第13讲 计算机网络体系结构概述共34页
计算机网络体系结构
计算机网络体系结构计算机网络体系结构是指将计算机网络划分为不同的层级，并在每个层级中定义特定的功能和协议。
这种分层结构有助于网络的设计、维护和扩展。
在计算机网络体系结构中，常用的是OSI参考模型和TCP/IP参考模型。
下面是TCP/IP参考模型的五层结构：1. 物理层：该层负责物理传输介质的传输，例如光纤、电缆等。
它定义了连接计算机所需的硬件细节，以及数据的电压、信号速率等特性。
在此层上，数据以比特流的形式传输。
2. 数据链路层：该层负责将原始的比特流转换为有意义的数据帧，并提供传输信道的错误检测和纠正。
它通常有两个子层：逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。
3. 网络层：该层负责在计算机网络中进行数据包的路由和转发。
它使用IP地址来标识不同的网络设备，并为数据包选择合适的路径。
在此层上，数据被划分为小块，并加上源和目的地的网络地址信息。
4. 传输层：该层负责在源和目的地之间提供可靠的数据传输。
它使用TCP和UDP协议来实现数据的分段和重新组装，以及连接的建立和终止。
在此层上，数据被划分为报文段，每个报文段都有序号和检验和。
5. 应用层：该层提供应用程序访问网络的接口，并为各种网络应用提供服务。
它包括HTTP、FTP、SMTP等协议，用于实现Web浏览、文件传输、电子邮件等常见的应用功能。
这种分层结构的优点在于，每个层级的功能和协议都相对独立，可以由不同的厂商和团队进行独立开发和测试。
同时，各层之间的接口规范也使得不同厂商的设备能够互相兼容和交互操作。
此外，通过将网络分解为多个层级，可以更好地进行网络故障诊断和故障隔离，提高网络的可靠性和可扩展性。
总之，计算机网络体系结构的分层设计为网络的建设、管理和维护提供了一种有效的方法。
它不仅可以提供高效的数据传输和服务提供，同时也为网络的安全性和可靠性提供了保障。
计算机网络体系结构的分层设计是网络通信的基础。
通过将网络的各个功能划分为不同的层级，可以使得不同的网络设备和应用程序可以按照规定的协议进行交互，实现信息的传输和交换。
计算机网络的体系结构
计算机网络的体系结构计算机网络是指将分布在不同地理位置的计算机和其他设备通过通信线路互相连接起来，以实现信息交换和资源共享的系统。
它的体系结构是指网络中各个组成部分之间的关系和相互作用方式。
在计算机网络的发展过程中，经历了多种不同的体系结构，本文将从历史发展角度分析计算机网络的体系结构，并介绍当前普遍应用的五层协议体系结构。
一、早期计算机网络体系结构早期的计算机网络体系结构主要分为集中式和分散式两种形式。
集中式体系结构指的是所有数据流量都经过一个集中式的中心节点进行处理和转发。
这种体系结构简单易理解，但由于单点故障的存在，不具备良好的可靠性和扩展性。
分散式体系结构将网络中的节点平等对待，每个节点可直接与其他节点进行通信，具有较好的分布式处理能力，但管理复杂度高。
二、TCP/IP体系结构TCP/IP体系结构是现代互联网最广泛采用的体系结构。
它由四层协议组成：应用层、传输层、网络层和链路层。
应用层提供特定的应用程序协议，如HTTP、FTP等；传输层负责端到端的可靠数据传输，主要使用TCP和UDP协议；网络层负责网络间的数据包转发和路由选择，使用IP协议；链路层负责物理传输介质上的数据传送，如以太网、无线局域网等。
三、OSI参考模型OSI（Open Systems Interconnection）参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一种通信协议框架，共分为七层。
从上到下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
每一层都有特定的功能和协议规范，上层使用下层提供的服务，实现端到端的数据交换。
OSI参考模型在学术研究和理论分析上具有重要意义，但在实际应用中较少被采用。
四、五层协议体系结构为了简化网络协议的复杂性和提高可扩展性，现代计算机网络通常采用五层协议体系结构。
这种体系结构包含了应用层、传输层、网络层、链路层和物理层。
应用层提供了各种应用程序协议，如HTTP、SMTP等；传输层负责 end-to-end 的数据传输，主要使用TCP和UDP 协议；网络层处理网络间的数据包转发和路由选择，使用IP协议；链路层负责物理传输媒介上的数据传送，如以太网、无线局域网等；物理层负责机械、电气、功能和规程等特性，实现比特流的传送。
计算机网络体系结构基本概念课件
数据通信技术包括基带传输、 频带传输和宽带传输等，根据 不同的应用场景选择合适的技 术。
传输媒体
传输媒体是物理层中用于传输数 据的媒介，包括同轴电缆、双绞
线、光纤等。
传输媒体的选择需要根据实际需 求和环境条件进行评估，如传输
距离、带宽、成本等。
传输媒体的性能指标包括带宽、 衰减、噪声等，这些指标直接影
选择。
它将数据从源端系统传 输到目的端系统，通过 路由器的转发实现。
网络层协议规定了数据 包的格式和传输方式， 以及路由器如何转发数
据包。
IP协议
01 IP（Internet Protocol）是网络层的核心协议， 用于实现主机之间的通信。
02 IP协议定义了数据包的格式和寻址方式，使得数 据可以在复杂的网络中传输。
HTTP
用于网页浏览和信 息检索。
FTP
用于文件传输。
DHCP
用于动态主机配置 。
网络编程接口
网络编程接口是应用程序与 网络协议之间的接口，它提 供了用于创建网络应用程序
的函数和工具。
常见的网络编程接口包括套 接字编程接口（Socket API ）和基于事件的编程接口（ 如libevent和Boost.Asio）。
计算机网络体系结 构基本概念课件
目录
• 计算机网络概述 • 网络体系结构 • 物理层 • 数据链路层 • 网络层 • 传输层 • 应用层
01
计算机网络概述
计算机网络定义
计算机网络
由若干个计算机和通信设备，通过传 输媒体和网络软件连接在一起，按照 特定的协议进行数据通信的系统。
计算机网络的主要功能
TCP在因特网协议族中是主要的 传输协议之一，提供了可靠的数 据传输服务。
计算机网络体系结构介绍课件
网络设备的配置方法：命令行、Web界面、SNMP等
03
网络设备的配置要点：IP地址、子网掩码、路由表、访问控制等
04
谢谢
4
防火墙：用于保护内部网络，防止外部攻击
5
无线接入点：用于提供无线网络接入，方便移动设备接入网络
6
其他网络设备：如负载均衡器、VPN设备等，用于实现网络优化和安全防护。
常见网络设备的介绍
路由器：连接不同网络，实现网络互通
交换机：连接网络设备，实现数据交换
防火墙：保护网络安全，防止攻击
无线接入点：提供无线网络接入，方便移动设备上网
IP协议：互联网协议，用于数据传输和网络互联
UDP协议：用户数据报协议，用于数据传输和网络互联
ICMP协议：互联网控制报文协议，用于网络管理和故障诊断
ARP协议：地址解析协议，用于将IP地址映射到物理地址
RARP协议：逆地址解析协议，用于将物理地址映射到IP地址
DNS协议：域名系统协议，用于将域名解析为IP地址
网络存储设备：提供数据存储和备份
网络打印机：实现网络共享打印
VPN设备：实现远程访问和安全连接
网络监控设备：监控网络运行状态，及时发现问题
网络管理设备：实现网络管理和配置
网络测试设备：测试网络性能和故障诊断
网络设备的选型和配置
网络设备的类型：交换机、路由器、防火墙等
01
网络设备的选型原则：性能、价格、兼容性、可扩展性等
计算机网络体系结构是指计算机网络中各层协议的集合，用于实现网络通信。
每一层都有其特定的功能和协议，各层之间相互协作，实现网络通信。
网络体系结构分为七层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
计算机网络体系结构简介
TCP/IP四层参考模型
应用层 Telnet FTP SMTP
HTTP DNS SNMP TFTP
传输层
TCP
UDP
网际层
网络 接口层
ARP Ethernet
IP RARP Token Ring
X.25
其他协议
OSI与TCP/IP标准比较
TCP/IP参考模型简介
• 网络接口层：
• TCP/IP的最低层；
OSI模型
– 数据链路层的网络连接设备
• (3) 交换机
– 交换机也叫交换式集线器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ是一个由许多高速 端口组成的设备。
– 交换机与HUB区别在于：交换机基于MAC地 址向特定端口转发数据帧，而HUB是向所有端 口广播发送数据帧；前者是独享带宽，后者是 共享带宽。
– 例如，有一台100Mbps的HUB，连接了N台 主机，则N台主机共享100Mbps带宽，每台 主机所分配到的带宽只有100Mbps/N；而对 于一台100Mbps的交换机，每个端口的带宽 均为100Mbps，即每台连接的主机均可获得 100Mbps带宽。
物理层Physical
数据组织成数据段 Segment）
用一个寻址机制来标识一个 特定的应用程序(端口号)
分割和重新组合数据 包Packet 将比特信息封装成数 据帧Frame
传输比特（bit）流
基于网络层地址（IP地址） 路由器 进行不同网络系统间的路径 选择
在物理层上建立、撤销、标 识逻辑链接和链路复用 以 及差错校验等功能。通过使 用接收系统的硬件地址或物 理地址来寻址
①TCP（Transmission Control Protocol）传输 控制协议：是一种面向连接的、高可靠性的、提 供流量与拥塞控制的传输层协议。
计算机网络体系结构
计算机网络体系结构
计算机网络体系结构是指在计算机网络系统中，计算机的技术结构和通信协议的安排设计。
它涉及到各层的技术细节，包括数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层，物理层以及逻辑链路层等层次的技术体系。
计算机网络体系结构定义了计算机网络系统的实体和功能，这些实体和功能可以按照分层的方式进行组织。
从最底层开始，最基本的层是物理层，它定义了物理媒介如电线、光纤等及其制造和运行物理设备，从物理层开始，到网络层，它定义了用于传输数据的协议；再往上，传输层定义用于传输数据的介质和端口；接下来的层是会话层，它定义了网络的连接机制，以及两个终端之间的数据传输；然后是表示层，它定义了在两个终端之间传输复杂数据的一种标准格式；最后是应用层，它定义了各种应用软件如SMTP，POP3，HTTP等的基本标
准协议。
从另一方面来看，计算机网络体系结构不仅定义了各层的技术细节，它的实际应用也很有价值。
它为用户提供了更高效的网络服务，从而辅助用户实现信息化运营。
通过不断改进和发展计算机网络体系结构的技术理论，可以进一步提高网络性能，增强网络服务的安全性，改善网络的用户体验，提升企业的网络品牌形象。
此外，计算机网络体系结构还可以通过科学层次来实现主干网络、地区网络、本地网络的组织，用户可以在不同的网络层次之间定义资源，实现计算机的资源共享，以及用户之间的数据交换。
总而言之，计算机网络体系结构是计算机网络系统中的一个重要组成部分，它定义了计算机网络系统的实体和功能，以及计算机网络中各层的技术细节，提供了更高效的网络服务。
对于我们的生活，它给我们带来了极大的便利，同时也为用户提供了方便快捷的信息交互服务。
计算机网络体系结构优秀课件
4
实体（Entity）
实体（Entity）
在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成， 这些实体抽象地表示了通信时的软件元素（如进程或 子程序）或硬件元素（如智能I/O芯片等）。
实体是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施。
2024/3/20
计算机网络体系结构优秀
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接口(Interface)
机械特性 电气特性 功能特性 规程特性
2024/3/20
计算机网络体系结构优秀
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物理层涉及的内容二
数据交换单元为二进制比特 比特的同步 线路的连接 物理拓扑结构 传输方式
2024/3/20
计算机网络体系结构优秀
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物理层涉及的内容三
有2个设备属于物理层的,一个是中继器,一个是 HUB.
本章主要内容
计算机网络体系结构及协议的概念； 开放系统互连（OSI）参考模型 OSI模型中各层的功能介绍； TCP/IP协议的体系结构； TCP/IP协议的层次功能介绍； OSI模型与TCP/IP协议模型的比较；
2024/3/20
计算机网络体系结构优秀
1
计算机网络体系结构
为了减少计算机网络的复杂程度，按照结构化设 计方法，计算机网络将其功能划分为若干个层次， 较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高 层次提供必要的服务功能。网络中的每一层都起 到隔离作用，使得低层功能具体实现方法的变更 不会影响到高一层所执行的功能。
会话层
5-4接口
传输层
4-3接口
网络层
3-2接口
数据链路层
2-1接口
物理层
8
基于OSI的通信模型结构
中间节点
系统A
系统B
第7层 第6层 第5层 第4层 第3层 第2层 第1层
计算机网络体系结构基本概念课件
应用层、传输层、网络层和链路层。
作用
TCP/IP模型是互联网的核心协议，它使得不同的网络系统能够相互通 信和共享资源。
比较OSI与TCP/IP模型
相似之处
OSI参考模型和TCP/IP模型都采用了分层的结构，将复杂的网络协议分解为多个较小的、 易于管理的部分。
不同之处
OSI参考模型将协议分为七个层次，而TCP/IP模型只有四个层次。此外，OSI参考模型更 强调开放性和互操作性，而TCP/IP模型更注重实际的应用和实现。
七个层次
从上到下分别是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路 层和物理层。
03
作用
通过将网络协议分解为多个层次，有助于简化网络设计和故障排除，同
时使得不同系统和设备之间的互操作性增强。
TCP/IP模型
概述
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）模 型是一个四层的协议模型，它描述了网络协议的组件和层次。
通过特定的协议和技术实现数据的传输和通信。
06
网络安全与防护
网络安全概述
网络安全定义
网络安全是指保护网络系统免受未经授权的访问、使用、 泄露、破坏、修改等行为，确保网络数据的机密性、完整 性和可用性。
网络安全重要性
随着互联网的普及和信息化程度的提高，网络安全问题日 益突出，保护网络安全对于国家安全、经济发展和社会稳 定具有重要意义。
数据交换技术
1 2 3
电路交换
电路交换是一种直接的交换方式，它可以在通信 过程中保持通信链路状态，直到通信结束。
报文交换
报文交换是一种存储-转发交换方式，它先将接 收到的数据存储在交换设备中，然后根据数据的 地址信息将其转发到目的地。
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机票 (投诉) 行李 (认领) 旅客 (到达) 飞机 (着陆)
中间空中交通枢纽
飞行航线
飞行航线
飞行航线
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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。
❖ 邮政系统 ▪ 邮递员、邮政分局、邮政总局、邮政运输
❖ 银行系统 ❖ 物流系统 ❖ 。。。
8
三、 计算机网络体系结构的定义
❖ 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： ▪ 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）
及下层对上层的服务。 ❖ 服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其
相邻上层。 ❖ 协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。
13
实体 服务
系统A
接口
对等层 对等实体
物理网络
系统B
14
系统A
系统B
网
络
N+1 N
分
N-1
网络中的任何一个系统都
Pn+1
N+1
是按照层次结构来组织的
Pn
N
同一网络中，任意两个端 系统必须具有相同的层次
Pn-1
N-1
每层使用其下层提供的服
层
体
系
3结Biblioteka 2 1务，并向其上层提供服务
通信只在对等层间进行
（间接的、逻辑的、虚拟
P3 P2 P1
3
的），非对等层之间不能 互相“通信”
2
实际的物理通信只在最底
1
层完成
构
Pn：第n层协议，即第n层
对等实体间通信时必须遵
物理通信线路
循的规则或约定
15
2、层间通信
❖ 实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主 机的对应层通信，其中包含了两方面的通信：
（1）相邻层之间通信：通过服务来实现，是实通信。 ▪ 上层使用下层提供的服务，上层称为服务调用者（ Service user）； ▪ 下层向上层提供服务，下层称为服务提供者（Service provider）。
（2）对等层之间通信： ❖ 通过协议来实现，是虚通信。 ❖ 依靠下层向上层提供服务来完成，而实际通信是在最底层
• 使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。 • 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。
11
四、网络体系结构的分层原理
1、基本概念 2、层间通信 （1）相邻层之间通信 （2）对等层之间通信 3、通信协议 4、协议数据单元PDU
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1、基本概念
❖ 实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 ❖ 对等层：两个不同系统的同级层次。 ❖ 对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体 ❖ 接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作
完成。
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（1）相邻层之间通信
❖ 源进程传送消息到目标 进程的过程：
▪ 消息送到源系统的最 高层；
▪ 从最高层开始，自上 而下逐层封装；
▪ 经物理线路传输到目 标系统；
▪ 目标系统将收到的信 息自下而上逐层处理 并拆封；
▪ 由最高层将消息提交 给目标进程。
源进程 消息
N+1 N N-1
3 2 1
逻辑通信
5
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
6
层次功能的分布式实现
起飞机场 到达机场
机票 (购买) 行李 (托运) 旅客 (出发) 飞机 (起飞)
Pn+1 Pn Pn-1
P3 P2 P1
目标进程 消息
N+1 N N-1
3 2 1
物理通信线路
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（2）对等层的通信
❖ 网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层之间 进行直接通信。(想一想，为什么?)
❖ 实际上，每一层必须依靠下层提供的服务来与另一 台主机的对等层通信。 ▪ 上层使用下层提供的服务——Service user； ▪ 下层向上层提供服务——Service provider。
飞行航线
一系列的步骤
机票 (投诉) 行李 (认领) 旅客 (到达) 飞机 (着陆) 飞行航线
4
空中旅行的组织: 从另一种不同的角度观察
机票 (购买)
机票 (投诉)
行李 (托运)
行李 (认领)
旅客 (出发)
旅客 (到达)
飞机 (起飞)
飞机 (着陆)
飞行航线
飞行航线
飞行航线
层次的观点： 每层实现一种特定的服务 – 通过自己内部的功能 – 依赖自己的下层提供的服务
教学内容
▪ 网络体系结构的形成背景 ▪ 层次化结构 ▪ 计算机网络体系结构的定义 ▪ 网络体系结构的分层原理
1
一、网络体系结构的形成背景
❖ 网络体系结构提出的背景——计算机网络的复杂性、异质性 ▪ 不同的通信介质——有线、无线、… … ▪ 不同种类的设备——主机、路由器、交换机、复用设备 、… … ▪ 不同的操作系统——Unix、Windows、… … ▪ 不同的软/硬件、接口和通信约定（协议） ▪ 不同的应用环境——固定、移动、… … ▪ 不同种类业务——分时、交互、实时、… … ▪ 宝贵的投资和积累——有形、无形、… … ▪ 用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏
2
二、层次化结构
对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组 织网络的结构，以达到：
结构清晰 简化设计与实现 便于更新与维护 较强的独立性和适应性 解决：分而治之！形成层次化的网络体系结构
一个生活中的例子：空中旅行的组织
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空中旅行的组织
机票 (购买) 行李 (托运) 旅客 (出发) 飞机 (起飞) 飞行航线
❖ 实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构 ▪ 事实上的（de facto）标准
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层次结构方法的优点
❖ 独立性强——耦合程度低
▪ 上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务—黑箱方 法。
❖ 适应性强
▪ 只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。
❖ 易于实现和维护
▪ 把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单的子 单元：
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❖ 计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称为 计算机网络体系结构。
▪ 换句话说：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。
– 最早的网络体系结构源于IBM的SNA； » 其它的网络体系结构还有DEC的DNA等
❖ 由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标 准是OSI/RM；