計算機網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

奸靠機網(wǎng)絡(luò)教程

主講教師：吳長虹

E-Mail:changhongboy@163.com

Tel/p>

66000（短號）

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹1

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

教學(xué)目的：

1、了解計算機網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議形成過程與作用。

2、掌握幾種計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。特別是五層體

系結(jié)構(gòu)。

教學(xué)重點：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成。

教學(xué)難點：五層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的劃分。

課時：2課時°

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹2

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

第2章計算機網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)

2.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)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(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.4TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹3

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成

問題的提出：

1、激活通路

2、網(wǎng)絡(luò)如何識別對目標(biāo)機

3、查明對方是否準(zhǔn)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。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹4

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成

1974年，美國的IBM公司宣布了它研

制的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)SNA(System

NetworkArchitecture)?，F(xiàn)在它是世界上

使用得相當(dāng)廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹5

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.1計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成

為了使不同體系結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)都

能互連，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1977年成

立了專門機構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹6

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.2協(xié)議與劃分層次

為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立

的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定即稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)

議。一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下三個

要素組成：

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹7

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

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(jié)構(gòu)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(yīng)；

(3)同步，即事件實現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。

協(xié)議通常有兩種形式：文字與代碼。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹8

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

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

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹9

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

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

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹10

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

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(jié)構(gòu)上可分割開。

(4)易于實現(xiàn)和維護。

(5)能促進標(biāo)準(zhǔn)化工作。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹11

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

計算機網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合稱為網(wǎng)

絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(architecture),也就是說，計算

機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)就是這個計算機網(wǎng)絡(luò)及其

部件所應(yīng)完成的功能的精確定義。體系結(jié)構(gòu)

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。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹12

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.3計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

2.3.1從OSI體系結(jié)構(gòu)到原理體系結(jié)構(gòu)

osi的七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)既復(fù)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(rèn)，但它實際上并沒有一個完

整的體系結(jié)構(gòu)。TCP/IP是一個四層的體系結(jié)構(gòu)，它包

含應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹13

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

但從實質(zhì)上講，TCP/IP只有三層，即應(yīng)用

層、運輸層和網(wǎng)際層，因為最下面的網(wǎng)絡(luò)接

口層并沒有什么具體內(nèi)容。因此在學(xué)習(xí)計算

機網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，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:

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹14

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

1.應(yīng)用層(applicationlayer)

應(yīng)用層是原理體系結(jié)構(gòu)中的最高

層。應(yīng)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(wù)請求)。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹16

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.運輸層(transportlayer)

運輸層的任務(wù)就是負(fù)責(zé)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(fù)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

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹17

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

3.網(wǎng)絡(luò)層(networklayer)

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)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(luò)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(luò)層的“網(wǎng)絡(luò)”為專用述語，并非平時常指的網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)層通常也叫：網(wǎng)際層或IP層。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹18

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

4.數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)

數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)是在兩個相鄰結(jié)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(luò)層向下看去好像是一

條不出差錯的鏈路。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹19

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

5.物理層(physicallayer)

物理層的任務(wù)就是透明地傳送比特流。

“透明”是一個很重要的術(shù)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(yīng)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。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹20

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

應(yīng)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

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹21

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

不要誤認(rèn)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(xiàn)中也還可以見到術(shù)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—

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

232實體、協(xié)議、服務(wù)和服務(wù)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(wù)。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需

要使用下面一層所提供的服務(wù)。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹23

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

二定要弄清楚,協(xié)議和服務(wù)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(wù)。本層的服務(wù)用戶只能看見服務(wù)而無法看見

下面的協(xié)議。下面的協(xié)議對上面的服務(wù)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(wù)是“垂直的”，

即服務(wù)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(wù)必須通過與下層交換一

些命令，這些命令在OSI中稱為服務(wù)原語。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹24

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

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(wù)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(wù)數(shù)據(jù)單元SDU(ServiceDataUnit)

在任何相鄰兩層之間的關(guān)系可概括為圖2-4

所示的那樣。在服務(wù)提供者的上一層的實體，

也就是“服務(wù)用戶”，它使用服務(wù)提供者所提

伏蠹服墨足―

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹25

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義一斷

服務(wù)用戶—物溫.—L服界用」I

圖二4相鄰兩層之間的關(guān)系

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.3.3面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)

從通信的角度看，各層所提供的服務(wù)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(wù)

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(jié)合。面向連接服務(wù)是在數(shù)據(jù)交換

之前，必須先建立連接。當(dāng)數(shù)據(jù)交換結(jié)束后，則

應(yīng)終止這個連接。

面向連接服務(wù)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(wù)在網(wǎng)絡(luò)層中又稱為虛電路服務(wù)。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹27

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.無連接服務(wù)

在無連接服務(wù)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(guān)資

源不需要事先進行預(yù)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(wù)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)。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹28

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.4TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

OSI的體系結(jié)構(gòu)TCP/IP的體系結(jié)何

7成用層/應(yīng)用層

6.表示層（各種應(yīng)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(luò)層/網(wǎng)際層IP"

2妙據(jù)鞋路層

Z

澗絡(luò)接口層

1

物理層：/

圖2?5TCP）IP與OSI體系結(jié)構(gòu)的對比

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹29

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

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(gòu)網(wǎng)的互連

問題。

(2)TCP/IP一開始就對面向連接服務(wù)和無連接

服務(wù)并重。

(3)TCP/IP有較好的網(wǎng)絡(luò)管理功能。

在討論兩個主機通過兩個網(wǎng)絡(luò)互連在一起時，

可以使用如圖2-6所示的層次關(guān)系。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹30

??

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

主:機A主KB

/

應(yīng)用層路由黔應(yīng)用層

/..A

運輸層運輸層i

????

網(wǎng)際層網(wǎng)標(biāo)層網(wǎng)際層

，網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)

樓口層接口層接口層

網(wǎng)絡(luò)1

*

圖2?6TCPHP四層協(xié)議的表示方法舉例

一-?.一?.?:一一.▼.***K^、L...*/▼,.丁r

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

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(xué)與計算機系主講教師：吳長虹32

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義-----@一

應(yīng)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(xué)與計算機系主講教師：吳長虹33

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

客戶-服務(wù)器方式

在TCP/IP的進程之間的通信經(jīng)常使用客戶-服

務(wù)器方式。

應(yīng)用層協(xié)議并不是解決用戶各種具體應(yīng)用的協(xié)

議，而是為最終用戶提供服務(wù)。為了解決具體的應(yīng)

用問題而彼此通信的進程就稱為“應(yīng)用進程”。而

應(yīng)用層的具體內(nèi)容就是規(guī)定應(yīng)用進程在通信時所遵

循的協(xié)議。

客戶(client)和服務(wù)器(server)都是指通信中所涉

_及的兩個應(yīng)用進程?！猒

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹34

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

客戶軟件和服務(wù)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(yuǎn)地服務(wù)器發(fā)起通信。

(3)可與多個服務(wù)器進行通信。

(4)不需要特殊的硬件和很復(fù)雜的操作系統(tǒng)。

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹35

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

2.服務(wù)器軟件

(1)是一種專門用來提供某種服務(wù)的程序，可

同時處理多個遠(yuǎn)地客戶的請求。

(2)在共享計算機上運行。當(dāng)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(wù)器的通信關(guān)系一旦建立，通信就可是

雙向的，客戶和服務(wù)器都可發(fā)送和接收信息。大多

數(shù)的應(yīng)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(xué)與計算機系主講教師：吳長虹36

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

圖2-8客戶進程和服務(wù)器進程使用TCP/IP協(xié)議進行通信

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

功能較強的計算機可同時運行多個服務(wù)器進

程（如圖2-9中的計算機3）。

由于運行服務(wù)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(wù)器進程的機器（硬件）不嚴(yán)格地稱為服務(wù)器o

數(shù)學(xué)與計算機系主講教師：吳長虹38

《計算機網(wǎng)絡(luò)教程》課程講義

計般U計卷機3計良機2

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

應(yīng)用層應(yīng)用層應(yīng)用層

運輸層