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1 主 要 内 容 与 基 本 要 求 主 要 内 容 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 计 算 机 网 络 的 发 展 过 程 分 类 以 及 主 要 性 能 指 标 ; 分 组 交 换 的 基 本 原 理 及 其 与 电 路 交 换 报 文 交 换 的 联 系 与 区 别 ; 计 算 机 网 络 的 协 议 与 体 系 结 构 第 1 章 概 述 基 本 要 求 掌 握 分 组 交 换 电 路 交 换 和 报 文 交 换 的 概 念 及 各 自 的 优 缺 点 ; 深 入 理 解 分 层 的 必 要 性, 协 议 和 服 务 的 联 系 与 区 别 ; 掌 握 计 算 机 网 络 协 议 体 系 结 构,OSI/RM 模 型 和 TCP/IP 模 型 ; 掌 握 面 向 连 接 服 务 无 连 接 服 务 SAP SDU PDU 等 概 念 ; 掌 握 计 算 机 网 络 的 主 要 性 能 指 标 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 2 本 章 目 录 1.1 计 算 机 网 络 在 信 息 时 代 的 作 用 1.1 计 算 机 网 络 在 信 息 时 代 的 作 用 1.3 计 算 机 网 络 的 分 类 1.4 计 算 机 网 络 的 主 要 性 能 指 标 1.6 的 客 户 - 服 务 器 方 式 21 世 纪 的 重 要 特 征 是 数 字 化 网 络 化 和 信 息 化 21 世 纪 是 一 个 以 网 络 为 核 心 的 信 息 时 代 世 界 经 济 从 工 业 经 济 向 知 识 经 济 转 变 知 识 经 济 时 代 的 两 个 重 要 特 点 就 是 信 息 化 和 全 球 化 网 络 在 信 息 时 代 中 的 重 要 作 用 要 实 现 信 息 化 和 全 球 化, 就 必 须 依 靠 完 善 的 网 络 网 络 已 经 成 为 信 息 社 会 的 命 脉, 是 发 展 知 识 经 济 的 重 要 基 础 网 络 改 变 一 个 社 会 的 工 作 生 活 和 经 济 方 式 生 活 中 的 常 见 网 络 电 信 网 络 ( 电 话 传 真 等 ); 有 线 电 视 网 络 ; 计 算 机 网 络 ( 核 心 ) 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 计 算 机 网 络 在 信 息 时 代 的 作 用 美 国 国 家 信 息 基 础 结 构 (NII) 1993 年 9 月, 美 国 政 府 发 布 国 家 信 息 基 础 结 构 (National Information Infrastructure, NII) 行 动 计 划 又 被 通 俗 地 称 为 信 息 高 速 公 路 全 球 信 息 基 础 结 构 (GII) 1994 年 9 月, 美 国 又 提 出 建 立 全 球 信 息 基 础 结 构 (Global Information Infrastructure, GII) 目 的 是 把 各 国 的 NII 互 相 连 接 起 来 组 成 GII 因 特 网 就 是 GII 的 雏 形 计 算 机 技 术 与 通 信 技 术 紧 密 结 合 产 生 了 计 算 机 网 络 一 方 面, 通 信 网 络 为 计 算 机 之 间 的 数 据 传 递 和 交 换 提 供 了 必 要 的 手 段 ; 另 一 方 面, 数 字 计 算 技 术 的 发 展 渗 透 到 通 信 技 术 中, 又 提 高 了 通 信 网 络 的 性 能 计 算 机 网 络 的 发 展 经 历 了 多 个 阶 段 ( 线 路 控 制 器 多 重 线 路 控 制 器 前 端 处 理 机 和 集 中 器 等 ) 当 前 因 特 网 的 前 身 是 美 国 国 防 部 领 导 的 高 级 研 究 计 划 局 (Advanced Research Project Agency) 研 究 发 展 的 分 组 交 换 网 ARPANET 计 算 机 网 络 的 发 展 主 要 是 数 据 交 换 技 术 的 发 展 从 通 信 资 源 的 分 配 角 度 看, 交 换 就 是 按 照 某 种 方 式 动 态 地 分 配 传 输 线 路 的 资 源 实 现 交 换 的 方 法 主 要 有 : 电 路 交 换 报 文 交 换 和 分 组 交 换 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述

2 1.2.1 分 组 交 换 网 的 产 生 电 路 交 换 下 图 为 电 路 交 换 的 示 意 图, 其 整 个 通 信 过 程 必 须 经 过 建 立 连 接 通 信 释 放 连 接 三 个 步 骤 我 们 把 这 种 连 网 通 信 方 式 称 为 面 向 连 接 的 (connection-oriented) 呼 叫 时 建 立 的 物 理 铜 质 连 接 电 路 交 换 的 特 点 (1) 所 用 设 备 及 操 作 简 单 ; (2) 线 路 接 通 后, 数 据 直 通, 延 迟 短 ; (3) 信 息 按 顺 序 传 送 ; (4) 接 通 线 路 时 间 较 长 ; (5) 接 通 后, 线 路 独 占, 效 率 低, 费 用 高 ; 在 通 信 的 全 部 时 间 用 户 始 终 占 用 端 到 端 的 固 定 传 输 带 宽 电 路 交 换 技 术 不 适 合 计 算 机 数 据 的 传 输 ; 因 为 计 算 机 数 据 传 输 的 特 点 具 有 突 发 性, 断 续 性 线 路 真 正 用 来 传 输 数 据 的 时 间 不 到 10%; 建 立 链 路 的 过 程 对 计 算 机 通 信 来 说 是 一 种 不 小 的 开 销 交 换 局 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 8 报 文 交 换 报 文 交 换 把 需 要 传 送 的 报 文 (Message) 作 为 一 个 整 体 一 起 发 送 报 文 交 换 采 用 了 称 为 存 储 - 转 发 的 数 据 通 信 技 术, 在 交 换 过 程 中, 交 换 设 备 将 接 收 到 的 报 文 先 存 储, 待 信 道 空 闲 时 再 转 发 出 去, 一 级 一 级 中 转, 直 到 目 的 地 报 文 交 换 的 优 点 是 : 不 需 要 建 立 端 到 端 的 连 接, 也 不 需 要 通 信 的 双 方 同 时 处 于 活 动 状 态 线 路 利 用 率 比 较 高, 比 较 适 合 传 送 突 发 数 据 报 文 交 换 的 缺 点 : (1) 报 文 大 小 不 一, 缓 冲 区 管 理 复 杂 ; (2) 大 报 文 会 引 起 比 较 大 的 延 迟 ( 端 到 端 的 ); (3) 一 旦 出 错, 需 要 重 发 整 个 报 文 分 组 交 换 分 组 交 换 也 使 用 了 存 储 - 转 发 的 概 念 其 与 报 文 交 换 的 区 别 在 于 : 分 组 交 换 是 把 要 传 送 的 报 文 分 成 若 干 个 大 小 相 等 的 分 组 (Packet) 后 采 用 存 储 转 发 的 方 式 传 送 这 样 做 的 优 势 在 于 : (1) 存 储 量 要 求 较 小, 可 以 用 内 存 来 缓 冲 分 组 速 度 快 ; (2) 转 发 延 时 小 适 用 于 交 互 式 通 信 ; (3) 某 个 分 组 出 错 仅 重 发 该 分 组 效 率 高 ; 采 用 存 储 转 发 的 交 换 技 术, 实 质 上 是 采 用 了 在 数 据 通 信 过 程 中 断 续 ( 或 动 态 ) 分 配 传 输 带 宽 的 策 略 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 10 分 组 的 概 念 通 常 把 欲 发 送 的 整 块 数 据 称 为 一 个 报 文 (message) 在 发 送 时, 将 报 文 划 分 成 若 干 个 更 小 的 等 长 数 据 段, 在 每 段 前 加 上 首 部 (header), 构 成 一 个 分 组 (packet) 如 下 图 所 示, 分 组 又 称 为 包, 分 组 的 首 部 又 称 为 包 头 报 文 首 部 非 常 重 要, 它 包 含 了 诸 如 目 的 地 址 和 源 地 址 等 重 要 控 制 信 息, 这 使 得 每 个 分 组 都 能 在 网 络 中 独 立 地 选 择 路 由 因 此, 分 组 交 换 的 特 征 是 基 于 标 记 的 (label-based) 分 组 的 首 部 就 是 一 种 标 记 使 用 分 组 交 换 时, 传 送 数 据 前 可 以 不 必 先 建 立 一 条 连 接 这 就 减 少 了 建 立 连 接 和 释 放 连 接 所 需 的 开 销, 从 而 使 数 据 的 传 输 效 率 更 高 这 种 不 先 建 立 连 接 而 随 时 可 发 送 数 据 的 连 网 方 式, 称 为 无 连 接 的 (connectionless) 通 信 方 式 首 部 数 据 首 部 数 据 首 部 数 据 分 组 分 组 分 组 分 组 的 概 念 分 组 交 换 网 有 两 种 工 作 方 式, 数 据 报 (Datagram) 方 式 和 虚 电 路 (Virtual Circuit) 方 式, 它 们 分 别 向 上 层 提 供 无 连 接 的 和 面 向 连 接 的 两 种 服 务 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述

3 数 据 报 (Datagram) 方 式 两 个 实 体 间 的 通 信 不 需 要 先 建 立 一 条 连 接, 可 随 时 发 送 数 据 其 下 层 的 有 关 资 源 不 需 要 事 先 进 行 预 留 而 是 在 数 据 传 输 时 动 态 分 配 特 点 : 不 需 要 通 信 的 两 个 实 体 同 时 是 活 跃 的 ; 各 分 组 独 立 确 定 路 由 ; 不 保 证 分 组 按 序 到 达, 也 不 能 保 证 分 组 不 丢 失 尽 力 交 付 (best-effort delivery) H2 H1 H6 H3 H4 H5 分 组 可 能 通 过 多 个 路 径 穿 越 网 络 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 13 虚 电 路 (Virtual Circuit) 方 式 两 个 实 体 在 进 行 数 据 通 信 前 需 要 预 先 建 立 一 条 逻 辑 连 接, 称 为 虚 电 路 具 有 连 接 建 立 数 据 传 输 和 连 接 释 放 三 个 阶 段 特 点 : 数 据 传 输 是 按 序 的 比 较 适 合 于 在 一 定 期 间 内 要 向 同 一 目 的 地 发 送 许 多 报 文 的 情 况 可 以 建 立 永 久 虚 电 路 虚 的 理 解, 我 们 感 觉 好 像 占 用 了 一 条 端 到 端 的 电 路, 但 由 于 使 用 的 是 采 用 存 储 转 发 技 术, 所 以 实 际 上 还 是 断 续 地 占 有 一 段 又 一 段 链 路 H 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 14 H2 H6 H3 虚 电 路 H5 H4 t 电 路 交 换 报 文 交 换 和 分 组 交 换 的 比 较 呼 叫 请 求 数 据 A B C D 电 路 交 换 呼 叫 应 答 寻 路 延 迟 报 文 A B C D 报 文 交 换 排 队 延 迟 分 组 1 分 组 2 分 组 3 分 组 4 A B C D 分 组 交 换 分 组 交 换 网 分 组 交 换 网 由 若 干 结 点 交 换 机 (node switch) 和 连 接 这 些 交 换 机 的 链 路 组 成 结 点 交 换 机 用 来 实 现 分 组 交 换 为 了 提 高 分 组 交 换 网 的 可 靠 性, 常 采 用 网 状 拓 扑 通 常 将 分 组 交 换 网 称 为 通 信 子 网, 而 将 用 户 的 主 机 的 集 合 称 为 资 源 子 网 H1 H6 H2 H3 H5 H 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 16 分 组 交 换 网 的 优 缺 点 优 点 : (1) 高 效, 动 态 分 配 带 宽, 逐 段 占 用 链 路, 利 用 率 高 (2) 灵 活, 每 个 分 组 独 立 选 择 路 由 (3) 迅 速, 以 不 太 长 的 分 组 为 单 位, 存 储 时 间 短, 使 用 高 速 链 路, 不 用 建 立 连 接 (4) 可 靠, 分 布 式 多 路 由 通 信 子 网, 完 善 的 网 络 协 议, 生 存 性 好 缺 点 : (1) 时 延, 由 于 存 储 转 发 需 要 排 队, 因 此 会 带 来 时 延, 而 且 由 于 路 由 的 不 确 定 性, 这 个 时 延 也 不 确 定 (2) 开 销, 每 个 分 组 必 须 携 带 控 制 信 息 整 个 分 组 交 换 网 还 需 要 专 门 的 管 理 和 控 制 机 制 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 因 特 网 时 代 ( 自 己 看, 了 解 ) 关 于 因 特 网 的 标 准 化 工 作 计 算 机 网 络 在 我 国 的 发 展 中 国 公 用 计 算 机 互 联 网 CHINANET 中 国 教 育 和 科 研 计 算 机 网 CERNET 中 国 科 学 技 术 网 CSTNET 还 有 中 国 联 通 UNINET 中 国 网 通 CNCNET 中 国 移 动 CMNET 以 及 中 国 国 际 经 济 贸 易 CIETNET 等 中 国 高 速 互 连 研 究 试 验 网 NSFnet 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述

4 1.3 计 算 机 网 络 的 分 类 1.4 计 算 机 网 络 的 主 要 性 能 指 标 计 算 机 网 络 的 定 义 目 前 无 统 一 的 精 确 定 义 简 单 地 可 以 定 义 为 一 些 互 相 连 接 的 自 治 的 计 算 机 的 集 合 (Tanenbaum) 几 种 不 同 的 分 类 方 法 从 网 络 的 交 换 功 能 进 行 分 类 可 分 为 电 路 交 换 报 文 交 换 分 组 交 换 和 混 合 交 换 从 网 络 的 作 用 范 围 进 行 分 类 广 域 网 WAN(Wide Area Network); 局 域 网 LAN(Local Area Network); 城 域 网 MAN(Metropolitan Area Network) 以 及 接 入 网 AN (Access Network) 从 网 络 的 使 用 者 进 行 分 类 公 用 网 (public network) 和 专 用 网 (private network) 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 带 宽 (bandwidth) 带 宽 本 来 是 指 某 个 信 号 具 有 的 频 带 宽 度 单 位 是 赫 兹 (Hz) 当 传 输 模 拟 信 号 时, 把 通 信 线 路 允 许 通 过 的 信 号 频 带 范 围 称 为 线 路 的 带 宽 当 传 输 数 字 信 号 时, 可 以 用 数 字 信 道 的 数 据 率 表 示 带 宽 数 据 率 是 指 数 字 信 道 传 送 数 字 信 号 的 速 率, 又 称 为 比 特 率, 单 位 是 比 特 每 秒 (bit/s 或 b/s) 有 时 也 称 为 吞 吐 量 (throughput), 它 常 用 每 秒 发 送 的 比 特 数 字 节 数 或 帧 数 来 表 示 归 一 化 吞 吐 量 时 延 (delay or latency) 时 延 是 指 一 个 分 组 或 报 文 从 一 条 链 路 的 一 端 传 送 到 另 一 端 所 需 的 时 间 它 包 括 以 下 几 部 分 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 计 算 机 网 络 的 主 要 性 能 指 标 1.4 计 算 机 网 络 的 主 要 性 能 指 标 (1) 发 送 时 延 发 送 时 延 是 指 结 点 发 送 一 个 数 据 块 所 需 的 时 间, 又 称 为 传 输 时 延 发 送 时 延 = 数 据 块 长 度 / 发 送 速 率 = 数 据 块 长 度 / 信 道 带 宽 (2) 传 播 时 延 传 播 时 延 是 指 电 磁 波 在 信 道 中 传 播 一 定 的 距 离 所 需 要 的 时 间 传 播 时 延 = 信 道 长 度 / 电 磁 波 在 信 道 上 的 传 播 速 率 (3) 处 理 时 延 处 理 时 延 是 指 数 据 在 交 换 结 点 为 存 储 转 发 而 进 行 的 必 要 的 处 理 所 花 费 的 时 间 排 队 时 延 是 处 理 时 延 的 重 要 组 成 部 分 总 时 延 = 发 送 时 延 + 传 播 时 延 + 处 理 时 延 一 个 容 易 混 淆 的 概 念 : 对 高 速 网 络 链 路, 我 们 提 高 的 仅 仅 是 数 据 的 发 送 速 率 而 不 是 比 特 在 链 路 上 的 传 播 速 率 提 高 链 路 带 宽 仅 减 小 发 送 时 延, 而 不 会 减 小 传 播 时 延 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 21 发 送 器 队 列 结 点 A 在 发 送 器 产 生 发 送 时 延 ( 即 传 输 时 延 ) 在 这 里 产 生 处 理 时 延 链 路 时 延 带 宽 积 和 往 返 时 延 RTT 在 链 路 上 产 生 传 播 时 延 结 点 B 时 延 带 宽 积 表 示 信 道 上 可 以 容 纳 的 比 特 数, 又 称 为 链 路 的 比 特 长 度 时 延 带 宽 积 = 传 播 时 延 带 宽 = 传 播 时 延 发 送 速 率 往 返 时 延 (Round-Trip Time, RTT) 表 示 从 发 送 端 发 送 数 据 开 始, 到 发 送 端 收 到 来 自 接 收 端 的 确 认 为 止, 总 共 经 历 的 时 延 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 计 算 机 网 络 体 系 结 构 的 形 成 计 算 机 网 络 是 个 非 常 复 杂 的 系 统 网 络 中 的 两 台 计 算 机 要 实 现 通 信 需 要 高 度 协 调 地 完 成 很 多 工 作 这 种 协 调 是 相 当 复 杂 的 分 层 可 以 将 庞 大 复 杂 的 问 题 转 化 为 若 干 较 小 易 于 研 究 和 处 理 的 局 部 问 题 比 如, 我 们 编 制 大 程 序 需 要 分 解 成 许 多 函 数 1974 年,IBM 公 司 公 布 了 它 研 制 的 系 统 网 络 体 系 结 构 (System Network Architecture, SNA) 随 后 其 它 公 司 也 相 继 推 出 了 一 些 不 同 的 体 系 结 构, 但 它 们 之 间 难 以 互 通 ISO 的 开 放 系 统 互 连 参 考 模 型 (Open Systems Interconnection Reference Model, OSI/RM ) 致 力 于 解 决 这 个 问 题, 试 图 通 过 此 参 考 模 型 使 全 世 界 计 算 机 都 能 很 方 便 地 进 行 互 连 和 交 换 数 据 但 OSI/RM 失 败 了, 主 要 原 因 有 以 下 几 点 : (1)OSI 专 家 缺 乏 商 业 运 营 的 经 验, 脱 离 市 场 (2)OSI 协 议 实 现 起 来 过 分 复 杂, 而 且 运 行 效 率 低 (3) 标 准 制 定 的 周 期 太 长, 按 标 准 生 产 的 设 备 无 法 及 时 进 入 市 场 (4) 层 次 划 分 不 太 合 理, 有 些 功 能 在 多 个 层 次 中 反 复 出 现 两 种 国 际 标 准 OSI/RM 和 因 特 网 的 TCP/IP 法 律 上 的 国 际 标 准 OSI/RM 没 有 得 到 市 场 的 认 可, 而 获 得 广 泛 应 用 的 非 国 际 标 准 TCP/IP 成 了 事 实 上 的 国 际 标 准 OSI/RM 虽 然 失 败 了, 但 其 提 出 的 许 多 概 念 ( 如 协 议 数 据 单 元 服 务 数 据 单 元 服 务 访 问 点 等 ) 被 广 泛 使 用 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述

5 1.5.2 划 分 层 次 的 必 要 性 在 计 算 机 网 络 中 要 做 到 有 条 不 紊 地 交 换 数 据, 就 必 须 遵 守 一 些 事 先 约 定 好 地 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 这 里 的 同 步 是 广 义 的, 指 事 件 实 现 顺 序, 含 有 时 序 的 意 思 我 们 把 为 进 行 网 络 中 的 数 据 交 换 而 建 立 的 规 则 标 准 或 约 定 称 为 网 络 协 议 (network protocol), 简 称 协 议 网 络 协 议 的 三 个 组 成 要 素 : (1) 语 法 (syntax), 即 数 据 与 控 制 信 息 的 结 构 或 格 式 (2) 语 义 (semantics), 即 需 要 发 出 何 种 控 制 信 息, 完 成 何 种 动 作 以 及 做 出 何 种 响 应 ; (3) 同 步 (timing), 即 事 件 实 现 顺 序 的 详 细 说 明 当 处 于 网 络 中 的 两 台 计 算 机 要 进 行 数 据 通 信 时, 需 要 解 决 许 多 问 题 比 如, 如 何 发 起 ; 如 何 识 别 目 的 计 算 机 ; 如 何 保 证 通 信 的 可 靠 性 ; 用 什 么 样 的 文 件 格 式 等 ( 传 输 文 件 的 三 层 模 型 ) 生 活 中 用 到 分 层 的 典 型 例 子 如 铁 路 运 输 网 邮 政 网 等 较 大 型 的 程 序 设 计 也 需 要 分 层 分 层 的 优 点 : (1) 各 层 之 间 是 独 立 的 上 层 只 需 知 道 下 层 提 供 什 么 服 务 就 行 (2) 灵 活 性 好 只 要 层 间 接 口 不 变, 每 层 的 实 现 方 法 可 任 意 改 变 (3) 结 构 上 可 分 割 开, 易 于 实 现 和 维 护 比 如 调 试 简 单 (4) 能 促 进 标 准 化 工 作 分 层 的 缺 点 : 会 带 来 额 外 的 开 销 ; 不 利 于 全 局 ( 整 体 ) 优 化 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 26 分 层 需 要 解 决 的 问 题 (1) 应 分 成 几 层? 每 层 的 任 务 或 功 能 是 什 么? (2) 各 层 之 间 的 关 系 是 什 么? 层 与 层 之 间 如 何 交 互?( 服 务 与 接 口 ) (3) 通 信 双 方 的 数 据 传 输 需 要 遵 守 什 么 规 则?( 协 议 ) 分 层 应 使 每 层 的 功 能 非 常 明 确 层 数 不 能 太 少, 因 为 这 会 使 每 一 层 的 协 议 太 复 杂 ; 层 数 也 不 能 太 多, 因 为 这 会 在 描 述 和 综 合 各 层 功 能 时 遇 到 较 多 的 困 难, 且 不 利 于 优 化 各 层 往 往 需 要 实 现 以 下 一 种 或 多 种 功 能 : 封 装 (encapsulation); 连 接 控 制 (connection control); 分 段 与 重 装 (segment & reassembly); 寻 址 (addressing); 流 量 控 制 (flow control); 差 错 控 制 (error control); 复 用 与 分 用 (multiplexing & de-); 按 序 交 付 (ordered delivery) 等 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 27 协 议 体 系 结 构 (architecture) 我 们 把 计 算 机 网 络 的 各 层 及 其 协 议 的 集 合 称 为 网 络 的 体 系 结 构 或 换 种 说 法, 计 算 机 网 络 的 体 系 结 构 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 包 括 三 个 内 容 : 分 层 结 构 与 每 层 的 功 能, 服 务 与 层 间 接 口, 协 议 体 系 结 构 的 实 现 (implementation) 是 指 在 遵 循 这 种 体 系 结 构 的 前 提 下 用 何 种 硬 件 或 软 件 完 成 这 些 功 能 的 问 题 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 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 具 有 五 层 协 议 的 体 系 结 构 OSI/RM 复 杂 不 实 用, 但 其 概 念 清 楚 体 系 结 构 理 论 较 完 整 TCP/IP 虽 然 得 到 了 广 泛 应 用, 但 没 有 5 一 个 明 确 的 体 系 结 构 因 此 学 习 时 采 取 折 中 的 办 法, 综 合 两 者 的 优 点, 采 用 如 右 图 所 示 的 五 层 协 议 4 体 系 结 构, 既 简 洁 又 能 将 概 念 阐 述 清 楚 我 们 把 它 称 为 计 算 机 网 络 的 原 理 体 系 结 构 3 网 络 层 下 面 结 合 因 特 网 的 情 况 简 单 介 绍 各 层 的 功 能 2 数 据 链 路 层 (1) 物 理 层 (physical layer) 1 物 理 层 物 理 层 的 任 务 是 透 明 地 传 输 比 特 流 传 输 数 据 的 单 位 是 比 特 物 理 层 不 包 括 传 输 媒 体, 即 传 输 媒 体 在 物 理 层 之 下, 有 人 把 它 称 为 第 0 层 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 29 (2) 数 据 链 路 层 (data link layer) 数 据 链 路 层 的 任 务 是 将 网 络 层 交 下 来 的 IP 数 据 报 组 装 成 帧 (framing), 在 两 个 相 邻 结 点 间 的 链 路 上 传 送 以 帧 为 单 位 的 数 据 常 简 称 为 链 路 层 每 一 帧 包 括 数 据 和 必 要 的 控 制 信 息 ( 如 地 址 信 息 差 错 控 制 流 量 控 制 以 及 同 步 信 息 等 ) (3) 网 络 层 (network layer) 网 络 层 负 责 为 分 组 交 换 网 上 的 不 同 主 机 提 供 通 信 它 把 产 生 的 报 文 段 或 用 户 数 据 报 封 装 成 分 组 或 包 进 行 传 送 网 络 层 要 为 分 组 选 择 合 适 的 路 由, 使 源 主 机 传 下 来 的 数 据 能 够 交 付 到 目 的 主 机 的 在 TCP/IP 体 系 中, 分 组 也 叫 IP 数 据 报 (IP 包 ), 或 简 称 数 据 报 因 特 网 的 网 络 层 也 叫 作 网 际 层 或 IP 层 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述

6 (4) (transport layer) 应 用 进 程 数 据 在 各 层 之 间 的 传 递 过 程 单 击 观 看 过 程 的 任 务 是 负 责 主 机 中 两 个 进 程 之 间 的 通 信 即 为 上 一 层 进 行 通 信 的 两 个 进 程 之 间 提 供 端 到 端 的 数 据 传 输 服 务 数 据 传 输 的 单 位 是 报 文 段 (segment) 只 存 在 于 分 组 交 换 网 外 的 主 机 中, 各 交 换 结 点 中 都 没 有 运 输 层 上 面 的 层 次 不 再 关 心 信 息 传 输 问 题 因 特 网 的 有 两 种 协 议 : 传 输 控 制 协 议 (Transmission Control Protocol, TCP) 和 用 户 数 据 报 协 议 (User Datagram Protocol, UDP) (5) (application layer) 是 体 系 结 构 的 最 高 层, 直 接 为 用 户 的 应 用 进 程 提 供 服 务 它 确 定 进 程 之 间 的 通 信 性 质 以 满 足 用 户 的 需 要 计 算 机 1 AP 首 部 首 部 网 络 层 首 部 链 路 层 首 部 H 2 H 3 H 4 H 5 H 5 应 用 程 序 数 据 应 用 程 序 数 据 应 用 程 序 数 据 H 4 H 5 应 用 程 序 数 据 H 3 H 4 H 5 应 用 程 序 数 据 比 特 流 链 路 层 尾 部 T 2 计 算 机 2 AP 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 一 些 重 要 的 基 本 概 念 如 图 所 示 实 体 是 指 任 何 可 以 发 送 或 接 收 信 息 的 硬 件 或 软 件 进 程 对 等 层 是 指 两 个 不 同 系 统 中 对 应 的 同 一 级 层 次 对 等 实 体 是 指 分 别 位 于 不 同 系 统 的 对 等 层 中 的 两 个 对 应 实 体 协 议 是 控 制 两 个 对 等 实 体 进 行 通 信 的 规 则 的 集 合 在 协 议 的 控 制 下, 两 个 对 等 实 体 间 的 通 信 使 得 本 层 能 够 向 上 一 层 提 供 服 务 要 实 现 本 层 协 议, 还 需 要 使 用 下 面 一 层 所 提 供 的 服 务 要 注 意 协 议 与 服 务 的 区 别 : 协 议 的 实 现 保 证 了 能 向 上 一 层 提 供 服 务 本 层 的 服 务 用 户 只 能 看 见 服 务 而 无 法 看 见 下 面 的 协 议 下 面 的 协 议 对 上 面 的 服 务 用 户 是 透 明 的 协 议 是 水 平 的, 是 控 制 两 个 对 等 实 体 间 通 信 的 规 则 而 服 务 是 垂 直 的, 是 由 下 层 通 过 层 间 接 口 向 上 层 提 供 的 实 体 系 统 A 对 等 层 系 统 B 服 务 对 等 实 体 接 口 物 理 网 络 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 34 并 非 一 层 内 完 成 的 全 部 功 能 都 称 为 服 务, 只 有 那 些 能 够 被 高 层 看 得 见 得 功 能 才 称 为 服 务 上 层 通 过 与 下 层 交 换 一 些 命 令 来 使 用 下 层 的 服 务,OSI 把 这 些 命 令 称 为 服 务 原 语 服 务 访 问 点 (Service Access Point, SAP) 指 同 一 系 统 中 相 邻 两 层 的 实 体 进 行 交 互 ( 交 换 信 息 ) 的 地 方, 是 一 个 逻 辑 接 口 ( 邮 政 信 箱 ) 服 务 用 户 协 议 服 务 用 户 交 换 原 语 SAP 交 换 原 语 提 供 服 务 SAP 第 n+1 层 第 n 层 OSI 把 层 与 层 之 间 交 换 数 据 的 单 位 称 为 服 务 数 据 单 元 (Service Data Unit, SDU) 而 把 在 对 等 层 次 上 传 送 数 据 的 单 位 称 为 协 议 数 据 单 元 (Protocol Data Unit, PDU) 任 何 相 邻 两 层 之 间 的 关 系 可 以 概 括 为 下 页 图 所 示 的 结 构 模 型 服 务 提 供 者 注 意 : 协 议 必 须 事 先 估 计 到 所 有 不 利 的 条 件, 不 能 假 定 能 在 很 顺 利 的 条 件 下 进 行 通 信 因 此, 看 一 个 协 议 是 否 正 确, 必 须 非 常 仔 细 地 检 查 这 个 协 议 能 否 应 对 绝 大 多 数 不 利 情 况 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述

7 1.5.5 面 向 连 接 服 务 与 无 连 接 服 务 从 通 信 角 度 看, 各 层 所 提 供 的 服 务 可 分 为 两 大 类, 即 面 向 连 接 的 (connection-oriented) 与 无 连 接 的 (connectionless) 面 向 连 接 服 务 具 有 连 接 建 立 数 据 传 输 和 连 接 释 放 三 个 阶 段 数 据 传 送 是 按 序 的 比 较 适 合 于 在 一 定 期 间 内 向 同 一 目 的 地 发 送 许 多 报 文 的 情 况 无 连 接 服 务 两 实 体 间 的 通 信 不 需 要 事 先 建 立 连 接, 下 层 的 资 源 不 需 要 事 先 预 留 而 且 无 连 接 服 务 不 需 要 通 信 的 两 个 实 体 同 时 是 活 跃 的 优 点 是 灵 活 方 便 比 较 迅 速 但 不 能 防 止 报 文 的 丢 失 重 复 或 失 序 适 合 传 送 少 量 报 文 OSI/RM 与 TCP/IP 体 系 结 构 的 比 较 OSI 的 体 系 结 构 表 示 层 会 话 层 网 络 层 数 据 链 路 层 物 理 层 TCP/IP 的 体 系 结 构 ( 各 种 协 议 如 TELNET, FTP, SMTP 等 ) (TCP 或 UDP) 网 际 层 IP 网 络 接 口 层 TCP/IP 的 三 个 服 务 层 次 各 种 应 用 服 务 运 输 服 务 ( 可 靠 或 不 可 靠 ) 无 连 接 分 组 交 付 服 务 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 38 OSI/RM 体 系 结 构 TCP/IP 协 议 体 系 结 构 的 表 示 方 法 把 原 理 体 系 结 构 的 划 分 为 三 层 : 会 话 层 表 示 层 和 会 话 层 不 参 与 具 体 的 数 据 传 输, 但 对 数 据 传 输 进 行 管 理, 负 责 两 个 通 信 进 程 的 建 立 组 织 和 协 调 它 为 终 端 系 统 的 应 用 程 序 之 间 提 供 了 对 话 控 制 机 制 如 双 工 方 式, 断 点 续 传, 数 据 库 操 作 等 表 示 层 定 义 两 个 应 用 之 间 进 行 交 换 的 数 据 格 式, 关 心 的 是 信 息 传 送 的 语 法 或 语 义 如 数 据 压 缩 加 密 等 处 理 在 这 一 层 实 现 TCP/IP 体 系 结 构 TCP/IP 共 四 层 (Tanenbaum 和 谢 ), 也 有 认 为 分 五 层 的 (Stallings) TCP/IP 和 OSI 对 一 些 问 题 的 处 理 方 法 不 同 TCP/IP 一 开 始 就 考 虑 异 构 网 的 互 连 问 题, 而 OSI 不 是 ;TCP/IP 一 开 始 就 是 面 向 连 接 服 务 和 无 连 接 服 务 并 重, OSI 最 初 只 强 调 面 向 连 接 服 务 ;TCP 较 早 就 有 较 好 的 网 络 管 理 功 能 主 机 A 网 际 层 网 络 接 口 层 网 络 1 路 由 器 网 际 层 网 络 接 口 层 网 络 2 主 机 B 网 际 层 网 络 接 口 层 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 的 客 户 - 服 务 器 方 式 沙 漏 计 时 器 形 状 的 TCP/IP 协 议 族 TCP/IP 可 以 为 各 式 各 样 的 应 用 提 供 服 务 ( 即 everything over IP), 同 时 TCP/IP 也 可 以 连 接 到 各 式 各 样 的 网 络 上 ( 即 IP over everything) HTTP SMTP DNS 网 际 层 网 络 接 口 层 ARP ICMP TCP IP 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 41 UDP RTP RARP 网 络 接 口 1 网 络 接 口 2 网 络 接 口 3 TCP/IP 的 协 议 使 用 客 户 - 服 务 器 方 式 进 行 通 信 计 算 机 的 进 程 (process) 就 是 运 行 着 的 计 算 机 程 序 为 解 决 具 体 应 用 问 题 而 彼 此 通 信 的 进 程 称 为 应 用 进 程 的 具 体 内 容 就 是 规 定 应 用 进 程 在 通 信 时 所 遵 循 的 协 议 客 户 和 服 务 器 是 指 通 信 中 所 涉 及 的 两 个 应 用 进 程 客 户 是 服 务 请 求 方, 服 务 器 是 服 务 提 供 方 客 户 软 件 的 主 要 特 点 : (1) 在 进 行 通 信 时 临 时 成 为 客 户, 但 它 也 可 在 本 地 进 行 其 他 的 计 算 (2) 被 用 户 调 用 并 在 用 户 计 算 机 上 运 行, 在 打 算 通 信 时 主 动 向 远 地 服 务 器 发 起 通 信 (3) 可 与 多 个 服 务 器 进 行 通 信 (4) 不 需 要 特 殊 的 硬 件 和 很 复 杂 的 操 作 系 统 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述

8 1.6 的 客 户 - 服 务 器 方 式 1.6 的 客 户 - 服 务 器 方 式 服 务 器 软 件 的 特 点 (1) 专 门 用 来 提 供 某 种 服 务 的 程 序, 可 同 时 处 理 多 个 远 地 或 本 地 客 户 的 请 求 (2) 在 共 享 计 算 机 上 运 行 当 系 统 启 动 时 即 自 动 调 用 并 一 直 不 断 地 运 行 着 (3) 被 动 等 待 并 接 受 来 自 多 个 客 户 的 通 信 请 求 (4) 一 般 需 要 强 大 的 硬 件 和 高 级 的 操 作 系 统 支 持 功 能 较 强 的 计 算 机 可 同 时 运 行 多 个 服 务 器 进 程 使 用 计 算 机 的 人 是 用 户 (user) 而 不 是 客 户 (client) 客 户 进 程 和 服 务 器 进 程 使 用 TCP/IP 协 议 进 行 通 信 客 户 网 络 层 数 据 链 路 层 物 理 层 1 客 户 发 起 连 接 建 立 请 求 2 服 务 器 接 受 连 接 建 立 请 求 以 后 就 逐 级 使 用 下 层 提 供 的 服 务 ( 使 用 TCP 和 IP) 服 务 器 网 络 层 数 据 链 路 层 物 理 层 因 特 网 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 -- 概 述

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