第1章-6ed第2讲 计算机网络体系结构

网络层的主要功能： §通过路由选择算法为分组选择最适当的路 径； §为数据在结点之间传输创建逻辑链路； §把传输层产生的报文段或用户数据报封装 成分组或数据包进行传送。 §实现拥塞控制、网络互连等功能。
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； §复用和分用功能。
参考模型每一层数据的名称
应用层 应用层 数据 表示层 会话层 数据段 数据包/分组 数据帧 比特流 传输层
表示层
会话层
传输层
网络层 数据链路层 物理层
网络层
数据链路层 物理层
著名的协议举例
占据两个山顶的蓝军与驻扎在这山谷的白军 作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过 白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白 军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发 起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。 但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。 因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。 但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种 协议，使得蓝军能实现协同作战因而一定(即 100 %)取得胜利？ P32 例1-1
§主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。 §可以将要做的工作划分为三类。
参见P27 图1-17
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
1983年形成正式文件，即著名的ISO 7498国际 标准，就是所谓七层协议的体系结构。

“开放”是指只要遵循OSI标准，一台计算机就可以与 位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其它计算 机进行通信。

* OSI体系结构的分层
主机 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 路由器 网 络 层 路由器 网 络 层 应 表 会 传 网 主机 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层
AP2 5 4 3 2 1
4
3 2
H5
H5
应用程序数据
应用程序数据
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层
H5
计算机 2
AP2 5 4 3 2 1
应用程序数据
4
3 2
H4
H5
应用程序数据
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
应用层
§网络终端协议（Telnet） §文 件 传 输 协 议 （ FTP ， File Transfer Protocol） §简 单 邮 件 传 输 协 议 （ SMTP ， Simple Mail Transfer Protocol ） §域名系统（DNS，Domain Name System） §简单网络管理协议（SNMP，Simple Network Management Protocol） §超 文 本 传 输 协 议 （ HTTP ， Hyper Text Transfer Protocol ）
§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。
★ 数据在各层之间的传递过程
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1 AP1 5 4
图1-19
注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次
应用层首部 运输层首部 网络层首部
H4 H4 H5 H5 H5
网际层
§相当OSI参考模型网络层无连接网络服务；
§处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；
§IP协议是一种无连接的、提供“尽力而为” 服务的网络层协议。
传输层
§主要功能是在互连网中源主机与目的主机 的对等实体间建立用于会话的端-端连接；
§传输控制协议 TCP 是一种可靠的面向连接 协议； §用户数据报协议 UDP 是一种不可靠的无连 接协议。
计算机 2 AP2
应用程序数据 应用程序数据 应用程序数据 链路层 尾部
T2
5
4 3 2 1
3
2 1
链路层 首部
H2
H3
应用程序数据 应用程序数据
H3
H4
H5
10100110100101 比 特 流 110101110101
封装：将数据放置在每一层的首部（和尾部之前）之后。
计算机 1 向计算机 2 发送数据
AP1 5
H5
计算机 2
应用程序数据 应用程序数据 AP2 5 4 3 2 1
4
3 2
应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！
计算机 2
AP2 5 4 3 2 1
4
3 2
1
数据封装的例子
AP1 5
计算机 2
AP2 5
4
3 2
数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层
H3 H2 H3 H4 H4 H5 H5
4 3
应用程序数据 应用程序数据
T2
2 1
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
计算机 2
网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层
H4
H3 H4
数据链路层 物 理 层 传输介质
数据链路层 物 理 层 传输介质
数据链路层 物 理 层
数据链路层 物 理 层
传输介质
§由于TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、 运输层、网际层和网络接口层，但最下面 的网络接口层并没有具体内容。 因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五 层协议的体系结构，如图1-18。
3、TCP/IP协议的体系结构
（1）TCP/IP协议的发展 了解 § 在TCP/IP协议研究初期，并没有提出参考模型； § 1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型； § 80年代Leiner、 Clark等人对TCP/IP参考模型进一步的研究； § TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本4、版本 5与版本6； § 目前我们使用的是版本4，它的网络层IP协议一般记作IPv4 ； § 版本6的网络层IP协议一般记作IPv6（或IPng, IP next generation）； § IPv6协议被称为下一代的IP协议。
（2）TCP/IP参考模型分层
§应用层（application layer） §传输层（transport layer）
§网际层（internet layer）网络层
§主机-网络层（host-to-network layer） （网络接口层）
★ TCP/IP体系结构各层的功能（补充）
网络接口层
§TCP/IP参考模型的最低层，负责通过网络发送和接 收IP数据报; §允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议， 例如：局域网的Ethernet、令牌环网、分组交换网 的X.25、帧中继、ATM协议、ISDN等; §充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性，它也为 TCP/IP的成功奠定了基础。
★ 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位是比特流。
数据链路层的主要功能：参考P29 §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； §将网络层交下来的IP数据报封装成帧，在链路 上透明的传送帧中的数据； §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。 数据链路层主要负责传输路径上相邻节点间 的数据交付，这个节点包括了交换机和路由器等 数据通信设备。
1.7.3 几种体系结构
§OSI的七层协议体系结构 §因特网的五层协议的体系结构 §TCP/IP的四层体系结构
1、关于开放系统互连参考模型 OSI/RM
§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。
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。
分层的好处：P27 §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。
计算机网络的体系结构
§计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络 的各层及其协议的集合。 §体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的 功能的精确定义。 §实现问题(implementation)是遵循这种体系结构的 前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 §体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在 运行的计算机硬件和百度文库件。
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。
OSI的发展

了解
1974年，美国的IBM公司研制的系统网络体系结构 SNA－按照分层的方法制订的。 1977年，由ISO成立专门机构研究“不同体系结构 的计算机网络互连”的问题，并提出了OSI/RM标准， 即开放系统互连基本参考模型，简称OSI。
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 计算机 2
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
文件传送模块 通信服务模块
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
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
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。
会话层的主要功能：（补充 OSI）
§负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保 点-点传输不中断； §管理数据交换。
表示层的主要功能：（补充 OSI）
2、五层协议的体系结构
5 4 3
应用层 运输层 网络层
数据链路层 数据链路层
2
1
物理层
§应用层(application layer) §运输层(transport layer) §网络层(network layer) §数据链路层(data link layer) §物理层(physical layer)
1.7 计算机网络的体系结构
1.7.1 计算机网络体系结构的形成
§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。 §对网络进行“分层”将网络庞大而复杂的问 题，划分为若干较小、简单的问题，而这些 较小的问题就比较易于研究和处理。
例如：邮政系统的信件处理过程
发信者 书写信件、贴邮票、送邮箱 通信者活动 收信者 通信者活动 阅读信件
1.7.2 协议与划分层次
网络协议是为网络数据交换而制定的规则、 约定与标准,简称“协议”； 网络协议的三要素：语义、语法与同步； 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； 语义：用于解释比特流的每个部分的意义； 同步/时序：事件实现顺序的详细说明。
划分层次的概念举例
计算机 1
AP1 5
计算机 2
AP2 5 4
4
3 2
H2
计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层
H3 H4 H5
3
T2
应用程序数据
2 1
1
10100110100101 比 特 流 110101110101
解封装：在每一层将数据的首部（和尾部）去掉。
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
收集信件、盖邮戳、信件分拣
邮局服务业务
邮局服务业务
信件投递、信件分拣
信件打包
邮局转送业务
邮局转送业务
分发邮件、邮件拆包
采用分层结构
路由选择、运输 运输部门的邮件运输业务 转送邮局、接收邮包
邮政系统和计算机网络系统相似之处
分层原则：补充
§根据功能进行抽象分层，每个层次所要实现的功 能或服务均有明确的规定； §每层功能的选择应有利于标准化； §不同的系统分成相同的层次，对等层次具有相同 功能； §高层使用下层提供的服务时，下层服务的实现是 不可见的； §层的数目要适当，层次太少功能不明确，层次太 多体系结构过于庞大。