第二章 计算机 网络的体系结构

1. 第二章 计算机 网络的体系结构

2. 网络 • 〖本章主要内容〗 • 计算机网络的体系结构 • 开放系统互连参考模型—OSI/RM • TCP/IP体系结构 • 数据的封装与解封装 • 各种常见协议

3. 网络 • 〖本章理论要求〗 • 了解：计算机网络体系结构以及两种常见的参考模型 • 理解：网络层次化的设计思想及数据封装与解封装过程 • 掌握：TCP/IP协议的层次化结构及各层的特点 • 重点掌握：IP地址的特点、IP地址紧缺的解决办法及子网划分的方法

4. 网络 • 〖本章实训要求〗 • 掌握：网络参数的设置及常用网络命令的使用 • 掌握：WEB服务器、FTP服务器和E-Mail服务器的设计、规划与配置

5. 第二章 计算机网络的体系结构 • 2.1 计算机网络体系结构概述 • 2.2 0SI参考模型 • 2.3 TCP/IP协议 • 2.4 数据的封装与解封装 • 2.5 网络层协议 • 2.6 传输层 • 2.7 应用层

6. 网络协议的概念 网络体系结构定义 网络层次的概念 2.1 计算机网络体系结构概述 网络 2.1.1 2.1.2 2.1.3 75

7. 网络 计算机网络体系结构概述 • 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 • 它是一个复杂的系统。为了降低系统设计和实现的难度，把计算机网络要实现的功能进行结构化和模块化的设计。

8. 2.1.1 网络体系结构定义 网络 • 计算机网络是一个十分复杂的系统。将计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层实体通讯的协议和邻层间的接口服务。这种层次和协议的集合称之为网络体系结构。

9. 2.1.2 网络协议的概念 网络 图2-1 网络协议

10. 2.1.2网络协议的概念 网络 计算机之间进行通信也必须有它们共同的语言，这种语言就是网络协议。 网络协议(network protocol)简称协议,它是指为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

11. 1．语法：数据与控制信息的结构或格式（怎么说）。1．语法：数据与控制信息的结构或格式（怎么说）。 2．语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应（说什么）。 3. 同步：事件实现顺序的详细说明（何时说）。 2.1.1 网络体系结构定义 网络 一个网络协议至少包括三要素:语法、语义、同步

12. 2.1.3 网络层次的概念 网络 计算机网络作为一种复杂的系统，我们也采用这种层次化的解决办法。 不同的体系结构有不同的层次划分的方法， 比如OSI/RM把计算机网络系统划分为七层， TCP/IP把计算机网络系统划分为四层， 不管是七层还是四层，基本的原理都没有变。

13. OSI参考模型分层的原则 OSI参考模型分层的目的 OSI参考模型每层的主要功能 2.2 OSI参考模型 网络 2.2.1 2.2.2 2.2.3 OSI参考模型各层的主要功能及各层之间的关系 2.2.4 75

14. 吾十有五而志于学， 三十而立， 四十而不惑， 五十而知天命， 六十而耳顺， 七十而从心所欲，不逾矩。 人的一生该如何度过？

15. 2.2 OSI参考模型 网络 国际标准化组织（ISO）在1979年建立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统互连的体系结构，并于1981年正式推荐了一个网络系统结构----七层参考模型，叫做开放系统互连模型(Open System Interconnection，OSI) 75

16. 2.2.1 OSI参考模型分层的目的 网络 由于单一的巨大的协议会加大网络设计难度，同时也不利于分析 查找问题。因此提出了分层模型。分层基于以下几个目的： 1.不同厂商生产的设备都可以相互兼容。 2.设备可以专注于某一层的功能,例如：交换机工作在第二层,路由器工作在第三层。 3.方便网络故障排错，因为每一层定义了不同的功能。 4.不用过多考虑物理接口等这些物理层的东西。

17. 2.2.2 OSI参考模型分层的原则 网络 OSI参考模型对各个层次的划分遵循下列原则： 1.网中各结点都有相同的层次，相同的层次具有 同样的功能 2.同一结点内相邻层之间通过接口通信 3.每一层使用下层提供的服务,并向其上层提供服务 4. 不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信 5．层次数应该适中，不可太多，否则汇集各层的开销太大；不可太少，否则不易管理

18. 2.2.3 OSI参考模型各层的主要功能及各层之间的关系 EC 网络 应用层(Application)主要是提供应用程序间的通信 表示层(Presentation)主要负责数据格式的转换 会话层(Session)主要负责建立、维护及管理会话 传输层(Transport)主要负责端到端的连接 网络层(Network)主要负责寻址及路由选择 链路层(Data Link)主要负责介质访问及链路的管理 物理层(Physical)主要负责比特流的传输 图2-2 osi参考模型

19. 2.2.3 OSI参考模型各层的主要功能及各层之间的关系 网络 参与通信的各计算机都必须安装相应的一致协议，如图2-2中参与通信的主机A和主机B都安装了该七层协议，同等层之间是水平的关系，各自能够相互理解。它的理解类似于两个正在商务谈判的公司，两个公司的总经理彼此对等交流，能够理解对方的意思，两个公司的秘书之间用的语言彼此能够理解，两个公司的具体办事员彼此能够相互理解其所用术语。同一台计算机的上下层之间是服务的关系，即下层通过接口直接为其上层提供服务，也就是第n层为第n+1层提供服务。就像办事员要给秘书提供服务，秘书要给总经理提供服务一样。

20. 2.2.3 OSI参考模型各层的主要功能及各层之间的关系 网络 OSI参考模型试图达到一种理想境界，即全世界的计算机网络都遵循这统一的标准，所有的计算机都能方便的互连和交换数据，然而由于OSI标准制定周期长、协议实现过分复杂及OSI的层次划分不太合理等原因。当到了20世纪90年代初期，虽然整套的OSI标准都已制定出来，但当时的Internet在全世界的范围形成规模，因此网络体系结构得到广泛应用的并不是国际标准的OSI，而是应用在Internet上的非国际标准的TCP/IP体系结构。

21. 物理层（Physical Layer）是OSI的第一层，它为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。 物理层的主要任务是确定与传输媒体接口的一些特性，主要是四个方面：机械特性、电气特性、功能特性与规程特性。 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 物理层：（如何利用物理媒体走每一步）

22. 电气特性 规程特性 机械特性 功能特性 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 物理层 1 2 3 4 75

23. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 物理层 （1）机械特性 物理层的机械特性规定了物理连接时所使用可接插连接器的形状和尺寸，连接器中引脚的数量与排列情况等。 （2）电气特性 物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电平高低、0，1用多少伏电压标示、阻抗及阻抗匹配、传输速率与距离限制。

24. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 物理层 （3）功能特性 物理层的功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义，也就是每条线都是干什么的。物理接口信号线一般分为：数据线、控制线、定时线和地线。 （4）规程特性 物理层的规程特性定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。说明的是顺序问题。

25. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 EC 网络 • 不同物理接口标准在以上四个重要特性上都不尽相同。实际网络中比较广泛使用的物理接口标准有EIA-232-C、EIA RS-449和CCITT建议的X.21。 • 下面我们以EIA RS－232C为例，说明物理层的四个特性 • EIA RS－232Ｃ是由美国电子工业协会EIA（Electronic Industry As-sociard）在1969年颁布的一种广泛的串行物理接口标准。RS（Recommended Standard）的意思是“推荐标准”，232是标识号码，而后缀“C”表示该推荐标准已被修改过的次数。

26. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 EIA RS-232C的机械特性规定使用一个25芯的标准连接器,并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置作了详细说明。 EIA RS-232C的电气特性规定逻辑“1”的电平为-5至-15伏,逻辑“0”的电平为+5至+15伏。

27. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 EIA RS-232CR功能特性定义了25芯标准连接器中的20根信号线，分别是2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线。剩下的5根线作备用。 EIA RS-232C规程特性是定义其工作过程的先后顺序，在DTE-DCE连接情况下,只有当CD(DTR)和CC(DSR)均为"ON"状态时，才具备操作的基本件。若DTE要发送数据，则首先将CA(RTS)置为"ON"状，等待CB(CTS)应答信号为"ON"状态后，才能在BA(TD)上发送数据。

28. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 数据链路层（每步如何走？） 数据链路层（Data Link Layer）是将位收集起来，即将物理层传来的0、1信号组成包（也称为帧，Frame）的格式。该层完成发送包前的最后封装以及对到达包的首次检视。该层还负责在传送过程中的帧错和恢复。它将纠错码加到即将发送的包中，并对收到的包计算和校验，不完整以及有缺陷的包在该层都将被丢弃。如果能够判断出有缺陷的包来自何处，即返回一个错误包。 数据链路层关注的内容包括：物理地址（网络地址是逻辑地址）、网络拓扑、线路的规划（终端用户如何使用网络线路）、错误通告、数据帧的有序传输和流量控制。

29. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 数据链路层（每步如何走？） 数据链路层的设备主要是指网卡和交换机。 数据链路层将本质上是把不可靠的传输媒体，变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE802.3情况下，数据链路层分成了两个子层，一个是逻辑链路控制子层，另一个是媒体访问控制子层 链路层具有如下功能：链路连接的建立、拆除和分离；帧定界和帧同步。链路层的数据传输单元是帧，网络协议不同，帧的长短和界面也有差别，但无论如何必须对帧进行定界；顺序控制，是指对帧的收发顺序的控制；差错检测和恢复，链路标识以及流量控制等。差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码，而帧丢失等则用序号检测。各种错误的恢复常靠反馈重发技术来完成。

30. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 网络层（走哪条路可到达该处？） 网络层（Network Layer）主要规划数据在网络中最佳的传输路径。OSI参考模型规定网络层的主要功能有以下三点： • （1）路径选择与中继 • （2）流量控制 • （3）网络连接建立与管理

31. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 （1）路径选择与中继 • 在点-点连接的通信子网中，信息从源结点出发，要经过若干个中继结点的存储转发后，才能到达目的结点。通信子网中的路径是指从源结点到目的结点之间的一条通路，它可以表示为从源结点到目的结点之间的相邻结点及其链路的有序集合。路径选择是指在通信子网中，源结点和中间结点为将报文分组传送到目的结点而对其后继结点的选择，这是网络层所要完成的主要功能之一。

32. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 （2）流量控制 • 网络中多个层次都存在流量控制问题，网络层的流量控制则对进入分组交换网的通信量加以一定的控制，以防因通信量过大造成通信子网性能下降。

33. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 （3）网络连接建立与管理 • 在面向连接服务中，网络连接是传输实体之间传送数据的逻辑的、贯穿通信子网的端---端通信通道。

34. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 4.传输层（对方在何处？） 传输层（Transport Layer）位于OSI参考模型的第四层，主要功能是把数据分段并组装成数据流。如果没有传输层，数据将不能被接收方验证或解释， 是七层模型的核心层。

35. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 传输层的任务是负责主机中两个进程之间的逻辑通信。包括： （1）向高层提供两种服务(连接的和不连接的)； （2）对高层来的数据(报文)分段,为高层应用封装数据; （3）采用客户机和服务器的端口号标识运行于同一主机内的不同进程,控制运行于不同主机上的两个进程之间的端到端的通信。

36. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 传输层的作用是通过协议屏蔽了互连网中各类通信子网的差异,并以报文为数据单位进行传送,为以上各层提供运输服务,最终确保端到端的可靠通信。

37. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 5.会话层（轮到谁讲话和从何讲？） 会话层（Session Layer），也称会晤层，主要负责建立、管理和终止两节点应用程序之间的会话。例如，两节点在欲正式通信前，需先协商好双方所使用的通信协议、通信方式（全双工或半双工）、如何帧错及复原，以及如何结束通信等内容。

38. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 6.表示层（对方看起来像什么？） 表示层（Presentation Layer）确保一个系统应用层发送的信息能够被另外一个系统的应用层所识别。如果有必要，表示层还可以使用一个通用的数据表示格式在多种数据格式之间进行转换。

39. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 表示层的主要功能包括： 完成应用层所用数据的任何所需的转换，能够将数据转换成计算机或系统程序所能读得懂的格式。 数据压缩和解压缩，以及加密和解密可以在表示层进行。当然，数据加密和压缩也可由运行在OSI应用层以上的用户应用程序来完成。

40. 2.2.4 OSI参考模型每层的主要功能 网络 网络 7.应用层（做什么？） 应用层（Application Layer）处于最高层，也是最靠近用户的一层，为用户的应用程序提供网络服务。应用层虽然不为OSI模型七层协议中的任何其他层提供服务，但却为在OSI模型以外的应用程序提供服务。这些应用程序包括：电子数据表格程序、字处理程序、数据库程序，以及网络安全程序等。 OSI 模型本身不是网络体系结构的全部内容，它仅仅告诉我们每一层应该做什么，并未确切地描述用于各层的协议和服务。具体怎么做没有说明。它仅仅是一种网络模型。

41. 2.3 TCP/IP 协议 EC 网络 • TCP/IP（Transmission Control • Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）。 • 它是一个协议系列，包含大大小小100多个协议。TCP和IP是其中两个最基本和最重要的协议，因此用它俩来代表整个协议系列，它基本上成了Internet的代名词，也可看作是Internet上的“世界语”，它是Internet上的计算机在通信时所要遵守规范的描述。它可以在各种硬件和操作系统上实现，并且TCP/IP协议已成为建立计算机局域网、广域网的首选协议，并将随着网络技术的进步和信息高速公路的发展而不断地完善。

42. 2.3.1 TCP/IP体系结构及各层的主要功能 EC 网络 为了化难为易，TCP/IP协议也采用的分层的体系结构，有些书上介绍它是四层模型，从上到下分别是应用层、传输层、互联层和网络接口层，但是事实上它只定义了上三层的具体功能，网络接口层的具体内容它并没有定义，这里的网络接口层对应于OSI参考模型的数据链路层和物理层，不用的局域网这两层的实现不同。

43. 2.3.1 TCP/IP体系结构及各层的主要功能 EC 网络 也就是TCP/IP强调的是高层的互联，把底层的具体实现留给了各个局域网。无论你用的是什么样的计算机，无论你的计算机是通过什么方式连网的，只要你的计算机上安装了TCP/IP协议，就能上网，它是事实上的工业标准。

44. 2.3.1 TCP/IP体系结构及各层的主要功能 EC 网络 TCP/IP 上下层之间也是一种服务的关系，因此其顺序不能改变，其结构及各层的主要协议可用图2-3（下页）表示，它与OSI相比，简化了会话层和表示层，将其融合到了应用层，使得通信的层次减少，提高了通信的效率。

45. 2.3.1 TCP/IP体系结构及各层的主要功能 EC 网络 图2-3 TCP/IP体系结构

46. TCP/IP协议各层的主要功能如下： 网络 网络 1.网络接口层 2.网际网层（IP层) 3.传输层 4.应用层

47. TCP/IP协议各层的主要功能如下： 网络 网络 1.网络接口层 它是TCP/IP协议的最低一层，它负责网际层与硬件设备间的联系，指出主机必须使用某种协议与网络相连。包括有多种逻辑链路控制和媒体访问协议，如以太网的介质访问控制协议CSMA/CD等。网络接口层的功能是接收IP数据报并通过特定的网络进行传输，或从网络上接收物理帧，抽取出IP数据报并转交给网际层。

48. TCP/IP协议各层的主要功能如下： 网络 网络 2.网际层（IP层） 它是整个体系结构的关键部分，网际层的功能就是把IP分组发送到它应该去的地方，分组路由和避免拥塞是网际层主要解决的问题。 该层包括以下几个主要协议：IP（网际协议）、ICMP（Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议）、ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）、RARP（Reverse Address

49. TCP/IP协议各层的主要功能如下： 网络 网络 2.网际层（IP层） Resolution Protocol，反向地址解析协议）。该层负责相同或不同网络中计算机之间的通信,主要处理数据报和路由。在IP层中，ARP协议用于将IP地址转换成物理地址,RARP协议用于将物理地址转换成IP地址，ICMP协议用于报告差错和传送控制信息。IP协议在TCP/IP协议组中处于核心地位。

50. TCP/IP协议各层的主要功能如下： 网络 网络 3.传输层 传输层解决的是“端到端”的通信问题，即应用程序之间的通信，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。它定义了两个端到端的协议，第一个是传输控制协议TCP （Transmission Control Protocol），它是一个面向连接的协议，允许从一台机器发出的字节流无差错地发往互联网上的其他机器。第二个协议是用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol），它是一个不可靠的、无连接协议。它们都建立在IP协议的基础上。