计算机网络与通信
第三章
计算机网络的体系结构
教学目的与要求：
? 了解网络的拓扑结构、协议分层、层间
服务；
? 掌握 OSI网络模型,INTERNET协议参考模
型；
? 了解 差错与流量控制, 路由算法 及 拥塞
控制等网络 关键技术；
? 了解和掌握 HDLC协议规程和 TCP/IP协议
规程。
作业,（第五周交）
? 3-1,3-2,3-3,3-5
计算机网络的体系结构
? 将多台位于不同地点的计算机设备通过
各种通信信道和设备互连起来，以交换
信息和共享资源，是个复杂的工程设计
问题。
计算机网络的体系结构
? 采用分层结构，将这个复杂的工程设计
问题分解成若干个容易处理的子问题，
尔后“分而治之”逐个加以解决。
? 使计算机网络中的两个不同系统必须能
够相互理解，共同遵守某种互相都能接
受的规则。这些规则的集合，称为协议。
计算机网络的体系结构
? 计算机网络的协议实现采用了协议分层
结构。如何分层，以及各层中具体采用
的协议的总和，称为网络的体系结构。
? 体系结构是个抽象的概念，其具体实现
是通过特定的硬件和软件来完成的。
网络的拓扑结构
? 网络上的各节点相互连接的方法和方式，
我们称之为网络的拓扑结构，它用来表
示网络上的计算机、电缆和其它部件的
布局或物理位置。
? 拓扑结构的选择，将对网络的性能、网
络需要的设备类型、网络的可扩展性和
管理网络的方法有着不同程度的影响。
三种标准的拓扑结构：
总线型：总线型拓扑也称直线型总线。它用一
根称之为干线的电缆以直线方式连接网络上
的所有计算机。
星型：所有计算机通过电缆连接到一个称为集
线器的中央部件。信号通过集线器从一台计
算机发送到另一台计算机。
环型：环型拓扑结构用一个电缆环连接所有的
计算机。
总线上的通信
? 计算机是通过在数据上标记特定计算机
的地址，并以电子信号的形式将数据发
送到电缆上来通信的。
? 电子信号的形式的网络数据被发送到电
缆上的计算机。然而只有地址与最初信
号的地址相匹配的计算机才接受信息。
? 一个时刻只有一台计算机能够发送信号，
因此网络性能受计算机数量的影臁
总线上的通信
? 总线型拓扑结构是一种被动型的拓扑结
构，计算机只监听，而不负责将数据从
一台计算机移送到另一台计算机。
? 数据或电子信号被发送的总线上后，它
将沿电缆从一端到另一端来回反弹，使
得别的计算机不能发送数据。这种现象
称为信号反弹。为了阻止信号反弹，一
个称为终端匹配器的部件被连接在电缆
的两端，用来吸收信号。
总线型拓扑结构网络的扩展
? 用一个称为柱型连接器的部件连接两段
电缆, 组成较长电缆 。 但使用柱型连接
器, 尤其是多次使用柱型连接器会使信
号减弱, 产生误差, 应尽量避免使用 。
? 用一个称为中继器的设备连接两段电缆,
组成较长电缆 。 中继器在发送前会增强
信号, 使信号传送更长距离而不产生误
差 。
星型拓扑结构的特点：
? 提供集中式的资源和管理，可按需改变
和扩充网络；
? 如果中央点出故障，整个网络瘫痪；
? 如果某台计算机活某段电缆出故障，网
络的其余部分扔可继续工作；
? 因为所有计算机通过电缆连接到一个中
央部件 —— 集线器，这种拓扑结构的网
络需要大量电缆。
集线器
? 在星型拓扑结构中，集线器是网络的中
央部件。也称为多端口中继器。
? 主动型集线器，也称为有源集线器,它们
像中继器那样再生信号并重新传输。主
动型集线器需要电源。
? 被动型集线器，也称为无源集线器。它
们作为连接点，但不放大或再生信号；
信号只是简单地通过集线器。被动型集
线器不需要电源。
环型拓扑结构特点
? 环型拓扑结构不需要终端匹配器，信号
沿一个方向传送。
? 主动型拓扑结构，每台计算机都增强信
号后再继续传送。
? 一台计算机的失败将影响整个网络。
环型拓扑结构的通信
? 令牌传送是环型拓扑结构沿环传送数据的一种
方法。
? 令牌是一具有特定数据格式的电子信息，只有
得到空标记令牌的网站允许发送数据，空标记
为 01111111，忙标记为 01111110。
? 计算机接到空闲令牌后，将发送数据加上地址，
沿环传送。接受计算机复制数据，并在数据上
做上标记，表示数据已被接受。最后，数据沿
环回到发送计算机，发送计算机删除环上的数
据并释放空闲的令牌。
令牌环访问控制的基本过程
A,发送前，等待空标记令牌通过
B,若得到空标记令牌，将空标记换为
忙标记，紧跟着令牌，发送数据
C,发送出去的帧在环上循环一周后，
回到始发站，有始发站将该帧从环上
移下，将忙标记换为空标记
主要拓扑结构的变形
? 星型总线：一条直线型总线主干上连接
了几个星型拓扑结构的网络。特点：一
台计算机的失败不整个网络；一台如果
集线器某连接点出故障，只影响与该集
线器相连接的那段网段和计算机，网络
的其余部分扔可继续工作。
? 星型环：一个含实际环的集线器上连接
了几个星型拓扑结构的网络。
协议分层
? 为简化问题、减少协议设计的复杂性，
计算机网络的体系结构按层或级的方式
来组织，即协议是分层次的。
? 每一层都建立在下层之上，每一层的目
的都是上层提供一定的服务，并对上层
屏蔽服务实现的细节。
? 图 3.4 计算机网络的层次模型
对等实体间的通信
? 不同系统中的相同层实体叫对等实体。
? 对等实体间通信须遵守同层协议。一台机器上
的 n层实体与另一台机器上 n层实体间通信所使
用的协议，称之为第 n层协议。
? 数据并不是在两个对等实体间直接传送，而是
由发送方实体将数据逐次层层传递给它的下一
层，直至最下层，通过物理介质实现实际通信，
到达接收方；由接收方最下层逐次层层向上传
递直至对等实体，完成对等实体间的通信。
层次体系结构
? 除了在物理媒体上进行的是实通信外，
其余各对等层实体间进行的都是虚通信。
? 对等层的虚通信必须遵循该层的协议。
? n层的虚通信是通过 n-1/ n层间接口处 n-1
层提供的服务以及 n-1层的通信（通常也
是虚通信）来实现的。
分层原则
? 每层的功能应是明确的，并且相互独立。当某
一层具体实现方法更新时，只要保持层间接口
不变，不会对邻层造成影响。
? 层间接口清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。
? 层数应适中。若太少，则层间功能划分不明确，
多种功能混杂在一层中，造成每一层的协议太
复杂。若太多，则体系结构过于复杂，各层组
装时的任务要困难得多。
? 最重要的分层原则：目标站第 n层收到的对象
应当与源站第 n层发出的对象完全一致。
计算机网络层次结构模型 OSI
? OSI模型是一种具有指导作用的抽象模型，
并不是计算机网络协议的具体实现实例。
? 在 OSI模型的基础上，计算机网络协议的
具体实现还有很多灵活性和可扩展空间。
OSI模型
从下到上依次为 (图 3-5),
? 物理层
? 数据链路层
? 网络层
? 传输层
? 会话层
? 表示层
? 应用层
各层功能
? 物理层：第 1层, 在物理信道上传输比特流,
解决数据终端设备 （ DTE） 与通信设备 （ DCE）
之间的接口问题 。 接口标准：由机械, 电气,
功能, 规程等四个特性构成 。
? 数据链路层：第 2层, 变换数据帧和比特流,
在相邻两节点间无差错传输数据帧, 为网络层
所提供的服务有：建立和拆除数据链路 （ 逻辑
通道 ）, 帧传输, 差错与流量控制, 数据链路
管理 。
各层功能
? 网络层：第 3层，将报文分组从物理连接的一端传到另
一端，实现点到点通信。主要功能是将逻辑地址翻译
成物理地址，使传输层可使用逻辑地址；根据网络状
态、优先级等确定路由；分组交换、拥塞控制和流量
控制。
? 传输层：第 4层，向上层提供一个标准通用的界面，使
上层和通信子网的细节相隔离，保证无错误地、顺序
地、无丟失地、无重复地在源主机和目标主机间传送
报文。主要功能是将消息重新打包，发送端：长消息
?数据包，接受端：小数据包 ?大数据包；接受确认；
流量控制；错误处理等。
各层功能
? 会话层：第 5层, 在联网计算机之间建立, 建
立和使用一种称之为会话的链接, 并使用这个
链接进行通信, 使双方操作相互协调 。
? 表示层：第 6层, 网络翻译者, 定义了联网计
算机之间交换信息的格式和语法 。
? 应用层：第 7层, 是开放系统的互连环境的最
高层 。 不同的应用层为特定类型的网络应用提
供访问网络服务的手段和窗口, 代表直接支持
用户应用的服务, 如文件传送, 数据库访问,
电子邮件等 。
各层功能
? 物理层正确利用传输媒介，数据链路层
走通每个节点，网络层选择路由，传输
层找到对方主机，会话层指出对方实体
是谁，表示层决定用什么语言交谈，应
用层指出做什么事。
物理层
? 物理层的功能,为在物理媒体上建立、维
持和终止传输数据比特流的物理连接，
解决数据终端设备（ DTE） 与通信设备
（ DCE） 之间的接口问题，提供机械、
电气、功能和过程的手段。
物理层的协议
? 为了确保当一方发送二进制比特,1”或,0”
时，对方应能正确地收到此信号，并识别出来。
? 对于媒体信道上应有多少条线、相应的插头和
插座的机械形状和大小、插针的个数和排列、
什么电信号（如多少伏电压）代表,1”和什
么电信号代表,0”,1比特的持续时间是多长、
每个插针或每条线传输的是什么信号（如电源
或数据或控制等）和它们之间应按什么顺序升
起或落下 ;
? 最初的连接应如何建立、传输完成后连接又如
何终止。
数据链路层 的功能
? 差错控制,原始的物理连接，由于外界噪
声干扰等因素，在传输比特流时可能发
生差错。数据链路层的一个主要功能就
是通过校验、确认和反馈重发等手段将
该原始的物理连接改造成无差错的数据
链路。
数据链路层 的功能
? 帧传输, 物理层传送的是比特流，在数
据链路层我们将比特组合成数据链路协
议数据单元，通常称为帧 。 在一帧中我
们可以判断哪一段是地址、哪一段是控
制域、哪一段是数据、哪一段是校验码。
数据链路层 的功能
? 流量控制：数据链路层还要解决防止高
速的发送方来的数据过快而超过接收方
的接受能力。
数据链路层 的功能
? 数据链路的建立、拆除和管理
第三章
计算机网络的体系结构
教学目的与要求：
? 了解网络的拓扑结构、协议分层、层间
服务；
? 掌握 OSI网络模型,INTERNET协议参考模
型；
? 了解 差错与流量控制, 路由算法 及 拥塞
控制等网络 关键技术；
? 了解和掌握 HDLC协议规程和 TCP/IP协议
规程。
作业,（第五周交）
? 3-1,3-2,3-3,3-5
计算机网络的体系结构
? 将多台位于不同地点的计算机设备通过
各种通信信道和设备互连起来，以交换
信息和共享资源，是个复杂的工程设计
问题。
计算机网络的体系结构
? 采用分层结构，将这个复杂的工程设计
问题分解成若干个容易处理的子问题，
尔后“分而治之”逐个加以解决。
? 使计算机网络中的两个不同系统必须能
够相互理解，共同遵守某种互相都能接
受的规则。这些规则的集合，称为协议。
计算机网络的体系结构
? 计算机网络的协议实现采用了协议分层
结构。如何分层，以及各层中具体采用
的协议的总和，称为网络的体系结构。
? 体系结构是个抽象的概念，其具体实现
是通过特定的硬件和软件来完成的。
网络的拓扑结构
? 网络上的各节点相互连接的方法和方式，
我们称之为网络的拓扑结构，它用来表
示网络上的计算机、电缆和其它部件的
布局或物理位置。
? 拓扑结构的选择，将对网络的性能、网
络需要的设备类型、网络的可扩展性和
管理网络的方法有着不同程度的影响。
三种标准的拓扑结构：
总线型：总线型拓扑也称直线型总线。它用一
根称之为干线的电缆以直线方式连接网络上
的所有计算机。
星型：所有计算机通过电缆连接到一个称为集
线器的中央部件。信号通过集线器从一台计
算机发送到另一台计算机。
环型：环型拓扑结构用一个电缆环连接所有的
计算机。
总线上的通信
? 计算机是通过在数据上标记特定计算机
的地址，并以电子信号的形式将数据发
送到电缆上来通信的。
? 电子信号的形式的网络数据被发送到电
缆上的计算机。然而只有地址与最初信
号的地址相匹配的计算机才接受信息。
? 一个时刻只有一台计算机能够发送信号，
因此网络性能受计算机数量的影臁
总线上的通信
? 总线型拓扑结构是一种被动型的拓扑结
构，计算机只监听，而不负责将数据从
一台计算机移送到另一台计算机。
? 数据或电子信号被发送的总线上后，它
将沿电缆从一端到另一端来回反弹，使
得别的计算机不能发送数据。这种现象
称为信号反弹。为了阻止信号反弹，一
个称为终端匹配器的部件被连接在电缆
的两端，用来吸收信号。
总线型拓扑结构网络的扩展
? 用一个称为柱型连接器的部件连接两段
电缆, 组成较长电缆 。 但使用柱型连接
器, 尤其是多次使用柱型连接器会使信
号减弱, 产生误差, 应尽量避免使用 。
? 用一个称为中继器的设备连接两段电缆,
组成较长电缆 。 中继器在发送前会增强
信号, 使信号传送更长距离而不产生误
差 。
星型拓扑结构的特点：
? 提供集中式的资源和管理，可按需改变
和扩充网络；
? 如果中央点出故障，整个网络瘫痪；
? 如果某台计算机活某段电缆出故障，网
络的其余部分扔可继续工作；
? 因为所有计算机通过电缆连接到一个中
央部件 —— 集线器，这种拓扑结构的网
络需要大量电缆。
集线器
? 在星型拓扑结构中，集线器是网络的中
央部件。也称为多端口中继器。
? 主动型集线器，也称为有源集线器,它们
像中继器那样再生信号并重新传输。主
动型集线器需要电源。
? 被动型集线器，也称为无源集线器。它
们作为连接点，但不放大或再生信号；
信号只是简单地通过集线器。被动型集
线器不需要电源。
环型拓扑结构特点
? 环型拓扑结构不需要终端匹配器，信号
沿一个方向传送。
? 主动型拓扑结构，每台计算机都增强信
号后再继续传送。
? 一台计算机的失败将影响整个网络。
环型拓扑结构的通信
? 令牌传送是环型拓扑结构沿环传送数据的一种
方法。
? 令牌是一具有特定数据格式的电子信息，只有
得到空标记令牌的网站允许发送数据，空标记
为 01111111，忙标记为 01111110。
? 计算机接到空闲令牌后，将发送数据加上地址，
沿环传送。接受计算机复制数据，并在数据上
做上标记，表示数据已被接受。最后，数据沿
环回到发送计算机，发送计算机删除环上的数
据并释放空闲的令牌。
令牌环访问控制的基本过程
A,发送前，等待空标记令牌通过
B,若得到空标记令牌，将空标记换为
忙标记，紧跟着令牌，发送数据
C,发送出去的帧在环上循环一周后，
回到始发站，有始发站将该帧从环上
移下，将忙标记换为空标记
主要拓扑结构的变形
? 星型总线：一条直线型总线主干上连接
了几个星型拓扑结构的网络。特点：一
台计算机的失败不整个网络；一台如果
集线器某连接点出故障，只影响与该集
线器相连接的那段网段和计算机，网络
的其余部分扔可继续工作。
? 星型环：一个含实际环的集线器上连接
了几个星型拓扑结构的网络。
协议分层
? 为简化问题、减少协议设计的复杂性，
计算机网络的体系结构按层或级的方式
来组织，即协议是分层次的。
? 每一层都建立在下层之上，每一层的目
的都是上层提供一定的服务，并对上层
屏蔽服务实现的细节。
? 图 3.4 计算机网络的层次模型
对等实体间的通信
? 不同系统中的相同层实体叫对等实体。
? 对等实体间通信须遵守同层协议。一台机器上
的 n层实体与另一台机器上 n层实体间通信所使
用的协议，称之为第 n层协议。
? 数据并不是在两个对等实体间直接传送，而是
由发送方实体将数据逐次层层传递给它的下一
层，直至最下层，通过物理介质实现实际通信，
到达接收方；由接收方最下层逐次层层向上传
递直至对等实体，完成对等实体间的通信。
层次体系结构
? 除了在物理媒体上进行的是实通信外，
其余各对等层实体间进行的都是虚通信。
? 对等层的虚通信必须遵循该层的协议。
? n层的虚通信是通过 n-1/ n层间接口处 n-1
层提供的服务以及 n-1层的通信（通常也
是虚通信）来实现的。
分层原则
? 每层的功能应是明确的，并且相互独立。当某
一层具体实现方法更新时，只要保持层间接口
不变，不会对邻层造成影响。
? 层间接口清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。
? 层数应适中。若太少，则层间功能划分不明确，
多种功能混杂在一层中，造成每一层的协议太
复杂。若太多，则体系结构过于复杂，各层组
装时的任务要困难得多。
? 最重要的分层原则：目标站第 n层收到的对象
应当与源站第 n层发出的对象完全一致。
计算机网络层次结构模型 OSI
? OSI模型是一种具有指导作用的抽象模型，
并不是计算机网络协议的具体实现实例。
? 在 OSI模型的基础上，计算机网络协议的
具体实现还有很多灵活性和可扩展空间。
OSI模型
从下到上依次为 (图 3-5),
? 物理层
? 数据链路层
? 网络层
? 传输层
? 会话层
? 表示层
? 应用层
各层功能
? 物理层：第 1层, 在物理信道上传输比特流,
解决数据终端设备 （ DTE） 与通信设备 （ DCE）
之间的接口问题 。 接口标准：由机械, 电气,
功能, 规程等四个特性构成 。
? 数据链路层：第 2层, 变换数据帧和比特流,
在相邻两节点间无差错传输数据帧, 为网络层
所提供的服务有：建立和拆除数据链路 （ 逻辑
通道 ）, 帧传输, 差错与流量控制, 数据链路
管理 。
各层功能
? 网络层：第 3层，将报文分组从物理连接的一端传到另
一端，实现点到点通信。主要功能是将逻辑地址翻译
成物理地址，使传输层可使用逻辑地址；根据网络状
态、优先级等确定路由；分组交换、拥塞控制和流量
控制。
? 传输层：第 4层，向上层提供一个标准通用的界面，使
上层和通信子网的细节相隔离，保证无错误地、顺序
地、无丟失地、无重复地在源主机和目标主机间传送
报文。主要功能是将消息重新打包，发送端：长消息
?数据包，接受端：小数据包 ?大数据包；接受确认；
流量控制；错误处理等。
各层功能
? 会话层：第 5层, 在联网计算机之间建立, 建
立和使用一种称之为会话的链接, 并使用这个
链接进行通信, 使双方操作相互协调 。
? 表示层：第 6层, 网络翻译者, 定义了联网计
算机之间交换信息的格式和语法 。
? 应用层：第 7层, 是开放系统的互连环境的最
高层 。 不同的应用层为特定类型的网络应用提
供访问网络服务的手段和窗口, 代表直接支持
用户应用的服务, 如文件传送, 数据库访问,
电子邮件等 。
各层功能
? 物理层正确利用传输媒介，数据链路层
走通每个节点，网络层选择路由，传输
层找到对方主机，会话层指出对方实体
是谁，表示层决定用什么语言交谈，应
用层指出做什么事。
物理层
? 物理层的功能,为在物理媒体上建立、维
持和终止传输数据比特流的物理连接，
解决数据终端设备（ DTE） 与通信设备
（ DCE） 之间的接口问题，提供机械、
电气、功能和过程的手段。
物理层的协议
? 为了确保当一方发送二进制比特,1”或,0”
时，对方应能正确地收到此信号，并识别出来。
? 对于媒体信道上应有多少条线、相应的插头和
插座的机械形状和大小、插针的个数和排列、
什么电信号（如多少伏电压）代表,1”和什
么电信号代表,0”,1比特的持续时间是多长、
每个插针或每条线传输的是什么信号（如电源
或数据或控制等）和它们之间应按什么顺序升
起或落下 ;
? 最初的连接应如何建立、传输完成后连接又如
何终止。
数据链路层 的功能
? 差错控制,原始的物理连接，由于外界噪
声干扰等因素，在传输比特流时可能发
生差错。数据链路层的一个主要功能就
是通过校验、确认和反馈重发等手段将
该原始的物理连接改造成无差错的数据
链路。
数据链路层 的功能
? 帧传输, 物理层传送的是比特流，在数
据链路层我们将比特组合成数据链路协
议数据单元，通常称为帧 。 在一帧中我
们可以判断哪一段是地址、哪一段是控
制域、哪一段是数据、哪一段是校验码。
数据链路层 的功能
? 流量控制：数据链路层还要解决防止高
速的发送方来的数据过快而超过接收方
的接受能力。
数据链路层 的功能
? 数据链路的建立、拆除和管理
