2009-7-25 1
计算机网络
Computer Networks
第七讲 网络体系结构与 TCP/IP
2009-7-25 2
网络体系结构的定义和发展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计算机网络的体系结构,为了完成计算机间的通信合作，把每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务。将这些同层进程通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构。
网络功能的分层 协议的分层 体系结构的分层
2009-7-25 3
网络体系结构的分层原理
在网络分层结构中，第 N层是第 N-1层的用户，同时是第 N+1层的服务提供者，
分层结构的好处：
– 独立性强
– 功能简单
– 适应性强
– 易于实现和维护
2009-7-25 4
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 ）
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。
2009-7-25 5
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
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
2009-7-25 6
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 。
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。
2009-7-25 7
协议的组成
1,语义,是指对构成协议的协议元素含义的解释，即“讲什么”
2,语法,是用于规定将若干个协议元素和数据组合在一起来表达一个更完整的内容时所应遵循的格式，即对所表达的内容的数据结构形式的一种规定，也即“怎么讲”
3,规则,规定了事件发生的条件和执行顺序
2009-7-25 8
层、协议和接口
2009-7-25 9
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。
– 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。
2009-7-25 10
服务原语
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）
2009-7-25 11
服务原语请求证实指示响应
N-1层N层 N层
2009-7-25 12
开放系统互联参考模型（ OSI/RM）
划分层次的原则：
– 层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，
但也不能太多，否则体系结构会过于庞大
– 各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量
– 每层应当实现一个定义明确的功能
– 每一层的功能要尽量局部化
– 以往经验证明是成功的层次应予以保留
– 每一层只与它的上、下邻层产生接口，规定相应的业务
2009-7-25 13
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层应用层 Application
表示层 Presentation
会话层 session
传输层 transport
物理层 Physical
数据链路层 Data Link
网络层 Network
7
6
5
4
3
2
1
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
2009-7-25 14
OSI/RM模型图
2009-7-25 15
处于接口两边的两层之间的关系
2009-7-25 16
– 服务访问点 SAP（ Service Access Point）
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。
– 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由上层的服务数据单元 SDU（ Service Data Unit）
和接口控制信息 ICI（ Interface Control Information）
组成；
– 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由上层的服务数据单元 SDU或其分段 和协议控制信息 PCI（ Protocol Control Information)组成；
2009-7-25 17
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。
数 据协议头数 据
2009-7-25 18
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。
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。
2009-7-25 19
数据段头 数据段头 数据网络头帧头 段头 数据网络头 帧尾数据段数据包帧比特电脉冲
011101000011000010100101111010110
数据多层封装 封装拆封
2009-7-25 20
应用层数据
TCP头 应用层数据
TCP头 应用层数据IP头帧头 TCP头 应用层数据IP头 帧尾实际例子,TCP/IP协议的封装应用层传输层网际层数链层
2009-7-25 21
OSI各层功能概述第 7层：应用层 (Application)
–为用户的应用程序提供网络通信服务
–识别并证实目的通信方的可用性
–使协同工作的应用程序之间进行同步
–判断是否为通信过程申请了足够的资源应用层协议的例子：
远程登录协议 Telnet、文件传输协议 FTP、
超文本传输协议 HTTP、域名服务 DNS、
简单邮件传输协议 SMTP、邮局协议 POP3等
2009-7-25 22
第 6层：表示层 (Presentation)
–处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义。如有必要，使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。
例如：在日期、货币、数值（特别是浮点数）
等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换；数据的加解密、压缩 /解压缩等
2009-7-25 23
第 5层：会话层 (Session)
–建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话。
会话：完成一项任务而进行的 一系列相关的信息交换 。
–同步（解决失败后从哪里重新开始）
设置检查点 —— 会话失败后，恢复到最后一个检查点处，而不用从头开始。
–活动管理，保证活动的完整性和正确性。
活动：相对独立的一组相关操作。
2009-7-25 24
第 4层：传输层 (Transport)
–为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务；屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响。
–进行数据分段并组装成报文流；
–提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”
（数据报）两种服务；
–传输差错校验与恢复；
–信息流控制，防止数据传输过载。
2009-7-25 25
传输层的特点
–传输层以上各层：面向应用；以下各层：
面向传输。传输层位于资源子网和通信子网的交界处，起着承上启下的作用。
–真正意义上的从源到目标实现“端到端”
连接的层。
1-3层：链接,中继；
4-7层：端到端
2009-7-25 26
第 3层：网络层 (Network)
–在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接。
–功能和服务
最佳路由选择和数据包中转
流量控制和拥塞控制
差错检测与恢复
流量统计和记账
2009-7-25 27
第 2层：数据链路层 (Data Link)
–在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为一条无错的线路。
–所关心的问题包括：
物理地址、网络拓扑；
组帧：把数据封装在帧中,按顺序传送,并处理返回的确认帧；
定界与同步：产生 /识别帧边界；
差错恢复：采用重传（ ARQ）的方法；
流量控制：收发双方传输速率的匹配。
2009-7-25 28
第 1层：物理层 (Physical)
–实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。
–定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。
2009-7-25 29
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）
互联网层（ internet）
网络接口（ network interface）
2009-7-25 30
TCP/IP与 OSI参考模型的对应关系应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层
7
6
5
4
3
2
1
OSI参考模型应用层传输层网络接口互联网层
TCP/IP概念层次
Ethernet,802.3,
802.5,FDDI等等
TCP/IP支持所有的、标准的物理和数据链路协议
2009-7-25 31
应用层应用层传输层互联网层网络接口层物理层文件传输
- TFTP
- FTP
- NFS
E-Mail
- SMTP
远程登录
- Telnet
- rlogin
网络管理
- SNMP
名字服务
- DNS
2009-7-25 32
传输层传输控制协议 (TCP)
用户数据报协议 (UDP)
应用层传输层互联网层网络接口层物理层面向连接的无连接的
2009-7-25 33
网络互联层
Internet协议 (IP)
Internet控制消息协议 (ICMP)
地址解析协议 (ARP)
逆向地址解析协议 (RARP)
应用层传输层网络互联层网络接口层物理层
计算机网络
Computer Networks
第七讲 网络体系结构与 TCP/IP
2009-7-25 2
网络体系结构的定义和发展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计算机网络的体系结构,为了完成计算机间的通信合作，把每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务。将这些同层进程通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构。
网络功能的分层 协议的分层 体系结构的分层
2009-7-25 3
网络体系结构的分层原理
在网络分层结构中，第 N层是第 N-1层的用户，同时是第 N+1层的服务提供者，
分层结构的好处：
– 独立性强
– 功能简单
– 适应性强
– 易于实现和维护
2009-7-25 4
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 ）
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。
2009-7-25 5
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
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
2009-7-25 6
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 。
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。
2009-7-25 7
协议的组成
1,语义,是指对构成协议的协议元素含义的解释，即“讲什么”
2,语法,是用于规定将若干个协议元素和数据组合在一起来表达一个更完整的内容时所应遵循的格式，即对所表达的内容的数据结构形式的一种规定，也即“怎么讲”
3,规则,规定了事件发生的条件和执行顺序
2009-7-25 8
层、协议和接口
2009-7-25 9
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。
– 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。
2009-7-25 10
服务原语
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）
2009-7-25 11
服务原语请求证实指示响应
N-1层N层 N层
2009-7-25 12
开放系统互联参考模型（ OSI/RM）
划分层次的原则：
– 层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，
但也不能太多，否则体系结构会过于庞大
– 各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量
– 每层应当实现一个定义明确的功能
– 每一层的功能要尽量局部化
– 以往经验证明是成功的层次应予以保留
– 每一层只与它的上、下邻层产生接口，规定相应的业务
2009-7-25 13
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层应用层 Application
表示层 Presentation
会话层 session
传输层 transport
物理层 Physical
数据链路层 Data Link
网络层 Network
7
6
5
4
3
2
1
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
2009-7-25 14
OSI/RM模型图
2009-7-25 15
处于接口两边的两层之间的关系
2009-7-25 16
– 服务访问点 SAP（ Service Access Point）
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。
– 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由上层的服务数据单元 SDU（ Service Data Unit）
和接口控制信息 ICI（ Interface Control Information）
组成；
– 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由上层的服务数据单元 SDU或其分段 和协议控制信息 PCI（ Protocol Control Information)组成；
2009-7-25 17
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。
数 据协议头数 据
2009-7-25 18
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。
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。
2009-7-25 19
数据段头 数据段头 数据网络头帧头 段头 数据网络头 帧尾数据段数据包帧比特电脉冲
011101000011000010100101111010110
数据多层封装 封装拆封
2009-7-25 20
应用层数据
TCP头 应用层数据
TCP头 应用层数据IP头帧头 TCP头 应用层数据IP头 帧尾实际例子,TCP/IP协议的封装应用层传输层网际层数链层
2009-7-25 21
OSI各层功能概述第 7层：应用层 (Application)
–为用户的应用程序提供网络通信服务
–识别并证实目的通信方的可用性
–使协同工作的应用程序之间进行同步
–判断是否为通信过程申请了足够的资源应用层协议的例子：
远程登录协议 Telnet、文件传输协议 FTP、
超文本传输协议 HTTP、域名服务 DNS、
简单邮件传输协议 SMTP、邮局协议 POP3等
2009-7-25 22
第 6层：表示层 (Presentation)
–处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义。如有必要，使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。
例如：在日期、货币、数值（特别是浮点数）
等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换；数据的加解密、压缩 /解压缩等
2009-7-25 23
第 5层：会话层 (Session)
–建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话。
会话：完成一项任务而进行的 一系列相关的信息交换 。
–同步（解决失败后从哪里重新开始）
设置检查点 —— 会话失败后，恢复到最后一个检查点处，而不用从头开始。
–活动管理，保证活动的完整性和正确性。
活动：相对独立的一组相关操作。
2009-7-25 24
第 4层：传输层 (Transport)
–为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务；屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响。
–进行数据分段并组装成报文流；
–提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”
（数据报）两种服务；
–传输差错校验与恢复；
–信息流控制，防止数据传输过载。
2009-7-25 25
传输层的特点
–传输层以上各层：面向应用；以下各层：
面向传输。传输层位于资源子网和通信子网的交界处，起着承上启下的作用。
–真正意义上的从源到目标实现“端到端”
连接的层。
1-3层：链接,中继；
4-7层：端到端
2009-7-25 26
第 3层：网络层 (Network)
–在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接。
–功能和服务
最佳路由选择和数据包中转
流量控制和拥塞控制
差错检测与恢复
流量统计和记账
2009-7-25 27
第 2层：数据链路层 (Data Link)
–在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为一条无错的线路。
–所关心的问题包括：
物理地址、网络拓扑；
组帧：把数据封装在帧中,按顺序传送,并处理返回的确认帧；
定界与同步：产生 /识别帧边界；
差错恢复：采用重传（ ARQ）的方法；
流量控制：收发双方传输速率的匹配。
2009-7-25 28
第 1层：物理层 (Physical)
–实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。
–定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。
2009-7-25 29
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）
互联网层（ internet）
网络接口（ network interface）
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TCP/IP与 OSI参考模型的对应关系应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层
7
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OSI参考模型应用层传输层网络接口互联网层
TCP/IP概念层次
Ethernet,802.3,
802.5,FDDI等等
TCP/IP支持所有的、标准的物理和数据链路协议
2009-7-25 31
应用层应用层传输层互联网层网络接口层物理层文件传输
- TFTP
- FTP
- NFS
- SMTP
远程登录
- Telnet
- rlogin
网络管理
- SNMP
名字服务
- DNS
2009-7-25 32
传输层传输控制协议 (TCP)
用户数据报协议 (UDP)
应用层传输层互联网层网络接口层物理层面向连接的无连接的
2009-7-25 33
网络互联层
Internet协议 (IP)
Internet控制消息协议 (ICMP)
地址解析协议 (ARP)
逆向地址解析协议 (RARP)
应用层传输层网络互联层网络接口层物理层
