功能； 同一结点内相邻层之间通过接口通信； 每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提 供服务； 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的 通信。
32
OSI参考模型的结构
主机 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 网 CCP 络 层 网 CCP 络 层 应 表 会 传 网 主机 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层
在OSI/RM模型中，协议和服务是两个非常重要的不同 概念。
（N）协议：控制两个（N）层对等实体进行通信的规则的集 合称为（N）协议； （N）服务：两个（N）层实体间的通信在（N）协议的控制 下，能够使（N）层向上一层提供服务，这种服务就称为（N） 服务
（N＋1）层实体：接受（N）服务的用户是（N＋1）层实体。
22
著名的协议举例 【例1-1】
占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在 山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1 或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战 则可战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发 起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通 信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大 （没有电话可使用）。因此要求收到电文的友 军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可 能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得 蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即 100 %而不是99.999…%）取得胜利？
26
OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间 通信标准的制定； 在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的， 而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；
OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准 时所使用的概念性的框架。
31
OSI参考模型的结构
ISO划分七层结构的基本原则
上述关于协议和服务的基本概念及相互关系如图：
9
开放系统A （N＋1）层
（N）层服务用户
开放系统B
（N）层
（N＋1）实体 （N＋1）实体 交 交 提 换 提 换 供 服 供 服 服 务 提供（N）层服务 服 务 务 原 务 原 语 语 （N）层协议 （N）实体 （N）实体 提供（N-1）功能：
在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的
实体间建立数据链路连接；
传输以“帧”为单位的数据包；
采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线
路变成无差错的数据链路。
35
网络层的主要功能：
通过路由选择算法为分组通过通信子网选择
最适当的路径；
为数据在结点之间传输创建逻辑链路； 实现拥塞控制、网络互连等功能。
23
明日正午进攻，如何？
同意 收到“同意”
这样的协议无法实现！
收到：收到“同意”
…
…
24
结论
这样无限循环下去，两边的蓝军都始终 无法确定自己最后发出的电文对方是否 已经收到。 没有一种协议能够蓝军能 100% 获胜。
25
2.2 开放系统互联参考模型OSI/RM
在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国 际组织是： 国际电报与电话咨询委员会 （Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT ）； 国际标准化组织 （International Standards Organization ，ISO）。 CCITT与ISO的工作领域是不同的： CCITT 主要是考虑通信标准的制定； ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。
2.1.2 网络体系结构的分层模型
主机A 应用进程A 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 数据 数据 数据单元 数据单元 报文 分组 帧 比特序列 传输介质
主机B 应用进程B 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
表示层的主要功能：
用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式； 数据格式变换； 数据加密与解密； 数据压缩与恢复。
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应用层的主要功能:
为应用程序提供了网络服务; 应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使 得协同工作的应用程序之间的同步;
建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机 制。
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服务原语
服务原语（Service Primitive）是指用户与服务提供者 之间进行交互时所要交换的一些必要信息。 OSI/RM规定了四种服务原语类型，如表所示。
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服务分为有确认服务和无确认服务两大类，前者每次 服务要使用全部四种服务原语，而后者只使用两种服 务原语，如图：
系统A 用户A Request 服务层 系统B 用户B
有确认 需要证实 的服务 服务
Confirm 不需要证实 服务 的服务
Indication Response 时 间 Indication
无确认
Request
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数据单元
（1）协议数据单元PDU： （2）接口数据单元IDU （3）服务数据单元 SDU
15
不同系统某层对等实体为实现该层协议所交换的信息单 位 ，分为协议控制信息PCI和用户数据
第2章 计算机网络体系结构
【本章内容简介】本章系统介绍计算机网络体系结构 的概念和内容，包括分层原理和通信协议、开放系统互 联参考模型（OSI/RM），以及OSI/RM各层的功能及各层 服务。同时，在介绍TCP/IP的基本概念和分层模型的基
础上，对OSI/RM与TCP/IP两种模型进行比较分析。
【本章重点难点】重点掌握计算机网络体系结构的概 念、OSI/RM各层的功能以及TCP/IP协议的体系结构。
图3.2 协议数据单元PDU、接口数据单元IDU和服务数据单元SDU
协议数据单元PDU、接口数据单元IDU和服务数据单元SDU
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2.1.2 网络体系结构的分层模型 2、分层原理
社会上存在的邮政系统
发信者 书写信件 贴邮票 送邮箱 收集信件 盖邮戳 信件分拣 信件打包 送运输部门 通信者活动 收信者 通信者活动 阅读信件
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OSI环境中的数据传输过程
1. OSI环境（OSI environment）
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2.1 计算机网络体系结构 2.1.1 网络体系结构的定义和发展 规定同层次进程通信的协议以及相邻层之间的接口与服务， 将这些同层进程间通信的协议以及相邻层接口统称为网络 体系结构（Network Architecture）。
层次结构模型+协议集=网络体系结构
网络体系结构对计算机网络的功能进行了精确的定义； 体系结构是抽象的，而实现是硬件和软件。
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2.1.2 网络体系结构的分层模型 1．OSI/RM模型的相关概念 （1）实体 Entity：在某一层中表示任何可发送或接收 信息的硬件或软件进程 （2）服务 Service：各层向其相邻上层提供的一组功 能集合，是相邻两层之间的界面。
（3）接口 Interface：不同功能层之间交换信息的连结
1
2.1 计算机网络体系结构 2.1.1 网络体系结构的定义和发展 1．网络体系结构的定义 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。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的 局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处
理。
为了完成计算机间的通信合作，人们把计算机互联的 功能划分成定义明确的层次
20
2.1.3 网络协议
在网络系统中，为了保证数据通信双方能正确而自动
地进行通信，针对通信过程中的各种问题，制定了一整套 约定，这就是网络协议（Network Protocol）。
网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；
网络协议的三要素：语义、语法与时序；
语义semantics：对构成协议的元素含义，“讲什么”；
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
传输介质
传输介质
传输介质
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OSI参考模型各层的功能
物理层的主要功能：
利用传输介质为通信的网络结点之间建立、管 理和释放物理连接； 实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数 据传输服务； 物理层的数据传输单元是比特。
每个SAP都有唯一的标识，称为端口port或插口socket
一个（N）层服务是由一个（N）层实体作用在一个（N） 层SAP上来完成的，
两层之间可以有多个SAP
一个（N）层实体可以向多个（N）层SAP提供服务，这称为连 接复用；
一个（N＋1）层实体可以使用多个（N）层SAP，这称为连接分 裂。
同一系统的相邻两层实体的一次交互中，经过层间接口 的数据信息单元，分为接口控制信息ICI和接口数据
上层服务用户要求服务提供者传递的逻辑数据单元
（N）PCI
（N）SDU
（N）层
（N）PDU
（N-1）ICI
（N-1）IDU （N-1）层 （N-1）PCI （N-1）SDU （N-1）ICI
（N-1）PDU
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传输层的主要功能：
向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务； 处理数据包错误、数据包次序，以及其他一
些关键传输问题；
传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节， 是计算机通信体系结构中关键的一层。
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会话层的主要功能：
负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到
点传输不中断；
管理数据交换。
Pn ：为n层协议
N
N
N－1
N－1
2
P2
2
1
P1
1
物理通信线路
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3、分层的好处
各层之间相互独立; 灵活性好;
各层都可以采用最合适的技术来实现;
易于实现和维护; 有利于促进标准化。
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4、分层的原则
（1）层次不能太多，也不能太少。 （2）应在接口服务描述工作量最小、穿过相邻边界相互作用次数 最少或 通信量最小的地方建立边界。 （3）每层应当实现一个定义明确的功能。 （4）每一层的功能要尽量局部化。 （5）每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。 （6）同一节点内相邻层次之间通过接口通信，每一层只与它的上、 下邻层产生接口，规定相应的业务。 （7）不同节点的同等层按照协议实现同等层之间的通信。
点。 （4）服务原语 Service Primitive：服务在形式上使用 服务原语来描述的。供实体访问服务或报告事件。 （5）数据单元 Data Unit：网络中信息传输的单位。
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协议和服务关系
在开放系统互连参考模型OSI/RM中采用了七层协议体 系结构 其中任何一层，均可记为（N），表示“第N层”。
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2．网络体系结构的发展
1974年，美国IBM公司首先公布了世界上第一个计算 机网络体系结构（SNA，System Network Architecture），凡是遵循SNA的网络设备都可以很方 便地进行互连。
1977年3月，国际标准化组织ISO的技术委员会TC97 成立了一个新的技术分委会SC16专门研究“开放系统 互连”，并于1983年提出了开放系统互连参考模型， 即著名的ISO 7498国际标准（我国相应的国家标准是 GB 9387），记为OSI/RM。
语法syntax：语法是用户数据与控制信息的结构与格
式，以及数据出现的顺序的意义；“如何讲”
时序timing：事件实现顺序的详细说明。
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协议很复杂
协议必须把所有不利的条件事先都估计 到，而不能假定一切都是正常的和非常 理想的。 看一个计算机网络协议是否正确，不能 光看在正常情况下是否正确，而且还必 须非常仔细地检查这个协议能否应付各 种异常情况。
层间接口
（N-1）层
通过（N-1）层连接进行通信 （N）层服务提供者
图3.1 协议与服务的概念 协议、服务的概念
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服务访问点 SAP
接口，也称服务访问点（SAP，Service Access Point）
SAP是指同一系统中相邻两层实体之间进行交换信息之 处，即（N）层实体和（N＋1）层实体之间的逻辑接口。
邮局服务业务
邮局服务业务
信件投递 信件分拣
邮局转送业务
邮局转送业务
分发邮件 邮件拆包 转送邮局 接收邮包
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路由选择 运输
运输部门的邮件运输业务
在网络的分层结构中：每一层都要为上层提供服务， 并说明调用这种服务的接口。如下图
系统A 应用进程
N +1
系统B 应用进程 Pn+1 Pn
Pn-1 N +1
网中各结点都具有相同的层次； 不同结点的同等层具有相同的功能； 同一结点内相邻层之间通过接口通信； 每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提 供服务； 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的 通信。
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OSI参考模型的结构
主机 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 网 CCP 络 层 网 CCP 络 层 应 表 会 传 网 主机 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层
在OSI/RM模型中，协议和服务是两个非常重要的不同 概念。
（N）协议：控制两个（N）层对等实体进行通信的规则的集 合称为（N）协议； （N）服务：两个（N）层实体间的通信在（N）协议的控制 下，能够使（N）层向上一层提供服务，这种服务就称为（N） 服务
（N＋1）层实体：接受（N）服务的用户是（N＋1）层实体。
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著名的协议举例 【例1-1】
占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在 山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1 或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战 则可战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发 起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通 信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大 （没有电话可使用）。因此要求收到电文的友 军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可 能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得 蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即 100 %而不是99.999…%）取得胜利？
26
OSI参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间 通信标准的制定； 在OSI的范围内，只有各种的协议是可以被实现的， 而各种产品只有和OSI的协议相一致时才能互连；
OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准 时所使用的概念性的框架。
31
OSI参考模型的结构
ISO划分七层结构的基本原则
上述关于协议和服务的基本概念及相互关系如图：
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开放系统A （N＋1）层
（N）层服务用户
开放系统B
（N）层
（N＋1）实体 （N＋1）实体 交 交 提 换 提 换 供 服 供 服 服 务 提供（N）层服务 服 务 务 原 务 原 语 语 （N）层协议 （N）实体 （N）实体 提供（N-1）功能：
在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的
实体间建立数据链路连接；
传输以“帧”为单位的数据包；
采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线
路变成无差错的数据链路。
35
网络层的主要功能：
通过路由选择算法为分组通过通信子网选择
最适当的路径；
为数据在结点之间传输创建逻辑链路； 实现拥塞控制、网络互连等功能。
23
明日正午进攻，如何？
同意 收到“同意”
这样的协议无法实现！
收到：收到“同意”
…
…
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结论
这样无限循环下去，两边的蓝军都始终 无法确定自己最后发出的电文对方是否 已经收到。 没有一种协议能够蓝军能 100% 获胜。
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2.2 开放系统互联参考模型OSI/RM
在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国 际组织是： 国际电报与电话咨询委员会 （Consultative Committee on InternationalTelegraph and Telephone，CCITT ）； 国际标准化组织 （International Standards Organization ，ISO）。 CCITT与ISO的工作领域是不同的： CCITT 主要是考虑通信标准的制定； ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。