江西蓝天学院 计算机网络技术教程
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罗少彬 编著
计算机网络技术教程
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罗少彬 编著
第 3章 网络体系结构
与网络协议
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3
罗少彬 编著
本章学习要求,
掌握,协议, 层次, 接口与网络体系结构的基本概念
掌握,网络体系结构的层次化研究方法
掌握,OSI参考模型及各层的基本服务功能
掌握,TCP/IP参考模型的层次划分, 各层的基本服务
功能与协议族
了解,OSI参考模型与 TCP/IP参考模型的比较
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罗少彬 编著
3.1 网络体系结构的基本概念
网络协议 是 为网络数据交换而制定的规则、约定与标
准；
网络协议的三要素：语义、语法与时序；
语义：用于解释比特流的每一部分的意义；
语法：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；
时序：事件实现顺序的详细说明。
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罗少彬 编著
社会上存在的邮政系统
通信者活动
邮局服务业务
邮局转送业务
发信者 收信者
运输部门的邮件运输业务
书写信件
贴邮票
送邮箱
收集信件
盖邮戳
信件分拣
信件打包
送运输部门
路由选择
运输
转送邮局
接收邮包
分发邮件
邮件拆包
信件投递
信件分拣
阅读信件通信者活动
邮局服务业务
邮局转送业务
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协议、层次、接口与体系结构的概念
层次 （ layer）
协议 （ protocol）
接口 （ interface）
体系结构 （ architecture）
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罗少彬 编著
层次（ layer）
层次是人们对复杂问题处理的基本方法；
将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；
对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；
不同的系统分成相同的层次；
不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；
不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；
对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；
高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务
的具体实现方法。
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罗少彬 编著
接口（ interface）
接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点 ;
同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低
层向高层通过接口提供服务 ;
只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体
实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。
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罗少彬 编著
网络体系结构（ network architecture）
一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协
议集 ;
网络协议是按层次结构来组织的；
网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结
构；
网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精
确的定义；
体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件
和软件。
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3.2 OSI参考模型
3.2.1 OSI参考模型的基本概念
在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国
际组织是,
国际电报与电话咨询委员会（ CCITT）
国际标准化组织（ ISO）
CCITT与 ISO的工作领域不同,CCITT 主要是考虑通
信标准的制定； ISO主要是考虑信息处理与网络体系
结构。
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在 OSI中 的“开放”是指只要遵循 OSI标准，一个系
统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准
的其它任何系统进行通信；
OSI标准中, 采用的是三级抽象,
体系结构 （ architecture）
服务定义 （ service definition）
协议说明 （ protocol specification）
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体系结构
开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所
包括的可能的服务；
作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；
对网络内部结构最精炼地概括与描述。
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服务定义
详细地说明了各层所提供的服务；
某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；
低层的服务是通过接口向上一层提供的 ;
各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；
定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉
及接口是具体实现的。
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3.2.2 OSI参考模型的结构
ISO划分七层结构的基本原则,
网中各结点都具有相同的层次；
不同结点的同等层具有相同的功能；
同一结点内相邻层之间通过接口通信；
每层可以使用下层提供的服务, 并向其上层提供服务；
不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信 。
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OSI参考模型的结构
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3.2.3 OSI参考模型各层的功能
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元是比特 。
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数据链路层的主要功能,
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；
传输以, 帧, 为单位的数据包；
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 。
网络层的主要功能,
通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的
路径；
为数据在结点之间传输创建逻辑链路；
实现拥塞控制、网络互连等功能。
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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。
会话层的主要功能,
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。
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表示层的主要功能,
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。
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。
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3.2.4 OSI环境中的数据传输过程
OSI环境（ OSI environment）
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OSI环境中的数据流
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3.3 TCP/IP参考模型
3.3.1 TCP/IP参考模型的发展
在 TCP/IP协议研究时，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 4，一般被称为 IPv4 ；
IPv6被称为下一代的 IP协议。
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TCP/IP协议的特点
开放的协议标准 ;
独立于特定的计算机硬件与操作系统；
独立于特定的网络硬件, 可以运行在局域网, 广域网,
更适用于互连网中；
统一的网络地址分配方案, 使得整个 TCP/IP设备在
网中都具有唯一的地址；
标准化的高层协议, 可以提供多种可靠的用户服务 。
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3.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能
应用层 （ application layer）
传输层 （ transport layer）
互连层 （ internet layer）
主机 -网络层 （ host-to-network layer）
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TCP/IP 参考模型与 OSI 参考模型的对应关系
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主机 -网络层
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,令牌网, 分组交换网的 X.25、
帧中继, ATM协议等 ;
当一种物理网被用作传送 IP数据包的通道时, 就可以
认为是这一层的内容 ;
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 。
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互连层
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 。
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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 。
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应用层
网络终端协议 Telnet
文件传输协议 FTP
简单邮件传输协议 SMTP
域名系统 DNS
简单网络管理协议 SNMP
超文本传输协议 HTTP
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TCP/IP协议栈
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IP
TCP UDP
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3.4 OSI参考模型与 TCP/IP参考模型的比较
3.4.1 对 OSI参考模型的评价
层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是
空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；
OSI 参考模型将, 服务, 与, 协议, 的定义结合起来, 使得参考
模型变得格外复杂, 实现困难；
寻址, 流控与差错控制在每一层里都重复出现, 降低系统效率；
数据安全性, 加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；
参考模型的设计更多是被通信的思想所支配, 不适合于计算机与
软件的工作方式；
严格按照层次模型编程的软件效率很低 。
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3.4.2 对 TCP/IP参考模型评价
在服务, 接口与协议的区别上不很清楚, 一个好的软
件工程应该将功能与实现方法区分开, 参考模型不适
合于其它非 TCP/IP协议族；
TCP/IP参考模型的主机 -网络层本身并不是实际的一
层；
物理层与数据链路层的划分是必要和合理的,但是
TCP/IP参考模型却没有做到这点。
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3.4.3 一种建议的参考模型 ó| ó ? 2 ?
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3.5 小结
网络体系结构与网络协议是网络技术中两个最基本的
概念；
为网络数据交换而制定的规则, 约定与标准被称为网
络协议；
网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网
络体系结构；
OSI参考模型定义了开放系统的层次结构, 层次之间
的相互关系及各层可能包括的服务, 对推动网络协议
标准化的研究起到重要的作用；
TCP/IP参考模型与协议利用正确的策略, 抓住了有利
的时机, 伴随着 Internet的发展而成为目前公认的工业
标准 。
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第 3章 网络体系结构
与网络协议
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本章学习要求,
掌握,协议, 层次, 接口与网络体系结构的基本概念
掌握,网络体系结构的层次化研究方法
掌握,OSI参考模型及各层的基本服务功能
掌握,TCP/IP参考模型的层次划分, 各层的基本服务
功能与协议族
了解,OSI参考模型与 TCP/IP参考模型的比较
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3.1 网络体系结构的基本概念
网络协议 是 为网络数据交换而制定的规则、约定与标
准；
网络协议的三要素：语义、语法与时序；
语义：用于解释比特流的每一部分的意义；
语法：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；
时序：事件实现顺序的详细说明。
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社会上存在的邮政系统
通信者活动
邮局服务业务
邮局转送业务
发信者 收信者
运输部门的邮件运输业务
书写信件
贴邮票
送邮箱
收集信件
盖邮戳
信件分拣
信件打包
送运输部门
路由选择
运输
转送邮局
接收邮包
分发邮件
邮件拆包
信件投递
信件分拣
阅读信件通信者活动
邮局服务业务
邮局转送业务
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协议、层次、接口与体系结构的概念
层次 （ layer）
协议 （ protocol）
接口 （ interface）
体系结构 （ architecture）
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层次（ layer）
层次是人们对复杂问题处理的基本方法；
将总体要实现的很多功能分配在不同层次中；
对每个层次要完成的服务及服务要求都有明确规定；
不同的系统分成相同的层次；
不同系统的最低层之间存在着“物理”通信；
不同系统的对等层次之间存在着“虚拟”通信；
对不同系统的对等层之间的通信有明确的通信规定；
高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务
的具体实现方法。
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接口（ interface）
接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点 ;
同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低
层向高层通过接口提供服务 ;
只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体
实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。
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网络体系结构（ network architecture）
一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协
议集 ;
网络协议是按层次结构来组织的；
网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结
构；
网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行了精
确的定义；
体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件
和软件。
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3.2 OSI参考模型
3.2.1 OSI参考模型的基本概念
在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国
际组织是,
国际电报与电话咨询委员会（ CCITT）
国际标准化组织（ ISO）
CCITT与 ISO的工作领域不同,CCITT 主要是考虑通
信标准的制定； ISO主要是考虑信息处理与网络体系
结构。
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在 OSI中 的“开放”是指只要遵循 OSI标准，一个系
统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准
的其它任何系统进行通信；
OSI标准中, 采用的是三级抽象,
体系结构 （ architecture）
服务定义 （ service definition）
协议说明 （ protocol specification）
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体系结构
开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所
包括的可能的服务；
作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；
对网络内部结构最精炼地概括与描述。
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服务定义
详细地说明了各层所提供的服务；
某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；
低层的服务是通过接口向上一层提供的 ;
各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；
定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉
及接口是具体实现的。
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3.2.2 OSI参考模型的结构
ISO划分七层结构的基本原则,
网中各结点都具有相同的层次；
不同结点的同等层具有相同的功能；
同一结点内相邻层之间通过接口通信；
每层可以使用下层提供的服务, 并向其上层提供服务；
不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信 。
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OSI参考模型的结构
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3.2.3 OSI参考模型各层的功能
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元是比特 。
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数据链路层的主要功能,
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；
传输以, 帧, 为单位的数据包；
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 。
网络层的主要功能,
通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的
路径；
为数据在结点之间传输创建逻辑链路；
实现拥塞控制、网络互连等功能。
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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。
会话层的主要功能,
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。
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表示层的主要功能,
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。
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。
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3.2.4 OSI环境中的数据传输过程
OSI环境（ OSI environment）
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OSI环境中的数据流
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3.3 TCP/IP参考模型
3.3.1 TCP/IP参考模型的发展
在 TCP/IP协议研究时，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 4，一般被称为 IPv4 ；
IPv6被称为下一代的 IP协议。
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TCP/IP协议的特点
开放的协议标准 ;
独立于特定的计算机硬件与操作系统；
独立于特定的网络硬件, 可以运行在局域网, 广域网,
更适用于互连网中；
统一的网络地址分配方案, 使得整个 TCP/IP设备在
网中都具有唯一的地址；
标准化的高层协议, 可以提供多种可靠的用户服务 。
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3.3.2 TCP/IP参考模型各层的功能
应用层 （ application layer）
传输层 （ transport layer）
互连层 （ internet layer）
主机 -网络层 （ host-to-network layer）
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TCP/IP 参考模型与 OSI 参考模型的对应关系
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主机 -网络层
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,令牌网, 分组交换网的 X.25、
帧中继, ATM协议等 ;
当一种物理网被用作传送 IP数据包的通道时, 就可以
认为是这一层的内容 ;
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 。
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互连层
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 。
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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 。
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应用层
网络终端协议 Telnet
文件传输协议 FTP
简单邮件传输协议 SMTP
域名系统 DNS
简单网络管理协议 SNMP
超文本传输协议 HTTP
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TCP/IP协议栈
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ARP RARP
IP
TCP UDP
Telnet FTP SMTP DNS ?? ?? D- òé
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3.4 OSI参考模型与 TCP/IP参考模型的比较
3.4.1 对 OSI参考模型的评价
层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是
空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；
OSI 参考模型将, 服务, 与, 协议, 的定义结合起来, 使得参考
模型变得格外复杂, 实现困难；
寻址, 流控与差错控制在每一层里都重复出现, 降低系统效率；
数据安全性, 加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；
参考模型的设计更多是被通信的思想所支配, 不适合于计算机与
软件的工作方式；
严格按照层次模型编程的软件效率很低 。
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3.4.2 对 TCP/IP参考模型评价
在服务, 接口与协议的区别上不很清楚, 一个好的软
件工程应该将功能与实现方法区分开, 参考模型不适
合于其它非 TCP/IP协议族；
TCP/IP参考模型的主机 -网络层本身并不是实际的一
层；
物理层与数据链路层的划分是必要和合理的,但是
TCP/IP参考模型却没有做到这点。
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3.4.3 一种建议的参考模型 ó| ó ? 2 ?
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3.5 小结
网络体系结构与网络协议是网络技术中两个最基本的
概念；
为网络数据交换而制定的规则, 约定与标准被称为网
络协议；
网络层次结构模型与各层协议的集合定义为计算机网
络体系结构；
OSI参考模型定义了开放系统的层次结构, 层次之间
的相互关系及各层可能包括的服务, 对推动网络协议
标准化的研究起到重要的作用；
TCP/IP参考模型与协议利用正确的策略, 抓住了有利
的时机, 伴随着 Internet的发展而成为目前公认的工业
标准 。
