第三讲,常用通信协议介绍
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➢传输层——数据段（Segment）
➢网络层——分组（数据报）（Packet）
➢数据链路层——数据帧（Frame）
➢物理层——比特（Bit）
2020/3/10
page 13
▪数据封装
一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首 先必须打包，打包的过程成为封装。 封装就是在数据前面加上特定的协议头部。
处理网络应用 数据表示 主机间通信 端到端的连接 寻址和最短路径 介质访问（接入） 二进制传输
2020/3/10
page 9
▪对等通信的实质
OSI参考模型禁止不同主机的对等层之间的直接 通信。(想一想，为什么?)
实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与 另一台主机的对应层通信。
上层使用下层提供的服务——Service user；
数据
协议头
数据
发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址 的信封中发送，还要写明用航空或挂号…。
2020/3/10
page 14
OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。
为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装 ，然后加入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成 数据传输所需的控制信息。
在这个过程中，甲乙双方都遵守了打电话的协议。
其中，电话号码就是“语法”的一个例子，一般电话号码由五到八 位阿拉伯数字组成，如果是长途要加拨区号，国际长途还有国家代 码等等；
甲拨通乙的电话后，乙的电话振铃，振铃是一个信号，表示有电话 打进，乙选择接电话，讲话；这一系列的动作包括了控制信号、响 应动作、讲话内容等等，就是“语义”的例子；
网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方 法。——把复杂的网络互联问题划分为若干个较 小的、单一的问题，在不同层上予以解决。
就像编程时把问题分解为很多小的模块来解决一样。
2020/3/10
page 3
层次结构方法要解决的问题
1.网络应该具有哪些层次？每一层的 功能是什么？（分层与功能）
2.各层之间的关系是怎样的？它们如 何进行交互？（服务与接口）
第三章 网络体系结构与TCP/IP
本章重点
层次化体系结构：OSI、TCP/IP 主要层的功能及相关协议
– 物理层 – 数据链路层 – 网络层 – 传输层 – 应用层
2020/3/10
page 1
3.1网络体系结构
网络体系结构发展的背景——网络的状况
✓多种通信媒介——有线、无线。。。 ✓不同种类的设备——通用、专用。。。 ✓不同的操作系统——Unix、Windows 。。。 ✓不同的应用环境——固定、移动。。。 ✓不同种类业务——分时、交互、实时。。。 ✓宝贵的投资和积累——有形、无形。。。 ✓用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏 它们互相交织，形成了非常复杂的系统应用环境。
2020/3/10
page 21
▪TCP/IP与与应用层
应用层协议支持了文件传输、电子邮件、远程登录、网 络管理、Web浏览等应用。
应用层
传输层 网际层 网络接口
文件传输
●FTP、TFTP、NFS 电子邮件
●SMTP、POP3 WWW应用
●HTTP 远程登录
●Telnet、rlogin 网络管理
●SNMP 名字管理
3.不可靠连接 - 数字化声音
1.数据报 - 广播/组播 2.可靠的数据报- 挂号邮件 3.请求应答 - 数据库查询
2020/3/10
page 18
2.6 TCP/IP参考模型
众所周知，ARPANET是国际互联网的前身。它的主要目 的是为了应付战时的需要，希望一旦受到部分破坏，其他部 分仍然能够工作，当时已经实现了异种机互连，而且数据传 输方式也多种多样。最初，它的网络连接方式只有租用线路 一种，后来随着卫星等通信手段的加盟，最初的协议出现了 问题。因此，一种灵活的、可靠的、能够对异种网络实现无 缝连接的体系结构出现了，它就是TCP/IP参考模型。如图 2-4所示，TCP/IP模型包含了一族网络协议，TCP和IP是其 中最重要的两个协议。
TCP/IP参考模型中的各个协议在RFC文档中都有详细的定 义。RFC的全称是Internet Request For Comments，主 要是关于国际互联网协议标准以及建议草案等的介绍，它由 两千多个较为独立的文档组成，目前数量还在不断增加。这 些文档有些是建议，有些是对早期文档的补充，有些已经形 成了标准。
“时序”的概念更好理解，因为甲拨了电话，乙的电话才会响，乙 听到铃声后才会考虑要不要接，这一系列事件的因果关系十分明确 ，不可能没有人拨乙的电话而乙的电话会响，也不可能在电话铃没 响的情况下，乙拿起电话却从话筒里传出甲的声音。
层次结构方法的优点
✓把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于 实现和维护
这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装 的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断 拆封的过程。由此可知，在物理线路上传输的数据， 其外面实际上被包封了多层“信封”。
但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而 对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其 提交给上层，本层不作任何处理。
3.通信双方的数据传输要遵循哪些规 则？（协议）
层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务 与层间接口，协议。
2020/3/10
page 4
若干重要概念
1、 协议
实现计算机网络资源共享、信息交换，各实体之间经常要 进行各种通信和对话。
为所欲为、各行其是，其结果肯定是乱作一团。
把国际互连网络叫做信息高速公路，要想在上面实现共享 资源、交换信息，必须遵循一些事先制定好的规则标准，这 就是协议。
的要求
静态分配资源；传输 前需要建立连接
提供可靠的报文流服务
仅在连接阶段需要完整的 目的地址
动态分配资源
不能防止报文的丢失、损 坏、重复和失序 需要为每一个报文提供完 整的目的地址
适用场合
在一段时间内向同一目的地 发送大量报文; 实时性要求
少量零星报文
1.可靠消息流 - 文件传输 分类及示例 2.可靠字节流 - 远程登录
page 7
网络体系结构的几个基本概念
协议：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、 标准或约定。(=语义+语法+规则)
不同层具有各自不同的协议。
实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 对等层：两个不同系统的同名层次。
对等实体：位于不同系统的同名层次中的两个实体。
协议作用在对等实体之间。
●DNS
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page 22
▪TCP/IP与传输层
传输层的两项主要功能： ▪ 流量控制：通过滑动窗口实现； ▪ 可靠传输：由序号和确认来实现。
传输层提供了TCP和UDP两种传输协议： ▪ TCP是面向连接的、可靠的传输协议。它把报文分解 为多个段进行传输，在目的站再重新装配这些段， 必要时重新发送没有收到的段。 ▪ UDP是无连接的。由于对发送的段不进行校验和确认 ，因此它是“不可靠”的。
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数据多层封装
数据
段头 数据
拆封
封装
数据
段
网络头 段头 数据
数据包
帧头 网络头 段头 数据 帧尾 011101000011000010100101111010110
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帧
比特 电脉冲
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实际例子：TCP/IP协议的封装
应用层 传输层 网际层
应用层数据
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传输层提供了两种传输协议
应用层
传输层 网际层 网络接口
面向连接的 ●TCP 无连接的 ●UDP
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2.6.3 传输层
传输层（Transport Layer）的主要功能是负责端到端的对等实体之 间进行通信。
它与OSI参考模型的传输层功能类似，也对高层屏蔽了低层网络的实现细节， 同时它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信。TCP/IP参考模型的传输 层完全是建立在包交换通信子网基础之上的。
传真
秘书
物理通信线路
问题： 中国教师与德国教师之间、翻译之间，他们是在直接通信吗？ 翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？ 中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务？
2020/3/10
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系统A
系统B
消息
N+1
Pn+1
N+1
N
Pn
N
N-1
Pn-1
N-1
➢对等层通信的实质：
对等层实体之间虚拟通信
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▪TCP/IP与OSI参考模型的对应关系
OSI参考模型
7
应用层
6
表示层
5
会话层
4
传输层
3
网络层
2 数据链路层
1
物理层
TCP/IP概念层次
应用层
传输层 网际层 网络接口
TCP/IP支持 所有的、标准 的物理和数据 链路协议
Ethernet,802.3,802.5,FDDI 等等
3.4 TCP/IP模型
▪TCP/IP起源于美国国防部高级研究规划署(DARPA) 的一项研究计划——实现若干台主机的相互通信 。
▪现在TCP/IP已成为Internet上通信的标准。
▪TCP/IP模型包括4个概念层次： ▪应用层（application） ▪传输层（transport） ▪网际层（internet） ▪网络接口（network interface）
接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的 操作及下层对上层的服务。
服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供 给其相邻上层。
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3.2开放系统互联参考模型（OSI/RM）
▪OSI参考模型将网络的不同功能划分为7层
7 应用层Application 6 表示层Presentation 5 会话层session 4 传输层transport 3 网络层Network 2 数据链路层Data Link 1 物理层Physical
✓定义并提供了具有兼容性的标准接口
✓使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块
✓独立性强——上层只需了解下层通过层间接口提供什 么服务—黑箱方法
✓适应性强——只要服务和接口不变，层内实现方法可 任意改变
✓一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络， 因此每个区域的网络可单独升级或改造
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3
下层向上层提供服务
实际通信在最底层完成
2
1
右图给出了对等层通信
更一般的抽象。
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P3
3
P2
2
P1
1
物理通信线路
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OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元 统称为协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)。
而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名 称：
TCP头 应用层数据 IP头 TCP头 应用层数据
数链层
帧头
IP头 TCP头 应用层数据 帧尾
2020/3/10
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▪面向连接服务与无连接服务
Connection Oriented Service
Connectionless Service
参考模式 电话系统
邮政系统
特点
可靠性 对目的地址
TCP/IP的传输层定义了两个协议：
传输控制协议（Transport Control Protocol），简称TCP， 用户数据报协议（User Datagram Protocol），简称UDP，
TCP协议是可靠的、面向连接的协议。它用于包交换的计算机通信网络、互连 系统以及类似的网络上，保证通信主机之间有可靠的字节流传输。
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网络异质性问题的解决
网络体系结构就是使这些用不同媒介连接起来 的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现 互操作性，并满足各种业务的需求的一种粘合剂， 它营造了一种“生存空间”——任何厂商的任何 产品、以及任何技术只要遵守这个空间的行为规 则，就能够在其中生存并发展。
协议就是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合 。
协议有三个要素，即：
语义（Semantics）：“讲什么”；控制信息的内容，需要
做出的动作及响应；
语法（Syntax）： “怎么讲”；数据与控制信息的格式、
数据编码等
时序（Timing）： “序速控”；事件先后顺序和速度匹配
以两个人打电话为例来说明协议的概念： 甲要打电话给乙，首先甲拨通乙的电话号码，对方电话振铃，乙拿 起电话，然后甲乙开始通话，通话完毕后，双方挂断电话。
下层向上层提供服务——Service provider。
以不同国籍的人进行信息交流为例。(见下页图)
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对等通信示例：中德教师之间的对话
中国
教师 “你好”
翻译 “Hello”
秘书
传真
对交谈内容的共识
P3
用英语对话
P2
使用传真通信
P1
德国
“Hallo”
教师
“Hwenku.baidu.comllo”
翻译
➢网络层——分组（数据报）（Packet）
➢数据链路层——数据帧（Frame）
➢物理层——比特（Bit）
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▪数据封装
一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首 先必须打包，打包的过程成为封装。 封装就是在数据前面加上特定的协议头部。
处理网络应用 数据表示 主机间通信 端到端的连接 寻址和最短路径 介质访问（接入） 二进制传输
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▪对等通信的实质
OSI参考模型禁止不同主机的对等层之间的直接 通信。(想一想，为什么?)
实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与 另一台主机的对应层通信。
上层使用下层提供的服务——Service user；
数据
协议头
数据
发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址 的信封中发送，还要写明用航空或挂号…。
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OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。
为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装 ，然后加入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成 数据传输所需的控制信息。
在这个过程中，甲乙双方都遵守了打电话的协议。
其中，电话号码就是“语法”的一个例子，一般电话号码由五到八 位阿拉伯数字组成，如果是长途要加拨区号，国际长途还有国家代 码等等；
甲拨通乙的电话后，乙的电话振铃，振铃是一个信号，表示有电话 打进，乙选择接电话，讲话；这一系列的动作包括了控制信号、响 应动作、讲话内容等等，就是“语义”的例子；
网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方 法。——把复杂的网络互联问题划分为若干个较 小的、单一的问题，在不同层上予以解决。
就像编程时把问题分解为很多小的模块来解决一样。
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层次结构方法要解决的问题
1.网络应该具有哪些层次？每一层的 功能是什么？（分层与功能）
2.各层之间的关系是怎样的？它们如 何进行交互？（服务与接口）
第三章 网络体系结构与TCP/IP
本章重点
层次化体系结构：OSI、TCP/IP 主要层的功能及相关协议
– 物理层 – 数据链路层 – 网络层 – 传输层 – 应用层
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3.1网络体系结构
网络体系结构发展的背景——网络的状况
✓多种通信媒介——有线、无线。。。 ✓不同种类的设备——通用、专用。。。 ✓不同的操作系统——Unix、Windows 。。。 ✓不同的应用环境——固定、移动。。。 ✓不同种类业务——分时、交互、实时。。。 ✓宝贵的投资和积累——有形、无形。。。 ✓用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏 它们互相交织，形成了非常复杂的系统应用环境。
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▪TCP/IP与与应用层
应用层协议支持了文件传输、电子邮件、远程登录、网 络管理、Web浏览等应用。
应用层
传输层 网际层 网络接口
文件传输
●FTP、TFTP、NFS 电子邮件
●SMTP、POP3 WWW应用
●HTTP 远程登录
●Telnet、rlogin 网络管理
●SNMP 名字管理
3.不可靠连接 - 数字化声音
1.数据报 - 广播/组播 2.可靠的数据报- 挂号邮件 3.请求应答 - 数据库查询
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2.6 TCP/IP参考模型
众所周知，ARPANET是国际互联网的前身。它的主要目 的是为了应付战时的需要，希望一旦受到部分破坏，其他部 分仍然能够工作，当时已经实现了异种机互连，而且数据传 输方式也多种多样。最初，它的网络连接方式只有租用线路 一种，后来随着卫星等通信手段的加盟，最初的协议出现了 问题。因此，一种灵活的、可靠的、能够对异种网络实现无 缝连接的体系结构出现了，它就是TCP/IP参考模型。如图 2-4所示，TCP/IP模型包含了一族网络协议，TCP和IP是其 中最重要的两个协议。
TCP/IP参考模型中的各个协议在RFC文档中都有详细的定 义。RFC的全称是Internet Request For Comments，主 要是关于国际互联网协议标准以及建议草案等的介绍，它由 两千多个较为独立的文档组成，目前数量还在不断增加。这 些文档有些是建议，有些是对早期文档的补充，有些已经形 成了标准。
“时序”的概念更好理解，因为甲拨了电话，乙的电话才会响，乙 听到铃声后才会考虑要不要接，这一系列事件的因果关系十分明确 ，不可能没有人拨乙的电话而乙的电话会响，也不可能在电话铃没 响的情况下，乙拿起电话却从话筒里传出甲的声音。
层次结构方法的优点
✓把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于 实现和维护
这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装 的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断 拆封的过程。由此可知，在物理线路上传输的数据， 其外面实际上被包封了多层“信封”。
但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而 对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其 提交给上层，本层不作任何处理。
3.通信双方的数据传输要遵循哪些规 则？（协议）
层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务 与层间接口，协议。
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若干重要概念
1、 协议
实现计算机网络资源共享、信息交换，各实体之间经常要 进行各种通信和对话。
为所欲为、各行其是，其结果肯定是乱作一团。
把国际互连网络叫做信息高速公路，要想在上面实现共享 资源、交换信息，必须遵循一些事先制定好的规则标准，这 就是协议。
的要求
静态分配资源；传输 前需要建立连接
提供可靠的报文流服务
仅在连接阶段需要完整的 目的地址
动态分配资源
不能防止报文的丢失、损 坏、重复和失序 需要为每一个报文提供完 整的目的地址
适用场合
在一段时间内向同一目的地 发送大量报文; 实时性要求
少量零星报文
1.可靠消息流 - 文件传输 分类及示例 2.可靠字节流 - 远程登录
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网络体系结构的几个基本概念
协议：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、 标准或约定。(=语义+语法+规则)
不同层具有各自不同的协议。
实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 对等层：两个不同系统的同名层次。
对等实体：位于不同系统的同名层次中的两个实体。
协议作用在对等实体之间。
●DNS
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▪TCP/IP与传输层
传输层的两项主要功能： ▪ 流量控制：通过滑动窗口实现； ▪ 可靠传输：由序号和确认来实现。
传输层提供了TCP和UDP两种传输协议： ▪ TCP是面向连接的、可靠的传输协议。它把报文分解 为多个段进行传输，在目的站再重新装配这些段， 必要时重新发送没有收到的段。 ▪ UDP是无连接的。由于对发送的段不进行校验和确认 ，因此它是“不可靠”的。
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数据多层封装
数据
段头 数据
拆封
封装
数据
段
网络头 段头 数据
数据包
帧头 网络头 段头 数据 帧尾 011101000011000010100101111010110
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比特 电脉冲
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实际例子：TCP/IP协议的封装
应用层 传输层 网际层
应用层数据
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传输层提供了两种传输协议
应用层
传输层 网际层 网络接口
面向连接的 ●TCP 无连接的 ●UDP
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2.6.3 传输层
传输层（Transport Layer）的主要功能是负责端到端的对等实体之 间进行通信。
它与OSI参考模型的传输层功能类似，也对高层屏蔽了低层网络的实现细节， 同时它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信。TCP/IP参考模型的传输 层完全是建立在包交换通信子网基础之上的。
传真
秘书
物理通信线路
问题： 中国教师与德国教师之间、翻译之间，他们是在直接通信吗？ 翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？ 中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务？
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系统A
系统B
消息
N+1
Pn+1
N+1
N
Pn
N
N-1
Pn-1
N-1
➢对等层通信的实质：
对等层实体之间虚拟通信
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▪TCP/IP与OSI参考模型的对应关系
OSI参考模型
7
应用层
6
表示层
5
会话层
4
传输层
3
网络层
2 数据链路层
1
物理层
TCP/IP概念层次
应用层
传输层 网际层 网络接口
TCP/IP支持 所有的、标准 的物理和数据 链路协议
Ethernet,802.3,802.5,FDDI 等等
3.4 TCP/IP模型
▪TCP/IP起源于美国国防部高级研究规划署(DARPA) 的一项研究计划——实现若干台主机的相互通信 。
▪现在TCP/IP已成为Internet上通信的标准。
▪TCP/IP模型包括4个概念层次： ▪应用层（application） ▪传输层（transport） ▪网际层（internet） ▪网络接口（network interface）
接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的 操作及下层对上层的服务。
服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供 给其相邻上层。
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3.2开放系统互联参考模型（OSI/RM）
▪OSI参考模型将网络的不同功能划分为7层
7 应用层Application 6 表示层Presentation 5 会话层session 4 传输层transport 3 网络层Network 2 数据链路层Data Link 1 物理层Physical
✓定义并提供了具有兼容性的标准接口
✓使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块
✓独立性强——上层只需了解下层通过层间接口提供什 么服务—黑箱方法
✓适应性强——只要服务和接口不变，层内实现方法可 任意改变
✓一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络， 因此每个区域的网络可单独升级或改造
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下层向上层提供服务
实际通信在最底层完成
2
1
右图给出了对等层通信
更一般的抽象。
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P3
3
P2
2
P1
1
物理通信线路
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OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元 统称为协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)。
而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名 称：
TCP头 应用层数据 IP头 TCP头 应用层数据
数链层
帧头
IP头 TCP头 应用层数据 帧尾
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▪面向连接服务与无连接服务
Connection Oriented Service
Connectionless Service
参考模式 电话系统
邮政系统
特点
可靠性 对目的地址
TCP/IP的传输层定义了两个协议：
传输控制协议（Transport Control Protocol），简称TCP， 用户数据报协议（User Datagram Protocol），简称UDP，
TCP协议是可靠的、面向连接的协议。它用于包交换的计算机通信网络、互连 系统以及类似的网络上，保证通信主机之间有可靠的字节流传输。
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网络异质性问题的解决
网络体系结构就是使这些用不同媒介连接起来 的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现 互操作性，并满足各种业务的需求的一种粘合剂， 它营造了一种“生存空间”——任何厂商的任何 产品、以及任何技术只要遵守这个空间的行为规 则，就能够在其中生存并发展。
协议就是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合 。
协议有三个要素，即：
语义（Semantics）：“讲什么”；控制信息的内容，需要
做出的动作及响应；
语法（Syntax）： “怎么讲”；数据与控制信息的格式、
数据编码等
时序（Timing）： “序速控”；事件先后顺序和速度匹配
以两个人打电话为例来说明协议的概念： 甲要打电话给乙，首先甲拨通乙的电话号码，对方电话振铃，乙拿 起电话，然后甲乙开始通话，通话完毕后，双方挂断电话。
下层向上层提供服务——Service provider。
以不同国籍的人进行信息交流为例。(见下页图)
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对等通信示例：中德教师之间的对话
中国
教师 “你好”
翻译 “Hello”
秘书
传真
对交谈内容的共识
P3
用英语对话
P2
使用传真通信
P1
德国
“Hallo”
教师
“Hwenku.baidu.comllo”
翻译