计算机网络
网络协议的必要性和复杂性


在网络通信中双方必须对通信中可能出现的各种 情况进行明确的商定，必须遵守相同的规则，这 些规则称为协议。网络中的主机、设备必须要遵 循相同的协议才能通信 网络通信是一个非常复杂的问题，这就决定了网 络协议也是非常复杂的
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如何构建网络协议？


相互通信的两个计算机系统必须高度协调 工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 解决：分而治之！ 举例：一个空中旅行的组织
…
网络接 1 应用层 运输层 互联网层 网络 接口层 网络 1 互联网层 网络 接口层 路由器
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主机B 应用层 运输层 互联网层 网络 接口层
网络 2
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OSI参考模型和TCP/IP模型比较



OSI参考模型和TCP/IP模型都采用了分层结构，OSI参 考模型分为7层，TCP/IP模型分为4层 在TCP/IP模型中没有表示层和会话层，TCP/IP模型的 应用层相当于综合了OSI参考模型中应用层、表示层和 会话层的功能 TCP/IP模型没有数据链路层和物理层，网络接口层包含 了这两层的功能
4
3 2
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
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计算机 2
AP2
应用层 PDU 再传送到运输层 加上运输层首部，成为运输层报文段
5 4 3 2 1
4
3 2
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
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计算机 2
AP2 5
4
3 2
运输层报文段再传送到网络层 加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）
4 3 2 1
1
计算机 1 向计算机 2 发送数据
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互联网层的四个主要协议
应用层
运输层 互联网层 网络接口
●IP ●ICMP ●ARP ●RARP
运 输 层
TCP
UDP
互 联 网 层
6
17
IP
IP分组中的协议域确 定目的端的上层协议
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TCP/IP的体系结构层次
TCP/IP协议栈
应用层
HTTP, FTP, SMTP, DNS, Telnet, …
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OSI参考模型和TCP/IP模型比较



OSI模型体系比较复杂，设计先于实现，完全实现OSI 参考模型的系统并不多，应用的范围有限，多限于理论 研究和教学。 TCP/IP协议是在实践中产生和发展的，在各类平台中 都有稳定的实现，并有简单方便的编程接口（API）， 得到了广泛的应用。 TCP/IP协议已成为目前网际互连事实上的国际标准和 工业标准
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层次化方法在其它领域的应用

程序设计

把一个大的程序分解为若干个层次的小模块来实现， 如操作系统。 邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输

邮政系统



银行系统 物流系统 。。。
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划分层次的必要性


计算机网络中也采用了分层方法。——把复杂的 问题划分为若干个较小的、单一的局部问题，在 不同层上予以解决。 网络的层次结构方法要解决的问题：
H3 H4 H5 数据 T2
网络层 数据链 路层 物理层
H2 H3 H4 H5 数据 T2
H2
H3 H4 H5 数据
H2
H3 H4 H5 数据
主机A
交换机
路由器
主机B
计算机 1 向计算机 2 发送数据
计算机 1
AP1 5
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计算机 2
应用进程数据先传送到应用层
AP2 5 4 3 2 1
加上应用层首部，成为应用层 PDU
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本书采用的体系结构
应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层
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数据在网络中的传递过程
数据 数据 应用层 H5 数据 H5 数据 应用层
运输层
H4 H5
数据
H4 H5
数据
运输层
网络层 数据链 路层 物理层
H3 H4 H5 数据 数据链 路层 物理层
H3 H4 H5 数据 T2
网络层 数据链 路层 物理层
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OSI/RM七层体系结构
7 6 5 4 3 2 1 应用层Application 表示层Presentation 会话层Session 运输层Transport 网络层Network
为网络应用提供服务 数据表示 在用户间建立会话关系 不同主机进程间的通信 在主机间传输分组 在结点间可靠地传输帧
计算机网络
数据传递过程



在概念上可以认为通信是水平的，数据好像由对 等层的一端直接到达了另一端。 通信的目的就是要实现对等层之间的水平通信， 虽然事实上水平通信要依赖垂直通信来实现 在理解问题时忽略中间的过程直接去考虑水平通 信会更简单
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计算机网络体系结构


计算机网络的各个层次以及每个层次协议的集合称为计 算机网络体系结构。 各个层次的所有协议也被称为协议栈。 世界上第一个计算机网络体系结构是美国IBM公司于 1974年提出的SNA（系统网络体系结构） 其他的网络体系结构：Digital公司的网络体系结构DNA、 Honeywell公司的分布式体系结构DSA等
PDU
Message（报文）
运输层
TCP, UDP
Segment（段）
互联网(网络)层
IP, ICMP, ARP, RARP
Packet（分组） Frame（帧） Bit（比特）
网络接口层(数据链路层+物理层)
PPP, Ethernet, Token ring, ATM
每一层使用自己层的协议与其他系统的对等层相互通信。 每一层的协议在与对等层之间交换的信息称为协议数据单元（PDU）。
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各种 应用服务
运输服务
会话层 运输层
网络层
4
3
(可靠或不可靠)
无连接分组交付服务
2 数据链路层 1 物理层
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应用层
F T P
T e l n e t
23
S M T P
D N S
T F T P
S N M P
port
21
25
53
69
161
运输层
TCP UDP
TCP和UDP都根据端口(port)号把信息提交给上层对 应的协议（进程）。
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协议分层的优点



将复杂的网络通信任务分解为若干个比较容易处理的子 问题，降低了复杂度，易于实现和维护。 每个层次都可以单独实现，只要提供的服务和实现的功 能不变，与相邻层次的接口也不变，那么采用何种技术 实现是每个层次内部的事情，更有利于采用新的技术去 解决问题。 层次明确也更有利于标准化。
信息 数据 信息 数据
信号
通信网 络
信号
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网络通信的复杂性



发送方如何确定接收方愿意接收数据或已经准备好了 接收数据？ 发送方和接收方之间可能间隔了多个网络，如何在网 络之间找到一条正确的路，使得数据能够到达接收方？ 数据在传输过程中可能受了干扰而产生了差错，如何 检测差错？出了差错如何处理？ 数据在传输过程中可能会丢失，如何检测丢失，丢失 以后如何处理？



网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分 层与功能） 各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服 务与接口） 通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）
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网络协议



计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的 规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有 关的同步问题（同步含有时序的意思）。 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或 约定即网络协议(network protocol)，简称为 协议。
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计 算 机 网 络
第2章 计算机网络体系结构
东软信息学院计算机系网络教研室
计算机网络
本章知识点

理解网络协议与协议分层的原理 掌握计算机网络体系结构 掌握OSI模型和TCP/IP 模型各自特点和区别 掌握数据在网络中的传递过程
计算机网络
信息交换过程
物理链路是网络通信必备要素，它是信号 传播的载体。
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数据传递过程
发送端 水平通信 用户数据 水平通信 第n层 用户数据 接收端
Hn
用户数据 水平通信
Hn
用户数据
第n－1层
Hn-1 Hn
用户数据
Hn-1 Hn
用户数据
垂直通信
垂直通信
第2层
H2
„
Hn-1 Hn
用户数据
T2
H2
„
Hn-1 Hn
用户数据
T2
第1层
01100011„„011101010110101001011
旅客 (出发)
飞机 (起飞) 飞行航线
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分层的空中旅行组织: 服务
柜台-to-柜台：“旅客+行李” 票务服务 行李托运-to-行李认领：行李服务
登机入口-to-到达出口：旅客乘务服务
跑道-to-跑道：飞机“航运”服务 从出发地到目的地的航线：导航服务 当某层实现变化时，该系统其余部分保持不变。 注意：一个服务改变实现方式与改变服务本身是极为不同的！
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网络协议的组成要素



语法：通信时双方交换数据和控制信息的格式。 （如何讲） 语义：每部分控制信息和数据所代表的含义。 （讲什么） 时序：通信如何发起；在收到一个数据后，下一 步要做什么。 （讲话次序）