计算机网络的基本概念

课序 课题 授课2 日 期 授课班 次 0501~0504 授课老 师 郝占军 批准人 米振曦 计算机网络的基本概念 第 1 章 第 3~4 节 1．理解ISO/OSI参考模型的结构及各层的功能 目的要求 2．理解TCP/IP体系结构的各层功能 3．掌握TCP/IP中的协议栈 教学内容 §1.3 ISO/OSI参考模型 §1.4 TCP/IP体系结构 重点难点 1. ISO/OSI参考模型、TCP/IP体系结构中如何划分层次结构？ 2．TCP/IP中的协议栈。 课堂讲解、 教学互动， 教学方法 手段 举例分析、多媒体教学 教具演示 教学步骤 （1）复习提问；（2）新课讲解；（3）本节小结；（4）布置作业 复习提问题 作业题目 预习内容 1． 计算机网络的定义 2． 协议的基本概念 3． 计算机网络为什么要分层 章后第一题 第二题 §2．1-§2．3 课时分配： 教学环节 时间分配 复习提问 5分 新课讲解 80 课堂讨论 10 每课小结 3 布置作业 2

1.3 ISO/OSI参考模型

由于很多网络使用不同的硬件和软件，没有统一的标准，结果造成很多网络不能兼容，而且很难在不同的网络之间进行通信。

为了解决这些问题，人们迫切希望出台一个统一的国际网络标准。为此，国际标准化组织 (ISO ， international standards organization ）和一些科研机构、大的网络公司做了大量的工作，提出了开放式系统互连参考模型（ ISO/OSI RM ， international standards organization/open system interconnect reference model ）和 TCP/IP 体系结构。 1.3.1 ISO/OSI 参考模型的结构

在 OSI 参考模型中，计算机之间传送信息的问题分为 7 个较小且更容易管理和解决的小问题。每一个小问题都由模型中的一层来解决。 OSI 将这 7 层从低到高叫做物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 1、为什么引进 ISO/OSI 参考模型？

为了解决不同类型网络技术的兼容性和互操作性。 2、 ISO/OSI 解决什么问题？

 信息在网络中的传输过程：如何从一个应用程序到达另一计算机的另一个应用程

序。

 各层的功能和架构：物理层（ physical layer ）、数据链路层（ data link layer ）、

网络层（ network layer ）、传输层（ transport layer ）、会话层（ session layer ）、表示层（ presentation layer ）、应用层（ application layer ）。  OSI 参考模型是网络设计的蓝图，并非指一个现实的网络。 3、 OSI 参考模型 基本思想：

 各节点有相同的层次。

 虚通信： 不同节点的同等层具有相同的功能，按照协议实现通信。

按照 OSI 参考模型，网络中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层次具有相同的功能，同一节点内相邻层之间通过接口通信；每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信（虚拟通信）。

 同一节点的相邻层之间通过接口通信。  下层为上层服务。

1.3.2 OSI 各层的主要功能

1、物理层（ physical layer ）

物理层是 OSI 参考模型的最低一层，也是在同级层之间直接进行信息交换的唯一一层。物理层负责传输二进制位流，它的任务就是为上层（数据链路层）提供一个物理连接，以便在相邻节点之间无差错地传送二进制位流。

有一点应该注意的是，传送二进制位流的传输介质，如双绞线、同轴电缆以及光纤等并不属于物理层要考虑的问题。实际上传输介质并不在 OSI 的 7 个层次之内。

 电气特性：电缆上什么样的电压表示 1 或 0  机械特性：接口所用的接线器的形状和尺寸

 过程特性：不同功能的各种可能事件的出现顺序以及各信号线的工作原理  功能特性：某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义 2、数据链路层（ data link layer ）

数据链路层负责在两个相邻节点之间，无差错地传送以 “ 帧 ” 为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和若干控制信息。

数据链路的任务首先要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时，如果接收节点发现数据有错，要通知发送方重发这一帧，直到这一帧正确无误地送到为止。这样，数据链路层就把一条可能出错的链路，转变成让网络层看起来就像是一条不出错的理想链路。

3、网络层（ network layer ）

网络层的主要功能是为处在不同网络系统中的两个节点设备通信提供一条逻辑通路。其基本任务包括路由选择、拥塞控制与网络互联等功能。 4、传输层

传输层的主要任务是向用户提供可靠的端到端（ end-to-end ）服务，透明地传送报文。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体系结构中最关键的一层。该层关心的主要问题包括建立、维护和中断虚电路、传输差错校验和恢复以及信息流量控制机制等。 5、会话层

负责通讯的双方在正式开始传输前的沟通，目的在于建立传输时所遵循的规则，使传输更顺畅、有效率。沟通的议题包括：使用全双工模式或半双式模式？如何发起传输？如何结束传输？如何设置传输参数就像两国元首在见面会晤之前，总会先派人谈好议事规则，正式谈判时就根据这套规则进行一样。 6、表示层

表示层处理两个应用实体之间进行数据交换的语法问题，解决数据交换中存在的数据格式不一致以及数据表示方法不同等问题。例如， IBM 系统的用户使用 EBCD 编码，而其它用户使用 ASCII 编码。表示层必须提供这两编码的转换服务。数据加密与解密、数据压缩与恢复等也都是表示层提供的服务。 7、应用层

应用层是 OSI 参考模型中最靠近用户的一层，它直接提供文件传输、电子邮件、网页浏览等服务给用户。在实际操作上，大多是化身为成套的应用程序，例如： Internet Explorer 、 Netscape 、 Outlook Expresss 等，而且有些功能强大的应用程序，甚至涵盖了会话层和表示层的功能，因此有人认为 OSI 模型上 3 层（ 5 、 6 、 7 层）的分界已经模糊，往往很难精确地将产品归类于哪一层。 1.3.3 数据的封装和传递

在 OSI 参考模型中，同等层之间经常要进行信息交换。 对等层协议之间需要交换的信息单元 叫做 协议数据单元 （ PDU ， protocol data unit ）。节点对等层之间的通信除物理层之间直接进行信息交换外，其余对等层之间的通信并不直接进行（例如两个节点的链

路层之间进行通信），它们需要通过借助于下层提供的服务来完成，对等层之间的通信为虚拟通信。实际通信是在相邻层之间通过层间接口进行。

直接通讯与虚通讯

当某一层需要使用下一层提供的服务传送自己的 PDU 时，其当前层的下一层总是先将上一层的 PDU 变为自己 PDU 的一部分，然后利用更下一层提供的服务将信息传递出去。节点Ａ的传输层要把某一信息 T-PDU 传送到节点Ｂ的传输层的，首先将 T-PDU 交给节点Ａ的网络层，节点Ａ的网络层在收到 T-PDU 之后，将在 T-PDU 上加上若干比特的控制信息（即报头 header ）变为自己 PDU （ N-PDU ），然后再利用其下层链路层提供的服务将数据发送出去。以此类推，最终将这些信息变为能够在传输介质上传输的数据，并通过传输介质将信息传送到节点Ｂ。

为了实现对等层通信，当数据需要通过网络从一个节点传送到另一节点前，必须在数据的头部（和尾部）加入特定的协议头（和协议尾）。这种增加数据头部（和尾部）的过程叫做 数据打包或数据封装 。同样，在数据到达接收节点的对等层后，接收方将识别、提取和处理发送方对等层增加的数据头部（和尾部）。接收方这种将增加的数据头部（和尾部）去除的过程叫做 数据拆包或数据解封 。下图显示了数据的封装与解封过程。

数据的封装与解封过程

2、数据传递与流动过程。

1.4 TCP/IP体系结构

1.4.1 TCP/IP 体系结构的层次划分

1、 TCP/IP 协议是目前最流行的商业化网络协议，尽管它不是某一标准化组织提出的正式标准，但它已经被公认为目前的 工业标准 或 “ 事实标准 ” 。因特网之所以能迅速发展，就是因为 TCP/IP 协议能够适应和满足世界范围内数据通信的需要。 2、 TCP/IP 协议具有以下几个特点。

（ 1 ）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。

（ 2 ）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，以及互联网中。 （ 3 ）统一的网络地址分配方案，使得整个 TCP/IP 设备在网中都有惟一的地址。 （ 4 ）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

3、 TCP/IP 体系结构的层次划分

TCP/IP分层体系结构 TCP/IP分层体系结构与OSI参考模型的对应关系 1.4.2 TCP/IP 体系结构中各层的功能

1、网络接口层（ network interface layer ）

在 TCP/IP 分层体系结构中，最底层是网络接口层，它 负责通过网络发送和接收 IP 数据报 。 TCP/IP 体系结构并未对网络接口层使用权的协议做出强硬的规定，它允许主机连入网络时使用多种现成的和流行的协议，例如局域网协议或其他一些协议。 帧是独立的网络信息传输单元 。

【教材错误： IP数据报是互连层的数据单位，在网络接口层，将IP数据报转换成帧】 2、互联层（ internet layer ）

互联层是 TCP/IP 体系结构的第二层，它实现的功能相当于 OSI 参考模型网络层的无连接网络服务。互联层负责将源主机的报文分组发送到目的的主机，源主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。 互联层的 主要功能 包括：

（ 1 ）处理来自传输层的分组发送请求。在收到分组发送请求之后，将分组装入 IP 数据报，填充报头，选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出线。

（ 2 ）处理接收的数据报。在接收到其他主机发送的数据报之后，检查目的地址，如需要转发，则选择发送路径，转发出去；如目的地址为本节点 IP 地址，则除去报头，将分组送交给传输层处理。

（ 3 ）处理互联的路径、流控与拥塞问题。 3、传输层（ transport layer ）

互联层之上是传输层，它的主要功能是负责应用进程之间的 端 - 端（ Host-to-host ） 通信。在 TCP/IP 体系结构中，设计传输层的主要目的是在互联网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用于 会话的端 - 端连接 。因此，它与 OSI 参考模型的传输层功能相似。 TCP/IP 体系结构的传输层定义了 传输控制协议（ TCP ， transport control protocol ） 和 用户数据报协议（ UDP,user datagram protocol ） 两种协议。 TCP 协议是一种可靠的面向连接的协议，它允许将一台主机的字节流（ byte stream ）无差错地传送到目的主机。

UDP 协议是一种不可靠的无连接协议，它主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序检查与排序由应用层完成。 4、应用层（ application layer ）

在 TCP/IP 体系结构中，应用层是最靠近用户的一层。它包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。其 主要协议 包括：

（ 1 ）网络终端协议（ Telnet ），用于实现互联网中远程登陆功能；

（ 2 ）文件传输协议（ FTP ,file transfer protocol ），用于实现互联网中交互式文件传输功能；

（ 3 ）简单邮件传输协议（ SMTP simple mail transfer protocol ），用于实现互联网中邮件传送功能；

（ 4 ）域名系统（ DNS, domain name system ），用于实现互联网设备名字到 IP 地址映射的网络服务；

（ 5 ）超文本传输协议（ HTTP, byper text transfer protocol ），用于目前广泛使用的 Web 服务；

（ 6 ）路由信息协议（ RIP, routing information protocol ），用于网络设备之间交换路由信息；

（ 7 ）简单网络管理协议（ SNMP, simple network file system ），用于管理和监视网络设备；

（ 8 ）网络文件系统（ NFS, network file system ），用于网络中不同主机间的文件共享。

1.4.3 TCP/IP 中的协议栈

1、计算机网络的层次结构使网络中每层的协议形成了一种从上之下的之间依赖关系。在计算机网络中，从上至下相互依赖的各协议形成了网络中的协议栈。 TCP/IP 体系结构与 TCP/IP 协议栈之间的对应关系如图 1.13 所示。 2、 OSI 与 TCP 的简单比较 （ 1 ）共同点 层次化的结构

TCP/IP 体系结构与 TCP/IP 协议栈之间的对应关系

（ 2 ） OSI 的主要问题 • 定义复杂 • 实现困难

• 有些功能在每一层重复出现 • 效率低下

（ 3 ） TCP/IP 的主要问题 • 网络接口层并不是实际的一层

• 各层的功能定义与实现方法没能区分开来等