第 3 讲 网络体系结构 学习目标 了解几个重要的标准化组织，掌握计算机网络体

系结构的概念。 掌握计算机网络体系结构及分层的必要性，区别

协议、服务、实体、接口等概念。 熟悉七层 OSI/RM 开放系统互联参考模型、网络

各层的主要功能。 掌握 TCP/IP 的四层体系结构。 了解分层体系结构中的数据传输方式。 了解 TCP/IP 各层对应的主要协议。

第 2 章 网络体系结构

关键知识点 网络协议的三要素是语法、语义和语序，

并采用分层实现的设计原则。 OSI/RM 开放系统互联参考模型。 TCP/IP 的四层体系结构。

第 2 章 网络体系结构

2 . 1 网络协议和标准化组织2 . 2 网络体系结构2 . 3 OSI/RM 模型2 . 4 OSI/RM 各层功能2 . 5 TCP/IP 体系结构

2.1.1 －网络协议

协议本质上是一套行为规则，是一系列规则和约定的规范性描述。

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 ）。

网络协议三要素

(1) 语法（ Syntax) ：规定通信双方“如何讲”，是将若干协议元素和数据组合起来表达一个更完整的内容时所应遵循的格式，即数据与控制信息的结构、编码及信号电平等。

(2) 语义（ Semantics) ：规定通信双方“讲什么”，即协议元素的含义，如控制信息、执行的动作和返回的应答等。

(3) 时序（ Timing ，又称时序或定时）：规定通信双方“讲的顺序”或“应答关系”，即对事件实现顺序的说明，解决何时进行通信的问题。

举例（寄包裹）

封装购物

邮寄捆扎运输

拆封使用

取物拆包运输运输 运输

拆包运输

捆扎运输

发信人 收信人

协议５协议４协议３

协议２

协议１ 空运 陆运

常见网络协议

NetBEUI

IPX/SPX

TCP/IP

时间时间

2.1.2 若干有影响的标准化组织 一、标准化组织 ISO ANSI IEEE EIA ITU

二、标准的分类（ 1 ） 合法的标准：（ 2 ） 既成事实的标准：

2.2 网络体系结构2.2.1 概念及特点一、网络体系结构的概念 对构成计算机网络的各个组成部分之间的关系及其

所要实现的功能的定义和描述，是针对计算机网络所执行的各种功能而设计的一种层次结构模型，同时也为不同的计算机系统之间的互联、互通和互操作提供相应的规范和标准。

网络体系结构是计算机网络的分层结构、各层协议和功能的集合， 网络体系结构＝ { 层，协议，功能 } 。

2.2.1 概念及特点二、网络体系结构的特点 以功能作为划分层次的基础。 第 n 层的实体在实现自身定义的功能时，只能使

用第 n － 1 层提供的服务，第 n － 1 层提供的服务不仅包含本层的功能，还包含其下层服务提供的功能。

仅在相邻层间有接口，且提供服务的具体细节对上一层完全屏蔽。

2.2.2 网络体系结构主要概念

系统：网络中具有自治能力的计算机或交换设备。 分层结构：将一个复杂网络的设计问题分解成多个层

次分明的局部问题，并规定每一层须完成的功能。 服务：相邻层之间，下一层向上一层提供的功能的总

和。 层次间的关系：上层是下层的用户，下层是上层的服

务提供者。 对等层：不同系统对应的相同层次。

2.2.2 网络体系结构主要概念

实体：开放系统中，能够发送和接收信息的软件和硬件。实体是系统中的活动元素，每一层可以包含一个或多个实体。对等层实体能够进行通信。

对等层通信：不同系统的同等层实体进行的通信。 同等层协议：同等层实体之间通信所遵从的规则。 接口：相邻层之间调用功能和传输数据的方法。 接口协议：相邻层实体间交换信息所遵守的规则。 服务访问点（ SAP ）：接口上相邻层实体交换信息的

地方。是相邻层实体的逻辑接口。

2.2.2 网络体系结构主要概念

层 (layer) 协议 (protoco

l) 服务 (service

或业务 ) 接口（ interfa

ce) 原语 (primitiv

e) 不同机器中对应的层称为对等实体（ peer entity)

2.2.2 网络体系结构主要概念

层 (layer) 协议 (protocol) 服务 (service 或业

务 ) 接口（ interface) 原语 (primitive)

第 n 层的通信规则和功能由该层的协议描述

2.2.2 网络体系结构主要概念

层 (layer) 协议 (protocol) 服务 (service 或业

务 ) 接口（ interface) 原语 (primitive)

相邻上下层之间都有接口，接口定义下层向上层提供的服务。

2.2.2 网络体系结构主要概念

层 (layer) 协议 (protocol) 服务 (service 或业

务 ) 接口（ interface) 原语 (primitive)

服务由一组原语描述。如果协议位于操作系统中，则这些服务原语通常是一些系统调用。

服务 面向连接的服务

首先要在信源与信宿之间建立连接，然后在此连接上通信，最后拆除连接。

特点：占用一定的资源，可靠，按序传送 非连接服务

传送数据不需要建立连接，即有即送。 将每个数据单元打包，在包头添加地址信息。 特点：每个数据包独自寻路（重复劳动），同一数据流

的包可能经由不同的路径到达目的地，到达的顺序也可能颠倒。

服务原语

服务原语分为 4 种类型： 请求 (request): 一个实

体请求做某项服务 指示 (indication) ：一

个实体被告知做某项服务

响应 (response) ：一个实体发出响应

确认 (confirm) ：请求得到响应

N+1 层协议实体

N 层协议实体

N-1 层协议实体

响应 指示

N+1 层协议实体

N 层协议实体

N-1 层协议实体

请求 确认

使用的服务

提供的服务

2.3 OSI/RM 模型 为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之

间的数据通信，国际标准化组织 ISO 对各类计算机网络体系结构进行了研究，并公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，称为开放系统互连参考模型 (OSI/RM) （ Open System Interconnection / Reference Model ），即 ISO 7498 国际标准。该模型是为了解决异种机互连而制定的开放式计算机网络层次结构模型。

“开放”表示任何两个遵守 OSI/RM 的系统都可以进行互连，当一个系统能按 OSI/RM 与另一个系统进行通信时，就称该系统为开放系统。

参照 OSI／ RM 进行网络标准化的结果，就能使得各个系统之间都是“开放”的，而不是封闭的。凡是遵守这一标准化的系统之间都可以互相连接，并能解决不同系统之间信息交换和互相访问问题，使不同系统之间也能交互工作

2.3 OSI/RM 模型 OSIOSI参考模型是由参考模型是由 ISOISO （国际标准化组织）定义（国际标准化组织）定义

的的

网络世界的法律网络世界的法律 !!

21

4.传输层

2.数据链路层

3.网络层

1. 物理层

5. 会话层

6.表示层

7.应用层

面向用户应用

面向数据传输

2.3.1 OSI分层模型

OSIOSI 模型每层都有自己的功能集模型每层都有自己的功能集层与层之间相互独立又相互依靠层与层之间相互独立又相互依靠上层依赖于下层，下层为上层提供服务上层依赖于下层，下层为上层提供服务

2.3.1 OSI/RM 的分层模型

2.3.2 基于 OSI 的通信模型结构

网络系统的数据传输

基于 OSI 的通信模型

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层7-6接口

6-5接口

5-4接口

4-3接口

3-2接口

2-1接口

物理层

数据链路层

网络层

传输层

会话层

表示层

应用层7-6接口

6-5接口

5-4接口

4-3接口

3-2接口

2-1接口

物理层

系统A 系统B

应用层协议

表示层协议

会话层协议

传输层协议

网络层协议

数据链路层协议

物理层协议

第7层

第6层

第5层

第4层

第3层

第2层

第1层

物理传输信道

数据链路层

网络层3-2接口

2-1接口

物理层

中间节点

网络层协议

数据链路层协议

物理层协议

物理传输信道

基于 OSI 的通信模型

数据链路层

物 理 层

应 用 层

表 示 层

会 话 层

传 输 层

网 络 层

数据链路层

物 理 层

应 用 层

表 示 层

会 话 层

传 输 层

网 络 层

数据链路层

物 理 层

传输介质 传输介质 传输介质

CCP

网 络 层

A应用进程

OSI环境

B应用进程

A主机 B主机

A

数据链路层

物 理 层

CCP

网 络 层

A

2.3.3 OSI/RM 的信息流动

SH

PH

NH

DH

L7

L6

L5

L4

L3

L2

L1

L7

L6

L5

L4

L3

L2

L1

传输媒体

交换数据单元的名称

系统A

数据

L7 DATA PH

L6 DATA SH

L5 DATA PH

L4 DATA NH

01010110101001011010110110101010

DT L3 DATA DH

比特

数据帧

数据包

报文

报文

报文

报文 AH

系统B

数据

L7 DATAPH

L6 DATA

L5 DATA

L4 DATA

01010110101001011010110110101010

L3 DATA

AH

DT

数据

应用进程

数据

应用进程

数据的封装及拆封 数据封装：将协议数据单元 (PDU) 封装在一

组协议头和尾中的过程。在 OSI 的 7 层参考模型中，每层主要负责与其它机器上的对等层进行通信。该过程是在“协议数据单元”（ PDU ）中实现的，其中每层的 PDU 一般由本层的协议头、协议尾和数据封装构成。

数据拆封：每层去掉发送端的相应层加上的控制信息，最终将数据还原并交给应用程序的过程称为拆封。与数据封装互为逆过程。

OSI模型中数据的封装及拆封过程

A应用层

P表示层

S会话层

T传输层

N网络层

DL数链层

Ph物理层

A应用层

P表示层

S会话层

T传输层

N网络层

DL数链层

Ph物理层

报文

P头 报文

S头P头 报文

T头S头P头 报文

报文

段

N头T头S头P头 报文段 分组

帧头N头T头S头P头 报文段 帧尾 帧

0111010000110…

比特流

A应用程序 应用程序B应用程序报文

报文

P头 报文

S头P头 报文

T头S头P头 报文

N头T头S头P头 报文段

帧头N头T头S头P头 报文段 帧尾

0111010000110…

过程封装 过程拆封报文

数据段Segment

数据包Packet

比特Bit

数据帧Frame

协议数据单元协议数据单元

数据封装

传输层

数据链路层

物理层

网络层

数据

数据传输层报头

数据网络层报头

数据数据链路层报头

0101110101001000010

表示层应用层

会话层端口号源 IP+目的 IP

＋上层协议

源MAC+目的MAC

将数据帧转换成高低电平，即“ 0”或“ 1”

代码

发送数据的过程，发送数据的过程，就是一个数据封装的过程就是一个数据封装的过程

数据

网络层报头 + 传输层报头 + 数据

数据链路层报

头

传输层报头 + 数据

网络层报头

数据

传输层报

头

0101110101001000010

传输层

数据链路层

物理层

网络层

表示层应用层

会话层

数据拆封接收数据的过程，接收数据的过程，就是一个数据拆封的过程就是一个数据拆封的过程

2.4 OSI各层功能

应用层的作用主要是为应用程序提供接口，从而使得应用程应用层的作用主要是为应用程序提供接口，从而使得应用程序能够使用网络服务。 序能够使用网络服务。

常见的应用层协议常见的应用层协议 httphttp 、、 ftpftp 、、 smtpsmtp 、、 pop3pop3、、 telnettelnet 、、dnsdns等等

应用层

表示层

表示层的功能表示层的功能 数据的解码和编码 数据的解码和编码 数据的加密和解密 数据的加密和解密 数据的压缩和解压缩数据的压缩和解压缩

表示层是各节点应用程序、文件传输的表示层是各节点应用程序、文件传输的翻译官。翻译官。

会话层的作用主要是建立、维护、管理会话层的作用主要是建立、维护、管理应用程序应用程序之间之间的会话。的会话。

会话层的任务主要有：会话层的任务主要有： 对话控制：允许两个系统间进行对话。对话控制：允许两个系统间进行对话。‐ 同步：允许进程将同步点插入到数据流中。同步：允许进程将同步点插入到数据流中。

会话层

传输层

传输层负责建立传输层负责建立端到端端到端的连接，负责数据在端到的连接，负责数据在端到端之间的可靠传输端之间的可靠传输

传输层通过端口号区分上层服务传输层通过端口号区分上层服务

传输层的主要功能

服务点编址 服务点编址 分段与重组 分段与重组 连接控制 连接控制 流量控制 流量控制 差错控制差错控制

网络层

为网络设备提供逻辑地址为网络设备提供逻辑地址 负责数据从源端发送到目的端负责数据从源端发送到目的端 负责数据传输的寻径和转发负责数据传输的寻径和转发

网络层的主要任务 逻辑地址 逻辑地址 路由选择 路由选择

数据链路层

数据链路层的作用是把从网络层接收的数据数据链路层的作用是把从网络层接收的数据

分割成可以被物理层传输的帧。分割成可以被物理层传输的帧。

任何网络中数据链路层都是必不可少的层次任何网络中数据链路层都是必不可少的层次

数据链路层主要负责的任务

组帧（成帧） 物理编址 流量控制 差错控制 接入控制

物理层

物理层的主要作用是负责二进制信号在物物理层的主要作用是负责二进制信号在物理线路上的传输。理线路上的传输。

物理层是不提供数据的纠错服务的，但是物理层是不提供数据的纠错服务的，但是在物理层上能对数据的传输速度作一定的在物理层上能对数据的传输速度作一定的控制，并能监测数据的出错率。控制，并能监测数据的出错率。

在物理层传输电气信号的载体我们称之为在物理层传输电气信号的载体我们称之为位流或比特流。位流或比特流。

物理层所涉及的内容 物理层关心的是以下的一些内容：物理层关心的是以下的一些内容：

接口和媒体的物理特性的表示接口和媒体的物理特性的表示 传输速率传输速率 位的表示位的表示 位的同步位的同步线路配置：设备与媒体的连接。线路配置：设备与媒体的连接。 物理拓扑：星状拓扑、环状拓扑、总线物理拓扑：星状拓扑、环状拓扑、总线拓扑等等。拓扑等等。

传输模式：单工、半双工或全双工。传输模式：单工、半双工或全双工。

允许接入网络资源允许接入网络资源应用层应用层

表示层表示层

会话层会话层

传输层传输层

网络层网络层

数据链路层数据链路层

物理层物理层

建立、管理和终止会话建立、管理和终止会话

将分组从源端传送到目的端；提供网络互联将分组从源端传送到目的端；提供网络互联

在媒体上传输比特；提供机械的和电气的规约在媒体上传输比特；提供机械的和电气的规约

对数据进行转换、加密和压缩对数据进行转换、加密和压缩

提供可靠的进程到进程的报文传输和差错恢复提供可靠的进程到进程的报文传输和差错恢复

将比特组装成帧；提供节点到节点方式的传输将比特组装成帧；提供节点到节点方式的传输

各层间的联系