第3章 网络体系结构传输层和应用层

第3章计算机网络体系结构〖主要内容〗计算机网络体系结构概述，各层功能的简单介绍，主要介绍物理层和数据链路层及网络层。

〖教学重点〗OSI参考模型的七层功能，物理层概念，数据链路层的流量控制方法，HDLC概念。

计算机网络由多个互连的结点组成，结点之间要不断地交换数据和控制信息，要做到有条不紊地交换数据，每个结点就必须遵守一整套合理而严谨的结构化管理体系。

计算机网络就是按照高度结构化设计方法采用功能分层原理来实现的，即计算机网络体系结构的内容。

3.1 网络体系结构及协议的概念3.1.1 网络体系和网络体系结构网络体系（Network Architecture）：是为了完成计算机间的通信合作，把每台计算机互连的功能划分成有明确定义的层次，并规定了同层次进程通信的协议及相邻之间的接口及服务。

网络体系结构：是指用分层研究方法定义的网络各层的功能、各层协议和接口的集合。

3.1.2 计算机网络体系结构计算机的网络结构可以从网络体系结构、网络组织和网络配置三个方面来描述，网络组织是从网络的物理结构和网络的实现两方面来描述计算机网络；网络配置是从网络应用方面来描述计算机网络的布局、硬件、软件和和通信线路来描述计算机网络；网络体系结构是从功能让来描述计算机网络结构。

网络体系结构最早是由IBM公司在1974年提出的，名为SNA计算机网络体系结构：是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合结构化是指将一个复杂的系统设计问题分解成一个个容易处理的子问题，然后加以解决。

层次结构是指将一个复杂的系统设计问题分成层次分明的一组组容易处理的子问题，各层执行自己所承担的任务。

计算机网络结构采用结构化层次模型，有如下优点：●各层之间相互独立，即不需要知道低层的结构，只要知道是通过层间接口所提供的服务●灵活性好，是指只要接口不变就不会因层的变化（甚至是取消该层）而变化●各层采用最合适的技术实现而不影响其他层●有利于促进标准化，是因为每层的功能和提供的服务都已经有了精确的说明3.1.3 网络协议1.协议(Protocol)网络中计算机的硬件和软件存在各种差异，为了保证相互通信及双方能够正确地接收信息，必须事先形成一种约定，即网络协议。

网络体系结构网络体系结构，简称网络架构，指的是互联网整体架构的逻辑架构、物理架构和协议架构，它决定了互联网的功能、性能、可靠性和安全性，同时也为互联网的拓展和发展提供了基础支持。

一、逻辑架构网络逻辑架构是指网络系统中各个部分的功能和互相之间的关系。

它是网络系统最基本的部分，以分层的方式进行组织，从上至下分别是：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。

1. 应用层应用层是网络体系结构中最靠近用户的一层，它主要负责处理和管理用户与网络之间的信息交互。

在这一层上，包括了很多常见的协议，如HTTP、FTP、SMTP等。

2. 传输层传输层主要负责网络数据的传输和速率的控制，它负责把数据分成若干个数据包，并负责传输和接收。

这一层也包括了两个主要的协议：TCP和UDP。

3. 网络层网络层主要负责寻找最佳的路径，实现不同网络之间的数据传输，强调数据包在网络中的传输。

在这一层上最常见的协议是IP协议。

4. 数据链路层数据链路层位于物理层和网络层之间，主要负责将网络层传过来的数据包转换成适合物理层传输的数据包。

最常见的协议是以太网协议。

5. 物理层物理层负责传输和接收网络中的数据以及硬件的控制。

它决定了数据的传输速率、数据的格式和传输媒介等。

最常见的传输媒介是有线和无线两种。

二、物理架构网络物理架构是指网络系统中各个设备之间的连接方式和传输媒介等硬件设备的布局、位置和组成。

物理架构包括以下几种架构方式：1. 局域网（LAN）局域网是指在一个较小范围内的计算机网络，其覆盖范围通常在一个建筑物或者一个校园内。

局域网的传输速率非常快，最常常用的网线是双绞线。

2. 城域网（MAN）城域网是指在一个城市或者地理范围比较大的区域内的计算机网络。

城域网常用的传输媒介是光纤。

3. 广域网（WAN）广域网是指在一个大范围的区域内的计算机网络，它由多个局域网和城域网组成。

广域网的传输媒介是电话线路或者无线电波。

三、协议架构网络协议架构是指网络系统中使用的通信协议以及协议之间的关系。

计算机网络体系结构和网络功能的分层介绍计算机网络是由一组相互连接的计算机和网络设备组成，通过通信线路和交换设备相互连接，共享资源和信息。

为了有效管理和提供灵活的功能，计算机网络通常被组织成分层的体系结构。

本文将介绍计算机网络体系结构的分层以及每个层次的网络功能。

OSI模型最常用的计算机网络体系结构模型是国际标准化组织（ISO）制定的“开放式系统互连”（Open Systems Interconnection，简称OSI）模型。

该模型将计算机网络分为七个不同的层次，每个层次都有特定的功能和任务。

下面是OSI模型的七个层次：1.物理层：负责传输比特流，处理硬件的物理接口以及基本的电信号传输。

2.数据链路层：负责可靠传输数据帧，增加了流控制和差错检测等功能。

3.网络层：负责将数据分组（通常称为数据包或数据报）从源主机传输到目标主机，进行路径选择和数据包转发。

4.传输层：负责建立端到端的连接，提供数据传输的可靠性和流量控制。

5.会话层：负责建立、管理和终止不同计算机之间的会话。

6.表示层：负责数据的格式转换、加密和压缩等安全性和可读性相关的功能。

7.应用层：为用户提供各种网络应用程序，例如电子邮件、远程登录和文件传输等。

每个层次在进行通信时只与相邻的上下层进行交互，通过协议进行数据的传递和控制。

TCP/IP模型除了OSI模型外，另一个常用的计算机网络体系结构是TCP/IP模型。

TCP/IP模型是实际应用中最常见的网络体系结构，它是互联网的基础。

TCP/IP模型将计算机网络分为四个层次：1.网络接口层：负责通过物理媒介（例如以太网）传输数据，处理硬件寻址和数据包的物理传输。

2.网际层：负责将数据包从源主机传输到目标主机，进行路由选择和数据包转发。

3.运输层：负责建立端到端的连接，提供数据传输的可靠性和流量控制。

4.应用层：为用户提供各种网络应用程序，例如HTTP、FTP和DNS等。

与OSI模型相比，TCP/IP模型将会话层、表示层和应用层合并到了单一的应用层中。

计算机网络技术基础任课老师: 田家华第3章计算机网络体系结构本章要点3.1 网络体系结构概述3.2 OSI七层协议模型3.3 TCP/IP的体系结构本章要点：网络体系结构的概念物理层、数据链路层、网络层、传输层、高层的功能TCP/IP体系结构3.1.1 网络体系结构的概念高层不需要知道低层是如何实现的，只需要知道低层所提供的服务，以及本层向上层提供的服务，各层独立性强。

当任何一层发生变化时，只要层间接口不发生变化，那么这种变化就不会影响到其他层，适应性强。

整个系统已被分解为若干易于处理的部分，这种结构使得一个庞大而又复杂的系统实现和维护起来更容易。

每层的功能与所提供的服务都有精确的定义和说明，有利于促进标准化。

邮政服务的层次模型3.1.2网络协议网络协议的定义为实现网络通信而建立的关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等方面的一组规则、标准或约定，统称为网络协议(Protocol)网络协议的三要素语法：用于确定协议元素的格式，即数据与控制信息的结构和格式。

语义：用于确定协议元素的类型，即规定了通信双方需要发出何种控制信息，完成何种动作，以及做出何种应答。

定时：用于确定通信速度的匹配和时序，即对事件实现顺序的详细说明。

3.1.2网络协议TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议3.1.3 OSI参考模型1 OSI参考模型概述OSI参考模型是标准化的、开放式的计算机网络层次结构模型。

“开放”的含义是：任何两个遵守OSI参考模型和有关标准的系统都可以进行互连。

这里的“系统”指的是计算机、终端或其他外部设备等。

OSI参考模型将计算机网络分成了互相独立的7层，从下到上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层2 OSI参考模型中的数据传输过程在OSI参考模型中，不同主机对等层之间按相应协议进行通信，同一主机不同层之间通过接口进行通信。

除了最底层的物理层是通过传输介质进行物理数据传输外，其他对等层之间的通信均为逻辑通信。

第3章计算机网络体系结构(习题答案)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2第3章计算机网络体系结构一、填空题1.协议主要由（语法）、（语义）和（同步）三个要素组成。

2.OSI模型分为（物理层）、（数据链路层）、（网络层）、（传输层）、（会话层）、（表示层）和（应用层）七个层次。

3.OSI模型分为（资源子网）和（通信子网）两个部分。

4.物理层定义了（机械特性）、（电气特性）、（功能特性）和（规程特性）四个方面的内容。

5.数据链路层处理的数据单位称为（帧）。

6.数据链路层的主要功能有（链路管理）、（成帧）、（信道共享）、（帧同步）、（流量控制）、（差错控制）、（透明传输）和（寻址）。

7.在数据链路层中定义的地址通常称为（硬件地址）或（物理地址）。

8.网络层所提供的服务可以分为两类：（面向连接的）服务和（无连接的）服务。

9.传输层的功能包括（服务选择）、（连接管理）、（流量控制）、（拥塞控制）和（差错控制）等。

二、名词解释同步协议实体对等层对等层通信服务 CIDR 协议数据单元服务数据单元同步同步指的是广义的、在一定条件下发生什么事情的特性，而且条件和时间有关，具有时序的含义。

协议计算机网络中意图进行通信的结点必须要遵守一些事先约定好的规则。

这些为进行数据交换而建立的规则、标准或约定即称为协议，也称为网络协议。

实体任何接收或者发送数据的硬件单元或者软件进程模块都可以称为通信实体，简称实体。

对等层不同的网络结点，若它们遵循的是同一种网络体系结构的话，那么在不同结点上完成同样功能的层次称为对等层。

对等层通信在分层的网络体系结构中，每个层次只知道自己从上层接收来数据并处理后再传递给下一层，结果通信目的方该层次的对等层就收到与己方处理的一模一样的数据。

就好像在两个对等层之间有一条“通道”直接把数据传送过去一样，这种情况就称为对等层通信。

应该说是Internet四层体系结构1.数据链路层2.网络层3.传输层4.应用层，其中IP是在第二层网络层中，TCP是在第3层传输层中，Internet体系结构最重要的是TCP/IP协议，是实现互联网络连接性和互操作性的关键，它把许多台的Internet上的各种网络连接起来。

Internet的其他网络协议都要用到TCP/IP协议提供的功能，因而称我们习惯称整Internet协议族为TCP/IP协议族，简称TCP/IP协议也可称为TCP/IP四层体系结构，1.数据链路层：数据链路层是物理传输通道，可使用多种传输介质传输，可建立在任何物理传输网上。

比如光纤、双绞线等2.网络层：其主要功能是要完成网络中主机间“分组”(Packet)的传输。

含有4个协议：（1）网际协议IP负责分组数据的传输，各个IP数据之间是相互独立的。

（2）互联网控制报文协议ICMPIP层内特殊的报文机制，起控制作用，能发送报告差错或提供有关意外情况的信息。

因为ICMP的数据报通过IP送出因此功能上属于网络的第3层。

3）地址转换协议ARP为了让差错或意外情况的信息能在物理网上传送到目的地，必须知道彼此的物理地址，这样就存在把互联网地址（是32位的IP地址来标识，是一种逻辑地址）转换为物理地址的要求，这就需要在网络层上有一组服务（协议）能将IP地址转换为相应的网络地址，这组协议就是APP.（可以把互联网地址看成是外识别地址和物理地址看成是内识别地址）（4）反向地址转换协议RARPRARP用于特殊情况，当只有自己的物理地址没有IP地址时，可通过RARP获得IP 地址，如果遇到断电或重启状态下，开机后还必需再使用RARP重新获取IP地址。

广泛用于获取无盘工作站的IP地址。

3.传输层：其主要任务是向上一层提供可靠的端到端（End-to-End）服务，确保“报文”无差错、有序、不丢失、无重复地传输。

它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中最关键的一层。

1.什么是网络体系结构？请说出使用分层协议的两个理由。

答：将同层进程间通信的协议以及相邻层的接口统称为网络体系结构。

分层思想对于计算机网络的设计和实现有着极大的优势，如各层之间是独立的、灵活性好、结构可分割、易于实现和维护、促进标准化等。

2.什么是实体？什么是对等实体？答：实体是指层中的活动元素，它既可以是软件，也可以是硬件。

不同主机中位于同一层次的实体称作对等实体。

3.什么是网络协议？它包括哪些因素？试举出自然语言中的相对应的要素。

答：为网络执行数据交换而建立的规则、标准或约定就是网络协议。

典型的网络协议包含语法、语义和同步三个方面。

4.OSI网络参考模型定义了哪些数据单元？它们之间的关系如何？答：OSI参考模型定义了服务数据单元、协议数据单元和接口数据单元，它们之间的关系如图3.4，3.5所示。

5.面向连接的服务和无连接服务的主要区别是什么？答：面向连接服务与无连接服务的区别在于两个实体通信前是否建立连接。

6.有两个网络都可以提供可靠的面向连接的服务。

其中一个提供可靠的字节流，另一个提供可靠的报文流。

这两者是否相同？请给出一个例子予以说明。

答：字节流没有报文的边界7.试说明服务与协议的关系？答：服务涉及相邻层间的接口，协议涉及不同计算机上对等实体之间发送的分组，它们之间的关系如图3.6所示。

8.服务原语的作用是什么？试以有确认服务为例进行说明。

答：利用服务原语可以通知服务提供者采取某些行动，或报告对等实体正在执行的活动。

有确认服务需要使用请求、指示、响应和确认原语。

9.说明在实际网络中数据是如何进行封装传输的。

答：若从客户端A发送信息到客户端B，从客户端A是从应用端依次往下传输，在表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层各自加上本层的协议头，在物理层时，以比特流在网络中进行传输，到达客户端B的物理层，通过客户端B的物理层依次向上传输，经过数据链路层时，去除在客户端A中在数据链路层加上的报头，其他的内容当做数据包向上提交。

第3章计算机网络的体系结构学习要点1.理解网络体系的概念2.理解网络协议的概念3.掌握ISO/OSI参考模型的层次结构和各层功能4.掌握TCP/IP体系结构的各层功能5.了解OSI与TCP/IP参考模型的区别6.了解TCP/IP主要的功能及特点3.1 网络体系结构的基本概念1.网络体系结构的形成计算机网络的体系结构采用了层次结构的方法来描述复杂的计算机网络，把复杂的网络互连问题划分为若干个较小的、单一的问题，并在不同层次上予以解决。

2.网络体系的分层结构图3-1 网络体系的层次结构模型3.层次结构中的相关概念（1）实体（2）协议：一个网络协议主要由以下3个要素组成：<1>语法（Syntax）：指数据与控制信息的结构或格式，如数据格式、编码及信号电平等；<2>语义（Semantics）：指用于协调与差错处理的控制信息，如需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答<3>定时（Timing）：指事件的实现顺序，如速度匹配、排序等。

（3）接口（4）服务（5）层间通信图3-2对等实体通信实例实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信，这包含了下面两方面的通信：<1>相邻层之间通信<2>对等层之间通信3.2 开放系统互连参考模型1.OSI参考模型OSI参考模型采用了层次结构，将整个网络的通信功能划分成七个层次，每个层次完成不同的功能。

这七层由低层至高层分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层，如图所示。

2.OSI/RM各层的主要功能（1）物理层物理层（Physical Layer）处于OSI参考模型的最低层。

物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明地传送“比特”流。

物理层传输的单位是比特（Bit），不去考虑比特流的意义和结构。

（2）数据链路层在物理层提供比特流传输服务的基础上，数据链路层（Data Link Layer）通过在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以“帧”为单位的数据，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，保证点到点（point-to-point）可靠的数据传输。

⽹络分层体系结构计算机⽹络体系结构在计算机⽹络的基本概念中，分层次的体系结构是最基本的。

分层的主要好处有：1、各层之间是独⽴的，每⼀层向上和向下通过层间接⼝提供服务，⽆需暴露内部实现2、灵活性好3、结构上可分割4、易于实现和维护5、能促进标准化⼯作主要分层模型不同的分层模型，将不同的协议归类到不同的层级，定义每⼀层完成不同的功能，以及对外提供的接⼝服务。

OSI7层模型是⼀个⼤⽽全的理论模型、TCP/IP(参考)模型侧重⼀些核⼼的协议的分层。

OSI七层模型为了使全世界不同体系结构的计算机能够互联，国际化标准组织ISO提出开放系统互联基本参考模型，简称OSI，即所谓的7层协议体系结构。

数据在俩台电脑直接传输，发送⽅由应⽤层依次向下将数据通过不同的协议进⾏包装，接收⽅接收到数据从TCP/IP四层模型OSI7层模型⼤⽽全，但是⽐较复杂、⽽且是先有了理论模型，没有实际应⽤。

TCP/IP四层模型，是由实际应⽤发展总结出来的。

它包含了应⽤层、运输层、⽹际层和⽹络结构层，不过从实质讲，TCP/IP只有最上⾯三层，最下⾯⼀层没有什么具体内OSI七层模型和TCP/IP四层模型的关系1. OSI定义了服务、接⼝、分层、协议的概念，TCP/IP借鉴了OSI的这个概念建⽴了TCP/IP模型。

2. OSI先有模型，后有协议，先有标准，后进⾏实践，⽽TCP/IP则相反。

3. OSI是⼀种理论模型，⽽TCI/IP已经被⼴泛使⽤，成为⽹络互连实际上的标准。

五层模型五层模型只出现在计算机⽹络学习教学过程中，他是对七层模型和四层模型的⼀个折中，及综合了OSI和TCP/IP 体系结构的优点，这样既简洁⼜能将概念阐述清楚。

物理层在物理层上所传输的数据的单位是⽐特，物理层的任务就是透明的传送⽐特流。

因此物理层需要考虑如何⽤电压表⽰“1”或“0”，以及接受⽅如何识别出这些⽐特流。

物理层不包括具体的传输媒介，但是需要确定连接电缆的插头标准。

物理层相关协议物理层协议主要是标准化⼯作频段、传输速率、电信号、传输媒体插⼝标准等IEEE 802.2Ethernet v.2物理层硬件设备集线器：其实质是⼀个中继器，主要功能是对接收到的信号进⾏再⽣放⼤，以扩⼤⽹络的传输距离。