計算機網(wǎng)絡的協(xié)議與體系結構

《計算機網(wǎng)絡教程》課程講義

奸靠機網(wǎng)絡教程

主講教師：吳長虹

E-Mail:changhongboy@163.com

Tel/p>

66000（短號）

數(shù)學與計算機系主講教師：吳長虹1

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教學目的：

1、了解計算機網(wǎng)絡的協(xié)議形成過程與作用。

2、掌握幾種計算機網(wǎng)絡體系結構。特別是五層體

系結構。

教學重點：網(wǎng)絡體系結構的形成。

教學難點：五層網(wǎng)絡體系結構的劃分。

課時：2課時°

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第2章計算機網(wǎng)絡的協(xié)議與體系結構

2.1計算機網(wǎng)絡體系結構的形成

2.2協(xié)議與劃分層次

2.3五層協(xié)議的計算機網(wǎng)絡體系結構

2.4TCP/IP的體系結構

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2.1計算機網(wǎng)絡體系結構的形成

問題的提出：

1、激活通路

2、網(wǎng)絡如何識別對目標機

3、查明對方是否準備好接收

4、格式的轉(zhuǎn)換

5、差錯控制

問題的解決方案：分層。

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2.1計算機網(wǎng)絡體系結構的形成

1974年，美國的IBM公司宣布了它研

制的系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構SNA(System

NetworkArchitecture)?，F(xiàn)在它是世界上

使用得相當廣泛的一種網(wǎng)絡體系結構。

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2.1計算機網(wǎng)絡體系結構的形成

為了使不同體系結構的計算機網(wǎng)絡都

能互連，國際標準化組織ISO于1977年成

立了專門機構研究該問題。不久，他們

就提出一個試圖使各種計算機在世界范

圍內(nèi)互連成網(wǎng)的標準框架，即著名的開

放系統(tǒng)互連基本參考模型OSI/RM(Open

SystemsInterconnectionReferenceModel),

簡稱為OSI。

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2.2協(xié)議與劃分層次

為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立

的規(guī)則、標準或約定即稱為網(wǎng)絡協(xié)

議。一個網(wǎng)絡協(xié)議主要由以下三個

要素組成：

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2.2協(xié)議與劃分層次

(1)語法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結構或格式；

(2)語義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何

種動作以及做出何種響應；

(3)同步，即事件實現(xiàn)順序的詳細說明。

協(xié)議通常有兩種形式：文字與代碼。

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甲乙

書寫信件、貼閱讀信件

颼、送郵箱

收集信件、蓋郵信件分揀、

我票、信件分揀信件投遞

信件打包送運

輸部門

路由選擇、運接收郵包、

輸轉(zhuǎn)送郵局

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兩個計算機可將文件傳送模塊作為最高的一層（如圖所示）。

計垓機1計垓機2

圖2」劃分層次的舉例

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分層可以帶來如下好處：

(1)各層之間是獨立的。

(2)靈活性好。

(3)結構上可分割開。

(4)易于實現(xiàn)和維護。

(5)能促進標準化工作。

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計算機網(wǎng)絡的各層及其協(xié)議的集合稱為網(wǎng)

絡的體系結構(architecture),也就是說，計算

機網(wǎng)絡的體系結構就是這個計算機網(wǎng)絡及其

部件所應完成的功能的精確定義。體系結構

是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是真正在運

行的計算機硬件和軟件。

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2.3計算機網(wǎng)絡的體系結構

2.3.1從OSI體系結構到原理體系結構

osi的七層協(xié)議體系結構既復雜又不實用，但其概

念清楚，體系價格低廉，理論較完整。TCP/IP的協(xié)議

現(xiàn)在得到了全世界的承認，但它實際上并沒有一個完

整的體系結構。TCP/IP是一個四層的體系結構，它包

含應用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡接口層。

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但從實質(zhì)上講，TCP/IP只有三層，即應用

層、運輸層和網(wǎng)際層，因為最下面的網(wǎng)絡接

口層并沒有什么具體內(nèi)容。因此在學習計算

機網(wǎng)絡的原理時往往采取折衷的辦法，也就

是綜合OSI和TCP/IP的優(yōu)點，采用一種原理體

系結構，它只有五層（如圖2-2所示），這樣既

_簡潔又能將概念闡述清強:

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1.應用層(applicationlayer)

應用層是原理體系結構中的最高

層。應用層確定進程之間通信的性

質(zhì)以滿足用戶的需要(這反映在用戶

所產(chǎn)生的服務請求)。

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2.運輸層(transportlayer)

運輸層的任務就是負責主機中兩個進

程之間的通信，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆?/p>

文段(segment)。運輸層具有復用

(multiplexing)和分用(demultiplexing)的功

能。

因特網(wǎng)的運輸層可使用兩種不同協(xié)議。

即面向連接的傳輸控制協(xié)議TCP

(TransmissionControlProtocol),和無連

總的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP(UserDatagram

Protocol)o

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3.網(wǎng)絡層(networklayer)

網(wǎng)絡層負責為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信、選擇合

適的路由。在網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)的傳送單位是分組或包。在TCP/IP

體系中，分組也叫作IP數(shù)據(jù)報，或簡稱為數(shù)據(jù)報。

網(wǎng)絡層的“網(wǎng)絡”為專用述語，并非平時常指的網(wǎng)絡。

網(wǎng)絡層通常也叫：網(wǎng)際層或IP層。

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4.數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)

數(shù)據(jù)鏈路層的任務是在兩個相鄰結點間的

線路上無差錯地傳送以幀(frame)為單位的數(shù)

據(jù)。每一幀包括數(shù)據(jù)和必要的控制信息。數(shù)

據(jù)鏈路層有時也常簡稱為鏈路層。

數(shù)據(jù)鏈路層就把一條有可能出差錯的實際

鏈路，轉(zhuǎn)變成為讓網(wǎng)絡層向下看去好像是一

條不出差錯的鏈路。

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5.物理層(physicallayer)

物理層的任務就是透明地傳送比特流。

“透明”是一個很重要的術語。它表示：某一

個實際存在的事物看起來卻好像不存在一樣。

圖2-3說明的是應用進程的數(shù)據(jù)在各層之間

的傳遞過程中所經(jīng)歷的變化。這里為簡單起見,

假定兩個主機是直接相連的。

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應用程序抽櫥

首郃、—

5H敬耀部分

*****H4,教悔部分

數(shù)據(jù)都分II...........臂................

■.....H敖情部分|丁21......

■…卜。10011???比恃沆???01011101。

Q=O=物理傳輸媒體==0

圖2?3數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程

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不要誤認為“從計算機1向計算機2傳送數(shù)

據(jù)時，是先傳送數(shù)據(jù)部分或尾部，而最后傳

送首部。”

在OSI參考模型中，在對等層次上傳送的

數(shù)據(jù)，其單位都稱為該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元

PDU(ProtocolDataUnit)。

在文獻中也還可以見到術語“協(xié)議

棧"(protocolstack)0這是因為幾個層次畫在

二勵像三個檻f-―-一—

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232實體、協(xié)議、服務和服務訪問點

實體(entity)這一名詞表示任何可發(fā)送或接收信息

的硬件或軟件進程。

協(xié)議是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。

在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本

層能夠向上一層提供服務。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需

要使用下面一層所提供的服務。

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二定要弄清楚,協(xié)議和服務在概念上是很不

一樣的。

首先，協(xié)議的實現(xiàn)保證了能夠向上一層提供

服務。本層的服務用戶只能看見服務而無法看見

下面的協(xié)議。下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透

明的。

其次，協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對

等實體之間通信的規(guī)則。但服務是“垂直的”，

即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。上

層使用下層所提供的服務必須通過與下層交換一

些命令，這些命令在OSI中稱為服務原語。

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在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體進行交互(即

交換信息)的地方，通常稱為服務訪問點SAP

(ServiceAccessPoint)o

OSI將層與層之間交換的數(shù)據(jù)的單位稱為服

務數(shù)據(jù)單元SDU(ServiceDataUnit)

在任何相鄰兩層之間的關系可概括為圖2-4

所示的那樣。在服務提供者的上一層的實體，

也就是“服務用戶”，它使用服務提供者所提

伏蠹服墨足―

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服務用戶—物溫.—L服界用」I

圖二4相鄰兩層之間的關系

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2.3.3面向連接服務與無連接服務

從通信的角度看，各層所提供的服務可分為兩

大類，即面向連接的(connection-oriented)與無連接

的(connectionless)。

1.面向連接服務

所謂連接，就是兩個對等實體為進行數(shù)據(jù)通信

而進行的一種結合。面向連接服務是在數(shù)據(jù)交換

之前，必須先建立連接。當數(shù)據(jù)交換結束后，則

應終止這個連接。

面向連接服務具有連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接

釋放這三個階段。

面向連接服務在網(wǎng)絡層中又稱為虛電路服務。

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2.無連接服務

在無連接服務的情況下，兩個實體之間的通信

不需要先建立好一個連接，因此其下層的有關資

源不需要事先進行預定保留。這些資源將在數(shù)據(jù)

傳輸時動態(tài)地進行分配。

無連接服務的另一特征就是它不需要通信的兩

個實體同時是活躍的(即處于激活態(tài))。

(1)數(shù)據(jù)報(datagram)。

(2)證實交付(confirmeddelivery)。

(3)請求回答(request-reply)。

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2.4TCP/IP體系結構

OSI的體系結構TCP/IP的體系結何

7成用層/應用層

6.表示層（各種應用層協(xié)議如

TELNET,FTP,SMTP等）

5.今/

4總輸層/運輸層TCP,UDP

3;網(wǎng)絡層/網(wǎng)際層IP"

2妙據(jù)鞋路層

Z

澗絡接口層

1

物理層：/

圖2?5TCP）IP與OSI體系結構的對比

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矗的處理上，TCP/IP與OSI是很不相同

的。

(1)TCP/IP一開始就考慮到多種異構網(wǎng)的互連

問題。

(2)TCP/IP一開始就對面向連接服務和無連接

服務并重。

(3)TCP/IP有較好的網(wǎng)絡管理功能。

在討論兩個主機通過兩個網(wǎng)絡互連在一起時，

可以使用如圖2-6所示的層次關系。

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??

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主:機A主KB

/

應用層路由黔應用層

/..A

運輸層運輸層i

????

網(wǎng)際層網(wǎng)標層網(wǎng)際層

，網(wǎng)絡網(wǎng)絡網(wǎng)絡

樓口層接口層接口層

網(wǎng)絡1

*

圖2?6TCPHP四層協(xié)議的表示方法舉例

一-?.一?.?:一一.▼.***K^、L...*/▼,.丁r

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還有一種方法，就是用按層次高低

的一些協(xié)議來表示TCP/IP協(xié)議族，如圖2-

7所示。

數(shù)學與計算機系主講教師：吳長虹32

《計算機網(wǎng)絡教程》課程講義-----@一

應用層[HTTP]…IsMTPlDNSI...IRTP|

圖2?7沙漏計時器形狀的TCP/IP協(xié)議族

數(shù)學與計算機系主講教師：吳長虹33

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客戶-服務器方式

在TCP/IP的進程之間的通信經(jīng)常使用客戶-服

務器方式。

應用層協(xié)議并不是解決用戶各種具體應用的協(xié)

議，而是為最終用戶提供服務。為了解決具體的應

用問題而彼此通信的進程就稱為“應用進程”。而

應用層的具體內(nèi)容就是規(guī)定應用進程在通信時所遵

循的協(xié)議。

客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所涉

_及的兩個應用進程?！猒

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客戶軟件和服務器軟件通常還具有以下一些主要

特點。

1.客戶軟件

(1)在進行通信時臨時成為客戶，但它也可在本

地進行其他的計算。

(2)被用戶調(diào)用，在用戶的計算機上運行，在打

算通信時主動向遠地服務器發(fā)起通信。

(3)可與多個服務器進行通信。

(4)不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統(tǒng)。

數(shù)學與計算機系主講教師：吳長虹35

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2.服務器軟件

(1)是一種專門用來提供某種服務的程序，可

同時處理多個遠地客戶的請求。

(2)在共享計算機上運行。當系統(tǒng)啟動時即自

動調(diào)用，且不斷地運行著。

(3)被動地等待并接受來自多個客戶的通信請

求。

(4)一般需要強大的硬件和高級的操作系統(tǒng)支

持。

客戶與服務器的通信關系一旦建立，通信就可是

雙向的，客戶和服務器都可發(fā)送和接收信息。大多

數(shù)的應用進程都是使用TCP/IP協(xié)議進行通信。圖2-8

畫出了這種情況。

數(shù)學與計算機系主講教師：吳長虹36

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圖2-8客戶進程和服務器進程使用TCP/IP協(xié)議進行通信

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功能較強的計算機可同時運行多個服務器進

程（如圖2-9中的計算機3）。

由于運行服務器進程的機器往往有許多特殊

的要求（不同于普通的PC機），因此經(jīng)常將主要運

行服務器進程的機器（硬件）不嚴格地稱為服務器o

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計般U計卷機3計良機2

.....................

應用層應用層應用層

運輸層