1
第 3章 因特网的发展和体系结构
本课内容
– 因特网概述
– 因特网的产生和发展
– 因特网的功能和服务模式
– 因特网的体系结构
2
3.1 因特网概述
什么是因特网？
因特网是在 TCP/IP协议基础上建立的国
际互联网。它是“计算机网络的网络”，
即将全世界不同国家、不同地区、不同部
门和机构的不同类型的计算机网络互联在
一起，形成一个世界范围的信息网络。
3
3.1 因特网概述
因特网是全球信息基础设施的重要组成部
分，作为全球信息高速公路的雏形，它将
全世界范围内几乎所有国家与地区的各领
域的信息资源联为一体，组成一个庞大的
电子资源数据库，供全世界的网上用户共
享。它对全人类社会发展和文明进步起到
了巨大的推动作用。
4
协议,控制发送和接收消息
–e.g.,TCP,IP,HTTP,FTP,PPP
Internet:,网络的网络”
–松散，有层次的网络
–Internet 和 intranet
Internet 标准
–RFC,Request for comments
–IETF,Internet Engineering Task
Force
什么是 Internet?
5
什么是 Internet?
是通信的基础设施，能够支持多种分布式
的应用：
–WWW,email,games,e-commerce,
database.,voting,file (MP3) sharing
提供的通信服务：
–无连接服务（ connectionless）
–面向连接服务（ connection-oriented）
6
什么是协议?
人际交流的协议,
introductions
“I have a question”
“what’s the time?”
… 说明发送的消息
… 说明接收到某消息
后所应采取的行动
网络协议,
? 计算机之间
? Internet中所有的通信活
动都是由协议所控制
协议：
定义了网络实体间发送
和接收报文的格式、顺
序以及当传送和接收消
息时应采取得行动
7
人的协议和网络协议之间的对比
Hi
Hi
Got the
time?
2:00
TCP connection
req.
TCP connection
reply.
Get http://www.xjtu.edu.cn/index.htm
<file>
time
什么是协议?
8
3.2 因特网的产生和发展
利奥纳德．科仑洛克他
在其博士论文中最早用排队
论证明分组交换网络的优越
性 (1961)。并在 1969年 12月
，参与了美国四所大学使用
接口消息处理器（ IMP) 建立
起阿帕网 (ARPA Net)。Leonard Kleinrock
9
3.2 因特网的产生和发展
APARNet实际上是冷战的产物。
1969年美国国防部高级研究计划署
(Defense Advanced Research Project
Agency,DARPA)决定研究一种计算机网
络，能够在战争状态下经受得起局部被破
坏，即一种无中心的网络，并能够将使用
不同计算机和操作系统的网络连接在一起。
10
3.2 因特网的产生和发展
APARNet联接了犹他大学、斯坦福研究所
、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和加利福尼亚
大学洛杉矶分校四个不同的计算机系统，这就
是因特网的前身。
11
3.2 因特网的产生和发展
APARNet是美国军方建立的实验性网络，
其发展受到诸多限制
最初 4个节点 → 1970’s的 60多个节点
地域跨越美洲、欧洲
具有现代网络的许多特征，例如
–分组交换
–分层次的网络体系结构
–较为完善的通信协议
12
3.2 因特网的产生和发展
1974年，斯坦福大学的两位研究员瑟夫（ cerf）
和康恩（ kahn）发表了互联网络的基本原则：
– 小型化、自治：各种网络可以自行运行，当需
要互联时不必在其内部再进行修改。
– 尽力而为的服务, 互联网络提供尽力而为的服
务，如果需要可靠的通信，则由发送端通过重
传丢失的报文来实现。
– 无状态路由器, 互联网络中的路由器不保存任
何现行连接中已经发送过的信息流状态。
– 分散化的控制结构：在互联网络中不存在全局
性的控制机制
13
3.2 因特网的产生和发展
以太网在 1980’s在
全世界开始普及，也
是目前因特网中数量
最多的局域网络。
曾在施乐公司工作的迈特考夫博士（ Dr,
Metcalfe) 于 1973年发明了与传统的计算
机网络实现方法完全不同的局域网络 --以
太网（ Ethernet）。
14
3.2 因特网的产生和发展
1970’s末, ARPA开始了一个称为 Internet的研究
计划, 主要研究如何将各种局域网 （ LAN） 和广域
网 （ WAN） 互联起来, 这个研究项目的成果就是
TCP/IP协议 。
TCP/IP协议和过去某些计算机公司开发的协议不同
点在于它是完全开放的, 其所有的技术和规范都是
公开的, 任何公司都可以利用其来开发兼容的产品 。
以这两个协议为中心, 以 ARPAnet为主干网开始将
许多不同的网络联在一起, 构成了因特网的原型 。
15
3.2 因特网的产生和发展
蒂姆,本尼斯李 (Tim Berners-
Lee)于 1989年在 欧洲粒子物理实
验室 主持研制出万维网的原型
。并将全部技术公诸于世，无
偿地供他人使用。
万维网的出现，是因特网爆
炸性发展的导火索 。
16
3.2 因特网的产生和发展
丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增长的
主要驱动力
截止到 2000年,因特网的规模为
网络数 105（以数十万计）,主机数 107 （以数千万
计）,用户数 108 （以数亿计）,主干速率为
2.5Gb/s
美国政府资助的“下一代因特网计划”目标是
主干网的速率比现在的因特网高 1000倍
端到端的速率要达到 100Mb/s~10Gb/s
17
3.3 因特网的功能和服务模式
资源共享（包括计算处理能力、数据资源、
软件等通过 Telnet,FTP实现）
信息交流（电子邮件,BBS,ICQ）
获取信息 (北大天网、新浪 )
信息发布（万维网是继电视、广播、报纸、
杂志之后的第五媒体）
电子商务的运行平台
18
19
3.3 因特网的功能和服务模式
客户 /服务器（ Client/Server）模式
– 客户模块 (Client module):在本地主机上运行,
用来访问网络上其他计算机的资源；
– 服务器模块 (Server module)：一般在远程主
机上运行，用来应答来自其他计算机的客户程
序请求，提供其本身的服务资源；
20
3.3 因特网的功能和服务模式
网络协议：通信中必须遵守的规则和约定；
常用协议组,TCP/IP(应用于所有现代 NOS)
NetBEUI(应用于早期的 MS_NOS)
IPX/SPX(应用于早期的 NetWare)
网卡和驱动程序：局域网中的通信控制器
或通信处理机，负责执行通信协议。
22
3.4 因特网体系结构
因特网 从 1983年开始使用传输控制 /网间协议
(Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP)
参考模型。
不是一个单个的协议，而是由数十个具有一
定层次结构的协议组成的一个协议集。而
TCP和 IP是该协议中两个最重要的协议。整
个协议集常被称为 TCP/IP体系结构或简称为
TCP/IP。
23
层次性的协议
网络是非常复杂的！
许多异质性, 部分,,
– hosts
– routers
– links of various
media
– applications
– protocols
– hardware,software
问题：
有什么方法能合理的组
织网络的结构？
24
Organization of air travel
a series of steps
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
25
Organization of air travel,a different view
层次结构,每一层实现一种服务
– 通过自己内部的功能
– 依赖自己的下层提供的服务
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
26
Layered air travel,services
airplane routing from source to destination
Counter-to-counter delivery of person+bags
baggage-claim-to-baggage-claim delivery
people transfer,loading gate to arrival gate
runway-to-runway delivery of plane
27
层次功能的分布式实现
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
De
par
tin
g
air
po
rt
ar
rivi
ng
air
po
rt
intermediate air traffic sites
airplane routing airplane routing
28
3.4 因特网体系结构
应用层,网络应用
– ftp,smtp,http
传输层,进程到进程的数据传输
– tcp,udp
网络层,将分组从信源主机路由到信宿主机
– ip,routing protocols
链路层,在相邻的网络节点间传输数据
– ppp,ethernet
物理层,bits,on the wire”
application
transport
network
link
physical
29
30
信件内容
邮件地址
货物地址
发信人
邮政局
运输系统
信件内容
邮件地址
货物地址
收信人
对信件内容的共识
对信件如何传递的共识
对货物如何运输的共识
P3
P2
P1
公路，铁路，航空
对等层逻辑通信示例：邮局
问题：
1、收信人与发信人之间、邮政局之间，他们是在直接通信吗？
2、邮政局、运输系统各向谁提供什么样的服务？
3、邮政局、收发信人各使用谁提供的什么服务？
邮政局
运输系统
31
32
P3
P2
P1
对等层逻辑通信的实
质,
?对等层实体之间虚拟通信
?下层向上层提供服务
?实际通信在最底层完成
右图给出了对等层通信
更一般的抽象。
2
1
3
2
1
物理通信线路
3
N+1
N
N-1
N+1
N
N-1Pn-1
Pn
Pn+1
系统 A 系统 B
消息 消息
33
34
35
?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，打包的过程称为 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
发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址
的信封中发送，还要写明用航空或挂号 … 。
数 据
36
网络体系结构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。
37
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
38
TCP头
应用层数据
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
39
因特网协议栈和协议数据单元
协议栈 PDUs
应用层
传输层
网络层
链路层
物理层
Message（报文）
Segment（段）
Datagram（分组）
Frame（帧）
1-bit(比特流 )
40
本章小结
什么是因特网？（ 万网之网 ）
什么是协议？
什么是因特网发展的四大发明,Who did it？
（ 分组交换技术和排队论，以太网，因特
网设计的四项原则，万维网 ）
因特网的功能和服务模式是怎样的？ (C/S)
层 和 协议 构成的网络体系结构
第 3章 因特网的发展和体系结构
本课内容
– 因特网概述
– 因特网的产生和发展
– 因特网的功能和服务模式
– 因特网的体系结构
2
3.1 因特网概述
什么是因特网？
因特网是在 TCP/IP协议基础上建立的国
际互联网。它是“计算机网络的网络”，
即将全世界不同国家、不同地区、不同部
门和机构的不同类型的计算机网络互联在
一起，形成一个世界范围的信息网络。
3
3.1 因特网概述
因特网是全球信息基础设施的重要组成部
分，作为全球信息高速公路的雏形，它将
全世界范围内几乎所有国家与地区的各领
域的信息资源联为一体，组成一个庞大的
电子资源数据库，供全世界的网上用户共
享。它对全人类社会发展和文明进步起到
了巨大的推动作用。
4
协议,控制发送和接收消息
–e.g.,TCP,IP,HTTP,FTP,PPP
Internet:,网络的网络”
–松散，有层次的网络
–Internet 和 intranet
Internet 标准
–RFC,Request for comments
–IETF,Internet Engineering Task
Force
什么是 Internet?
5
什么是 Internet?
是通信的基础设施，能够支持多种分布式
的应用：
–WWW,email,games,e-commerce,
database.,voting,file (MP3) sharing
提供的通信服务：
–无连接服务（ connectionless）
–面向连接服务（ connection-oriented）
6
什么是协议?
人际交流的协议,
introductions
“I have a question”
“what’s the time?”
… 说明发送的消息
… 说明接收到某消息
后所应采取的行动
网络协议,
? 计算机之间
? Internet中所有的通信活
动都是由协议所控制
协议：
定义了网络实体间发送
和接收报文的格式、顺
序以及当传送和接收消
息时应采取得行动
7
人的协议和网络协议之间的对比
Hi
Hi
Got the
time?
2:00
TCP connection
req.
TCP connection
reply.
Get http://www.xjtu.edu.cn/index.htm
<file>
time
什么是协议?
8
3.2 因特网的产生和发展
利奥纳德．科仑洛克他
在其博士论文中最早用排队
论证明分组交换网络的优越
性 (1961)。并在 1969年 12月
，参与了美国四所大学使用
接口消息处理器（ IMP) 建立
起阿帕网 (ARPA Net)。Leonard Kleinrock
9
3.2 因特网的产生和发展
APARNet实际上是冷战的产物。
1969年美国国防部高级研究计划署
(Defense Advanced Research Project
Agency,DARPA)决定研究一种计算机网
络，能够在战争状态下经受得起局部被破
坏，即一种无中心的网络，并能够将使用
不同计算机和操作系统的网络连接在一起。
10
3.2 因特网的产生和发展
APARNet联接了犹他大学、斯坦福研究所
、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和加利福尼亚
大学洛杉矶分校四个不同的计算机系统，这就
是因特网的前身。
11
3.2 因特网的产生和发展
APARNet是美国军方建立的实验性网络，
其发展受到诸多限制
最初 4个节点 → 1970’s的 60多个节点
地域跨越美洲、欧洲
具有现代网络的许多特征，例如
–分组交换
–分层次的网络体系结构
–较为完善的通信协议
12
3.2 因特网的产生和发展
1974年，斯坦福大学的两位研究员瑟夫（ cerf）
和康恩（ kahn）发表了互联网络的基本原则：
– 小型化、自治：各种网络可以自行运行，当需
要互联时不必在其内部再进行修改。
– 尽力而为的服务, 互联网络提供尽力而为的服
务，如果需要可靠的通信，则由发送端通过重
传丢失的报文来实现。
– 无状态路由器, 互联网络中的路由器不保存任
何现行连接中已经发送过的信息流状态。
– 分散化的控制结构：在互联网络中不存在全局
性的控制机制
13
3.2 因特网的产生和发展
以太网在 1980’s在
全世界开始普及，也
是目前因特网中数量
最多的局域网络。
曾在施乐公司工作的迈特考夫博士（ Dr,
Metcalfe) 于 1973年发明了与传统的计算
机网络实现方法完全不同的局域网络 --以
太网（ Ethernet）。
14
3.2 因特网的产生和发展
1970’s末, ARPA开始了一个称为 Internet的研究
计划, 主要研究如何将各种局域网 （ LAN） 和广域
网 （ WAN） 互联起来, 这个研究项目的成果就是
TCP/IP协议 。
TCP/IP协议和过去某些计算机公司开发的协议不同
点在于它是完全开放的, 其所有的技术和规范都是
公开的, 任何公司都可以利用其来开发兼容的产品 。
以这两个协议为中心, 以 ARPAnet为主干网开始将
许多不同的网络联在一起, 构成了因特网的原型 。
15
3.2 因特网的产生和发展
蒂姆,本尼斯李 (Tim Berners-
Lee)于 1989年在 欧洲粒子物理实
验室 主持研制出万维网的原型
。并将全部技术公诸于世，无
偿地供他人使用。
万维网的出现，是因特网爆
炸性发展的导火索 。
16
3.2 因特网的产生和发展
丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增长的
主要驱动力
截止到 2000年,因特网的规模为
网络数 105（以数十万计）,主机数 107 （以数千万
计）,用户数 108 （以数亿计）,主干速率为
2.5Gb/s
美国政府资助的“下一代因特网计划”目标是
主干网的速率比现在的因特网高 1000倍
端到端的速率要达到 100Mb/s~10Gb/s
17
3.3 因特网的功能和服务模式
资源共享（包括计算处理能力、数据资源、
软件等通过 Telnet,FTP实现）
信息交流（电子邮件,BBS,ICQ）
获取信息 (北大天网、新浪 )
信息发布（万维网是继电视、广播、报纸、
杂志之后的第五媒体）
电子商务的运行平台
18
19
3.3 因特网的功能和服务模式
客户 /服务器（ Client/Server）模式
– 客户模块 (Client module):在本地主机上运行,
用来访问网络上其他计算机的资源；
– 服务器模块 (Server module)：一般在远程主
机上运行，用来应答来自其他计算机的客户程
序请求，提供其本身的服务资源；
20
3.3 因特网的功能和服务模式
网络协议：通信中必须遵守的规则和约定；
常用协议组,TCP/IP(应用于所有现代 NOS)
NetBEUI(应用于早期的 MS_NOS)
IPX/SPX(应用于早期的 NetWare)
网卡和驱动程序：局域网中的通信控制器
或通信处理机，负责执行通信协议。
22
3.4 因特网体系结构
因特网 从 1983年开始使用传输控制 /网间协议
(Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP)
参考模型。
不是一个单个的协议，而是由数十个具有一
定层次结构的协议组成的一个协议集。而
TCP和 IP是该协议中两个最重要的协议。整
个协议集常被称为 TCP/IP体系结构或简称为
TCP/IP。
23
层次性的协议
网络是非常复杂的！
许多异质性, 部分,,
– hosts
– routers
– links of various
media
– applications
– protocols
– hardware,software
问题：
有什么方法能合理的组
织网络的结构？
24
Organization of air travel
a series of steps
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
25
Organization of air travel,a different view
层次结构,每一层实现一种服务
– 通过自己内部的功能
– 依赖自己的下层提供的服务
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
26
Layered air travel,services
airplane routing from source to destination
Counter-to-counter delivery of person+bags
baggage-claim-to-baggage-claim delivery
people transfer,loading gate to arrival gate
runway-to-runway delivery of plane
27
层次功能的分布式实现
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway takeoff
airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim)
gates (unload)
runway landing
airplane routing
airplane routing
De
par
tin
g
air
po
rt
ar
rivi
ng
air
po
rt
intermediate air traffic sites
airplane routing airplane routing
28
3.4 因特网体系结构
应用层,网络应用
– ftp,smtp,http
传输层,进程到进程的数据传输
– tcp,udp
网络层,将分组从信源主机路由到信宿主机
– ip,routing protocols
链路层,在相邻的网络节点间传输数据
– ppp,ethernet
物理层,bits,on the wire”
application
transport
network
link
physical
29
30
信件内容
邮件地址
货物地址
发信人
邮政局
运输系统
信件内容
邮件地址
货物地址
收信人
对信件内容的共识
对信件如何传递的共识
对货物如何运输的共识
P3
P2
P1
公路，铁路，航空
对等层逻辑通信示例：邮局
问题：
1、收信人与发信人之间、邮政局之间，他们是在直接通信吗？
2、邮政局、运输系统各向谁提供什么样的服务？
3、邮政局、收发信人各使用谁提供的什么服务？
邮政局
运输系统
31
32
P3
P2
P1
对等层逻辑通信的实
质,
?对等层实体之间虚拟通信
?下层向上层提供服务
?实际通信在最底层完成
右图给出了对等层通信
更一般的抽象。
2
1
3
2
1
物理通信线路
3
N+1
N
N-1
N+1
N
N-1Pn-1
Pn
Pn+1
系统 A 系统 B
消息 消息
33
34
35
?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，打包的过程称为 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
发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址
的信封中发送，还要写明用航空或挂号 … 。
数 据
36
网络体系结构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。
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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
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TCP头
应用层数据
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
39
因特网协议栈和协议数据单元
协议栈 PDUs
应用层
传输层
网络层
链路层
物理层
Message（报文）
Segment（段）
Datagram（分组）
Frame（帧）
1-bit(比特流 )
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本章小结
什么是因特网？（ 万网之网 ）
什么是协议？
什么是因特网发展的四大发明,Who did it？
（ 分组交换技术和排队论，以太网，因特
网设计的四项原则，万维网 ）
因特网的功能和服务模式是怎样的？ (C/S)
层 和 协议 构成的网络体系结构
