第 6章 计算机网络及其体系结构

概述

计算机网络的体系结构

体系结构的若干重要概念

6.1 概述

计算机网络的发展过程 计算机网络的定义 计算机网络的分类 计算机网络的功能及应用

6.1.1 计算机网络的发展过程 1946 年第一台数字电子计算机问世 单机

大、中、小型机——庞大，昂贵 缺点——资源无法共享

网络 始于 50’s ，近几十年发展迅速。发展的动力：

—— 资源共享的需求 —— 大型项目的合作 —— 人与人之间的沟通

计算机网络的发展大致经历了三个阶段： 联机系统计算机通信计算机网络

一 以主机为中心的联机终端网络系统

20 世纪 60’s 以前…… 特征——共享主机资源

单台主机——计算、通信 多台终端——用户交互 本地、远程连接

结构

例子 美国的飞机订票系统 SABRE-1

1 HOST2000 Terminal通信线路（电话线路）

此结构的网络至今仍在使用 缺点

主机负荷重，数据处理＋通信 线路利用率低

改进 多点通信，近距 终端集中器，近 / 远距 前端处理机（ FEP ）——通信任务分离

二 . 主机－主机网络

20 世纪 60’s –20 世纪 70’s 特征

单主机终端网络的互联，形成多主机为中心的网络 网络结构从“主机－终端” 转变为“主机－主机”

结构

通信线路主机 主机

主机

终端 终端

终端计算机直接参与通信

既担任事务处理工作，同时也担任通信工作

主机

主机主机

主机

主机主机

IMP

IMP

IMP

IMP

主机

专职通信的计算机，形成通信子网 把主机从繁重的通信任务中解脱出来

数据处理

通信

例子 因特网的前身—— ARPANET

美国军方建立的实验性网络最初 4 个节点→ 70’s 的 60 多个节点地域跨越美洲、欧洲具有现代网络的许多特征，例如

分组交换 分层次的网络协议

计算机网络的不足之处 网络普及程度低 标准不统一 网络体系结构的研究不成熟

三 . 体系结构标准化网络

20 世纪 70’s- 至今 不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体

系结构的标准化的原动力 各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论等

方面的研究日趋成熟是其基础 标准化过程的两个阶段

厂商标准： IBM-SNA,DEC-DNA缺点：适用范围：兼容性？

技术垄断：竞争？ 标准不统一：用户利益？

标准制定问题 标准化任务只能由不偏向于任何厂商的非盈利中立组织来制定 例外——“事实上的标准”，如 TCP/IP

国际标准： ISO-OSI/RM Open System Interconnection/ Recommended M

odel （开放系统互联参考模型，简称 OSI 参考模型）

OSI 参考模型是一种概念上的网络模型 其标准保证了不同网络设备之间的兼容性和互操作性 规定了网络体系结构的框架 只说明了做什么（ WHAT TO DO ）而未规定怎样做

（ HOW TO DO ） 现在的计算机网络均是在 OSI/RM 的框架下运作的

6.1.2 计算机网络的定义 计算机网络是通过通信设施 (通信网络 )，将地理上

分布的具有自治功能的多个计算机系统互连起来，实现信息交换、资源共享、互操作和协同处理的系统。

特征： 计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。 这些计算机系统是自治的，即每台计算机是独立工作的，它

们在网络协议的控制下协同工作。 系统互连要通过通信设施 (网 )来实现。 系统通过通信设施执行信息交换，实现资源共享、互操作和

协作处理，以满足各种应用要求。

计算机网络与分布式系统 从协调性和用途两方面进行比较

分布式系统 在分布式 OS统一调度下，各计算机协调工作，共同完成一项任务。

如并行计算 用户面对的是一台逻辑上的计算机，组成分布式系统的各计算机怎

样协同工作，对用户透明 用途主要是科学计算和数据处理

计算机网络 非协调性的 各计算机对用户非透明，用户必须指定资源的位置 用途主要是资源共享

计算机网络与分和式系统的区别不在于硬件，而在于高层软件，尤其是分布式系统的管理软件应具有高度的全局性和透明性。因此，计算机网络不一定是分布式系统，但分布式系统却是一种具有特色的计算机网络。

6.1.3 计算机网络的分类

按网络拓扑结构进行分类 按网络的交换功能进行分类 按网络覆盖范围进行分类 按网络服务的对象进行分类

1. 按网络拓扑结构进行分类

总线型环型星型混合型 树型（星型级联） 网状（星型 +环型）

拓扑结构一览

2. 按网络的交换功能进行分类

电路交换 报文交换 分组交换 混合交换

局域网 (LAN, Local Area Network) 范围：小，＜ 20KM 传输技术：基带， 10-1000Mbps ，延迟低，出错率低（ 10-11 ） 拓扑结构：总线，环形

城域网 (MAN, Metropolitan Area Network) 范围：中等，＜ 100KM 传输技术：宽带 /基带 拓扑结构：总线

广域网 (WAN, Wide Area Network) 范围：大，＞ 100KM 传输技术：宽带，延迟大，出错率高 拓扑结构：不规则，点到点

3. 按网络覆盖范围进行分类

公用网： 是对全社会开放提供多种服务的网络，如国家邮

电部门经营的公用数据网，只要按规定交费便可为其提供服务。

专用网： 是某个部门因某种特殊需要而建造的网络，如军队、铁路、电力、公安、金融等部门均设有专用网。

4. 按网络服务的对象进行分类

6.1.4 计算机网络的功能及应用 计算机网络的功能

不同的计算机网络是为不同的目的需求而设计和组建的，它们所提供的服务和功能也有所不同。

计算机网络的功能主要体现在以下几个方面： 实现资源共享

共享网络资源是开发计算机网络的动机之一。 资源包括硬件、软件和数据。

提高了系统的可靠性 有利于均衡负荷 提高了灵活的工作环境 性能价格比高、扩展方便、通信手段多等

2. 计算机网络的应用 用于企业的网络

资源共享（ resource sharing ）—— 核心问题 高可靠性（ high reliability ） 节约经费（ saving money ） 通信手段（ communication medium ）

客户 - 服务器模型（ client-server model ）

客户机 服务器客户进程

服务器进程

请求应答

网络

服务于公众的网络 访问远程信息—— WWW 、 Telnet 个人间通信—— e-mail 、 video conference 交互式娱乐—— VOD （ video on demand ）

计算机网络的应用已深入到社会的各个角落，计算机网络已成为信息社会的命脉和发展经济的重要基础。

6.2 计算机网络的体系结构

层次型的体系结构 OSI 体系结构 TCP/IP体系结构

网络不是一成不变的，它必须适应基本技术和应用程序需求的变化，网络设计者已经制定了通用的蓝图 ------

网络体系结构，用以指导网络的设计和实现。 建立网络体系结构的目的是为了能够抽象的讨论和研究网络技术，使网络的实现与网络的功能发展能够相互独立的各自发展。

网络体系结构的模型分类： 层次型：以 OSI为代表，用严格的层次关系来表述

网络功能的划分及其之间的关系，它所包含的各个协议具有很明确的层次依赖关系。

功能性：以 TCP/IP 为代表，依网络服务所需的各项功能为主线来刻画功能之间的关系，无严格的层次界限，它所包含的各个协议具有明确的功能依赖关系。

6.2.1 层次型的体系结构 计算机网络是个非常复杂的系统。

连接在网络上的两台计算机要互相传送文件 传送数据的通路的建立。 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活 (activate) 。 所谓“激活“就是发出一些信令，保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收。

要告诉网络如何识别接收数据的计算机。 发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数

据。 文件格式转换 意外情况处理 Network

相互通信的计算机系统必须高度协调工作出现了”分层“的概念

把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。

层次结构方法要解决的问题 1. 网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分

层与功能） 2. 各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服

务与接口） 3. 通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）

下层为上层提供的服务

层间接口

各层直接面对的对象

网络协议： 为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标

准或约定 三要素：

语法：规定数据和控制信息的格式 语义：规定通信双方如何操作 同步：规定通信事件发生的顺序及其详细说明

模型分层原则 根据不同的层次抽象的分层——逻辑层次概念 每层有一个定义明确的功能 每层功能选择有助于标准的制定 各层边界的选择应尽可能减少跨层通信量 层不能太少，以免每层功能复杂，也不能太多，以免

结构复杂

采用分层设计法带来的好处，主要有： 各层相对独立。

上层并不需要知道相邻下层的具体实现细节，而仅需要了解该层通过层间接口所提供的服务。从而降低了整个系统的复杂程度，

设计灵活。 当某一层发生变更时，只要层间接口关系保持不变，就不会

对该层的相邻层次产生影响，而且也不影响各层采用合适的技术来实现；

易于实现和维护。 这是由于系统已被分解为相对简单的若干层次的缘故；

易于标准化。 因为每一层的功能和所提供的服务均已有精确的说明。

网络体系结构（ Architecture） 就是计算机网络的各层及其协议的集合，或者说，就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。

体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

6.2.2 OSI 体系结构

OSI 体系结构 OSI 各层的功能 OSI 标准

1. OSI 体系结构 OSI （ Open System Interconnection ）：开放系统互联参考模型 为网络的互连制定了标准互连模型 开放的含义：

是指按 OSI 标准建立的系统可以和世界上任意一个也按 OSI 标准建立起来的系统互相进行通信。

OSI/RM 的意义 提供了网络间互连的标准参考模型 成为网络内部建立模型、分析、设计网络的重要参考工具

OSI采用三级抽象，即 体系结构 (architecture) 服务定义 (service definition) 协议规范 (protocol specification)

OSI 体系结构采用七个层次的层次模型

应用层 Application

表示层 Presentation

会话层 session

传输层 transport

物理层 Physical

数据链路层 Data Link

网络层 Network

7

6

5

4

3

2

1

2. OSI各层的功能物理层

主要作用： 通过与通信介质的连接，实现网络站点间的物

理连接，并为数据链路层提供 bit 传输的手段

物理层 物理层

通信介质

链路层 链路层Bit 流 Bit 流

物理层描述 为上层（链路层）提供的服务： 提供无结构的 bit 流传输服务 功能： Bit的信号表示、 bit同步、收发、通信过程协调、物

理介质驱动（电或光信号） 标准： 定义物理接口的机械、电气、功能和规程特性 RS232 、 10Base2 、 V.35、 X.21

注：传输介质不属于物理层

物理层模型

信道编 / 解码介质驱动

001100011

10

介质接口

信道编 / 解码介质驱动

0011001111

0

SAP SAP

传输介质• 模拟信道• 数字信道• 数字通信网

物理层可能出现 bit 传输差错

能提供 bit 传输服务的系统都可用作物理层

链路层 链路层

Bit 传输信道

物理层等效为链路层的 bit 传输信道

主要作用： 把可靠性较低的物理信道转变成可靠性较高的

逻辑信道。

数据链路层数据链路层

网络层

数据链路层

网络层

数据链路层数据链路

Bit 传 输 信 道

数据链路层描述： 从一条传输链路的角度来解决传输中的可靠性问题

为网络层提供的服务： 分组传输，使物理信道对网络层呈现为可靠的

信道（数据链路或分组信道），最大传输单元（ MTU）

功能： 帧封装， bit信道上帧传输 :帧同步、信道

的使用规则、帧边界识别、帧差错检测和处理（校验、重传等）、流量控制等。

相关标准： 不同的信道、或不同的传输要求有不同的标

准。 如： HDLC 、 PPP、 802.3 （以太网）等。

链路层模型

Packet

Frame

Packet

链路层协议

通过帧校验，确保递交到上层的数据都是正确的• 帧分类

• 封装 / 解封装• 应答、重传• 帧校验• 帧同步

物理层

用多个 SAP ，提供通用的链路通信功能

• 针对不同的物理信道，确定不同的最大传输单元（ MTU ）• 为了链路层的高速性能，一般不在链路层进行报文的分段和重装。

使用 L1 的 bit 传输服务实现 Frame 的传输

链路层等效为分组传输信道，为网络层提供无错误的分组

网络层利用链路层提供的服务 ,实现分组的传输 网络层收到的分组是经过链路层差错检验 ,保证

基本上是正确的 (差错检测能力范围 ) 网络层可能会收到重复的分组、或者出现丢失现

象（由链路层协议提供的服务确定）

L3 L3

网络层网络层

网络层从整个网络的角度来解决传输中的可靠性问题，考虑通信双方的终端节点及中间节点间的关系

一个网络中所有网络层协同工作来实现网络层的功能 为上层（传输层）提供的服务： 为传输层提供穿越网络的通信服务。 功能： 路由计算、 路由选择、报文分段和重组、拥塞控制、

网络互连和组网。 相关标准： IP、 X.25 等

网络层

网络层

网络层网络层

数据链路

网络层 网络层

穿越网络的通信

网络层 网络层

网络 A 网络 B

网络互连

a. 穿越网络的通信

b. 互联和组网

网络层模型 端系统的 L3

选路

重组

分段 分段

L2 L2

• 按选路算法确定传送的L2 接口• 依据实际 L2 的 MTU ，进行分段和封装• 接收的数据全部送往上层

中继系统的 L3

L2 L2

选路

重组

分段 分段

•主要的工作是转发接收的数据•选路的算法直接影响网络的整体性能•中继系统之间互相交换选路信息，确定最佳路径

路由算法、分段和重装方法是 L3 协议的主要内容

不同的 L3 协议构成不同类型的网络

X.25 网 IP net

CLNPEthenet

报文分段和重组

• 不同数据链路有不同的MTU，网络层需要根据实际情况进行报文的切割分段进行传输。

•根据透明传输的要求，报文在到达目的地递交给上层前，要组装成和发送端完全一致的报文，满足上层的虚通信的条件。

报文分段 报文重组

网络层

L3 的选路

• 每个节点需要确定到所有其它节点的路径• 应付网络中发生的各种变化（信道中断、节点故障、网络扩大等）• 静态指定所有路径• 动态确定路径

• 节点间交换路有信息 --- 路由协议

传输层传输层

网络 (1) 网络 (n)

网络层网络层

传输层

网络 (2)

主机 A主机 B

传输层

传输层模型

• 网络 (i) 上的网络层只负责穿越网络 (i) 的通信• 传输层是端到端的通信

网络 (3)

网络层

主机 C

传输层

在网络层的基础上，传输层从主机间逻辑连接的角度来处理数据的传输问题。

服务： 屏蔽具体网络的细节，屏蔽不同网络的差异，为上层提供与具体网络无关的通信服务。

功能： 各种网络的适配，网络通信的分流和复用、并发的多个通信的管理、流量控制等。

相关标准： TCP、 UDP等

传输层的分流和复用

传输层

网络层

传输层

网络层

分流：用多个网络通信来实现 一个传输层的通信，提 高传输层的通信速度

复用：多个传输层的通信复用到一个网络通信上，可降低费用。

会话层

会晤层

主机 A主机 B

会晤层

会话层模型主机 C

会晤层

通信子网

主机上的通信活动，一台主机上可以同时存在多个活动

会话层负责主机与主机之间通信活动（称为会晤）的管理，在传输层实现端－端通信的基础上，为上层提供增强的通信功能。 多个会晤的协调 会晤的发起、暂停、恢复、结束管理 同时对话、轮流对话工作模式设定 会晤的主动方、被动方设定、角色对换等 会话的同步、中断恢复

表示层的作用：主要解决用户信息的语法表示问题 对各种通信和不同的应用，能否有一种通用的信息表示方法？

如：人名、日期、货币数量、图形数据、发票、表格、记录等。 今后出现的新的信息类型又如何表示？ 大家是否都同意采用一致的方法对数据进行编码？ 所有类型的计算机都能识别这些表示方式？ 统一的实现方式是否简单实用？

表示层表示层

会晤层表示层

如何表示应用层要传输的信息内容

？

应用层负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。 直接面向用户，为用户提供各种服务。 是用户访问网络的接口层。 各种使用网络通信的应用都属于应用层 新的网络应用还在不断出现

应用层应用层

文件传输 电子邮件WWW

网络电话

网上聊天网上购物

网上银行

办公自动化

虚拟终端VOD

思考 说出下列功能是 OSI七层协议的哪一层：

决定路由 流量控制 连接到外部 提供对最终用户的访问 ASCⅡ码到 EBCDIC码转换 分组交换 通过物理介质传输比持流 与用户应用程序直接通信 负责相邻节点的信息交换 提供与具体数据表示无关的服务 在用户之间进行同步 建立管理和终止会话 保证可靠的数据传送

网络层数据链路层、传输层物理层应用层表示层网络层物理层应用层数据链路层表示层会话层会话层数据链路层、传输层

3. OSI 标准 OSI 基本标准

用于描述和规定七个层次中的服务定义和协议规范，对每一种服务与协议的实现，又有许多可供用户根据不同情况进行选择的可选项。

OSI 功能标准 标准化的基本标准子集 不是新制定的标准，而是从已有的 OSI 基本标准中

进行适当的取舍和组合得到的。

6.2.3 TCP/IP 体系结构 TCP/IP起源于美国国防部高级研究规划署 (DARPA) 的一项

研究计划——实现若干台主机的相互通信。 现在 TCP/IP 已成为 Internet上通信的标准。 满足异种计算机、异种计算机网间的通信 TCP/IP 模型包括 4个概念层次：

应用层（ application） 传输层（ transport） 网际层（ internet） 网络接口（ network interface）：

网络接入层 物理层

6.3 体系结构的若干重要问题

开放系统互联环境 层、子系统与实体 服务、协议和服务访问点 服务原语 数据单元 对等实体间的通信

6.3.1 开放系统互联环境

开放系统互联环境： 是指那些与系统互联有关的部分 也就是 OSI参考模型所描述的范围

中继系统： 数据的中转节点，标准层次为 3 层

OSI 环境

6.3.2 层、子系统与实体

子系统 对等层：位于同层上的子系统 实体：

任何可发送或接收信息地硬件或软件进程 执行具体的协议，完成本层的功能

IP 实体 IPX 实体 IP 实体 IPX 实体

对等实体

对等实体

对等实体：不同系统、同层、存在通信关系的实体。

•每一层中可以有多个实体同时存在•对等实体是有通信关系的双方实体

IP实体和 IPX实体不构成对等实体，因为它们之间不通信。

层次模型中的每个实体都有一个与之对应的对等实体存在。

通信是对等实体之间的通信 不同层中的实体不存在通信关系

?

6.3.3 服务、协议和服务访问点

服务： 某一层对上一层提供的一组通信相关的功能的结合。 实体使用下层的通信服务，完成本层的功能，并为上层提

供增强的通信功能 协议：

对等实体通信时遵守的共同约定 协议由专门的标准来定义， 各层都有专门的协议标准，称为

（ N）协议，或物理层协议、链路层协议、网络层协议等等。 每层可同时存在多个协议。

实体 实体

实体 实体

协议

使用的下层服务

为上层提供的服务

协议是“水平的”服务是“垂直的”

一个 (N) 实体向上一层 (N+1) 实体提供的服务由三部分组成：(N) 实体自身提供的某些功能由 (N-1) 层及以下各层及本地系统环境提供的服务与处于另一开放系统中的对等 (N) 实体的通信而提供的服务

服务访问点 (SAP,Service Access Point):层间提供服务的接口

服务提供者Service Provider

服务用户Service User

N+1 层

N 层

N+1 层实体

N 层实体

SAP

每个 SAP 只由一个实体提供，可供上层多个实体使用 每个实体可以使用一个到多个下层的 SAP 每个实体能为上层提供多个 SAP 实体可以简单地理解成协议的执行体 ,SAP是协议提供的接口

直接含义： 每种协议应支持多种上层应用 每种协议应能适应多种下层类型

6.3.4 服务原语 原语指一种不可再分的操作。 服务原语

定义上层实体与下层实体间的接口模型，上层实体用服务原语使用下层提供的服务 ,实现与对等层的通信。

实现一次数据完整的传输过程可以表示为：• 上层请求下层数据传输请求• 数据到达时通知上层• 上层对数据的应答• 应答回到源端通知上层

OSI 把服务抽象成为四种服务原语： 请求（ Request ） 指示（ Indication ） 响应（ Response ） 证实（ Confirm ）

注意： Ind是 Req送达对方的另一种表示 Resp是对应的 Ind的回答（与 Req区别开） Conf是 Resp在另一端的表示 Req不一定会引起下层传输数据（如状态请求） 传输的内容不一定完全跟请求的内容一致

Req IndRespConf

时间方向

ReqIndResp

Conf

ReqInd

无证实通信，无需应答和证实 如 : 无连接无证实通信

完整的一次有应答通信交互

如：建立连接过程、通信过程

6.3.5 数据单元 不同开放系统应用进程间数据传递的过程

对等层通信的实质： 对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务 实际通信在最底层完成

以数据单元作为数据传递单位 OSI模型规定了三种类型的数据单元：

服务数据单元 协议数据单元 接口数据单元

1. 服务数据单元 SDU（ Service Data Unit） 相邻层实体间传递信息的数据单元 (N)SDU 表示 (N+1) 层与 (N) 层之间传递信息的

服务单元 (N)SDU实际上是确保 (N) 服务传输需要的逻辑单元

2. 协议数据单元 PDU(Protocol Data Unit) 对等实体之间传送信息的数据单元 由两部分组成

协议控制信息（ PCI ） 用户数据（ UD ） PDU

各层 PDU 的其他名称应用层： APDU

表示层： PPDU

会晤层： SPDU

传输层： TPDU 、 Datagram （报文） 网络层： NPDU 、 Packet （分组）、 Datagram （数据报）

链路层： LPDU 、 Frame （帧） 物理层：（无）

3. 接口数据单元 IDU(Interface Data Unit) 相邻层实体通过服务访问点一次交互信息的数据单元

由两部分组成： 接口数据（ ID）：

相邻层实体交互的数据 接口控制信息（ ICI ）：

为了协调相邻层实体的交互操作而附加的控制信息

Data

ICI

H

(n)PDUICI

DataICI DataICI

Data

ICI

H

(n)PDU

ICI

本层协议通信内容

本层协议通信内容

DataICI

SDU

DataICI

SDU

6.3.6 对等实体间的通信

对等实体间的通信过程在时序上需要经历三个阶段： 建立连接阶段 数据交换阶段 释放连接阶段

服务分为两大类： 面向连接服务

两个对等实体在进行数据交换之前，必须先建立连接；当数据交换结束后，应终止或释放这种连接关系。

在网络层又称为虚电路服务 比较适合于在一定期间内要向同一个目的地连续发送多个报文的情况。

无连接服务 两个对等实体之间的通信无需建立一个连接，就可以进行数据交换。

比较适合于传送少量零星报文的场合。 三种类型：

数据报 证实交付 请求回答