第二章计算机网络体系结构主要内容
2.1 计算机网络的体系结构的形成
2.2 计算机网络的体系结构
– 2.2.1 计算机网络功能的分层
– 2.2.2 协议和协议的分层结构
– 2.2.3 计算机网络的体系结构
2.3 典型计算机网络参考模型
– 2.3.1 计算机网络的标准化
– 2.3.2 OSI参考模型
– 2.3.3 TCP/IP参考模型
2.4 网络和网络服务计算机网络功能的分层计算机网络的基本功能：
是为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路。
下述功能是必须提供的：
1,建立源结点和目的结点的传输通路；
2,网络要识别接收计算机；
3,发送计算机要确认接收方是否准备好；
4,信息格式的同一；
5,纠错功能。
2.1计算机网络的体系结构的形成
上述功能有三个显著特点：
1,上述功能必须同时满足一对用户；
2,用户之间的通信功能是相互的；
3,这些功能分散在各个网络设备和用户设备中。
1,ARPAnet对计算机网络技术的贡献：
提出并实现了分组交换的数据交换方式；
采用层次化的网络体系结构；
提出了通讯子网和资源子网两级子网的概念。
2,IBM公司的系统网络结构 SNA(System Network Architecture)
按分层思想设计
各公司提出的不同体系结构网络无法互通
3,ISO的开放系统互连（ OSI） 体系结构
只要遵循 OSI标准，一个系统可以与任何遵循同一个标
准的系统通信
第三代计算机网络的产生
1 计算机网络的体系结构的定义
计算机网络的体系结构,对计算机网络及其部件所完成功能的比较精确的定义，是 层次和协议 的集合。
计算机网络的体系结构是从功能的角度描述计算机网络 的结构
注意,仅仅定义了网络及其部件通过协议应完成的功能；
不定义协议的实现细节和各层协议之间的接口关系。
2.2计算机网络的体系结构
分层的原则：
（ 1）将通信功能分为多层，每层只完成一部分功能。
（ 2）每层只与相邻两层打交道,利用下层完成功能，向上层提供服务
（ 3）每层完成功能不宜过少或过多
2 层次结构的优点：
各层之间独立。每层只需要知道通过层间接口提供的服务。
灵活性好。只要接口不变，每层的变化不影响其他层。
结构可分割。每层可采用最适合的技术实现。
易于实现和维护。
促进标准化。
3 协议和协议的组成协议 ( Protocol )：
计算机网络通信双方为实现信息交换，而建立的必须遵守的规则、标准和约定的总和。
协议的组成：
语法（ syntax)：
以二进制形式表示的命令和相应的结构或形式语义（ semantics)：
由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应组成的集合定时关系（ timing),有关事件顺序的说明
4 实体、服务、接口、服务访问点 (Service Access Point)
实体：仍何可以发送或接收信息的硬件和软件进程。
对等实体：位于不同子系统的同一层内相互交互的实体。
服务：同层实体间通信时，向上层提供的功能。
接口：定义了下层向上层提供的原语操作和服务。
服务访问点 SAP,相邻两层交互信息处
任何层间服务是在接口的 SAP上进行的；
每个 SAP有唯一的识别地址；
每个层间接口可以有多个 SAP；
一个 SAP只能对应一个实体，一个实体可以对应多个 SAP.
(N+1)层实体
(N)实体
(N+1)层实体
(N)实体提供服务交换原语
(N)协议提供 (N)服务提供 (N-1)服务开放系统 A 开放系统 B(N)服务用户通过 (N-1)连接进行通信
(N)服务提供者
(N)层
(N-1)层层接口层接口提供服务交换原语
5 信息传输单元协议数据单元 PDU（ Protocol Data Unit）
第 N层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元 ；
PDU由上层的用户数据 和协议控制信息 PCI
（ Protocol Control Information)组成；
接口数据单元 IDU（ Interface Data Unit）
IDU是通过 SAP进行传送的层间信息单元；
IDU由上层的协议数据单元 PDU和接口控制信息 ICI
（ Interface Control Information） 组成；
服务数据单元（ SDU)(Service Data Unit)
一个 (N)服务数据单元就是 (N)服务所要传送的逻辑数据单元
(N)PCI (N)用户数据
(N)PDU
(N-1)PCI (N-1)用户数据
(N-1)PDU
协议数据单元
(N)PDU
(N)SDU(N)PCI
(N-1)IDU
(N-1)ICI
(N-1)SDU (N-1)ICI(N-1)PCI
(N-1)PDU
(N)层
(N-1)层
(N+1)PDU
PCI
PCI
(N)SDU
(N)PDU
(N)SAP
PCI
(N)PDU
SDU分段处理
6 服务原语原语：交互时必须交换的信息。
服务在形式上是由一组接口原语（或操作）
来描述的。
服务原语可分为四种类型：
请求（ Request）,指示（ Indication），
响应（ Response）,确认（ Confirm）
服务层用户 A 用户 B
系统 A 系统 B
Request
Request
Confirm
Indication
Response
Indication
证实服务无证实服务
1
1
4
2
3
2
服务原语的相互关系
7 服务分类基于连接的服务和无连接服务基于连接的服务当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接。
特点：顺序性好。
无连接服务直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。
特点：顺序性差。
Fig,1-13
注意,连接并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。
2.3 典型计算机网络的参考模型
2.3.1 计算机网络的标准化
– 一、电信标准
– 1865年成立国际电信联盟 ITU（ International
Telecommunication Union）
– 1947年 ITU 成为联合国的一个组织，由三部分组成：
– ITU- R,无线通信
– ITU- T,电信标准,1956 - 1993 年称为 CCITT,
下设许多研究组 SG,研究组下设专题，例如,Q42/SG
VII 专门研究 OSI 参考模型。
– ITU- D,开发
– 二、国际标准
– 1946年成立的国际标准化组织 ISO 负责制定各种国际标准,ISO 有 89个成员国家,85 个其他成员。
– ISO 有 200 多个技术委员会 TC,每个技术委员会下设若干分委员会 SC,每个分委员会由由若干工作组 WG 组成。
例如,TC97 - 计算机和信息处理
TC97/SC21/WG1 - OSI 体系结构、概念性方案和形式描述一个国际标准的形成：
CD (Committee Draft) - DIS (Draft International Standard) –
IS (International Standard)
其它标准化组织：
ANSI,美国国家标准研究所,ISO 的美国代表
NIST,美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构
IEEE,发表行业标准。例如 IEEE 802,后成为 ISO 8802。
ATM Forum,ATM论坛
OIF（ Optical Internetworking Forum）
值得注意的是,ITU - T 和 ISO 之间有很好的合作和协调。
– 三,Internet 标准
– Internet 的标准特点，是自发而非政府干预的，称为
RFC （ Request For Comments)。
– 1969 年 ARPANET 时就开始发布 RFC,至今已超过 3000
个。
– 1983年成立 IAB（ Internet Activities Board）
– 1989年在 IAB 下又成立了 IRTF 和 IETF,IETF的各工作组负责组织提出相应的 RFC 建议。
2.3.2 OSI (Open System Interconnection) 参考模型
开放系统互连体系结构的制定
体系结构的制定是一个抽象的概念
1,自上而下逐级求精的抽象方法
由高自低，约束条件逐级增加，描述越精确
2,OSI 三级抽象方法：
参考模型：定义体系中对象、关系、约束
服务定义：定义每层提供的服务
协议规范：协议的精确定义
1983年 ISO 的 OSI 模型正式成为国际标准。 Fig,1-16,Fig,
1-17
1,物理层（ The Physical Layer）
在物理线路上传输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。
2,数据链路层（ The Data Link Layer）
在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（ Frame）。
3,网络层（ The Network Layer）
控制通信子网提供源点到目的点的数据传送（ Packet）。
4,运输层（ The Transport Layer）
为用户提供端到端的数据传送服务。
5,会话层（ The Session Layer）
为用户提供会话控制服务（安全认证）。 token management
and synchronization (insert checkpoints into the data stream)
6,表示层（ The Presentation Layer）
为用户提供数据转换和表示服务。
7,应用层（ The Application Layer）
物理层接口与介质的物理特性比特的表示传输速率：既一个比特持续的时间位同步：发送方与接收方的时钟必须同步线路配置：点到点或点到多点物理拓扑传输方式：单工、双工、半双工
链路层：点到点的传输，将物理层的数据无错地传送给上层。
成帧：将比特流组成易于处理的数据单元。
物理寻址流量控制访问控制：链路的控制权
网络层：如果两系统在同条链路上，则不需要网络层。如果跨网络，则需要网络层完成端到端的传递。
逻辑寻址：链路层完成物理寻址处理本地寻址问题。逻辑寻址则处理网络间的寻址。
路由：网络设备将数据送到目的地的机制
传输层：负责端到端的传输过程。网络监管端到端的传输过程，但不了解包间的关系。传输层则要保证保文无差错顺序到达，并实现端到端的流控和差错控制。为了增加安全，有时在端到端之间建立逻辑连接，通过将同一服务的所有包限制在一条连接上，实现控制。
服务点寻址：网络层将包指向计算机，
传输层将包指向进程。
拆分和组装
连接控制：无连接和面向连接
流量控制
差错控制
会话层：对网络对话的控制器，建立、
维护、同步通信系统交互操作。
对话控制：确定通信方式，如连接主机的终端能半双工通话同步：增加检查点（同步点）。减少重传。
表示层：两系统间交换语义和语法。
翻译：各个计算机采用不同的编码系统，
表示层负责格式的转换。
加密压缩
应用层：提供了用户接口和服务支持网络虚拟终端：虚拟终端是物理终端的软件版本。用户登录到远程主机，在主机上建立软件模拟的终端，应用程序与模拟终端通信，模拟终端与主机通信。
文件传输、访问和管理：传输、访问、管理远程主机上的文件。
邮件服务目录服务：提供分布式数据库资源以及对不同对象和服务的全球信息的访问。
2.3 典型计算机网络的参考模型
2.3.3 TCP/IP 参考模型 (Fig,1-18)
– 以 TCP/IP 协议为核心的 Internet 网络体系结构。
– 1,物理层：在物理线路上传输原始的二进制数据位。
– 2,数据链路层：在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输。
– * TCP/IP 参考模型把第 1层和第 2层合起来称为,Host-to-
Network
– 3,Internet层（ 网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包传送。
– 4,运输层：提供端到端的数据传送服务。 TCP 和
UDP
– 5,应用层：提供各种 Internet 管理和应用服务功能。
Fig,1-19
Fig,1-21
TCP/IP 与 OSI 的比较
OSI与 TCP/IP模型的分析：
都基于独立协议栈的概念，对应层的功能大体相同。
OSI明确提出服务、接口、协议。
OSI能用于分析不同的技术。 TCP/IP是现有协议后有模型。
OSI在 传输层提供面向连接的服务，在网络层提供无连接和面向连接的服务。
TCP/IP在传输层提供无连接和面向连接的服务,IP层提供无连接的服务。
OSI的缺点：
提出教晚
技术有缺陷：功能划分有争议（会话层基本没用，表示层功能较少，链路层和网络层功能集中）。进行的修改（如将虚拟终端处理由表示层放入应用层。增加了无连接服务和连接协议。
由电信专家编写，忽略了计算机通信的特点
没有很好的实现支持
推动策略有误
TCP/IP的缺点
没有明确区分服务、协议和接口概念。
模型不通用。
主机中网络层只是一个接口。
不区分物理层和数据链路层。
有些协议提出时没有仔细推敲。
2.1 计算机网络的体系结构的形成
2.2 计算机网络的体系结构
– 2.2.1 计算机网络功能的分层
– 2.2.2 协议和协议的分层结构
– 2.2.3 计算机网络的体系结构
2.3 典型计算机网络参考模型
– 2.3.1 计算机网络的标准化
– 2.3.2 OSI参考模型
– 2.3.3 TCP/IP参考模型
2.4 网络和网络服务计算机网络功能的分层计算机网络的基本功能：
是为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路。
下述功能是必须提供的：
1,建立源结点和目的结点的传输通路；
2,网络要识别接收计算机；
3,发送计算机要确认接收方是否准备好；
4,信息格式的同一；
5,纠错功能。
2.1计算机网络的体系结构的形成
上述功能有三个显著特点：
1,上述功能必须同时满足一对用户；
2,用户之间的通信功能是相互的；
3,这些功能分散在各个网络设备和用户设备中。
1,ARPAnet对计算机网络技术的贡献：
提出并实现了分组交换的数据交换方式；
采用层次化的网络体系结构；
提出了通讯子网和资源子网两级子网的概念。
2,IBM公司的系统网络结构 SNA(System Network Architecture)
按分层思想设计
各公司提出的不同体系结构网络无法互通
3,ISO的开放系统互连（ OSI） 体系结构
只要遵循 OSI标准，一个系统可以与任何遵循同一个标
准的系统通信
第三代计算机网络的产生
1 计算机网络的体系结构的定义
计算机网络的体系结构,对计算机网络及其部件所完成功能的比较精确的定义，是 层次和协议 的集合。
计算机网络的体系结构是从功能的角度描述计算机网络 的结构
注意,仅仅定义了网络及其部件通过协议应完成的功能；
不定义协议的实现细节和各层协议之间的接口关系。
2.2计算机网络的体系结构
分层的原则：
（ 1）将通信功能分为多层，每层只完成一部分功能。
（ 2）每层只与相邻两层打交道,利用下层完成功能，向上层提供服务
（ 3）每层完成功能不宜过少或过多
2 层次结构的优点：
各层之间独立。每层只需要知道通过层间接口提供的服务。
灵活性好。只要接口不变，每层的变化不影响其他层。
结构可分割。每层可采用最适合的技术实现。
易于实现和维护。
促进标准化。
3 协议和协议的组成协议 ( Protocol )：
计算机网络通信双方为实现信息交换，而建立的必须遵守的规则、标准和约定的总和。
协议的组成：
语法（ syntax)：
以二进制形式表示的命令和相应的结构或形式语义（ semantics)：
由发出的命令请求，完成的动作和回送的响应组成的集合定时关系（ timing),有关事件顺序的说明
4 实体、服务、接口、服务访问点 (Service Access Point)
实体：仍何可以发送或接收信息的硬件和软件进程。
对等实体：位于不同子系统的同一层内相互交互的实体。
服务：同层实体间通信时，向上层提供的功能。
接口：定义了下层向上层提供的原语操作和服务。
服务访问点 SAP,相邻两层交互信息处
任何层间服务是在接口的 SAP上进行的；
每个 SAP有唯一的识别地址；
每个层间接口可以有多个 SAP；
一个 SAP只能对应一个实体，一个实体可以对应多个 SAP.
(N+1)层实体
(N)实体
(N+1)层实体
(N)实体提供服务交换原语
(N)协议提供 (N)服务提供 (N-1)服务开放系统 A 开放系统 B(N)服务用户通过 (N-1)连接进行通信
(N)服务提供者
(N)层
(N-1)层层接口层接口提供服务交换原语
5 信息传输单元协议数据单元 PDU（ Protocol Data Unit）
第 N层实体通过网络传送给它的对等实体的信息单元 ；
PDU由上层的用户数据 和协议控制信息 PCI
（ Protocol Control Information)组成；
接口数据单元 IDU（ Interface Data Unit）
IDU是通过 SAP进行传送的层间信息单元；
IDU由上层的协议数据单元 PDU和接口控制信息 ICI
（ Interface Control Information） 组成；
服务数据单元（ SDU)(Service Data Unit)
一个 (N)服务数据单元就是 (N)服务所要传送的逻辑数据单元
(N)PCI (N)用户数据
(N)PDU
(N-1)PCI (N-1)用户数据
(N-1)PDU
协议数据单元
(N)PDU
(N)SDU(N)PCI
(N-1)IDU
(N-1)ICI
(N-1)SDU (N-1)ICI(N-1)PCI
(N-1)PDU
(N)层
(N-1)层
(N+1)PDU
PCI
PCI
(N)SDU
(N)PDU
(N)SAP
PCI
(N)PDU
SDU分段处理
6 服务原语原语：交互时必须交换的信息。
服务在形式上是由一组接口原语（或操作）
来描述的。
服务原语可分为四种类型：
请求（ Request）,指示（ Indication），
响应（ Response）,确认（ Confirm）
服务层用户 A 用户 B
系统 A 系统 B
Request
Request
Confirm
Indication
Response
Indication
证实服务无证实服务
1
1
4
2
3
2
服务原语的相互关系
7 服务分类基于连接的服务和无连接服务基于连接的服务当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接。
特点：顺序性好。
无连接服务直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。
特点：顺序性差。
Fig,1-13
注意,连接并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。
2.3 典型计算机网络的参考模型
2.3.1 计算机网络的标准化
– 一、电信标准
– 1865年成立国际电信联盟 ITU（ International
Telecommunication Union）
– 1947年 ITU 成为联合国的一个组织，由三部分组成：
– ITU- R,无线通信
– ITU- T,电信标准,1956 - 1993 年称为 CCITT,
下设许多研究组 SG,研究组下设专题，例如,Q42/SG
VII 专门研究 OSI 参考模型。
– ITU- D,开发
– 二、国际标准
– 1946年成立的国际标准化组织 ISO 负责制定各种国际标准,ISO 有 89个成员国家,85 个其他成员。
– ISO 有 200 多个技术委员会 TC,每个技术委员会下设若干分委员会 SC,每个分委员会由由若干工作组 WG 组成。
例如,TC97 - 计算机和信息处理
TC97/SC21/WG1 - OSI 体系结构、概念性方案和形式描述一个国际标准的形成：
CD (Committee Draft) - DIS (Draft International Standard) –
IS (International Standard)
其它标准化组织：
ANSI,美国国家标准研究所,ISO 的美国代表
NIST,美国国家标准和技术研究所，美国商业部的标准化机构
IEEE,发表行业标准。例如 IEEE 802,后成为 ISO 8802。
ATM Forum,ATM论坛
OIF（ Optical Internetworking Forum）
值得注意的是,ITU - T 和 ISO 之间有很好的合作和协调。
– 三,Internet 标准
– Internet 的标准特点，是自发而非政府干预的，称为
RFC （ Request For Comments)。
– 1969 年 ARPANET 时就开始发布 RFC,至今已超过 3000
个。
– 1983年成立 IAB（ Internet Activities Board）
– 1989年在 IAB 下又成立了 IRTF 和 IETF,IETF的各工作组负责组织提出相应的 RFC 建议。
2.3.2 OSI (Open System Interconnection) 参考模型
开放系统互连体系结构的制定
体系结构的制定是一个抽象的概念
1,自上而下逐级求精的抽象方法
由高自低，约束条件逐级增加，描述越精确
2,OSI 三级抽象方法：
参考模型：定义体系中对象、关系、约束
服务定义：定义每层提供的服务
协议规范：协议的精确定义
1983年 ISO 的 OSI 模型正式成为国际标准。 Fig,1-16,Fig,
1-17
1,物理层（ The Physical Layer）
在物理线路上传输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。
2,数据链路层（ The Data Link Layer）
在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（ Frame）。
3,网络层（ The Network Layer）
控制通信子网提供源点到目的点的数据传送（ Packet）。
4,运输层（ The Transport Layer）
为用户提供端到端的数据传送服务。
5,会话层（ The Session Layer）
为用户提供会话控制服务（安全认证）。 token management
and synchronization (insert checkpoints into the data stream)
6,表示层（ The Presentation Layer）
为用户提供数据转换和表示服务。
7,应用层（ The Application Layer）
物理层接口与介质的物理特性比特的表示传输速率：既一个比特持续的时间位同步：发送方与接收方的时钟必须同步线路配置：点到点或点到多点物理拓扑传输方式：单工、双工、半双工
链路层：点到点的传输，将物理层的数据无错地传送给上层。
成帧：将比特流组成易于处理的数据单元。
物理寻址流量控制访问控制：链路的控制权
网络层：如果两系统在同条链路上，则不需要网络层。如果跨网络，则需要网络层完成端到端的传递。
逻辑寻址：链路层完成物理寻址处理本地寻址问题。逻辑寻址则处理网络间的寻址。
路由：网络设备将数据送到目的地的机制
传输层：负责端到端的传输过程。网络监管端到端的传输过程，但不了解包间的关系。传输层则要保证保文无差错顺序到达，并实现端到端的流控和差错控制。为了增加安全，有时在端到端之间建立逻辑连接，通过将同一服务的所有包限制在一条连接上，实现控制。
服务点寻址：网络层将包指向计算机，
传输层将包指向进程。
拆分和组装
连接控制：无连接和面向连接
流量控制
差错控制
会话层：对网络对话的控制器，建立、
维护、同步通信系统交互操作。
对话控制：确定通信方式，如连接主机的终端能半双工通话同步：增加检查点（同步点）。减少重传。
表示层：两系统间交换语义和语法。
翻译：各个计算机采用不同的编码系统，
表示层负责格式的转换。
加密压缩
应用层：提供了用户接口和服务支持网络虚拟终端：虚拟终端是物理终端的软件版本。用户登录到远程主机，在主机上建立软件模拟的终端，应用程序与模拟终端通信，模拟终端与主机通信。
文件传输、访问和管理：传输、访问、管理远程主机上的文件。
邮件服务目录服务：提供分布式数据库资源以及对不同对象和服务的全球信息的访问。
2.3 典型计算机网络的参考模型
2.3.3 TCP/IP 参考模型 (Fig,1-18)
– 以 TCP/IP 协议为核心的 Internet 网络体系结构。
– 1,物理层：在物理线路上传输原始的二进制数据位。
– 2,数据链路层：在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输。
– * TCP/IP 参考模型把第 1层和第 2层合起来称为,Host-to-
Network
– 3,Internet层（ 网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的 IP 包传送。
– 4,运输层：提供端到端的数据传送服务。 TCP 和
UDP
– 5,应用层：提供各种 Internet 管理和应用服务功能。
Fig,1-19
Fig,1-21
TCP/IP 与 OSI 的比较
OSI与 TCP/IP模型的分析：
都基于独立协议栈的概念，对应层的功能大体相同。
OSI明确提出服务、接口、协议。
OSI能用于分析不同的技术。 TCP/IP是现有协议后有模型。
OSI在 传输层提供面向连接的服务，在网络层提供无连接和面向连接的服务。
TCP/IP在传输层提供无连接和面向连接的服务,IP层提供无连接的服务。
OSI的缺点：
提出教晚
技术有缺陷：功能划分有争议（会话层基本没用，表示层功能较少，链路层和网络层功能集中）。进行的修改（如将虚拟终端处理由表示层放入应用层。增加了无连接服务和连接协议。
由电信专家编写，忽略了计算机通信的特点
没有很好的实现支持
推动策略有误
TCP/IP的缺点
没有明确区分服务、协议和接口概念。
模型不通用。
主机中网络层只是一个接口。
不区分物理层和数据链路层。
有些协议提出时没有仔细推敲。
