第二章 计算机网络的层次化结构第二章 计算机网络的层次化结构

深入理解计算机网络的层次化结构的概念理解和体会每一层的具体功能分工

掌握 TCP/IP 体系结构模型了解 ISO/OSI 七层标准模型

2-1 2-1 引 言引 言

凡是通过计算机网络可以相互访问的计算机系统就叫作“开放式系统”。开放式系统互连是一个很复杂的问题。 基于功能分层的网络体系结构，是一种对复杂系统的分层化设计技术。利用这种技术，可以将不易处理的复杂而庞大的设计问题转化成为一些较容易研究和处理的局部问题，即“单层”设计问题。

我们要掌握如下几个重要方面：认识计算机间通信过程是分层的进行的；了解如何构建一种分层的网络体系结构；了解分层的多和少对计算机网络的性能和实现有何影响？

2-1-1 2-1-1 计算机间的分层通信计算机间的分层通信

计算机网络中，不管是用户间的应用操作还是网络系统本身的运作过程，最基本的活动是计算机之间的机间通信。

剖析计算机间通信的真实过程，是构建和理解网络体系结构的基础。

从简单的普通电话、电报通信到复杂的计算机通信，通信过程及其功能分布都剖析成为逻辑上分层地进行的综合过程。

请看下面的实例：

普通电报通信的分层处理过程普通电报通信的分层处理过程发报人 收报人

报文认知与理解规则

报文编码

报文译码

报文的编码 / 译码规则

发报局 收报局电报局间通信规则

电报通信网发报机 收报机

数据传输规则

计算机间通信的分层处理过程计算机间通信的分层处理过程（（以传送计算机文件为例）以传送计算机文件为例）

主机A

文件存储器

主机 B

文件存储器

文件传输进程 文件接收进程文件进程间通信协议

通信服务设施主机 -主机间通信协议

数据通信网络

网络接入协议 网络内部各种通信协议 网络接入协议

2-1-1 2-1-1 计算机间的分层通信（续）计算机间的分层通信（续）

几个基本概念：一、比特率 数字通信的内容是以二进制数的形式发送的，每个二进制数占一个二进制位（比特），每秒传送的比特数就是信道传输的比特率。

二、协议 协议指的是两台通信设备之间管理数据交换的一整套规则。简单的说即为共同遵守的规则

2-1-1 2-1-1 计算机间的分层通信（续）计算机间的分层通信（续）三、同等层协议 ( Peer Protocol )

层次化结构的网络中，每一层的功能都有明确的定义，计算机之间的通信是通过两个节点的同等层的协议实现的。

四、层间服务与接口 每一个上面功能层的工作都是依托它的下一层所提供的支

撑来运行的，这个支撑就是“服务”。每一层对上层提供透明的服务。

五、主 / 从的概念主动发送通信请求 －－－主被动聆听 －－－从

主 / 主的概念

2-1-1 2-1-1 计算机间的分层通信（续）计算机间的分层通信（续）

结论： 任一对应用实体（每一层中活跃的元素，可以

是进程或硬件）之间的通信，实际上是同时在不同层次上“对等实体”的各自协调工作 ( 即分层通信过程 ) 来配合完成的，是所有各功能层上通信过程的总效果。

基于系统分层功能的通信概念，即形成了网络系统的分层体系结构 (Layered architecture)

六、单工通信和双工通信的概念

单工通信 半双工通信 双工通信

2-1-22-1-2 计算机网络的分层模型计算机网络的分层模型

最高层 最高层

较低层 较低层

最低层 最低层

传 输 介 质

实线表示：物理通信

虚线表示：虚拟通信

在现实的通信系统中，真实的数据传递关系必须是“物理通信”。

（图中纵向的信息流是真实的信息传输途径 ）

网络体系结构中的一对同层实体之间的通信过程，是同等层之间的“虚拟通信”（物理层除外）。

（图中横向的虚线信息流在同等层之间的流动只是一种“逻辑”上的概念）

2-1-3 2-1-3 网络模型网络模型

应用层

运输层

网络层

链路层

物理层

应用层

运输层

网络层

链路层

物理层传输介质

原始的比特流

数据帧

数据包（报文分组）

报文（段）

报文

2-1-42-1-4 ISO/OSI ISO/OSI 七层标准模型七层标准模型

应用层

表示层

会话层

运输层

网络层

数据链路层

物理层

应用层协议

表示层协议

会话层协议

运输层协议

物理层协议物理层协议

网络层协议

链路层协议

网络层协议

链路层协议通信子网

应用层

表示层

会话层

运输层

网络层

数据链路层

物理层

2-1-5 2-1-5 TCP/IPTCP/IP 体系模型体系模型7 应用层6 表示层5 会话层4 运输层3 网络层2 链路层

1 物理层通信子网层

电话网 X.25网

局域网 无线网

运输层协议 TCP

应用层

网络层协议 IP

OSI 体系模型

2-2 2-2 物理层物理层 物理层是层次化模型中最低的一个功能层，它是开放系

统互连通信的物理基础，因为该层在以物理媒体为基础的数据线路上，完成数据码位 ( 比特 ) 的真实传输过程，故谓之“物理层”。

物理层的任务： 将信息用适合传输媒体的“物理”特性的

方式传送到媒体上去进行传输。 该层主要完成三个方面的功能： 1 、物理连接的建立与拆除； 2 、物理服务数据单元传输； 3 、物理层管理。

2-2-1 2-2-1 物理传输媒体物理传输媒体 传输媒体又称为通信介质或媒体，它的特性直接影响通信的质量指标，如：信道容量、数据传输速率、误码率、及线路费用等。可以从两大方面来了解传输介质的特性： 物理特性——物理结构、形态尺寸、覆盖范围、价格，以及连通性与使用方便性等； 传输特性——可用的信号带宽、原始误码率、传输损耗，以及抗干扰能力等。 网络中的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线与卫星通信信道。

一、 光纤一、 光纤 用光传输数据用光传输数据

光纤通过传递光脉冲来进行数字通信，有光脉冲相当于传输“ 1” ，而没有光脉冲相当于传输“ 0” 。 一根光纤中每秒传递几百个“太”位（ 1012 ）的信息速率，所以它是目前最理想的宽带传输介质。

光纤作为传输介质，它具有许多优点，例如： 传输频带非常宽，因而通信容量大； 误码率极低，传输损耗小，无中继传输距离长； 不受雷电和电磁干扰，本身也无相互串扰和辐射，所以安全性和保密性好；体积小，重量轻。

各种类型的光缆

各种光缆各种光缆

各种光缆内部结构各种光缆内部结构

光纤跳线光纤跳线ST-STST-ST

光纤跳线光纤跳线ST-SCST-SC

光纤跳线光纤跳线SC-SCSC-SC

双绞线有屏蔽型双绞线 STP 和无屏蔽型双绞线 UTP 两类，一般泛指无屏蔽型双绞线，常用的有 UTP-3 ， UTP-5 等，采用 RJ-45头（ 8芯）。

用于局域网中数据信号传输，与集线器的距离最大为 100米，可用速率为 10Mb/s至 100Mb/s 。

特点： 布线容易、接口便宜，属于性能适中的经济实用型介质。

二、双绞线二、双绞线

TIA/EIA 568A或 TIA/EIA 568B

1 2 3 4 5 6 7 8

568A 568B

1 白绿 白橙

2 绿 橙

3 白橙 白绿

4 蓝 蓝

5 白蓝 白蓝

6 橙 绿

7 白棕 白棕

8 棕 棕

三、 同轴电缆三、 同轴电缆：：电缆的两个末端一定需要 1个终结器。

①①5050 欧姆同轴电缆：欧姆同轴电缆：又称基带同轴电缆，广泛用于局域网中传输基带数字信号。可用距离在 1 公里以内，数据信号传输速率上限可达 50Mb/s 。

② ②7575 欧姆同轴电缆： 欧姆同轴电缆： 又称宽带同轴电缆，就是公用天线电视系统 CATV 中的标准传输电缆，一般用于模拟传输系统，适于用在城域网中。在作数字传输应用时，必须将其数字信号转换成模拟信号在缆线上多路复用传输。

特点：由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较高的抗干扰能力，比较宽的可用频带；无中继传输距离比双绞线略长，但是价格比双绞线贵，且步线、连接、接口不方便，现应用已不是很多。

四、 无线通信四、 无线通信

主要有：主要有： 微波通信、微波通信、 红外通信、红外通信、 激光通信、激光通信、 卫星通信。卫星通信。

数据传输速率 : 数字通信的内容是以二进制的方式发送的，每位二进制所含的信息量是 1 比特，每秒可以传输的比特数就是信道传输的比特率。

带宽：带宽是指在一个物理信道内可以传输信号频率的范围。电话线的信号传输频率范围从 300 Hz 到 4000 Hz ，带宽为 3700Hz 。带宽越宽，媒体的数据传输容量就越大。

带宽不等同于数据传输速率，后者单位是比特每秒（ bps ） 时延： 信号不论是在何种媒体中传输，总要经过一定

时间，这就是“时延”。一种媒体内，传输信号的时延值在信道长度固定了以后是不可变的，不可能通过减低时延来增加容量。

带宽和时延是反映网络通信信道的两个主要参数。

2-2-2 2-2-2 传输中基本概念与技术传输中基本概念与技术

编码和解码（ Coding and Decoding ） 将计算机内部的二进制的 TTL 电平脉冲转变成合适物理

媒体内传送的一种能量形式的代码，以便减少传输过程中的能量损失，降低误码率，这就是“编码”。将这个能量形式的信息转换回原来的数字信号，这就是“解码”。

计算机网络中常用的有三种： RS-232C异步串行 ASCII 码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

调制与解调（ Modulation and Demodulation ） 对数字数据的模拟信号编码（更通常地称为“调制”）。

调制就是利用一个固定频率的正弦波作载波，以要传送的数字脉冲信号为控制信号，让载波的某个物理特性（如振幅、频率、相位等）按照该控制信号发生相应的变化；从调制后的载波信号中还原出数字信号的过程就是“解调制”。

常用的调制方式有： 1、幅度调制（调幅 AM ） 2、频率调制（调频 FM ） 3、相位调制（调相 PM ）

在数据通信系统中大多以载波调幅传输为主。

SDH 技术（同步数据传输系统） SDH 技术它是一种可以方便的提供时分复用的基础网

络通信技术，利用 SDH 的复用设备，可以将光纤的带宽按照需要的传输速率来分割，每一条分割出的信道都可以用来作为单独的通信电路通到用户的计算机上去。在 SDH 系统上分割出的专线业务称为 DDN (Digital Date Network) 。

ATM 技术（异步传输模式） 它比 SDH 在分配光纤的带宽方面具有更大的灵活性。而且它同时支持 DDN专线业务和电信部门的传统的业务。

直接在光纤上传 IP 的技术

用户的网络接入技术 1 、综合业务数字网（ ISDN ） 2 、高速数字接入设备（ ADSL ， xDSL ）。 ADSL

（非对称数字用户线环路）是一种非对称的 DSL 技术，所谓非对称是指用户线的上行速率与下行速率不同，上行速率低，下行速率高，特别适合传输多媒体信息业务，如视频点播、多媒体信息检索和其他交互式业务。ADSL 能够提供下行 8Mbps/ 上行 1Mbps 的最高独占带宽 , 现有的 ADS

L Modem 是 10M 以太网连接方式， ADSL 是点到点连接 ,保密性好 ,

3 、同轴电缆宽带调制解调器（ Cable Modem ） Ca

ble Modem 能够提供下行 36Mbps/ 上行 10Mbps 的最高共享带宽。实际情况是为了对付线路的问题 (噪声 /损耗 /干扰 ...)也有都采用 QPSK

调制，使得上下行都是 10Mbps 的理论速度。（共享带宽）

4 、局域网（ LAN ） 5 、无线接入（ Wireless ） WIFI与WPA

本地异步通信接口 RS-232C• RS232-C被用于计算机与Modem 、键盘或终端之类的设备之间传输字符。 RS-232C 协议是以字节为单位的信息的传送协议。 它允许发送者在任何时刻发送一个字符，而且在发送一个字符后进入任意等待状态。由于采用异步方式，发送方与接收方不需要就发送和接收信息进行交互与合作。

• RS232-C规定了详细的机械特性、电气特性和功能特性。 接口线的信号电平规定 -5～ -15伏代表逻辑“ 1” 和“断开”， +5～ +15伏代表逻辑“ 0” 和“接通”。标准还规定用 7 个比特表示一个字符 等。

2-2-3 2-2-3 物理接口标准和信道复用技术物理接口标准和信道复用技术

RS-232C 传输一个字符时的波形

1 1 0 0 1 0 015V

+15V

起始比特 终止比特

接口标准 RS-232C（续）

• RS-232采用符合 ISO 2110 标准的 25芯连接器。标准还规定连接器的阳面 (带插针的一头 )安装在 DTE 一侧，阴面 (带针孔的一头 ) 安装在 DCE 一侧。标准还规定最大连接距离不超过 15米。• RS-232定义了 21根接口线的功能，每根线具有一个功能。

TRGC

TRGC

数据 数据

接口标准 RS-232C（续）

机械特性标准：规定了数据终端设备（ DTE ）和数据终接设备（ DCE ）之间的连接器形式，包括连接器规格指标、交换信号的插针排列、接插栓锁措施和安全措施等。具体有： ISO 2110 、 ISO 2593 、 ISO 4902 、 ISO 4903 等。

电气特性标准：规定了 DTE 和 DCE 之间的接口电路上信号发生器与接收器的电器特性。

功能特性标准：规定了 DTE 和 DCE 之间包括数据传送、控制、定时和接地等几类引线上的功能。

规程特性标准：规定了 DTE 和 DCE 之间接口电路所使用的规程，即信号时序的应答关系和操作过程的规程。

具体内容见教材 P78 - P79 。

几种常用传输介质的通信接口标准

采用多路复用器（多路复用器（ MUXMUX ））将来自多个输入线路的数据组合调制成一路复用数据，并将此数据信号送上高容量的数据链路；接收端接收复用的数据流，依照信道分离还原为多路数据，并将它们送到适当的输出电路上。 信道复用目的是为了提高对信道资源的利用率。具体方式有：具体方式有：

频分复用频分复用 FDMFDM 是把信道的总通频带在频率域上进行了固定的划分而形成若干子信道，各路信号分别占用各自的子信道，特点是独占频道而共享时间。特点是独占频道而共享时间。广泛应用于模拟信号的传广泛应用于模拟信号的传输。输。如下图所示：

信道复用技术

时分复用时分复用 TDMTDM 是把一个宽的信道分成许多小时间片，让每一个时间片分别传输一路信号；若干个小时间片组成一组，成为“帧”。这样按照时间先后顺序一帧一帧的传输。特点特点是独占时隙而共享频段。是独占时隙而共享频段。广泛用于包括计算机网络在内的数字通信系统。

输入复合过程

输出分离过程

波分复用波分复用 WDMWDM ，，就是将光纤可工作的有效波长划分为多个波段（相当于频分复用中的频段），以不同的波长为载波来传递多路信号，类似频分复用，特点是独占频道而共特点是独占频道而共享时间。享时间。主要用于全光纤网组成的通信系统。

码分复用码分复用 CDMCDM原理是基于码型的分割信道。每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，特点是频率和时间资特点是频率和时间资源都共享。源都共享。主要用于移动通信系统、笔记本电脑等移动性计算机的连网通信。

信道复用技术（续）信道复用技术（续）

2-3 2-3 链路层链路层 数据链路是在一条数据线路基础上通过数据链路层协议建立起来的、具有它自己的数据传输格式 (帧 ) 和传输控制功能的节点 -节点间“逻辑联结”。 设置链路层的用意是要在物理层的基础上采用“协议”控制的方式来提供信息传输的保障。

链路层的任务：

实现与“相邻节点”的无差错通信。 该层主要完成六个方面的功能： 1 、数据链路管理； 2 、装帧与帧同步； 3 、流量控制 4 、差错控制； 5 、透明传输； 6 、寻址 。

物理地址是可以由接口硬件计算机辅助识别的地址。物理地址的具体细节依赖于不同的网络技术。

例如： 802 标准为局域网上的每个站规定了一种 48 位的“物理地址” —— 固化在网卡中的 6 个字节的 MAC 地址。厂家向 IEEE购买由前 3 个字节构成的一个号（地址块或“厂家代码”），后 3 个字节由厂家自行分配。

大家所熟悉的 IP 地址只是一种逻辑地址，它由 ARP 协议将其翻译为物理地址。

2-3-1 2-3-1 物理地址物理地址

面向连接，是指通信双方在进行通信之前，要事先在双方之间建立起一个完整的可以彼此沟通的通道，这个通道就是“连接”。在整个通信过程中，连接的情况一直可以被实时的监控可管理。

例如， X.25 协议是面向连接的，信息传输方式是“虚电路”； TCP 协议也是面向连接的。

无连接的通信，就不需要预先建立起一个连接，需要通信的时候，发送节点就直接往“网络”上送信息，让信息自主的在网络上传输，一般在传输过程中不再加以监控。

例如， IP 协议是无连接的，信息传输方式是“数据报”。

2-3-2 2-3-2 面向连接与无连接面向连接与无连接

附：数据报方式分组交换技术 采用数据报传输方式时，每个分组称为“数据报”。

它们进入交换网后各自寻找最佳的路径传输，不必建立端到端的固定数据通路。

特点：快速、灵活，但报文重装处理麻烦。

附：虚电路方式分组交换技术

采用虚拟电路传输方式时，必须预先通过虚呼叫建立一条虚线路（逻辑数据通路）。所有的报文分组都必须沿着这条虚线路传输。

特点：准确、可靠，但增加了建立线路的迟延，对网络故障较难适应。

通过虚呼叫建立虚拟线路。

数据帧：在以 TCP/IP 技术为代表的计算机网络中，信息的表示形式是以“帧”的格式来表示的。

一个典型的帧由帧头、帧尾和正文三个部分组成。

2-3-2 2-3-2 成帧、纠错和流量控制成帧、纠错和流量控制

soh 帧的正文 CRC eot

帧头：包括帧的起始标记、收发双方的物理地址、传送时需要的相应控制信息；

循环冗余校验码 帧结束标志

纠错技术： 在已经国际标准化的网络协议中，几乎都采用循环冗余校验码（简称 CRC 码）。当循环冗余码校验发现传输出错，就会要求发送端重发出错的帧。

流量控制 ：就是计算机网络上对两台相互通信的计算机之间在传送着的“帧”的调度行为，是协调链路两端的发送和接收站之间的数据流量，以保证双方的数据吞吐量达到平衡的一种技术。“流控”的另一说法，叫“速度匹配”。

流控制协议 ：滑动窗口 为了提高信道的利用率，网络节点发送信息时每次发送

一般都发送一批帧。网络技术中用“窗口大小”来指每批发送几个帧。下面的例子中，窗口大小为 4 。

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

窗口

窗口

窗口

未送出的帧 已经确认的帧

已经发出未得到确认的帧

随着一组组的帧被发送出去，“窗口”也向后移。

窗口协议工作时，为每一个留在窗口里的帧设置一个软时钟，该帧信息发出的同时将属于它的时钟倒计时，倒计时时间的长短应留有足够预余地，让信息帧传到对方而且应答返回。

因此，正常的应答信号应当在时钟计时范围内回到发送端，如果超出时间未有应答，则说明信息帧在发出的路上已经丢失，这时就应该再次启动重发功能。

流控制协议 ：

对等实体之间的通信必须遵循基于某种传输与控制的机制而建立的一套约定和规则——数据链路控制规程（或协议）

两个最常用的标准实例： 1 、 ISO 的 HDLC （高级数据链路控制）规程 2 、因特网的 PPP （点对点）协议

2-3-3 2-3-3 链路层的通信协议链路层的通信协议

因特网中的点对点链路配置（ PPP 的应用场合），请看下图——

PPP 协议的帧格式

F A C DATA FCSP

帧标志（ 01111110 ）帧的开始

地址段（ 11111111 ）表明不存在寻址问题

控制段（ 00000011 ）表明只有一种无编号帧

数据段（正文数据），由上层递交来的服务数据单元

帧校验段（ CRC校验码，16 或 32 比特），计算范围除 F 以外的所有比特

帧标志（ 01111110 ）表示一个帧的结束

F

协议段（ 1 或 2字节）

标识 DATA段的协议类

PPP 协议是一个协议族，它包含 链路控制协议 LCP IP 控制协议 IPCP 口令授权协议 PAP 询问握手授权协议 CHAP

PPP 协议的优点 支持多种协议 错误检测 链路管理 可进行链路层授权 IP 地址协商

PPP 对物理层的要求 PPP 唯一的要求是必须提供全双工电路，不论是专用

的或交换式的，只要可以工作在异步或同步串行模式，而且对 PPP 的链路层帧透明即可。

网络层是通信子网范围内的最高层，这样就决定了该层的主要功能是面向通信子网的，它代表整个网络通信环境向端系统提供特定服务质量的网络服务，其中最核心的是网络连结服务。

网络层的任务： 保证在通信子网中端点到端点之间实现正确无误的信息传送

该层主要完成以下几个方面的功能： 1 、路由选择； 2 、流量控制与拥塞控制 ； 3 、传输确认、中断及故障恢复； 4 、网际互连

2-4 2-4 网络层网络层

因特网上的 IP 地址 因特网技术就是在所有现成的物理网络上加上统一的功能软件，以 IP 地址来确定在网际任何地方的通信双方计算机的虚拟网络的做法。 IPIP （（ Internet ProtocolInternet Protocol ））协议是网络层协议是网络层的主要协议的主要协议。。 IPIP 协议标准为因特网上每台主机都定义了一个协议标准为因特网上每台主机都定义了一个3232 位二进制数作为该主机的位二进制数作为该主机的 IPIP 协议地址，常简写为协议地址，常简写为 IPIP 地址，地址，它是每台主机唯一性的标识。它是每台主机唯一性的标识。

点分十进制表示法 将将 3232 位数中的每位数中的每 88 位为一组，用十进制表示，利用点号位为一组，用十进制表示，利用点号

分割各个部分 例如：分割各个部分 例如： IPIP 地址为地址为 01010010 10101010 10101010 11101010 记为 82.123.123.23482.123.123.234 。

2-4-1 2-4-1 网络地址网络地址

IP 地址的格式 网络标识部分 + 主机标识部分

网络地址

组播地址

保留

网络地址网络地址

0 7 8 15 16 23 24 31

主机地址主机地址

主机地址

A类B类C类D类E类

0

0

0

0

0

1

1 1

1 1 1

1 1 1 1

地址类型

网络标识位数

最大网络接入数

主机标识位数

网络中最大主机数

地址首字节范围

A 类 7 126 24 16777214 1-126

B 类 14 16382 16 65534 128-191

C 类 21 2097150 8 254 192-223

特殊 IP 地址

网络地址 主机地址 地址类型 用途

  全 0 网络地址 标识一个网络

  全 1 直接广播地址 在特定网上广播

全 1 全 1 有限广播地址 在本地网上广播

全 0 全 0 本机地址 启动时使用

127 任意 回送地址 测试时使用

可以采用“子网掩码”将一个物理网再分成更小的子网来使用，子网划分的常用方法是：

用主机号的高位来标识子网号，其余位表示主机号。子网地址扩展了 IP 地址中的网络地址部分，但却又减少了主机地址的数量。

将子网掩码与 IP 地址按位相“与”，就能够得到 IP 地址中的网络地址段。

子网掩码中所有的 1表示 IP 地址中的网络地址域和子网，所有的 0表示 IP 地址中的主机地址域。

如果一个网络不设置子网，则为缺省子网掩码。 A类网络 缺省子网掩码为 255.0.0.0

B类网络 缺省子网掩码为 255.255.0.0

C类网络 缺省子网掩码为 255.255.255.0

IP 地址 子网掩码

10.0.0.0 到 10.255.255.255 255.0.0.0

169.254.0.0 到 169.254.255.255 255.255.0.0

172.16.0.0 到 172.31.255.255 255.255.0.0

192.168.0.0 到 192.168.255.255 255.255.255.0

专用 IP 地址（ PRIVATE IP ）

不能用于直接连接到 Internet ，用与组建企业内部网络。

可以通过其它设备的帮助连接到 Internet 。

网络层的功能定义为从端节点到端节点的通信，从这一端点到那一个端点之间如何走的问题就是路由问题。路由选择是网络中所有节点共同协调工作的结果。

静态路由：对于简单网络，很容易写出所有结点的路由表，通过分组查找路由表找到下一站进行转发。

动态路由：对于大型广域网，必须使用合适的路由算法。

2-4-2 2-4-2 网络层的路由网络层的路由

2-4-32-4-3 地址解析与反向地址解析协议地址解析与反向地址解析协议

地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol) 用于计算机的网络层地址（ IP 地址）映射为数据链路层地址（物理地址MAC ）的协议；

反向地址解析协议 RARP （ Reverse Address Resolution Protocol ）用来将物理地址转换成 IP 地址。

2-4-4 2-4-4 网络层的流控制和拥塞控制网络层的流控制和拥塞控制 网络层的流控制是在整个通信子网的端点到端点之间进行的。链路层的流控制仅在相邻两节点之间进行。（流量控制）

“整个通信网络”内部的某一个局部范围甚至全局范围内避免发生信息传输的堵塞的调度行为就是“拥塞控制”。

2-4-5 2-4-5 防火墙防火墙即与外界沟通，又保护信息与网络平台的安全。

2-4-6 2-4-6 网络互连技术网络互连技术

网络互连最重要的方法就是用 IP 协议的网络互连。 不同的网络传输技术都可以通过 IP 协议将它们连到一起。

不同传输技术的网络根据自身特点管理自己网络内部的链路层地址，再由网络层的 IP 地址来贯通全局。这样就实现了在不同产品之间的信息传递和应用互通。

因特网的成功主要在于 TCP/IP 技术可以成功地用来把各种类型的计算机网络都连接到一起。

网络互连设备：网络互连设备：1. 中继器（ Repeater ） : 用来将信号中继放大以传到中继放大以传到

更远。更远。它的转发机构所操纵的对象是介质上传输的数据比特信号。中继器有传播电子干扰和无效信号的缺点。集线器（ HUB ），跟中继器类似，共享带宽，工作在物理层。

中继器不了解帧格式，工作在物理层中继器不了解帧格式，工作在物理层。。

2. 网桥（ Bridge ） : 不仅仅中继放大信号，而且又有选择的将带有地址的信号从一个传输介质发送到另一个传输介质，并能有效的限制两个介质中无关紧要的通信。网桥可以分隔两个网络之间的通信量，可用来划分 LAN 网段以降低数据“交通瓶颈”（过滤帧）。

网桥工作在数据链路层，将完整而且正确的帧按照 网桥工作在数据链路层，将完整而且正确的帧按照 MAC MAC 地址转发。地址转发。

3. 交换机（ Switch ）是模拟用网桥连接各个网络的方式工作的，每一台计算机通过一个端口连在交换机上，每个端口都相当于一个网段，独享带宽。 交换机工作在链交换机工作在链路层路层。。

4. 路由器（ Router ）用来在网络层上对设备实行互相连接的，它具有判断网络地址和选择路径的功能。用于连接多个逻辑上分开的网络。

5. 网关（ Gateway ）用来在高层（运输层和应用层）实现网络互连，它能将协议进行转换，将数据重新分组，以便在两个不同类型的网络系统之间的通信。 网关的网关的工作实际上是在计算机上运行一个转换软件。工作实际上是在计算机上运行一个转换软件。

交换机内部模拟网桥交换机内部模拟网桥

交换机中的电路为每台计算机提供了通过网桥连到其它网段的一个单独的局域网网段。

计算机端口

网络互连的几种可能的布局：网络互连的几种可能的布局：

2-4-6 2-4-6 网络层协议网络层协议

IP 向上提供无连接的、子网间“尽力传递”“尽力传递”的数据报传输服务。

“IP包”的概念 因特网上用“包”的格式来作为信息传递的统一单位。 IP 数据报（ IP包）：包头部分 + 数据部分。

IP 还有一个“小帮手”——网间控制协议 ICMP （ Internet Control Message Protocol ）。它协助 IP 在互联层次上执行许多控制性操作。例如：报告差错情况， 控制数据报绕开拥挤的地区， 记录数据报传输路径的地址和时间，以及一些故障诊断措施等。

IP包不管是控制信息包还是数据信息包，都具有上面的标头。

新标准 IPv6的主要内容

IPv6 是新版本的 IP 协议，是 IPv4 的发展。

IPv6与 IPv4 的比较：

1 、 IPv6 将原来 IPv4 的 32 比特地址扩展到 128 比特，提供一个更加有效的“无限” IP 地址空间；

2 、 IPv6 将 IP 数据报报头由原来 IPv4 的 13 个字段减为 7 个，使路由器处理分组的数据更快，吞吐率提高。

由于网络层的传输是做成无连接的数据报格式的，在支持具体应用时不太可靠，所以设置运输层的用意是通过它填补应用层的要求和网络层所能提供的通信服务之间的空隙，提供面向连接的可靠的服务。运输层是衔接上三层与下三层的功能层。

运输层的任务： 提供网络上从一个终端端点到另一终端端点的可靠

的传输服务。 ( 它与实际使用的网络无关） 网上的应用支持任务由运输层来实现，它所提供

的服务有：1 、建立和拆除运输层的连接；2 、对点到点的通信实施控制；3 、实现全双工通信控制并保证传输的可靠性。

2-5 2-5 运输层运输层

2-5-1 2-5-1 运输连接的建立、拆除与管理运输连接的建立、拆除与管理

通过 TCP 协议能建立起运输层的连接，因此它能够支持它的高层应用程序和另一端的计算机网络节点的高层应用程序之间建立起连接，传送信息。

由于这时候下面的通信子网并没有直接为网上的这种应用提供通信服务，所以运输层通过软件实现的这种连接叫做“虚连接”。

运输层为保证建立连接和拆除连接的可靠性， TCP 协议采用“三方握手”的方法，即每次建立或拆除连接，都要在收发双方之间交换三个报文。 下图为三方握手拆除连接的示意图：

主机 1 上的事件 主机 2 上的事件发送 FIN+ACK

接收 FIN+ACK 发送 FIN+ACK

接收 FIN+ACK 接收 ACK

发送 ACK

TCP 协议采用“同步字段”（ SYN ）通知建立连接，而用“结束 字段”（ FIN ）来通知对方拆除连接。

运输层也是采用窗口机制来实现流控制。

当一个连接建立时，连接的两端都分配一个缓冲区来保持输入的数据。当数据到达时，接收方发送确认，其中包含了自己剩余的缓冲区空间的数量（即窗口）。

TCP 协议窗口大小的单位是字节。而子网内链路层的流控中滑动窗口的单位是帧的数目。

请看下面的例子——

2-5-2 2-5-2 运输层的流控制运输层的流控制

主机 1 上的事件 主机 2 上的事件

确认 1000 ，窗口 =1500

发送 数据字节 1-1000 发送 数据字节 1001-2000 发送 数据字节 2001-2500 确认 2000 ，窗口 =50

0 确认 2500 ，窗口 =0 接收 1000 的确认 接收 2000 的确认 接收 2500 的确认

应用读出 2000字节

通告窗口 = 2500

确认 2500 ，窗口 =2000发送 数据字节 2501-3500

发送 数据字节 3501-4500 确认 3500 ，窗口 =10

00 确认 4500 ，窗口 =0

应用读出 1000字节确认 4500 ，窗口 =1000

接收 3500 的确认 接收 4500 的确认

接收 4500 的确认

2-5-3 2-5-3 拥塞控制拥塞控制

TCP 协议的拥塞控制方法：1 、发现提出报文丢失，发一个仅含有一块数据的报文；2 、收到应答，发送加倍数量的报文；3 、若收不到应答，仍发送原有数量的报文；

2

1

3 4

5

6

TCP 看网络层的工作，只是把它当作一个包传输系统来对待。

IP 协议在传输 TCP 协议传来的信息时，并不去解释其意思，而是直接把它当作数据来传递，当传输较长的报文时，再把长报文拆成若干个包（报文分组）来分别传送。

TCP 协议提供面向连接的可靠的通信服务，而 IP 协议提供面向无连接的通信服务， 从它们的字段格式中也可看出。

UDP 协议（用户数据报协议）针对端口的无连接的数据报投递服务，不保证可靠投递。

2-5-4 2-5-4 运输层协议运输层协议

TCP格式与 IP格式对比

设置应用层的目的是为了向网络用户提供一个更方便、更有效的网络应用环境。

应用层的所有内容围绕着各种高层服务和与之相应的高层应用软件展开，介绍它们的原理、接口、所有的技术和软件的结构。

2-6 2-6 应用层应用层

客户： 提供服务请求 服务器： 提供服务

2-6-1 2-6-1 客户客户 //服务器交互环境服务器交互环境

客户

运输层互连网层

网络接口层

服务器

运输层互连网层

网络接口层

因特网

域名（ domain name ）：因特网上主机的名字，采用因特网上主机的名字，采用层次结构，从左至右、从小范围到大范围，表示主机所属的层次结构，从左至右、从小范围到大范围，表示主机所属的层次关系。如：层次关系。如： HZRTVU.EDU.CN 。。

域名服务由域名服务器提供。域名服务器 DNS 的作用是将域名翻译成 IP 地址。在层次化的域名系统中，域名服务器互相配合，协调一致的工作。

2-6-2 2-6-2 域名服务域名服务

电子邮件：电子邮件的传递是由电子邮件的传递是由 SMTP 协议来完成的。协议来完成的。E-mail 地址 ： yangym@hzrtvu.edu.cnyangym@hzrtvu.edu.cn

2-6-3 2-6-3 典型应用典型应用

邮件用户在邮件服务器中的邮箱名

邮件服务器主机的域名

文件传输： FTPFTP 协议可以用来在网络上的任何两台协议可以用来在网络上的任何两台计算机之间实现任何类型的文件的透明传输。 计算机之间实现任何类型的文件的透明传输。

WWW （ Word Wide Web ）：因特网上最大的一项应用。Web 的信息服务端运行的是 Web服务器程序，在用户端运行浏览器程序（即 Browser / Server 方式）。 Web服务器上的信息以超文本的形式存放。这些多媒体的超文本信息是用超文本标注语言 HTML 来书写的。

B/S 与 C/S 模式： C/S 是以具有图形用户接口（ GUI ）的 PC 机为客户机，不同的操作系统或不同的网络操作系统对应不同的语言和开发工具； B/S 是因特网上使用的模式，主要特点是它与软硬件平台无关，把应用逻辑和业务处理规则放在服务器一侧，主流语言 Java ， HTML 。

网络管理： SNMP 模型视频会议：有利用通信专线连接的系统和利用因特网连接

的系统。视频传播的标准有 MPEG1 、 MPEG2 等。 网络安全：网络安全防范往往结合防火墙技术来实现。