2010-5-13 1
计算机网络
Computer Networks
网络体系结构与 TCP/IP
2010-5-13 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
2010-5-13 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
2010-5-13 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。
2010-5-13 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
2010-5-13 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。
2010-5-13 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
2010-5-13 8
层、协议和接口
2010-5-13 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。
2010-5-13 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）
2010-5-13 11
服务原语
请求
证实
指示
响应
N-1层N层 N层
2010-5-13 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
2010-5-13 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
2010-5-13 14
OSI/RM模型图
2010-5-13 15
?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
2010-5-13 16
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。
2010-5-13 17
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
2010-5-13 18
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
2010-5-13 19
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
2010-5-13 20
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
2010-5-13 21
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。
2010-5-13 22
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。
2010-5-13 23
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
2010-5-13 24
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
2010-5-13 25
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。
2010-5-13 26
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。
2010-5-13 27
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）
2010-5-13 28
?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
2010-5-13 29
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
2010-5-13 30
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
2010-5-13 31
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
网络体系结构与 TCP/IP
2010-5-13 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
2010-5-13 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
2010-5-13 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。
2010-5-13 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
2010-5-13 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。
2010-5-13 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
2010-5-13 8
层、协议和接口
2010-5-13 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。
2010-5-13 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）
2010-5-13 11
服务原语
请求
证实
指示
响应
N-1层N层 N层
2010-5-13 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
2010-5-13 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
2010-5-13 14
OSI/RM模型图
2010-5-13 15
?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
2010-5-13 16
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。
2010-5-13 17
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
2010-5-13 18
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
2010-5-13 19
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
2010-5-13 20
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
2010-5-13 21
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。
2010-5-13 22
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。
2010-5-13 23
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
2010-5-13 24
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
2010-5-13 25
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。
2010-5-13 26
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。
2010-5-13 27
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）
2010-5-13 28
?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
2010-5-13 29
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
2010-5-13 30
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
2010-5-13 31
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
