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第3章 计算机网络体系结构与协议
本章教学目标：
（1）认识计算机网络的基本概念。
（2）了解网络结构的分层思想。
（3）理解OSI参考模型概念。
（4）理解TCP/IP参考模型的概念。
（5）重点掌握OSI参考模型的七层结构、功能。
（6）了解TCP/IP协议的由来。
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网络体系结构的基本概念
ISO/OSI参考模型
物理层
数据链路层
网络层
传输层
会话层
表示层
应用层
网络协议
实训
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网络体系结构的基本概念
所谓的网络体系结构就是为了完成主机之间的通信，
把网络结构划分为有明确功能的层次，并规定了同层
次虚通信的协议及相邻层次之间的接口与服务。因此，
网络的层次结构模型与各层协议和层间接口的集合统
称为网络体协结构。
网络结构的分层
层次体系结构
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网络结构的分层
建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共
享，而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。对
于网络通信的广泛实施，国际标准化组织（ISO）于
1977年制定了异种机相互连接的标准ISO/OSI RM参考
模型，给网络设计者提供了一个参考规范。在这样的
规范下，计算机网络才能发展到今天这样一个结构复
杂的、功能强大的庞大系统。
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层次体系结构
一个网络协议主要由以下三个要素组成：
（1）语法：即数据与控制信息的结构或格式。
（2）语义：即需要发出何种信息、完成何种动作以及做出何种应
答。
（3）同步（定时）：即事件实现顺序的详细说明。
实际上，我们将网络的功能分解为许多层次，每一个层次都必须
解决上面三个问题，而层次之间则有相互服务的关系，下一层对
上一层提供“透明”的服务。所以每一层的网络协议是计算机网
络中最重要的组成部分。
在体系结构的理解中，有两个概念是非常重要的，它们是协议和
协议分层。
1. 协议
2. 协议分层
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ISO/OSI参考模型
OSI参考模型的基本概念
开放系统互连参考模型
OSI中的重要概念和术语
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OSI参考模型的基本概念
20世纪70年代中期，网络应用已初具规模，许多公司竟相进行网
络产品的开发。但由于采用的网络结构和通信规则不同，使得网
络系统不能互相兼容，给用户带来不便。为了规范网络结构规则，
国际标准化组织ISO于1984年提出开放互连参考模型，该模型只
是对层次划分和各层协议内容作了说明，而不是指某一个具体的
网络，这样各设计者可以根据这一标准，设计出符合各自特点的
网络。
OSI参考模型是标准化、开放式的计算机网络层次模型。其含义
是任何遵守OSI参考模型和有关标准的系统都可以互相连接。在
这里“系统”是指计算机、终端或其他外部设备等。
目前用的比较普遍的是两个著名的网络体系结构，一个是国际标
准化组织推出的ISO参考模型，一个是工业标准TCP/IP参考模型。
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开放系统互连参考模型
OSI体系结构就是OSI参考模
型，但不是OSI标准的全部。
在OSI中，采用自上而下逐步
求精法，形成三级抽象：体系
结构、服务定义（service
definition）和协议规范
（protocol specification）。其
中最高一级是约束最少的，然
后逐步精细地进行描述，并加
上更多约束。下面具体讲一下
OSI参考模型，OSI模型是一
个分层结构的模型，如图3-1
所示。它定义了异种计算机互
连标准的主体结构。每一层都
有特定的功能，连接了较低层
和较高层的服务。
图3-1 OSI参考模型
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1. OSI参考模型的基本功能
ISO制定的开放系统互连基本参考模型由七层组成
（1）物理层。
（2）数据链路层。
（3）网络层。
（4）传输层。
（5）会话层。
（6）表示层。
（7）应用层。
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2. OSI参考模型的主要特征
（1）OSI/RM定义的是一种抽象结构，它给出的仅是
功能上和概念上的标准框架，与具体实现无关。
（2）每层是独立的，完成各自所定义的功能，对某层
功能的修改不影响其他层。同一系统内部相邻实体间
的接口定义了服务原语以及向上层提供的服务。
（3）不同系统的同层实体间使用该层协议进行通信，
只有最底层才发生直接发送数据。
（4）两种不同的协议可能隶属于模型的同一层功能实
现。如HDLC和SDLC均归属数据链路层，但它们之间
并不能协同工作，只有执行相同协议的实体才能彼此
通信。
（5）OSI/RM模型的最大作用是提出了功能划分原则，
描述了网络通信所需的各种服务。
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OSI中的重要概念和术语
协议与服务的概念表示，如图3-2所示。
图3-2 协议与服务
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（1）开放系统互连环境：就是OSI参考模型描述的范围。其中要
分清楚实系统环境和网络环境的区别。实系统环境包括计算机和
数据通信网，而网络环境则是指数据通信网和计算机内的通信子
系统，因此实系统包括了网络环境。
（2）实体：表示可以发送或接受信息的硬件和软件进程。一般实
体是一个特定的软件模块。不同子系统中同一层相互交互实体就
构成对等实体。
（3）服务：在N层中，两个实体间的通信，使这一层能够向上一
层N+1层提供服务，这个服务就称为N层服务。提供N层服务的是
N层服务提供者，接受N层服务的是上一层的实体，称为N层服务
用户。
（4）协议：是对等实体之间的通信规程，它们之间协议的实现需
要低一层的实体提供连接。
（5）服务访问点：同一个系统中相邻两层的实体进行交互的地方
就称为服务访问点SAP。实际上是N层实体和N+1层实体的逻辑接
口，可以称为接口或者端口，不同于两个设备之间的并行接口和
串行接口。
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物理层
物理层是OSI模型的最低层，它向下直接与传输介质相
连接，向上相邻且服务于数据链路层。它的作用是在
数据链路实体之间合理地通过中间系统，为位传输所
需要的物理连接的建立、保持和拆除提供机械、电气、
功能和规程特性。物理层所包含的另一个非常重要内
容是数据终端设备（DTE）与数据电路终接设备
（DCE）之间的连接。
（1）机械特性。
（2）电气特性。
（3）功能特性。
（4）规程特性。
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物理层常用的几种标准
1. EIA—232—D
2. RS449
3. 建议书
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物理层设备与组件
1. 物理层传输主要问题
2. 物理层网络连接设备
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1. 物理层传输主要问题
信号的衰减是传输中的第一大问题。原始的比特流信号在传输的
过程中越来越弱，导致信号能量无法别识别。产生信号衰减的原
因包括介质吸收、反射或散射等，其限制了信号的传输距离，这
就是所有传输介质都存在的最大传输距离受限制的原因。当然，
不同的传输介质其衰减率不同，其衰减还常常带来信号的变形。
所有物理层需要采用放大器和整形的方法来保证信号的准确。
信号在传输过程第二大问题是噪音。噪音只附加在原始信号上所
有不期望的信号，也就是干扰。物理线路上的热噪音、线路端接
点的近端串扰、交流供电电路中的接地噪声和来自无线干扰、电
磁干扰都是产生噪音的原因。这使得接收端无法提取正确的数据。
所有我们在物理层采取了一些必要的措施来减少噪声，如抵消、
屏蔽。我们使用（signal moise ratio，S/N）来表示噪音对信号的
影响程度，信噪比越大信号的质量就越好，所以减少干扰的最终
目的是提高信噪比。
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2. 物理层网络连接设备
1）中继器
中继器工作在OSI参考模型的物理层上，其功能是对通过物理介
质传输时受干扰或衰减的信号进行再生和放大。然后发送到另一
电缆段。不同的介质其传输的最大距离都有不同规定。例如，同
轴电缆的最大传输距离为500m，非屏蔽双绞线的最大传输距离是
100m。如果要“延长”网络的距离，那么就需要安装一个中继器。
2）集线器
集线器实际上是一个多端口的中继器，它工作原理与中继器基本
相同。两者的主要区别在于，中继器一般为两个端口，一个接入
数据端口；一个进行放大转发端口。而集线器具有多个端口，数
据到达一个端口后被转发到其他端口。集线器是对网络集中管理
的最小单元。多台计算机连接到一个集线器的网络是一个星型网
络，集线器是这个网络的中心。
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数据链路层
数据链路层基本设计内容
二进制同步通信规程
数据链路控制规程
数据链路层的设备和组件
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数据链路层基本设计内容
网络层调用数据链路层的服务，数据链路层为网络层
提供服务，通过网络层与数据链路层之间的接口，以
服务原语的形式完成服务的调用与被调用。因而设计
数据链路层时必须完成下面几个特定的功能，实现在
不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输，为网络
层提供高质量的服务。
1. 数据链路的服务
2. 数据成帧
3. 差错检测和校正
4. 差错控制
5. 流量控制
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二进制同步通信规程
这里简单介绍两种最常用的用于同步传输的协议：
（1）面向字符的“基本型”协议。
（2）面向位的“高级数据链路控制规程”（HDLC）。
在异步传输的链路级协议中，可以依照“基本型”协
议的控制方法，而对异步传输的链路级协议就比较复
杂和高级。在高级数据链路控制规程（HDLC）问世
以后，由于面向字符的链路控制规程比高级数据链路
控制规程有明显的劣势，因而，面向字符的链路控制
规程的地位逐渐被HDLC所取代。
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数据链路控制规程
“高级数据链路控制规程”是面向位的通信规程，它
出自IBM公司系统网络体系结构所用的链路协议。从
70年代初期问世以来，它表现出比面向字符的规程更
高的可靠性及高传输效率等优点，所以它越来越受到
各方的关注，应用也越来越广泛了。
HDLC的特点有：一是使用固定“封装”式的帧结构
和0插入、检出技术来传输数据，实现了数据的透明传
输；二是传输方式是面向位的，即任意比特数的任何
序列都能以帧的形式传输。它主要由三部分组成：帧
结构、规程要素、规程分类。
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1. 帧结构
HDLC以帧（frame）作为传输单位，无论信息本身还是控制信息，
都用统一的称为标志的8位编码结构来把它打包成一个帧进行传输。
一个帧由标志字段F、地址字段A、控制字段C、信息字段I、帧校检
序列FCS五个部分构成，所有的收发数据都用这种统一的格式进行传
输。还有一种只含有监控序列的帧，这种帧不带信息字段。
2. 帧类别
HDLC协 议 有 三 种 帧 ： 信 息 帧 （ Information） 、 监 控 帧
（Supervisory）以及无序号帧（Unnumbered）。
3. 规程要素和分类
规程要素是指规程在不同的网络结构中的不同工作方式，同时还
包括了由帧控制字段的三种格式所定义的信息帧、监控帧和无编号
帧的功能。
网络的链路结构可以分成平衡型和非平衡型两大类，所以HDLC
可以有三个子集：正规响应类、异步响应类、平衡异步响应类。
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数据链路层的设备和组件
数据链路层的设备主要有交换机，网桥，网卡。
1. 交换机
交换机是工作在数据链路层的网络互连设备。
2. 网桥
网桥也叫桥接器，也是工作在数据链路层的一种网络
互连设备。
3. 网卡
网卡又叫网络接口卡，是连接主机与网络连接的接口
设备，网卡的好坏直接影响了网络的性能 。
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网络层
网络层的设计及其实现
路由选择
流量控制
协议
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网络层的设计及其实现
网络层描述主机与通信子网的关系。网络层以数据链
路层提供的无差错传输为基础，为高层提供两个主机
之间的数据传输服务。网络层为传输层提供的服务是
通过网络层和传输层之间的接口来实现的，这个接口
实质上是网络中的子网边界，除了服务质量外，该接
口的服务与通信子网技术（介质）无关。也就是说必
须屏蔽有不同传输特性和子网技术所引起的差异，保
持网络服务的一致性。
设计一个基本的网络层必须解决数据传输单元分组在
通信子网中的路由选择、拥塞控制问题以及多个网络
互连的问题，以完成对传输层的服务提供。
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1. 主要功能
（1）为传输层提供建立、维持和释放连接的手段，完
成路由选择、拥塞控制、差错控制及顺序控制，向传
输层报告未恢复的差错网络互连等功能。而这些对传
输层来说是完全透明的。
（2）根据传输层要求选择网络服务质量。
（3）提供资源子网主机节点与通信子网间的接口，提
供虚电路服务或数据报服务。
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2. 服务类型
从OSI参考模型的角度来看，网络层提供两种服务方式：
一种是面向连接的虚电路服务；一种是面向无连接的
数据报服务。面向无连接服务在通信子网的工作是传
输比特流，差错和流量控制就由主机来承担，网络层
提供的是发送包原语、接收包原语和少量的其他服务
原语。面向无连接服务在通信子网的工作是传输比特
流，差错和流量控制就由主机来承担，网络层提供的
是发送包原语、接收包原语和少量的其他服务原语。
在OSI标准中，面向连接的服务的标准要比面向无连接
的服务标准更多一些。
（1）虚电路服务。
（2）数据报服务。
（3）两者的比较。
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3. 网络层的服务原语
OSI为面向连接制定了16条服务原语，对无连接提供了
5条服务原语。在面向连接中用于建立和释放连接的服
务原语有2组6条，用于数据传送的有3组6条，还有4条
重建服务原语。这些服务原语可以归结为两类：需要
证实的和不需证实的。
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路由选择
在大部分的通信子网中，如果本地端和目的端不在同
一个网络中，分组的整个发送过程要经过多次转发，
所以存在有路径选择问题。路径选择的算法和它们使
用的数据结构是网络层设计的一个主要对象。
通常我们把路由选择算法分为两大类：一类是非自适
应路径选择算法，有洪泛法、有选择的洪泛法、固定
路由法、随机走动法和分散通信法等策略；另外一类
是自适应算法，有孤立的路由选择、分布式路由选择、
集中式路由选择和混合式路由选择等策略。
1. 固定式路由选择算法
2. 距离矢量路由选择算法
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流量控制
流量就是网络中的通信量，也就是吞吐量。当通信子
网中出现了超量的包时，性能就降低，这就是所谓的
“交通拥塞”了。
拥塞现象的发生和通信子网内传送的分组总数有关，
即拥塞控制属于通信子网的全局问题，而流量控制则
属于“局部”问题。流量控制是基于平均值的控制，
拥塞多是由于某处峰值流量过高而发生。
1. 拥塞控制的基本原理
2. 拥塞控制的方法
3. 拥塞预防的方法
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协议
1976年提出的第一层、第二层以及第三层国际标准网
络访问协议，多次修改后统称为协议。
1. 通信过程
的分组层中最重要的任务是逻辑信道的使用，以
虚电路方式进行工作。整个通信过程是三个阶段：呼
叫建立、数据传送和虚电路释放。
2. 分组格式
分组是交换信息的基本单位。通常把的分组
分为两种：控制分组和数据分组。
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传输层
从网络功能分类，传输层是用于解决传输服务问题；
高层协议用于处理应用进程的访问。按控制作用分类，
传输层为转送层，起到传输与应用之间的接口作用；
高层协议为应用控制层，用于解决应用进程通信问题，
是整个七层模式中最重要和最复杂的一层。
传输层的服务和功能
传输层的协议和机制
传输层的差错检测和差错恢复
传输层的流量控制
TCP/IP协议
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传输层的服务和功能
两台计算机通过网络进行通信时，实际上是两个程序
（或进程）在交换数据。在一台主机内，传输层将数
据传给正确的应用程序，它的作用是为本地机和目的
机之间提供性能可靠、价格合理的数据传输，而与当
前实际使用的网络无关。由于传输层负责通过通信子
网的两主机之间的端到端通信，报文在子网中通过时
可能会丢失、重组、阻塞或产生较大存储延时，故传
输层协议比数据链路层复杂得多。
1. 传输层功能
2. 传输服务和服务原语
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传输层的协议和机制
1. 寻址
2. 连接建立
3. 数据传送
4. 连接释放
5. 多路复用
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传输层的差错检测和差错恢复
如果网络不可靠，可能会出现重复的分组和不按序到
达的分组，这时就要涉及到差错的检测和如何从差错
中恢复的问题。
1. TPDU的重传
2. TPDU的放弃
3. TPDU的静止
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传输层的流量控制
传输层流量控制与数据链层一样，也是要求软件怎样
保证发送方的发送包速度与接收方的处理包速度同步。
传输层数据流管理是建立在端对端（进程和进程之间）
而不是节到节（计算机和计算机之间）基础上，即传
输层控制对等实体之间的数据流动。许多像Internet这
样的传输层管理流量控制类似于管理差错控制，也就
是说，传输层之间交换确认信息。传输层在交换信息
中也要包含流量控制请求。
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TCP/IP协议
在传输层有两种主要的协议：面向连接的服务TCP和
无连接的协议UDP，TCP协议也叫传输控制协议，是
专门设计用在不可靠的网络上提供可靠的端到端的字
节流通信的协议。
1. TCP的来源和历史位置
2. TCP协议
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会话层
会话层协调不同主机的进程或应
用程序间的连接，是用户和网络
的接口。会话层的主要功能是在
传输层所提供的服务基础上，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
间的数据交换以及释放功能。在
会话层的服务中，有一点很重要，
就是在数据流中插入一系列适当
的同步点，所以可在适当的时间
中断会话，经过一定时间才可在
预先协议的同步点继续会话；又
或者当会话发生差错时，就可从
双方协议的同步点重新开始会话。
如图3-3所示是会话层的工作模型。
图3-3 会话层的工作模型
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表示层
表示层完成网络通信中重复使用的公共功能。它包含
网络通信中重复使用的公共函数。表示层为上层用户
提供共同需要的数据或信息表示方法的服务。
表示层就是采用抽象的标准方法来定义数据结构，还
有采用标准的编码表示形式，使计算机联网交换后能
够相互理解数据的值。
1. 语法转换
2. 表示上下文
3. 表示服务原语
4. 抽象语法表示法
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应用层
应用层是OSI结构的最高层，是用户与网络的界面。应
用层由用户程序组成，包括与专门用户应用程序相关
的所有细节，网络操作系统和应用程序都驻留在该层。
1. 文件传送、访问和管理
2. 电子邮件
3. 虚拟终端
4. 简单网络管理
5. 查询服务和远程作业登录
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网络协议
协议是管理网络如何通信的规则，对网络设备的相互
通信指定了标准。
TCP/IP协议
IPX/SPX协议
1. IPX协议
2. SPX协议
NetBIOS和NetBEUI协议
AppleTalk协议
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实训
实训目的
实训条件
实训内容
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小结
本章对计算机网络的体系结构和网络协议展开了详细的阐述，介
绍了开放系统互连参考模型的各个层次的功能和相关协议，并给
出了现在流行的协议的工作原理。
在本章第一节首先介绍了网络体系结构的概念，各个分层及其协
议的集合。要让读者了解网络的功能分层后，各层次分别负责任
务，层次之间如何接口，以及协议如何负责各层的数据传输，从
而使整个网络协调工作。
在第二节到第九节具体介绍了开放系统互连模型的各个层次。每
一节给出了相关层次的功能和服务，还有必须遵守的规则等。特
别是传输层以下的几层，它们负责数据的正确传输，传输媒体和
链路规范都非常复杂但也非常关键，因此阐述比较详细，其中的
许多协议都被广泛应用着。
最后一节给出了目前所使用的一些典型协议，包括TCP/IP，
IPX/SPX等，它们的数据格式和使用范围都有区别。
