第 3 章　网络体系结构与协议

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第 3章　网络体系结构与协议数据通信技术是网络技术发展数据通信技术是网络技术发展

的基础。学习本章的内容将会对的基础。学习本章的内容将会对

最基本的数据通信技术、广域网最基本的数据通信技术、广域网

中数据传输原理与实现方法有一中数据传输原理与实现方法有一

定的理解。定的理解。


主要内容主要内容3.1 3.1 网络体系结构网络体系结构3.2 OSI3.2 OSI 参考模型参考模型3.3 TCP/IP3.3 TCP/IP 参考模型参考模型3.4 Novell NetWare3.4 Novell NetWare 参考模型参考模型3.5 3.5 局域网协议举例局域网协议举例3.63.6 　总结与习题　总结与习题


3.13.1 　基本概念　基本概念3.1.1 3.1.1 网络体系结构与网络协议网络体系结构与网络协议

为了帮助同学们接受网络体系结构与通信协议为了帮助同学们接受网络体系结构与通信协议的概念，不妨先分析一个实际社会生活中通信系的概念，不妨先分析一个实际社会生活中通信系统的例子。统的例子。

一、例子：一、例子：

认真考查一下实际的邮政系统的结构与运行过认真考查一下实际的邮政系统的结构与运行过程，以及如何利用它完成信件的发送与接收，就程，以及如何利用它完成信件的发送与接收，就可对体系结构与协议有一个直观的了解。可对体系结构与协议有一个直观的了解。


下图是目前实际运行的邮政系统结构，以及信下图是目前实际运行的邮政系统结构，以及信件发送与接收过程的示意图。几乎每个人对利用件发送与接收过程的示意图。几乎每个人对利用现行的邮政系统发送、接收信件的过程都是很熟现行的邮政系统发送、接收信件的过程都是很熟悉的。悉的。


如果你是一位在中国医科大学读书的大学生，如果你是一位在中国医科大学读书的大学生，而你的家在广州。当你想给广州家中的父母写封而你的家在广州。当你想给广州家中的父母写封信时，那你第一步要写一封信；第二步要在信封信时，那你第一步要写一封信；第二步要在信封上按国内信件的信封书写标准，在信封的左上方上按国内信件的信封书写标准，在信封的左上方写收信人的地址，在信封的中部写上收信人的姓写收信人的地址，在信封的中部写上收信人的姓名，在信封的右下方写发信人的地址；第三步要名，在信封的右下方写发信人的地址；第三步要将信件封在信封里，贴上邮票；第四步要将信件将信件封在信封里，贴上邮票；第四步要将信件投入邮箱。这样，发信人的动作就完成了。发信投入邮箱。这样，发信人的动作就完成了。发信人并不需要了解是谁来收集信件与如何传输。人并不需要了解是谁来收集信件与如何传输。


在信件投入邮箱后，邮递员将按时从各个邮箱在信件投入邮箱后，邮递员将按时从各个邮箱收集信件，检查邮票邮资是否正确，盖邮戳后转收集信件，检查邮票邮资是否正确，盖邮戳后转送地区邮政枢纽局。邮政枢纽局的工作人员再根送地区邮政枢纽局。邮政枢纽局的工作人员再根据信件的目的地址与传输的路线，将送到相同地据信件的目的地址与传输的路线，将送到相同地区的邮件打成一个邮包，并在邮包上贴上运输的区的邮件打成一个邮包，并在邮包上贴上运输的线路、中转点的地址。如果从天津到广州不需要线路、中转点的地址。如果从天津到广州不需要中转，那么所有当天从沈阳到广州的信件都将打中转，那么所有当天从沈阳到广州的信件都将打在一个包里，贴上标签后由铁路或飞机运送到广在一个包里，贴上标签后由铁路或飞机运送到广州。州。


邮包送到广州地区邮政枢纽局后，邮政枢纽局邮包送到广州地区邮政枢纽局后，邮政枢纽局

的分拣员将拆包，并将信件按目的地址分拣传送的分拣员将拆包，并将信件按目的地址分拣传送

到各区邮局，再由邮递员将信件送到收信人的邮到各区邮局，再由邮递员将信件送到收信人的邮

箱。收信人接到信件后，确认是自己的信件后，箱。收信人接到信件后，确认是自己的信件后，

再拆信、读信。这样，一个信件的发送与接收过再拆信、读信。这样，一个信件的发送与接收过

程就完成了。程就完成了。


二、网络协议的概念二、网络协议的概念

计算机网络是由多个互连的结点组成的，结点计算机网络是由多个互连的结点组成的，结点之间需要不断地交换数据与控制信息。要做到有之间需要不断地交换数据与控制信息。要做到有条不紊地交换数据，每个结点都必须遵守一些事条不紊地交换数据，每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。这些数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定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（的规则、约定与标准被称为网络协议（ protocoprotocoll ）。）。


网络协议主要由以下网络协议主要由以下三个要素组成三个要素组成：：

　　　　 · · 语法语法用户数据与控制信息的结构与格式。用户数据与控制信息的结构与格式。

　　　　· · 语义语义需要发出何种控制信息，以及完成的需要发出何种控制信息，以及完成的

动作与做出的响应。动作与做出的响应。

　　　　 ·· 时序时序对事件实现顺序的详细说明。对事件实现顺序的详细说明。


在邮政通信系统中，存在着很多的通信规约。在邮政通信系统中，存在着很多的通信规约。例如，写信人在写信之前要确定是用中文还是英例如，写信人在写信之前要确定是用中文还是英文，或是其他文字。如果对方只懂英文，那么如文，或是其他文字。如果对方只懂英文，那么如果用中文写信，对方一定得请人译成英文后才能果用中文写信，对方一定得请人译成英文后才能阅读。不管选择中文还是英文，写信人在内容书阅读。不管选择中文还是英文，写信人在内容书写中一定要严格遵照中文或英文的写作规范（包写中一定要严格遵照中文或英文的写作规范（包括语义、语法等）。其实，语言本身就是一种协括语义、语法等）。其实，语言本身就是一种协议。另一个协议的例子是信封的书写方法。议。另一个协议的例子是信封的书写方法。


显然，国内中文信件与国际英文信件的书写格式显然，国内中文信件与国际英文信件的书写格式

是不相同的。这本身也是一种通信规约，即关于信封是不相同的。这本身也是一种通信规约，即关于信封

书写格式的一种协议。书写格式的一种协议。

对于普通的邮递员，也许他不懂英文。他可以对于普通的邮递员，也许他不懂英文。他可以

不管信是寄到哪儿去的，只需要按普通信件的收不管信是寄到哪儿去的，只需要按普通信件的收

集、传送方法，送到邮政枢纽局，由那里的分拣集、传送方法，送到邮政枢纽局，由那里的分拣

人员来阅读寄到国外的用英文书写信封的目的地人员来阅读寄到国外的用英文书写信封的目的地

址，然后确定传送的路由。址，然后确定传送的路由。


从广义的角度讲，人们之间的交往就是一种信从广义的角度讲，人们之间的交往就是一种信

息交互的过程，我们每做一件事都必须遵循一种息交互的过程，我们每做一件事都必须遵循一种

事先规定好的规则与约定。那么，为了保证在计事先规定好的规则与约定。那么，为了保证在计

算机网络中的大量计算机之间有条不紊地交换数算机网络中的大量计算机之间有条不紊地交换数

据，就必须制定一系列的通信协议。因此，协议据，就必须制定一系列的通信协议。因此，协议

是计算机网络中一个重要与基本的概念。是计算机网络中一个重要与基本的概念。


三、层次与接口的概念三、层次与接口的概念

无论是邮政通信系统还是计算机网络，它们都有无论是邮政通信系统还是计算机网络，它们都有以下几个重要的概念：以下几个重要的概念：

　　协议（　　协议（ protocolprotocol ）；）；

　　层次（　　层次（ layerlayer）；）；

　接口（　接口（ interfaceinterface ）；）；

体系结构（体系结构（ architecturearchitecture ）。）。


层次是人们对复杂问题处理的基本方法。人们对层次是人们对复杂问题处理的基本方法。人们对于一些难以处理的复杂问题，通常是分解为若干个于一些难以处理的复杂问题，通常是分解为若干个较容易处理的小一些的问题。对于邮政通信系统，较容易处理的小一些的问题。对于邮政通信系统，它是一个涉及全国乃至世界各地区亿万人民之间信它是一个涉及全国乃至世界各地区亿万人民之间信件传送的复杂问题。它解决的方法是：件传送的复杂问题。它解决的方法是：将总体要实将总体要实现的很多功能分配在不同的层次中，每个层次要完现的很多功能分配在不同的层次中，每个层次要完成的服务及服务实现的过程都有明确规定；不同地成的服务及服务实现的过程都有明确规定；不同地区的系统分成相同的层次；不同系统的同等层具有区的系统分成相同的层次；不同系统的同等层具有相同的功能；高层使用低层提供的服务时，并不需相同的功能；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。要知道低层服务的具体实现方法。


邮政通信系统层次结构的方法，与计算机网络邮政通信系统层次结构的方法，与计算机网络

的层次化的体系结构有很多相似之处。层次结构的层次化的体系结构有很多相似之处。层次结构

体现出对复杂问题采取“分而治之”的模块化方体现出对复杂问题采取“分而治之”的模块化方

法，它可以大大降低复杂问题处理的难度，这正法，它可以大大降低复杂问题处理的难度，这正

是网络研究中采用层次结构的直接动力。因此，是网络研究中采用层次结构的直接动力。因此，

层次是计算机网络体系结构中又一个重要与基本层次是计算机网络体系结构中又一个重要与基本

的概念。的概念。


接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点。点。在邮政系统中，邮箱就是发信人与邮递员之在邮政系统中，邮箱就是发信人与邮递员之间规定的接口。同一个结点的相邻层之间存在着间规定的接口。同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务低层向高层通过接口提供服务。。只要接口条件、低层功能不变，低层功能的具体只要接口条件、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化就不会影响整个系统的工实现方法与技术的变化就不会影响整个系统的工作。因此，接口同样是计算机网络实现技术中一作。因此，接口同样是计算机网络实现技术中一个重要与基本的概念。个重要与基本的概念。


四、网络体系结构的提出四、网络体系结构的提出

网络协议对计算机网络是不可缺少的，一个功网络协议对计算机网络是不可缺少的，一个功能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议能完备的计算机网络需要制定一整套复杂的协议集。对于结构复杂的网络协议来说，最好的组织集。对于结构复杂的网络协议来说，最好的组织方式是方式是层次结构模型层次结构模型。计算机网络协议就是按照。计算机网络协议就是按照层次结构模型来组织的。我们层次结构模型来组织的。我们将网络层次结构模将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型与各层协议的集合定义为计算机网络体系结构（（ network architecturenetwork architecture ））。。


网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进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，而这些功能是用什么样的硬件行了精确的定义，而这些功能是用什么样的硬件

与软件去完成的，则是具体的实现（与软件去完成的，则是具体的实现（ implementimplement

ationation ）问题。体系结构是抽象的，而实现是具）问题。体系结构是抽象的，而实现是具

体的，它是指能够运行的一些硬件和软件。体的，它是指能够运行的一些硬件和软件。


五、计算机网络采用层次结构，具有以下优点：五、计算机网络采用层次结构，具有以下优点：(1) (1) 各层之间相互独立，高层不需要知道低层是各层之间相互独立，高层不需要知道低层是如何实现的，而仅知道该层通过层间的接口所提如何实现的，而仅知道该层通过层间的接口所提供的服务。供的服务。(2) (2) 当任何一层发生变化时，例如由于技术进步当任何一层发生变化时，例如由于技术进步促进实现技术的变化，只要接口保持不变，则在促进实现技术的变化，只要接口保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。这层以上或以下各层均不受影响。(3) (3) 各层都可以采用最合适的技术来实现，各层各层都可以采用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他层。实现技术的改变不影响其他层。(4) (4) 整个系统被分解为若干个易于处理的部分，整个系统被分解为若干个易于处理的部分，这种结构使得一个庞大而复杂系统的实现和维护这种结构使得一个庞大而复杂系统的实现和维护变得容易控制变得容易控制


(5) (5) 每层的功能与所提供的服务都已有精确的说每层的功能与所提供的服务都已有精确的说明，因此这有利于促进标准化过程。明，因此这有利于促进标准化过程。在在 19741974 年，年， IBMIBM 公司提出了世界上第一个网公司提出了世界上第一个网络体系结构，这就是系统网络体系结构（络体系结构，这就是系统网络体系结构（ SNASNA，， system network architecturesystem network architecture ）。此后，许多）。此后，许多公司纷纷提出各自的网络体系结构。这些网络体公司纷纷提出各自的网络体系结构。这些网络体系结构共同之处在于它们都采用了分层技术，但系结构共同之处在于它们都采用了分层技术，但层次的划分、功能的分配与采用的技术术语均不层次的划分、功能的分配与采用的技术术语均不相同。随着信息技术的发展，各种计算机系统连相同。随着信息技术的发展，各种计算机系统连网和各种计算机网络的互连成为人们迫切需要解网和各种计算机网络的互连成为人们迫切需要解决的课题。决的课题。 OSIOSI 参考模型就是在这个背景下提出参考模型就是在这个背景下提出与研究的。与研究的。


3.23.2　　 OSIOSI 参考模型参考模型一、一、 OSIOSI 参考模型的提出参考模型的提出从历史上来看，在制定计算机网络标准方面，从历史上来看，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（话咨询委员会（ CCITTCCITT，， Consultative CommiConsultative Committee on International Telegraph and Telephottee on International Telegraph and Telephonene ）与国际标准化组织。）与国际标准化组织。 CCITTCCITT与与 ISOISO 的工作的工作领域是不同的，领域是不同的， CCITT CCITT 主要是从通信的角度考虑主要是从通信的角度考虑一些标准的制定，而一些标准的制定，而 ISOISO 则关心信息的处理与网则关心信息的处理与网络体系结构。随着科学技术的发展，通信与信息络体系结构。随着科学技术的发展，通信与信息处理之间的界限已变得比较模糊。于是，通信与处理之间的界限已变得比较模糊。于是，通信与信息处理就都成为信息处理就都成为 CCITTCCITT与与 ISOISO 共同关心的领域。共同关心的领域。


19741974 年，年， ISOISO 发布了著名的发布了著名的 ISO/IEC 749ISO/IEC 74988标准，它定义了网络互连的标准，它定义了网络互连的 77 层框架，也就层框架，也就是开放系统互连（是开放系统互连（ OSIOSI ，， Open System IntOpen System Internetworkernetwork ）参考模型。在）参考模型。在 OSIOSI 框架下，进框架下，进一步详细规定了每一层的功能，以实现开放一步详细规定了每一层的功能，以实现开放系统环境中的互连性（系统环境中的互连性（ interconnectioninterconnection ）、）、互操作性（互操作性（ interoperationinteroperation ）与应用的可移）与应用的可移植性（植性（ portabilityportability ）。）。 CCITTCCITT的建议书的建议书 X.4X.40000 也定义了一些相似的内容。也定义了一些相似的内容。


二、二、 OSIOSI 参考模型的概念参考模型的概念

在在 OSIOSI 中的“开放”是指只要遵循中的“开放”是指只要遵循 OSIOSI 标准，标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵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他任何系统进行通信。在循同一标准的其他任何系统进行通信。在 OSI OSI 标标准的制定过程中，采用的方法是将整个庞大而复准的制定过程中，采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就是分层的体系结构方法。是分层的体系结构方法。


在在 OSIOSI 标准中，采用的是三级抽象：标准中，采用的是三级抽象：

　体系结构（　体系结构（ architecturearchitecture ）；）；

　服务定义（　服务定义（ service definitionservice definition ）；）；

　　协议规格说明（协议规格说明（ protocol specificationprotocol specification ）。）。

OSIOSI 参考模型定义了开放系统的层次结构、层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所包括的可能的服务。次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务。它是作为一个框架来协调和组织各层协议的制定，它是作为一个框架来协调和组织各层协议的制定，也是对网络内部结构最精炼的概括与描述。也是对网络内部结构最精炼的概括与描述。


OSIOSI 的服务定义详细地说明了各层所提供的服的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务。某一层的服务就是该层及其以下各层的一种

能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供

的服务与这些服务是怎样实现的无关。同时，各的服务与这些服务是怎样实现的无关。同时，各

种服务定义还定义了层与层之间的接口与各层使种服务定义还定义了层与层之间的接口与各层使

用的原语，但不涉及接口是怎样实现的。用的原语，但不涉及接口是怎样实现的。


OSIOSI 标准中的各种协议精确地定义了：应当发标准中的各种协议精确地定义了：应当发送什么样的控制信息，以及应当用什么样的过程送什么样的控制信息，以及应当用什么样的过程来解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严来解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。格的约束。 OSIOSI 参考模型并没有提供一个可以实现的方法。参考模型并没有提供一个可以实现的方法。 OSIOSI 参考模型只是描述了一些概念，用来协调参考模型只是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定。在进程间通信标准的制定。在 OSIOSI 的范围内，只有的范围内，只有各种协议是可以被实现的，而各种产品只有和各种协议是可以被实现的，而各种产品只有和 OSOSII 的协议相一致时才能互连。也就是说，的协议相一致时才能互连。也就是说， OSIOSI 参参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。所使用的概念性的框架。


四、四、 OSIOSI 参考模型的结构参考模型的结构

OSIOSI 是分层体系结构的一个实例，每一层是一是分层体系结构的一个实例，每一层是一

个模块，用于执行某种主要功能，并具有自己的个模块，用于执行某种主要功能，并具有自己的

一套通信指令格式（称为协议）。用于相同层的一套通信指令格式（称为协议）。用于相同层的

两个功能间通信的协议成为对等协议。根据分而两个功能间通信的协议成为对等协议。根据分而

治之的原则，治之的原则， ISOISO 将整个通信功能划分为将整个通信功能划分为 77个层个层

次。次。


五、五、划分层次的主要原则是：划分层次的主要原则是：

(1) (1) 网中各结点都具有相同的层次。网中各结点都具有相同的层次。

(2) (2) 不同结点的同等层具有相同的功能。不同结点的同等层具有相同的功能。

(3) (3) 同一结点内相邻层之间通过接口通信。同一结点内相邻层之间通过接口通信。

(4) (4) 每一层可以使用下层提供的服务，并向其上每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。层提供服务。

(5) (5) 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。间的通信。


OSIOSI 参考模型的结构如图所示。将信息从一层参考模型的结构如图所示。将信息从一层传送到下一层是通过命令方式实现的，这里的命传送到下一层是通过命令方式实现的，这里的命令称为原语（令称为原语（ primitiveprimitive ）。被传送的信息成为）。被传送的信息成为协议数据单元（协议数据单元（ PDUPDU ，， protocol data protocol data unitunit ）。在）。在 PDUPDU 进入下层之前，会在进入下层之前，会在 PDUPDU 中中加入新的控制信息，这种控制信息称为协议控制加入新的控制信息，这种控制信息称为协议控制信息（信息（ PCIPCI ，， protocol control protocol control informationinformation ）。接下来，会在）。接下来，会在 PDUPDU 中加入发中加入发送给下层的指令，这些指令称为接口控制信息送给下层的指令，这些指令称为接口控制信息（（ ICIICI ，， interface control interface control informationinformation ）。）。 PDUPDU 、、 PCIPCI 与与 ICIICI 共同组共同组成了接口数据单元（成了接口数据单元（ IDUIDU ，， interface data interface data unitunit ）。下层接收到）。下层接收到 IDUIDU 后，就会从后，就会从 IDUIDU 中去中去掉掉 ICIICI ，，


　这时的数据包被称为服务数据单元　这时的数据包被称为服务数据单元（（ SDUSDU ，， service data unitservice data unit ）。随着）。随着 SDUSDU一层层向下传送，每一层都要加入自己的信息。一层层向下传送，每一层都要加入自己的信息。


六、六、 OSIOSI 参考模型各层的功能参考模型各层的功能

(1) (1) 物理层物理层

在在 OSIOSI 参考模型，物理层（参考模型，物理层（ physical layerphysical layer ））是参考模型的最低层。该层是网络通信的数据传是参考模型的最低层。该层是网络通信的数据传输介质，由连接不同结点的电缆与设备共同构成。输介质，由连接不同结点的电缆与设备共同构成。物理层的主要功能是：利用传输介质为数据链路物理层的主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数据传输率并监控数层提供物理连接，负责处理数据传输率并监控数据出错率，以便能够实现数据流的透明传输。据出错率，以便能够实现数据流的透明传输。


(2) (2) 数据链路层数据链路层

在在 OSIOSI 参考模型，数据链路层（参考模型，数据链路层（ data link laydata link lay

erer）是参考模型的第）是参考模型的第 22 层。数据链路层的主要功层。数据链路层的主要功

能是：在物理层提供的服务基础上，数据链路层能是：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，并采用差错控制与流量“帧”为单位的数据包，并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控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数

据链路。据链路。


(3) (3) 网络层网络层

在在 OSIOSI 参考模型，网络层（参考模型，网络层（ network layernetwork layer ））

是参考模型的第是参考模型的第 33层。网络层的主要功能是：为层。网络层的主要功能是：为

数据在结点之间传输创建逻辑链路，通过路由选数据在结点之间传输创建逻辑链路，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，择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径，

以及实现拥塞控制、网络互连等功能。以及实现拥塞控制、网络互连等功能。


(4) (4) 传输层传输层

在在 OSIOSI 参考模型，传输层（参考模型，传输层（ transport layetransport laye

rr）是参考模型的第）是参考模型的第 44 层。传输层的主要功能是：层。传输层的主要功能是：

向用户提供可靠的端到端（向用户提供可靠的端到端（ end-to-endend-to-end ）服务，）服务，

处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关处理数据包错误、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键传输问题。传输层向高层屏蔽了下层数据通信

的细节，因此，它是计算机通信体系结构中关键的细节，因此，它是计算机通信体系结构中关键

的一层。的一层。


(5) (5) 会话层会话层在在 OSIOSI 参考模型，会话层（参考模型，会话层（ session layersession layer））是参考模型的第是参考模型的第 55 层。会话层的主要功能是：负层。会话层的主要功能是：负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点到点传输不中断，以及管理数据交换等功能。点传输不中断，以及管理数据交换等功能。(6) (6) 表示层表示层在在 OSIOSI 参考模型，表示层（参考模型，表示层（ presentation laypresentation layerer）是参考模型的第）是参考模型的第 66层。表示层的主要功能是：层。表示层的主要功能是：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，主要包括数据格式变换、数据加密与解密、数据主要包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。压缩与恢复等功能。


(7) (7) 应用层应用层

在在 OSIOSI 参考模型，应用层（参考模型，应用层（ application layapplication layerer）是参考模型的最高层。应用层的主要功能）是参考模型的最高层。应用层的主要功能是：为应用软件提供了很多服务，例如文件服是：为应用软件提供了很多服务，例如文件服务器、数据库服务、电子邮件与其他网络软件务器、数据库服务、电子邮件与其他网络软件服务。服务。


七、七、 OSIOSI 环境中的数据传输过程环境中的数据传输过程

在研究在研究 OSIOSI 参考模型时，需要搞清楚它所描述参考模型时，需要搞清楚它所描述

的范围，这个范围称做的范围，这个范围称做 OSIOSI 环境（环境（ OSIEOSIE ，， OSI OSI

environmentenvironment ）。图）。图 1.61.6描述了描述了 OSIOSI 环境。环境。 OSOS

II 参考模型描述的范围包括连网计算机系统中的应参考模型描述的范围包括连网计算机系统中的应

用层到物理层的用层到物理层的 77 层与通信子网，即图中虚线框层与通信子网，即图中虚线框

中的范围。连接结点的物理传输介质不包括在中的范围。连接结点的物理传输介质不包括在 OSOS

II 环境内。环境内。


主机主机 AA和主机和主机 BB在连入计算机网络之前，不需在连入计算机网络之前，不需

要有实现从应用层到物理层的要有实现从应用层到物理层的 77 层功能的硬件与层功能的硬件与

软件。如果它们希望连入计算机网络，就必须增软件。如果它们希望连入计算机网络，就必须增

加相应的硬件和软件。一般来说，物理层、数据加相应的硬件和软件。一般来说，物理层、数据

链路层与网络层大部分可以由硬件方式来实现，链路层与网络层大部分可以由硬件方式来实现，

而高层基本上是通过软件方式来实现的。而高层基本上是通过软件方式来实现的。


假设应用进程假设应用进程 AA要与应用进程要与应用进程 BB交换数据。进交换数据。进程程 AA与进程与进程 BB分别处于主机分别处于主机 AA与计算机与计算机 BB的本的本地系统环境中，即处于地系统环境中，即处于 OSIOSI 环境之外。进程环境之外。进程 AA首首先要通过本地的计算机系统来调用实现应用层功先要通过本地的计算机系统来调用实现应用层功能的软件模块，应用层模块将主机能的软件模块，应用层模块将主机 AA的通信请求的通信请求传送到表示层；表示层再向会话层传送，直至物传送到表示层；表示层再向会话层传送，直至物理层。物理层通过连接主机理层。物理层通过连接主机 AA与通信控制处理机与通信控制处理机（（ CCPACCPA ）的传输介质，将数据传送到）的传输介质，将数据传送到 CCPACCPA。。


　　 CCPACCPA 的物理层接收到主机的物理层接收到主机 AA 传送的数据后，传送的数据后，通过数据链路层检查是否存在传输错误；如果没通过数据链路层检查是否存在传输错误；如果没有错误的话，有错误的话， CCPACCPA 通过它的网络层来确定下面通过它的网络层来确定下面应该把数据传送到哪一个应该把数据传送到哪一个 CCPCCP 。如果通过路径选。如果通过路径选择算法，确定下一个结点是择算法，确定下一个结点是 CCPBCCPB 的话，那么的话，那么CCPACCPA 就将数据传送到就将数据传送到 CCPBCCPB 。。 CCPBCCPB 采用同采用同样的方法，将数据传送到主机样的方法，将数据传送到主机 BB 。主机。主机 BB 将接收将接收到的数据，从物理层逐层向高层传送，直至主机到的数据，从物理层逐层向高层传送，直至主机BB 的应用层。应用层再将数据传送给主机的应用层。应用层再将数据传送给主机 BB 的进的进程程 BB 。。


OSIOSI 环境中数据环境中数据流流


　　 OSIOSI 环境中数据传输过程包括以下几步：当应环境中数据传输过程包括以下几步：当应用进程用进程 AA的数据传送到应用层时，应用层为数据的数据传送到应用层时，应用层为数据加上本层控制报头后，组织成应用层的数据服务加上本层控制报头后，组织成应用层的数据服务单元，然后再传输到表示层。表示层接收到这个单元，然后再传输到表示层。表示层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头，组成表示层数据单元后，加上本层的控制报头，组成表示层的数据服务单元，再传送到会话层。依此类推，的数据服务单元，再传送到会话层。依此类推，数据传送到传输层；传输层接收到这个数据单元数据传送到传输层；传输层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头，就构成了传输层的数后，加上本层的控制报头，就构成了传输层的数据服务单元，它被称为报文（据服务单元，它被称为报文（ messagemessage ）。）。


　传输层的报文传送到网络层时，由于网络层数　传输层的报文传送到网络层时，由于网络层数据单元的长度有限制，传输层长报文将被分成多据单元的长度有限制，传输层长报文将被分成多个较短的数据字段，加上网络层的控制报头，就个较短的数据字段，加上网络层的控制报头，就构成了网络层的数据服务单元，它被称为分组构成了网络层的数据服务单元，它被称为分组（（ packetpacket ）。网络层的分组传送到数据链路层）。网络层的分组传送到数据链路层时，加上数据链路层的控制信息，就构成了数据时，加上数据链路层的控制信息，就构成了数据链路层的数据服务单元，它被称为帧（链路层的数据服务单元，它被称为帧（ frameframe ）。）。数据链路层的帧传送到物理层后，物理层将以比数据链路层的帧传送到物理层后，物理层将以比特流的方式通过传输介质传输出去。当比特流到特流的方式通过传输介质传输出去。当比特流到达目的结点主机达目的结点主机 BB时，再从物理层依层上传，每时，再从物理层依层上传，每层对各层的控制报头进行处理，将用户数据上交层对各层的控制报头进行处理，将用户数据上交高层，最终将进程高层，最终将进程 AA的数据送给主机的数据送给主机 BB的进程的进程 BB。。


尽管应用进程尽管应用进程 AA的数据在的数据在 OSIOSI 环境中经过复杂环境中经过复杂

的处理过程，才能送到另一台计算机的应用进程的处理过程，才能送到另一台计算机的应用进程

BB，但对于每台计算机的应用进程来说，，但对于每台计算机的应用进程来说， OSIOSI 环环

境中数据流的复杂处理过程是透明的。应用进程境中数据流的复杂处理过程是透明的。应用进程

AA的数据好像是“直接”传送给应用进程的数据好像是“直接”传送给应用进程 BB，这，这

就是开放系统在网络通信过程中最本质的作用。就是开放系统在网络通信过程中最本质的作用。


3.33.3 　　 TCP/IPTCP/IP 参考模型参考模型

一、一、 TCP/IPTCP/IP 参考模型的发展参考模型的发展

在讨论了在讨论了 OSIOSI 参考模型的基本内容后，我们要参考模型的基本内容后，我们要

回到现实的网络技术发展状况中来。回到现实的网络技术发展状况中来。 OSIOSI 参考模参考模

型研究的初衷是希望为网络体系结构与协议的发型研究的初衷是希望为网络体系结构与协议的发

展提供一种国际标准。但是，我们不能不看到展提供一种国际标准。但是，我们不能不看到 IntInt

erneternet在全世界的飞速发展，以及在全世界的飞速发展，以及 TCP/IPTCP/IP 协议的协议的

广泛应用对网络技术发展的影响。广泛应用对网络技术发展的影响。


　　 ARPANETARPANET 是最早出现的计算机网络之一，是最早出现的计算机网络之一，现代计算机网络的很多概念与方法都是从它的基现代计算机网络的很多概念与方法都是从它的基础上发展出来的。美国国防部高级研究计划局础上发展出来的。美国国防部高级研究计划局（（ ARPAARPA ）提出）提出 ARPANET ARPANET 研究计划的要求是：研究计划的要求是：在战争中，如果它的主机、通信控制处理机与通在战争中，如果它的主机、通信控制处理机与通信线路的某些部分遭到攻击而损坏，那么其他部信线路的某些部分遭到攻击而损坏，那么其他部分还能够正常工作；同时，还希望适应从文件传分还能够正常工作；同时，还希望适应从文件传送到实时数据传输的各种应用需求。因此，它要送到实时数据传输的各种应用需求。因此，它要求的是一种灵活的网络体系结构，能够实现异型求的是一种灵活的网络体系结构，能够实现异型网络的互连（网络的互连（ interconnectioninterconnection ）与互通）与互通（（ intercommunicationintercommunication ）。）。


最初，最初， ARPANETARPANET 使用的是租用线路。当卫星使用的是租用线路。当卫星通信系统与通信网发展起来之后，通信系统与通信网发展起来之后， ARPANET ARPANET 最最初开发的网络协议使用在通信可靠性较差的通信初开发的网络协议使用在通信可靠性较差的通信子网中出现了不少问题，这就导致了新的网络协子网中出现了不少问题，这就导致了新的网络协议议 TCP/IP TCP/IP 的出现。虽然的出现。虽然 TCP/IPTCP/IP 协议都不是协议都不是 OSIOSI标准，但它们是目前最流行的商业化的协议，并标准，但它们是目前最流行的商业化的协议，并被公认为当前的工业标准或“事实上的标准”。被公认为当前的工业标准或“事实上的标准”。在在 TCP/IPTCP/IP 协议出现后，出现了协议出现后，出现了 TCP/IPTCP/IP 参考模型。参考模型。19741974 年年 KahnKahn定义了最早的定义了最早的 TCP/IPTCP/IP 参考模型，参考模型，19851985 年年 LeinerLeiner等人进一步对它开展了研究，等人进一步对它开展了研究， 19198888 年年 ClarkClark在参考模型出现后对其设计思想进行在参考模型出现后对其设计思想进行了改进。了改进。


InternetInternet上的上的 TCP/IPTCP/IP 协议之所以能够迅速发协议之所以能够迅速发展，不仅因为它是美国军方指定使用的协议，更展，不仅因为它是美国军方指定使用的协议，更重要的是它恰恰适应了世界范围内的数据通信的重要的是它恰恰适应了世界范围内的数据通信的需要。需要。 TCP/IPTCP/IP 协议具有以下几个特点：协议具有以下几个特点：开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。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、独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网中。广域网，更适用于互联网中。统一的网络地址分配方案，使得整个统一的网络地址分配方案，使得整个 TCP/IPTCP/IP设备在网中都具有惟一的地址。设备在网中都具有惟一的地址。标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。服务。


二、二、 TCP/IPTCP/IP 参考模型各层的功能参考模型各层的功能在如何用分层模型描述在如何用分层模型描述 TCP/IPTCP/IP 参考模型的问参考模型的问题上争论很多，但共同的观点是题上争论很多，但共同的观点是 TCP/IPTCP/IP 参考模型参考模型的层次数比的层次数比 OSIOSI 参考模型的参考模型的 77 层要少。层要少。TCP/IPTCP/IP参考模型可以分为以下四个层次：参考模型可以分为以下四个层次：应用层（应用层（ application layerapplication layer）） ;; 传输层（传输层（ transport layertransport layer ）） ;;　互联层（　互联层（ internet layerinternet layer）） ;; 主机—网络层（主机—网络层（ host-to-network layerhost-to-network layer）。）。　　


其中，其中， TCP/IPTCP/IP 参考模型的应用层与参考模型的应用层与 OSIOSI 参考参考模型的应用层相对应；模型的应用层相对应； TCP/IPTCP/IP 参考模型的传输层参考模型的传输层与与 OSIOSI 参考模型的传输层相对应；参考模型的传输层相对应； TCP/IPTCP/IP 参考参考模型的互联层与模型的互联层与 OSIOSI 参考模型的网络层相对应；参考模型的网络层相对应；TCP/IPTCP/IP 参考模型的主机、网络层与参考模型的主机、网络层与 OSIOSI 参考模型参考模型的数据链路层和物理层相对应。在的数据链路层和物理层相对应。在 TCP/IPTCP/IP 参考模参考模型中，对型中，对 OSIOSI 参考模型的表示层、会话层没有对参考模型的表示层、会话层没有对应的协议。应的协议。


(1) (1) 主机－网络层主机－网络层在在 TCP/IPTCP/IP 参考模型中，主机参考模型中，主机 \|\|网络层是参考网络层是参考模型的最低层，它负责通过网络发送和接收模型的最低层，它负责通过网络发送和接收 IPIP数数据报。据报。 TCP/IPTCP/IP 参考模型允许主机连入网络时使用参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议，例如局域网协议或其多种现成的与流行的协议，例如局域网协议或其他一些协议。他一些协议。在在 TCP/IPTCP/IP 的主机－网络层中，它包括各种物的主机－网络层中，它包括各种物理网协议，例如局域网的理网协议，例如局域网的 EthernetEthernet、局域网的、局域网的令牌环、分组交换网的令牌环、分组交换网的 X.25X.25 等。当这种物理网被等。当这种物理网被用作传送用作传送 IPIP 数据包的通道时，就可以认为是这一数据包的通道时，就可以认为是这一层的内容。这体现了层的内容。这体现了 TCP/IPTCP/IP 协议的兼容性与适应协议的兼容性与适应性，也为性，也为 TCP/IPTCP/IP的成功奠定了基础。的成功奠定了基础。


(2) (2) 互联层互联层

在在 TCP/IPTCP/IP 参考模型中，互联层是参考模型的参考模型中，互联层是参考模型的

第二层，它相当于第二层，它相当于 OSIOSI 参考模型网络层的无连接参考模型网络层的无连接

网络服务。互联层负责将源主机的报文分组发送网络服务。互联层负责将源主机的报文分组发送

到目的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，到目的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，

也可以在不同的网上。也可以在不同的网上。


互联层的主要功能包括以下几点：互联层的主要功能包括以下几点：

① ① 接收到分组发送请求后，将分组装入接收到分组发送请求后，将分组装入 IPIP 数据数据报，填充报头并选择发送路径，然后将数据报发报，填充报头并选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出线。送到相应的网络输出线。

② ② 接收到其他主机发送的数据报后，检查目的地接收到其他主机发送的数据报后，检查目的地址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；如目的地址为本结点如目的地址为本结点 IPIP 地址，则除去报头，将分地址，则除去报头，将分组交送传输层处理。组交送传输层处理。

③ ③ 处理互连的路径、流控与拥塞问题。处理互连的路径、流控与拥塞问题。


(3) (3) 传输层传输层在在 TCP/IPTCP/IP 参考模型中，传输层是参考模型的第参考模型中，传输层是参考模型的第33层，它负责在应用进程之间的端层，它负责在应用进程之间的端 -- 端通信。传输端通信。传输层的主要目的是：在互联网中源主机与目的主机层的主要目的是：在互联网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端的对等实体间建立用于会话的端 -- 端连接。从这端连接。从这一点上讲，一点上讲， TCP/IPTCP/IP 参考模型的传输层与参考模型的传输层与 OSI OSI 参参考模型的传输层功能是相似的。考模型的传输层功能是相似的。在在 TCP/IPTCP/IP 参考模型的传输层，定义了以下这参考模型的传输层，定义了以下这两种协议：两种协议：


①①　传输控制协议（　传输控制协议（ TCPTCP ，， Transport Transport Control ProtocolControl Protocol ）） TCPTCP 协议是一种可靠的面向连接的协议，它协议是一种可靠的面向连接的协议，它允许将一台主机的字节流（允许将一台主机的字节流（ byte streambyte stream ）无）无差错地传送到目的主机。差错地传送到目的主机。 TCPTCP 协议将应用层的字协议将应用层的字节流分成多个字节段（节流分成多个字节段（ byte segmentbyte segment ），然），然后将一个个的字节段传送到互联层，发送到目的后将一个个的字节段传送到互联层，发送到目的主机。当互联层将接收到的字节段传送给传输层主机。当互联层将接收到的字节段传送给传输层时，传输层再将多个字节段还原成字节流传送到时，传输层再将多个字节段还原成字节流传送到运用层。运用层。 TCPTCP 协议同时要完成流量控制功能，协协议同时要完成流量控制功能，协调收发双方的发送与接收速度，达到正确传输的调收发双方的发送与接收速度，达到正确传输的目的。目的。


② ② 用户数据报协议（用户数据报协议（ UDPUDP ，， User Datagram PUser Datagram P

rotocolrotocol ））

UDPUDP 协议是一种不可靠的无连接协议，它主要协议是一种不可靠的无连接协议，它主要

用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺

序检查与排序由应用层完成。序检查与排序由应用层完成。


(4) (4) 应用层应用层在在 TCP/IPTCP/IP 参考模型中，应用层是参考模型的最高参考模型中，应用层是参考模型的最高层。应用层包括了所有的高层协议，并且总是不层。应用层包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。目前，应用层协议主要有以断有新的协议加入。目前，应用层协议主要有以下几种：下几种： ① ① 网络终端协议（网络终端协议（ TelnetTelnet ）实现互联网中远程）实现互联网中远程登录功能。登录功能。 ② ② 文件传输协议（文件传输协议（ FTPFTP ，， File Transfer ProtoFile Transfer Protocolcol ）实现互联网中交互式文件传输功能。）实现互联网中交互式文件传输功能。


③ ③ 简单邮件传输协议（简单邮件传输协议（ SMTPSMTP ，， Simple Simple

Mail Transfer ProtocolMail Transfer Protocol ）实现互联网中电子）实现互联网中电子邮件传送功能。邮件传送功能。

④ ④ 域名系统（域名系统（ DNSDNS ，， Domain Name Domain Name

SystemSystem ）实现网络设备名字到）实现网络设备名字到 IPIP 地址映射的地址映射的网络服务。网络服务。

⑤ ⑤ 简单网络管理协议（简单网络管理协议（ SNMPSNMP ，， Simple Simple

Network Management ProtocolNetwork Management Protocol ）管理）管理与监视网络设备。与监视网络设备。


⑥ ⑥ 路由信息协议（路由信息协议（ RIPRIP ，， Routing InformatioRouting Information Protocoln Protocol ）在网络设备之间交换路由信息。）在网络设备之间交换路由信息。

⑦ ⑦ 网络文件系统（网络文件系统（ NFSNFS，， Network File SysteNetwork File Systemm ）实现网络中不同主机间的文件共享。）实现网络中不同主机间的文件共享。

⑧ ⑧ 超文本传输协议（超文本传输协议（ HTTPHTTP ，， Hypertext TransHypertext Transfer Protocolfer Protocol ）用于）用于 WWWWWW 服务。服务。


应用层协议可以分为三类：一类依赖于面向连应用层协议可以分为三类：一类依赖于面向连接的接的 TCPTCP 协议；一类依赖于面向连接的协议；一类依赖于面向连接的 UDPUDP 协协议；而另一类则既可依赖于议；而另一类则既可依赖于 TCPTCP协议，也可依赖协议，也可依赖于于 UDPUDP 协议。其中，依赖协议。其中，依赖 TCPTCP 协议的主要有网协议的主要有网络终端协议、电子邮件协议、文件传送协议等；络终端协议、电子邮件协议、文件传送协议等；依赖依赖 UDPUDP 协议的主要有简单网络管理协议、简单协议的主要有简单网络管理协议、简单文件传输协议等；既依赖文件传输协议等；既依赖 TCPTCP 协议又依赖协议又依赖 UDPUDP协议的主要有域名系统等。协议的主要有域名系统等。


思考题思考题 ::

11 计算机网络采用层次结构有什么好处？计算机网络采用层次结构有什么好处？

22 说明服务和协议的关系说明服务和协议的关系

33 说明说明 OSIOSI 参考模型中数据的传输方式参考模型中数据的传输方式

44 简单叙述简单叙述 OSIOSI 参考模型中各层的主要功能参考模型中各层的主要功能

55 简单叙述简单叙述 TCP/IPTCP/IP协议中，各层的主要功能协议中，各层的主要功能

第 3 章 网络体系结构与协议

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第 3 章　网络体系结构与协议