第三章　计算机网络体系结构

2023年4月20日星期四计算机工程系吕学松

第三章　计算机网络体系结构 3.1　基本概念 3.2　ISO/OSI开放系统互连参考模型 3.3　物理层 3.4　数据链路层 3.5　网络层 3.6　传输层 3.7　会话层和表示层 3.8　应用层 3.9　TCP/IP体系


§3.1 　基本概念　　　 1.　实体：能发送和接受信息的任何东西　　　 2.　协议：两个实体间控制数据交换的规则集

合。　　　语法：规定通信双方“如何讲”，即确定协议

元素的格式。　　　语义：规定通信双方“讲什么”，即确定协议

元素的类型。　　　同步：包括速度匹配、排序和拥塞控制等，即

有关事件实现顺序的详细说明。


peer process　对等处理　

虚　

拟　

连　

接　

物理层 protocol　

物理连接　

应用层　应用层　

表示层　表示层　

会话层　会话层　

传输层　传输层　

网络层　网络层　

数据　数据　

链路层　链路层　

物理层　物理层　


　　　 3.　网络体系结构　　　网络体系结构是从体系的角度来研究和设计计

算机网络体系，其核心是网络系统的逻辑结构和功能分配定义，即描述不同计算机系统之间互连通信的方法和结构，是层和协议的集合。

　　　接口：相邻层之间有一个预先定义明确的界面，称为接口，接口定义了服务原语和下层向上层提供的服务。


　　　 4.　各层设计问题•链接问题•差错控制•数据流量控制•传输方式•路由选择•拥塞控制


　　　 5.　服务类型　　　层与层之间具有服务和被服务的单向依赖关系，

下层向上层提供服务，而上层调用下层的服务。　　　面向连接服务：收发的数据不令顺序一致，而

且内容也相同。　　　无连接服务：有可能后发的报文反而先收到。　　　 6.　服务原语　　　请求、指示、响应、确认


　　　 6.　服务原语　　　请求：服务调用者请求服务提供者提供

某种服务

　　　指示：服务提供者告知服务调用者某事件发生

　　　响应：服务调用者通知服务提供者响应某件事件

　　　确认：服务提供者告知服务调用者关于它的请求的答复


　　　 7.　服务与协议　　　服务是各层向它上层提供的一组原语

（操作），定义了相邻两层之间的接口。下层为服务提供者，上层为服务调用者。

　　　协议是定义同层对等实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一级规则。

　　　实体用协议来实现它们的服务定义。　　　协议与服务的分离，使得计算机网络中

采用新通信技术替换落后的通信手段更容易，增强了计算机网络的适应性。


一、 OSI 参考模型遵循原则　　　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。

§3.2 　 ISO/OSI 开放系统互连参考模型


OSI参考模型OSI　RM ：开放系统互连参考模型（ Open　System　Interconnection　Reference　Model ）

OSI　RM　定义了网络中设备所遵守的层次结构。

分层结构的优点：• 简化网络的操作• 提供设备间兼容性和标准接口• 促进标准化工作• 结构上可以分隔• 易于实现和维护


二、 OSI 参考模型各层的功能　　　　All　　People　Seem　To　Need　Data　Process

　　　Application　Pressentation　Session　Transport　Network　Datalink　Physical

三、 OSI 参考模型的特性


七层功能应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层1

2

3

4

5

6

7

底层 : 负责网络数据传输

高层 : 负责主机之间的数据传输


七层功能应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层1

2

3

4

5

6

7提供应用程序间通信

处理数据格式、数据加密等

建立、维护和管理会话

建立主机端到端连接

寻址和路由选择

提供介质访问、链路管理等

比特流传输


对等层通信

每一层利用下一层提供的服务与对等层通信；每一层使用自己的协议。

Host A Host B

APDU

PPDU

SPDU

Segment

Packet

Frame

Bit

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

四、 OSI 数据流向


数据封装

数据封装和解封装过程

Data

DataH

DataHH

主机服务器交换机路由器

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

Data

DataH

DataHH


一、概述　　　物理层是 OSI 模型的最低层，它向下直接与传

输介质相连接，是开放系统和物理传输介质的接口，向上相邻且服务于数据链路层。它的作用是在数据链路层实体之间提供必需的物理连接，按顺序传输数据位，并进行差错检查。在发现错误时，向数据链路层提出报告。它是连接两个物理设备、为数据链路层提供透明位传输所必须遵循的协议。

　　　 DTE 和 DCE

§3.3 　物理层


二、物理层特性　　　 1.　机械特性　　　机械特性规定了 DTE 和 DCE 实际的物理连接；

详细说明了接插件的尺寸，插头的数目，排列方式，以及插头和插座的尺寸，电缆的长度，以及所含导线的数目等。

　　　 2.　电气特性　　　电气特性规定了数据交换信号及有关电路的特

性。一般包括最大数据传输速率的说明，信号状态（逻辑电平，通 /断，传号 /空号）的电压和电流的识别，以及电路特性的说明和与互连电缆相关的规定。


　　　 3.　功能特性　　　功能特性规定接口所具有的特定功能，即 DTE-DCE 之间各信号的信号含义。通常信号线可分为：数据线、控制线、同步线和地线四种。

　　　 4.　规程特性　　　规程特性协议规定了使用交换电路进行数据交

换时应遵循的控制步骤，即完成连接的建立、维持、拆除时， DTE 和 DCE 双方在各线路上的动作序列或动作规则。


三、物理层接口举例 RS-232C


　　　 1.　机械特性


　　　 2.　电气特性

RS-232 信号电平（采用“负逻辑”）状态 “0”(Hight) “1”(Low)

驱动器逻辑电平 +3V～ +15V

-3V～ -15V

名称 Space Mark

表 4-1　　　　　　　


过渡区过渡区

逻辑 0（Max）　

逻辑 0（Min）　







噪声边界　

噪声边界　

逻辑 0　逻辑 0　

逻辑 1　逻辑 1　

信号线　

地线　


　　　 3.　功能特性　　　 4.　规程特性


一、数据链路层设计问题　　　 1.　为网络层提供服务　　　数据链路层的功能是为网络层提供服务。其基

本服务是将源机器中来自网络层的数据传输给目的机器的网络层。

• 无确认的无连接服务• 有确认的无连接服务• 有确认的面向连接服务

§3.4 　数据链路层


　　　 2.　帧传输　　　对于数据链路层，通常的方法是把比特

流分成离散的帧，并对每一个帧计算出校验和。

　　　 3.　差错控制　　　为了保证可靠传送，常采用的方法是向

数据发送方提供有关接收方接收情况的反馈信息。

　　　 4.　流量控制　　　处理发送方的传送能力比接收方接收能力大的问题——流量控制


二、差错检测和纠正　　　 1.　纠错码　　　 2.　检错码三、数据链路层协议

　　　 2.　面向比特型链路协议


1.　面向字符型• 以字符为单位• 允许同步和异步传输方式• 采用字符填充实现透明传输

2.　面向比特型• 以比特为单位• 允许同步和异步传输方式• 采用比特填充实现透明传输

三、数据链路层协议


　　　 3.　HDLC——高级数据链路层控制协议

面向比特透明传输－零比特填充法运行于同步串行线路

接收站地址标志控制段数据信息帧校验标志

8位 8位 8位不定长 16位 8位


基本工作模式• 站点类型

主站 \ 从站 \混合站 (primary\secondary\combined)

• 链路结构非平衡 \ 对称 \平衡unbalanced\symmetrical\balanced

• 通信模式一般响应模式 \异步响应模式 \异步平衡模式NRM(Normal　response　mode)

ARM(Asynchronous　response　mode)

ABM(Asynchronous　balanced　mode)


HDLC　Unbalanced

Unbalanced　NRM(Normal　Response　Mode)• 主站控制通信• 从站必须经过主站的允许才能通过响应的方式发

送数据• 从站之间的通信必须经过主站

Unbalanced　ARM(Asynchronous　Response　M)• 从站可在信道空闲时发起通信• 从站之间的通信必须经过主站

主站从站

command

response response


HDLC　Symmetrical

对称• 通过两条独立的信道将通信站分为两个部分 , 一部

分象主站一样工作 ,另一部分象从站一样工作• 在每条信道上，都以主－从方式通信

command response

commandresponse

primary secondary

secondary primary


HDLC　Balanced

HDLC　ABM(Asynchronous　Balanced　M)• 使用混合站• 站点地位相等，任意一方都可以发起通信• 与对称方式的区别是仅使用了一个信道• 与 LAN 的区别是仅定义了两点通信而不是多点

通信

command/response

command/responsecombinedstation

combinedstation


基本格式

帧类型

HDLC 帧格式

标志控制地址数据校验和标志8 8 168 8≥0

01111110

0 发送序号 P/F 应答序号

1 0 类型 P/F 应答序号

1 1 类型 P/F 类型

信息帧

监控帧

无编号帧

0 0

0 1

1 0

1 1

RR

REJ

RNR

SREJ

SABM

DISC

UI

建链拆链无序号信息帧

差控流控

连接管理

捎带应答


　　　网络层主要负责控制通信子网的操作，实现网络上任一节点的数据准确、无差错地传输到其他节点。它涉及的是将源端发出的分组包经过各种途径传送到目标端。

　　　网络层必须了解通信网络的拓扑结构，并选择通过子网的适当路径。

§3.5 　网络层


一、网络层设计　　　 1.　为传输层提供的服务

•服务应与通信子网技术无关•通信子网的数量、类型和拓扑结构对

于传输层来说是隐蔽的•传输层能获得的网络地址应采用统一

的编号方式，即使跨越了多个 LAN 和WAN

　　　 2.　网络层的内部结构　　　 3.　虚电路子网和数据报子网的比较


二、路由选择算法　　　网络层的主要功能是将分组从源端机器选定的

路由送到目的端机器。路由选择算法和它们使用的数据结构是网络层设计的一个主要任务。

　　　路由选择算法是网络层软件的一部分，负责确定所收到分组应传送的路线。

•正确性•简单性•健壮性•稳定性•公平性•最优性


　　　各种路由选择算法：1.最优化原则2.最短路由选择3.扩散法4.距离矢量路由算法5.链路状态路由选择6.分级路由选择7.移动主机的路由选择


三、拥塞控制算法1.什么是拥塞2.造成拥塞的因素3.拥塞控制的基本原理4.拥塞预防策略5.虚电路子网中的拥塞控制


　　　传输层的主要任务是为从源端计算机到目的机提供可靠的、价格合理的数据传输，而与当前网络或使用的网络无关。

§3.6 　传输层


一、传输层服务　　　 1.　提供给高层的服务　　　 2.　服务质量　　　 3.　传输服务原语二、传输协议的要素

1.寻址2.建立连接3.释放连接


一、会话层　　　会话层的主要功能是在传输层所提供的

基础上，为两主机的用户进程建立会话连接，提供会话服务，控制两个实体之间的数据交换及释放功能，即用于管理两个计算机系统连接间的通信流。

二、表示层　　　表示层的职责是对信息格式和编码起转

换作用。同时也提供数据的安全措施。

§3.7 　会话层和表示层


文件传送、存取和管理协议虚拟终端协议简单网络管理协议

§3.8 　应用层


　　　 TCP/IP 从功能上、概念上描述网络，它是一个有层次结构的计算机网络协议与标准的庞大体系。这套协议是一个开放的通信标准，它允许不同网络节点上计算机之间通信，目前已成为 Internet 上的一个工业标准。

　　　 TCP/IP 协议不是一个单一的协议，而是由一系列通信协议所组成，而 TCP 和 IP是其中两个最重要的协议。

§3.9 　 TCP/IP 体系


TCP/IP 协议和 OSI 参考模型TCP/IP 协议栈具有简单的分层设计，与 OSI 参

考模型有清晰的对应关系。

应用层表示层会话层传输层网络层

数据链路层物理层

应

用

层

传输层

网络层

7

6

5

4

3

2

1 物理层数据链路层

OSI 参考模型 TCP/IP


TCP/IP 协议栈HTTP 、 Telnet 、 FTP 、

TFTP 、 Ping 、 etc

TCP/UDP

ARP/RARPIP

ICMP

Ethernet 、 802.3 、 PPP 、HDLC 、 FR 、 etc

接口和线缆

应用层

传输层

网络层

数据链路层

提供应用程序网络接口

建立端到端连接

寻址和路由选择

物理介质访问

二进制数据流传输物理层


TCP/IP 协议数据封装TELNET

23

FTP

20/21

SMTP

25

TFTP

69

TCP/UDP

6/17

IP　PACKETS

FRAMES

BITS


一、 TCP/IP 概述　　　 1.　TCP/IP 模型　　　 (1)　应用层　　　应用层在最高层，用户调用应用程序来

完成访问 TCP/IP 互联网络提供的多种服务。　　　（ 2 ）传输层　　　传输层的基本任务是提供应用层之间的

通信，即端到端的通信


　　　（ 3 ）网络层　　　网络层处理计算机之间的通信。它接收

来自传输层的请求，将带有目的地址的分组发送到出去；同时还要处理接收到的数据报，检验其正确性，并决定是由本地接收还是路由至相应的目的站。

　　　（ 4 ）网络接口层　　　网络接口层也称数据链路层，是 TCP/IP

的最低层，它负责接收 IP 数据报并发送至选定的网络，是 TCP/IP 赖以存在的各种通信网络和 TCP/IP 之间的接口。


　　　 2.　TCP/IP 分层工作原理　　　 3.　TCP/IP 模型的分界线

•协议地址分界线•操作系统分界线

　　　 4.　复用和分解


二、网络层协议　　　 1.　IP 协议　　　 IP 协议位于通信子网的最高层，提供点对点无

连接的数据报传输机制，不能保证传输的可靠性。　　　 IP 协议将多个网络连成一个互联网，它可以把高层的数据以多个数据报的形式通过互联网发送出去。 IP 的基本任务是通过互联网发送数据报，各个IP 数据报之间相互独立。

　　　在传送时，高层协议将数据报传送给 IP以便发送， IP将数据封装为互联网数据报，将它传给数据链路协议层，并通过局域网传送。


　　　 2.　Internet 控制信息协议（ ICMP ）　　　 ICMP 协议专门用来处理差错报告和控制，它

能由出错设备向源设备发送差错报文或控制报文，源设备接到这种报文后，由 ICMP软件确定错误类型，或确定重发数据报的策略，实质上 ICMP只是 IP 协议中的一个模块。

　　　 3.　地址解析协议（ ARP ）　　　 ARP负责将主机的 IP地址转换为相应的物理地址，使主机可以找出互联网中任一物理主机的物理地址。

　　　 4.　反向地址解析协议（ RARP ）　　　 RARP负责将主机的物理网络地址转换为 IP地址。


Internet　层概述Internet　层概述

OSI　网络层对应的是 TCP/IP 的 internet 层

Internet Protocol (IP)

Internet Control MessageProtocol (ICMP)

Address ResolutionProtocol (ARP)

Reverse AddressResolution Protocol (RARP)

Internet Protocol (IP)

Internet Control MessageProtocol (ICMP)

Address ResolutionProtocol (ARP)

Reverse AddressResolution Protocol (RARP)

应用层

传输层

Internet 层

数据链路层

物理层


IP 报文格式版本报文长度服务类型总长度

标识符标志片偏移

生存时间协议报头校验和

源 IP 地址

目的 IP 地址

IP 选项


ARP－地址解析协议

需要 10.0.0.2

的 MAC 地址？IP:10.0.0.1/24

MAC:00-E0-FC-00-00-11IP:10.0.0.2/24

MAC:00-E0-FC-00-00-12

ARP Request?


ARP－地址解析协议

需要 10.0.0.2

的 MAC 地址？IP:10.0.0.1/24

MAC:00-E0-FC-00-00-11IP:10.0.0.2/24

MAC:00-E0-FC-00-00-12

ARP Request?

ARP Reply

10.0.0.2 对应的 MAC ：00-E0-FC-00-00-12


RARP－反向地址解析协议我的 IP 地址

是什么？

无盘工作站 RARP Server

RARP Request?


RARP－反向地址解析协议我的 IP 地址

是什么？

无盘工作站 RARP Server

RARP Request?

RARP Reply

你的 IP地址是 10.0.0.1


ICMP 协议

B 可达吗？

ICMP Echo Request

A B


ICMP 协议

B 可达吗？

ICMP Echo Request

ICMP Echo Reply

我在。A B


三、传输层协议　　　 1.　传输控制协议（ TCP ）　　　 TCP 定义了两台计算机之间进行可靠的

传输而交换的数据和确认信息的格式，以及计算机为了确保数据的正确到达而采取的措施。

　　　 TCP 使用协议端口号来标志一台计算机上的多个目的进程。

　　　 TCP将端口定义为一对整数 (host,port) ，其中 host 是主机的 IP地址， port 是该主机上的 TCP端口号。


传输层概述传输层概述

Transmission ControlProtocol (TCP)

User Datagram Protocol (UDP)

Transmission ControlProtocol (TCP)

User Datagram Protocol (UDP)

应用层

传输层

Internet 层

数据链路层

物理层

面向连接

非面向连接


端口号传输层协议用端口号来标识和区分各种上层

应用程序。

HTTP FTP Telnet SMTP DNS TFTP SNMP

TCP UDP

IP 数据包

80 20/21 23 25 53 69 161


TCP　端口号TCP　端口号

源端口源端口目标端口目标端口 ……

Host A

10281028 2323 ……

SP DP

Host ZTelnet Z

目标端口 = 23.


发送 SYN (seq=100 ctl=SYN)

接收 SYN

Host A Host B

TCP　三次握手TCP　三次握手

1



接收 SYN

发送 SYN, ACK (seq=300 ack=101 ctl=syn,ack)

Host A Host B

接收 SYN

1

2




接收 SYN

发送 SYN, ACK (seq=300 ack=101 ctl=syn,ack)

建立会话(seq=101 ack=301 ctl=ack)

Host A Host B

1

2

3

接收 SYN



TCP　简单确认TCP　简单确认

滑动窗口 =　1

发送方接收方



滑动窗口 =　1

发送方接收方发送 1 接收 1



滑动窗口 =　1


接收 ACK 2 发送 ACK 2



滑动窗口 =　1


接收 ACK 2发送 ACK 2

发送 2接收 2



滑动窗口 =　1



发送 2接收 2




滑动窗口 =　1



发送 2接收 2


发送 3接收 3

2023年4月20日星期四计算机工程系吕学松滑动窗口 =　1



发送 2接收 2


发送 3接收 3

接收 ACK 4 发送 ACK 4



TCP　顺序号和确认号TCP　顺序号和确认号

源端口源端口目标端口目标端口 ……顺序号#

顺序号#

确认号#

确认号#

Source Dest. Seq. Ack.1028 23 10 1

我发送 #10.


TCP　顺序号和确认号

我已收到 #10,现在我需要 #11.

源端口源端口目标端口目标端口 ……顺序号

#顺序号

#确认号

#确认号

#

10281028 2323

Source Dest.

10101010

Seq.

11

Ack.

102810282323

Source Dest.

11111111

Seq.

11

Ack.

我发送 #10.




#顺序号

#确认号

#确认号

#

10281028 2323

Source Dest.

11111111

Seq.

22

Ack.

10281028 2323

Source Dest.

10101010

Seq.

11

Ack.

102810282323

Source Dest.

11111111

Seq.

11

Ack.


我发送 #10.




#顺序号

#确认号

#确认号

#

10281028 2323

Source Dest.

11111111

Seq.

22

Ack.

10281028 2323

Source Dest.

10101010

Seq.

11

Ack.

102810282323

Source Dest.

11111111

Seq.

11

Ack.

102810282323

Source Dest.

12121212

Seq.

22

Ack.


我发送 #11


TCP　窗口TCP　窗口

发送方接收方



Window size = 3Send 2

发送方接收方Window size = 3Send 1





发送方 Window size = 3Send 1


ACK 3Window size = 2 数据 3 被丢弃

接收方






ACK 3Window size = 2 数据 3 被丢弃



接收方






ACK 3Window size = 2数据 3 被丢弃



ACK 5Window size = 2

接收方


　　　 2.　用户数据报协议（ UDP ）　　　 UDP 提供不可靠的无连接数据报传输

服务。它不提供报文到达确认、排序及流量控制等功能，因此报文可能会丢失、重复以及乱序等。

•UDP 报文格式•UDP 协议分层和封装•UDP 的复用和分解


四、应用层•简单邮件传输协议（ SMTP ）•域名服务（ DNS ）•远程登录（ Telnet ）•文件传输协议（ FTP ）


应用层概述应用层概述

应用层

传输层

Internet层

数据链路层

物理层

文件传输- TFTP *- FTP *- NFS

E-Mail- SMTP

远程登陆- Telnet *- rlogin *

网络管理- SNMP *

名称管理- DNS*

文件传输- TFTP *- FTP *- NFS

E-Mail- SMTP

远程登陆- Telnet *- rlogin *

网络管理- SNMP *

名称管理- DNS*

第三章 计算机网络体系结构

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