week8-1 第3章 计算机网络体系结构-五层网络结构.网络层 3
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。
第3章 计算机网络体系结构 ppt课件
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三、 基本概念
(1)实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。图
例
(2)协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。
(3)对等层：两个不同系统的同级层次。
(4)对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体
第n+1层是第n层的服务用户，第n-1层是第n层的服务提供者 第n层的服务也依赖于第n-1层以及以下各层的服务
▪ 例：邮政通信
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对等通信例：两个人收发信件
发信人 信件内容 邮局 邮件地址
运输系统 货物地址
对信件内容的共识
P3
对信件如何传递的共识
P2
对货物如何运输的共识
P1
信件内容 邮件地址 货物地址
▪ 不同的通信介质——有线、无线等 ▪ 不同种类的设备——主机、路由器、交换机、复用
设备等
▪ 不同的操作系统——UNIX、Windows等 ▪ 不同的软/硬件、接口和通信约定（协议） ▪ 不同的应用环境——固定、移动等… ▪ 不同种类业务——分时、交互、实时等 ▪ 宝贵的投资和积累——有形、无形等 ▪ 用户业务的延续性——不允许出现大的跌宕起伏
▪ PDU由协议控制信息（协议头）和数据（SDU）组成:
协议控制信息
数据（SDU）
▪ 协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息:
• 地址、序号、长度、分段标志pp、t课件差错控制信息……
27
▪ 下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装，然后 加入本层的协议头部（和尾部）形成本层的PDU。
• 封装：就是在数据前面加上特定的协议头部。
五层原理体系结构
五层原理体系结构第一层：物理层（Physical Layer）物理层是网络的最底层，它主要负责数据的传输和接收。
在物理层中，传输的数据是以比特（bit）为单位传输的，比特是最小的数字量，它代表了0或1两种状态。
物理层的主要任务是将比特转化为数据信号，并通过物理媒介传到下一层，例如使用光纤、铜缆等。
物理层的标准化使不同厂商的网络设备可以相互通信。
第二层：数据链路层（Data Link Layer）数据链路层是负责将已经传输的物理层数据，转化成适合传输的数据帧，并将其传输到下一层。
该层还能够纠错，保证数据的完整性和可靠性。
数据链路层还规定了一个严格的协议，以控制网络访问、数据包的发送顺序和错误纠正。
第三层：网络层（Network Layer）网络层是实现目标地址到源地址的路由、选路等功能的层次。
该层利用路由协议学习路由表信息，传输控制数据包的流向，同时进行差错控制和流量控制。
路由器就是运行在网络层的设备，它可以通过将数据包从一条链路传递到另一条链路，实现站点之间的连通。
传输层主要负责数据的传输控制，包括数据的分段、发包、重传等。
当数据在传输过程中出现错误，传输层会进行差错控制和恢复，保证数据完整性和可靠性。
传输层协议常见的有TCP、UDP等。
应用层是最高层，也是最接近用户的层次。
该层负责网络应用程序的编程接口，例如Web浏览器、电子邮件客户端等。
应用层通过应用程序协议，与另一台计算机上运行的应用程序进行通信。
常见的应用层协议有HTTP、SMTP、FTP等，它们规定了如何处理和传输数据。
总结五层原理体系结构是将计算机网络分成五个互相衔接的层次结构，每个层次完成特定的功能，实现了设备和网络之间的互操作性、互联性和可扩展性。
每一层都有对应的协议来进行规范化，因此任何厂商的设备都可以遵循同样的标准进行通信。
该体系结构是目前计算机网络中最常用的标准架构，有助于不同厂商之间的互操作性和兼容性。
除了上述五层原理体系结构之外，还存在其他体系结构，比如七层体系结构。
2计算机网络的体系结构
上无结构的比特流的传输规则。在物理层传送的数据单位
是比特。
涉及到通信在信道上传输的原始比特流。设计上必须保证一
方发出二进制“1”时，另一方收到的也是“1”而不是“0”。
这里的典型问题是用多少伏特电压表示“1”，多少伏特电压 表示“0”；一个比特持续多少微秒；传输是否在两个方向上 同时进行；最初的物理连接如何建立和完成通信后连接如何 终止；网络接插件有多少针以及各针的用途。这里的设计主
信接口允许数据在设备之间交换。
（4）IEEE：电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers） IEEE设置了电子工业标准，IEEE分成一些标准组织（或工作组），每个工作 组负责标准的一个领域，工作组802设置了网络设备和如何彼此通信的标准。 （5）ISO：国际标准化组织（International Standard Organization） ISO开发了开放系统（OSI，Open System Interconnection）网络结构模型， 模型定义了用于网络结构的七个数据处理层。网络结构是在发送设备和接收 设备间进行数据传输的一种组织方案。
tcp数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户客户服务器服务器以后就逐级使用下层提供的服务使用tcpip数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机
1.5
计算机网络的体系结构
OSI参考模型，并记为OSI/RM，有时简称为 OSI。我国相应的国家标
准是GB 9398。
开放：其含义为只要遵循OSI标准，一个系统就可以和
计算机网络各章节总结
计算机网络各章节总结
计算机网络各章节总结思维导图（物理层、数据链路层、网络层、传输层）_编程设计_IT干货网
物理层：
物理层是计算机网络的最底层，主要负责将数字信号转换为物理信号，以便在物理媒介上传输。
物理层的主要任务包括：数据的传输、数据的编码、数据的调制和解调、数据的传输介质等。
数据链路层：
数据链路层是计算机网络的第二层，主要负责将物理层传输的比特流转换为数据帧，并在相邻节点之间传输。
数据链路层的主要任务包括：数据的分组和组装、差错检测和纠正、流量控制和访问控制等。
网络层：
网络层是计算机网络的第三层，主要负责将数据链路层传输的数据帧转换为数据包，并在不同网络之间进行路由选择。
网络层的主要任务包括：数据的分组和组装、差错检测和纠正、路由选择和转发等。
传输层：
传输层是计算机网络的第四层，主要负责在端到端的通信中提供可靠的数据传输服务。
传输层的主要任务包括：数据的分段和组装、差错检测和纠正、流量控制和拥塞控制等。
总体来说，计算机网络的各层之间相互协作，共同完成数据的传输和处理。
物理层负责将数字信号转换为物理信号，数据链路层负责将物理层传输的比特流转换为数据帧并进行差错检测和流量控制，网络层负责将数据链路层传输的数据包进行路由选择和转发，传输层负责在端到端的通信中提供可靠的数据传输服务。
《计算机网络》五层协议体系结构
《计算机⽹络》五层协议体系结构五层协议体系结构（1）应⽤层（application layer）应⽤层是体系结构中的最⾼层。
应⽤层的任务是通过应⽤进程间的交互来完成特定⽹络应⽤。
应⽤层协议定义的是应⽤进程间通信和交互的规则。
进程（process）就是指主机中正在运⾏的程序。
我们将应⽤层交互的数据单元称为报⽂（message）。
（2）运输层（transport layer）运输层的任务是负责向两个主机中进程之间的通信提供通⽤的数据传输服务。
运输层主要使⽤以下两种协议：传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）——提供⾯向连接的、可靠的数据传输服务。
其数据传输的单位是报⽂段（segment）。
⽤户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）——提供⽆连接的、尽最⼤努⼒的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传输的单位是⽤户数据报。
（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服务。
在发送数据时，⽹络层把运输层产⽣的报⽂段或⽤户数据报封装成分组或包进⾏传送。
⽹络层的另⼀个任务就是选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组能够通过⽹络中的路由器找到⽬的主机。
（4）数据链路层（data link layer）简称链路层。
两台主机之间的数据传输，总是在⼀段⼀段的链路上传送的，这就需要使⽤专门的链路层协议。
在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将⽹络层叫下来的IP数据报组装成帧（framing），在两个相邻结点的链路上传送帧（frame）。
每⼀帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差错控制等）。
（5）物理层（physical layer）在物理层上所传数据的单位是⽐特。
⽬标是实现数据链路层中的帧和传输介质之间的⽐特流转化。
物理层要考虑⽤多⼤的电压代表“1”或“0”，以及接收⽅如何识别出发送⽅所发送的⽐特。
计算机网络五层协议
计算机网络五层协议计算机网络五层协议是指OSI（Open System Interconnection）参考模型中的五层协议体系结构，它包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
这五层协议分别负责不同的功能，通过协同工作来实现计算机之间的通信和数据传输。
首先，物理层是计算机网络的最底层，它负责传输比特流，将数字数据转换为电信号，通过物理介质传输到目的地。
物理层的主要设备包括网卡、集线器、中继器等，它们能够将数据转换为电信号并在网络中传输。
其次，数据链路层负责在物理介质上传输数据帧，通过物理地址来寻址和传输数据。
数据链路层的主要设备包括交换机、网桥等，它们能够通过MAC地址来实现局域网内的数据传输。
接下来是网络层，它负责在不同网络之间传输数据包，通过IP地址来寻址和路由数据。
网络层的主要设备包括路由器，它能够实现不同网络之间的数据传输和转发。
然后是传输层，它负责端到端的数据传输，通过端口号来寻址和传输数据。
传输层的主要协议包括TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol），它们能够实现可靠的数据传输和无连接的数据传输。
最后是应用层，它负责为用户提供各种网络应用服务，通过应用层协议来实现不同的网络应用。
应用层的主要协议包括HTTP（HyperText Transfer Protocol）、FTP（File Transfer Protocol）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）等，它们能够实现Web浏览、文件传输、电子邮件等网络应用。
总的来说，计算机网络五层协议通过分层的方式将网络通信和数据传输的功能进行了划分，使得不同层次的协议能够相互配合、独立发展。
这种分层的设计使得网络协议更加清晰、灵活和易于扩展，为计算机网络的发展和应用提供了坚实的基础。
计算机网络五层协议的体系结构
服务访问点
• 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问 点 SAP (Service Access Point)。
• 服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻 辑接口。
• OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。
• SDU 可以与 PDU 不一样，例如，可以是多个 SDU 合成 为一个 PDU，也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。
AP2 5
4 3 2 1
主机 1 向主机 2 发送数据
主机 1
AP1 5 4 3 2 1
IP 数据报再传送到数据链路层 加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧
主机 2
AP2 5 4 3 2 1
主机 1 向主机 2 发送数据
主机 1
AP1 5 4 3 2 1
数据链路层帧再传送到物理层 最下面的物理层把比特流传送到物理媒体
主机 1 向主机 2 发送数据
主机 1
AP1 5 4 3 2 1
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
主机 2
AP2 5
4 3 2 1
主机 1 向主机 2 发送数据
主机 1
AP1 5 4 3 2 1
运输层报文再传送到网络层 加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）
主机 2
链路层 尾部
主机 2
AP2 5
4 3
2
H2
H3
H4
H5
应用程序数据
T2
2
1
10100110100101 比 特 流 110101110101
1
主机 1 向主机 2 发送数据
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13
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3
0
12
(IP 地址) AND (子网掩码) = 网络地址
两级 IP 地址 网络号 net-id 主机号 host-id
三级 IP 地址
net-id 网络号
subnet-id
host-id
主机号
子网号 逐位进行 AND 运算
子网掩码
子网的 网络地址
1111111111111111 11111111 00000000 net-id subnet-id 0
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【例4-4】已知互联网和路由器 R1 中的路由表。主机 H1 向 H2 发送分组。试讨论 R1 收到 H1 向 H2 发送的分组后查找路由表的过程。
R1 的路由表（未给出默认路由器）
128.30.33.13 H1 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.1 0 R1 128.30.33.130 目的网络地址 子网掩码 128.30.33.0 255.255.255.128 128.30.33.128 255.255.255.128 128.30.36.0 255.255.255.0 下一跳 接口 0 接口 1 R2
1
子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128
H2
0 128.30.33.129 R2 1 128.30.36.2 H3
128.30.33.138
128.30.36.12
子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0
主机 H1 要发送分组给 H2
13
默认子网掩码
A 类 地 址 网络地址 net-id host-id 为全 0
默认子网掩码 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 255.0.0.0
网络地址 net-id host-id 为全 0
B 类 地 址
7
一个未划分子网的 B 类网络145.13.0.0
我的网络地址 是 145.13.0.0 R2 145.13.3.11 145.13.3.10 145.13.3.101 145.13.7.34 145.13.7.35
R1 R3
网络 145.13.0.0
145.13.7.56
所有到网络 145.13.21.23 145.13.0.0的分组均 145.13.21.9 到达此路由器
默认子网掩码 255.255.0.0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 网络地址 net-id host-id 为全 0
C 类 地 址
默认子网掩码 111111111111111111111111 00000000 255.255.255.0
子网掩码是一个重要属性
• 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。 • 路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须 把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相 邻路由器。 • 路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出 目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子 网掩码。 • 若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网 络地址和两个子网掩码。
(a) 点分十进制表示的 IP 地址 (b) IP 地址的第 3 字节是二进制 (c) 子网掩码是 255.255.224.0 (d) IP 地址与子网掩码逐位相与 141 141 . . 14 14 . 72 . 24 24
.0 1 0 0 1 0 0 0 .
1111111111111111 11100000 00000000 141 141 . . 14 14 .01000000 . . 64 . 0 0
.0 1 0 0 1 0 0 0 .
1111111111111111 11000000 00000000 141 141 . . 14 14 .01000000 . . 64 . 0 0
(e) 网络地址（点分十进制表示）
【例4-3】在上例中，若子网掩码改为 255.255.224.0。试求网络地址，讨论所得结果。
因此 H1 必须把分组传送到路由器 R1 然后逐项查找路由表
R1 的路由表（未给出默认路由器）
145.13.21.8
划分为三个子网后对外仍是一个网络
所有到达网络 145.13.0.0 的分组均到达 此路由器 145.13.3.101 145.13.3.11 … 145.13.3.10 145.13.7.34 145.13.7.35
R2
子网 145.13.3.0 子网 145.13.7.0 … 145.13.7.56 子网 145.13.21.0 … 145.13.21.23 145.13.21.9 145.13.21.8
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在划分子网的情况下路由器转发分组的算法
(1) 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。 (2) 先用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与”，看是否和 相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。 否则就是间接交付，执行(3)。 (3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将 分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。 (4) 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相“与”， 若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送 给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。 (5) 若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表 中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。 (6) 报告转发分组出错。
2
3： 网络层2
3 划分子网和构造超网 1） 划分子网 2） 使用子网时分组转发 3 ） 无分类编址 CIDR（构造超网）
3
3 划分子网和构造超网
1 ） 划分子网
（1）. 从两级 IP 地址到三级 IP 地址 • 在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不 够合理。
– IP 地址空间的利用率有时很低。 – 给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变 得太大因而使网络性能变坏。 – 两级的 IP 地址不够灵活。
(e) 网络地址（点分十进制表示）
不同的子网掩码得出相同的网络地址。 但不同的掩码的效果是不同的。
4.3.2 使用子网掩码的分组转发过程
• 在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址 得出网络地址是个很简单的事。 • 但在划分子网的情况下，从 IP 地址却不能 唯一地得出网络地址来，这是因为网络地址 取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据 报的首部并没有提供子网掩码的信息。 • 因此分组转发的算法也必须做相应的改动。
网络 145.13.0.0
R3
R1
划分子网后变成了三级结构
• 当没有划分子网时，IP 地址是两级结构。 • 划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。 • 划分子网只是把 IP 地址的主机号 host-id 这 部分进行再划分，而不改变 IP 地址原来的 网络号 net-id。
10
2. 子网掩码
• 从一个 IP 数据报的首部并无法判断源主 机或目的主机所连接的网络是否进行了 子网划分。 • 使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。
• 从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 hostid 也就相应减少了若干个位。
IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>} (4-2)
6
划分子网的基本思路（续）
• 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报， 仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到 连接在本单位网络上的路由器。 • 然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。 • 最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。
1
本子网的子网掩码 255.255.255.128 与分组的 IP 地址 128.30.33.138 逐比特相“与”(AND 操作 )
255.255.255.128 AND 128.30.33.138 的计算 128.30.33.13 H1 目的网络地址 子网掩码 下一跳 子网1： 128.30.33.0 255 就是二进制的全 1，因此 255 AND xyz = xyz， 255.255.255.128 接口 0 网络地址 128.30.33.0 128.30.33.1 128 0 AND 138 即可。 这里只需计算最后的 128.30.33.128 255.255.255.128 接口 1 子网掩码 255.255.255.128 128.30.36.0 255.255.255.0 R2 R1 子网2：网络地址 128.30.33.128 128 → 10000000 128.30.33.130 1 子网掩码 255.255.255.128 138 → 10001010
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IP 地址的各字段和子网掩码
net-id
两级 IP 地址 145
host-id
13
.
net-id
.
3 subnet-id
.
10 host-id
三级 IP 地址
145
.
13
.
3
.
10 主机号
子网号为 3 的网络的网络号
子网掩码
子网的 网络地址
1111111111111111 11111111 00000000 145
要发送的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138
R1 的路由表（未给出默认路由器）
128.30.33.13 H1 子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128 128.30.33.1 0 R1 128.30.33.130 目的网络地址 子网掩码 128.30.33.0 255.255.255.128 128.30.33.128 255.255.255.128 128.30.36.0 255.255.255.0 下一跳 接口 0 接口 1 R2