第2章网络协议与体系结构
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第二章网络体系结构与协议全解
1、网络层的主要功能 路径选择：指通信子网中，源节点和中间节 点为将报文分组传送到目的节点而对后继节 点的选择。 流量控制：对进入通信子网的数据量加以控 制，以防止拥塞现象的出现。 数据的传输与中继 清除子网的质量差异
2、网络服务 （1）虚电路服务：面向连接的网络服务， 是网络层向传输层提供的一种使所以分 组按顺序到达目的端系统的可靠的数据 传送方式。
2、网络互联层 其主要功能是负责在互联网上传输数据分组， 它是TCP/IP参考模型中最重要一层，它是通 信的枢纽。 在该层，主要定义了网络互联协议，即IP协 议及数据分组的格式。本层还定义了地址解 析协议ARP，反向地址解析协议RARP及网 际控制报文协议ICMP
3、传输层 也被称为主机至主机层，它主要负责端到端 的对等实体之间进行通信。 该层使用了两种协议支持数据的传输，它们 是TCP协议和UDP协议。 TCP协议是可靠的、面向连接的协议。 UDP协议是不可靠的、无连接协议
OSI参考模型将网络的不同功能划分为7层
7 6
应用层Application
表示层Presentation 会话层session 传输层transport 网络层Network 数据链路层Data Link 物理层Physical
处理网络应用
Байду номын сангаас
数据表示
主机间通信 端到端的连接
5
4 3
寻址和最短路径
介质访问（接入） 二进制传输
2.1.2分层设计
为什么要分层
协议分层与问题简化
硬件故障 网络拥塞
“分而治之” 每一层的目的都是向它的上一层提 供一定的服务而把如何实现这一服 务的细节对上层加以屏蔽。
第二章网络体系结构和协议(2013918)
计算机网络
授课教师：袁凌云 Email:yuan_ling_yun@ 2013年9月-2014年1月
云南师范大学信息学院
计算机网络（第 3 版）
吴功宜 编著
云南师范大学信息学院
同步练习》，吴功宜 ，清华大学出版社。 《计算机网络（中文版）》，Andrew S.Tanenbaum 著，潘爱民译，清华大学出版 社。 《计算机网络（第5版）》，谢希仁，电子工 业出版社。 《计算机网络（自顶向下方法）》，James F.Kurise Keith W.Ross著，陈鸣译，机械工 业出版社。
云南师范大学信息学院
网络与因特网
网络 结点 互联网（网络的网络）
链路
(a)网络把许多计算机连接在一起。
(b)因特网则把许多网络 连接在一起。
云南师范大学信息学院
主机
因特网
云南师范大学信息学院
Internet核心交换部分与边缘部分的抽象方法
Internet 端系统：服务器端
端系统：服务器端 端系统：服务器端
从三个角度理解：
（1）广义的角度 （2）资源共享的角度 （3）用户透明的角度
云南师范大学信息学院
1.2 因特网概述
网络(network)由若干结点(node)和连接 这些结点的链路(link)组成。 互联网是“网络的网络”(network of networks)。 连接在因特网上的计算机都称为主机 (host)。
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对等连接方式的特点
对等连接方式从本质上看仍然是使用客 户服务器方式，只是对等连接中的每一 个主机既是客户又同时是服务器。 例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户， D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供 服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。
授课教师：袁凌云 Email:yuan_ling_yun@ 2013年9月-2014年1月
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计算机网络（第 3 版）
吴功宜 编著
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同步练习》，吴功宜 ，清华大学出版社。 《计算机网络（中文版）》，Andrew S.Tanenbaum 著，潘爱民译，清华大学出版 社。 《计算机网络（第5版）》，谢希仁，电子工 业出版社。 《计算机网络（自顶向下方法）》，James F.Kurise Keith W.Ross著，陈鸣译，机械工 业出版社。
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网络与因特网
网络 结点 互联网（网络的网络）
链路
(a)网络把许多计算机连接在一起。
(b)因特网则把许多网络 连接在一起。
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主机
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Internet核心交换部分与边缘部分的抽象方法
Internet 端系统：服务器端
端系统：服务器端 端系统：服务器端
从三个角度理解：
（1）广义的角度 （2）资源共享的角度 （3）用户透明的角度
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1.2 因特网概述
网络(network)由若干结点(node)和连接 这些结点的链路(link)组成。 互联网是“网络的网络”(network of networks)。 连接在因特网上的计算机都称为主机 (host)。
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对等连接方式的特点
对等连接方式从本质上看仍然是使用客 户服务器方式，只是对等连接中的每一 个主机既是客户又同时是服务器。 例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户， D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供 服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。
第2章网络协议的体系结构
层名称 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层
主要层功能 与用户应用进程的接口
通俗含义 做什么
数据格式的转换
对方看起来像什么
会话管理与数据传输的同步
轮到谁讲话、从何处 讲
端-端经网络透明的传送报文 对方在何处
分组交换、寻址、路由选择 和流量控制
走哪条路可达到该处
数据单元格式
原始数据+ 本层协议控制信息
的通信。因此，更具体地说所谓实体，是指能发 送和接收信息的任何对象，包括终端、应用软件 和通信进程等。
2.2.2 通用的协议分层思想（2）
网络中的两个系统中实体间的通信是一个十分复 杂的过程，为了减少协议设计和调试过程的复杂 性，大多数网络的实现都按层次的方式来组织。
通用的协议分层思想表述： 每一层只完成一定的功能，每一层又都建立
整个计算机网络的功能实现体现为协议的实现。 为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便
于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议， 并且让这些协议保持一种层次结构，子协议的集 合通常称为协议簇。
2.2.1 网络协议及相关概念（2）
网络协议的分层：以因特网为例，TCP/IP协议族 中包含多个协议，它们之间并不孤立，那么设计们 又是按照什么样的思路来构建整个协议族的体系结 构呢？这就涉及网络协议的分层问题。
所谓“开放”是指：只要遵循OSI标准，一个系统就 可
以与位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其 他任何系统进行通信。所以开放系统互连参考模型 OSI-RM是个抽象的概念。 开放系统互连的目的：将不同的网络互连成一个更大 的网络，解决异种网络互连的兼容性。
1.开放系统互连参考模型OSI/RM（2）
因此， IP 网络不保证分组的可靠地交付。 IP 网络提供的服务被称为：
第2章 计算机网络体系结构
2．1．1．研究制定计算机网络体系结构的科学方法 在初期的自由竞争中，计算机网络体系结构在短时间内得 到了迅速发展，但是伴随着计算机网络形式的多样化、复杂 性，也出现了许多问题。 例如，用户的资源和数据存储在采用不同操作系统的主 机中，这些主机分布在网络的不同地方，需要在不同的传输 媒体上实现采用不同操作系统的主机之间的通信；如何解决 异种机和异种网络互连问题；特别是系统的互连成为一个大 问题。
4．美国电气电子工程师学会 美国电气电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)于1963年由美国电气工程师 学会(AIEE)和美国无线电工程师学会(IRE)合并而成，是美 国规模最大的制定标准的专业学会。 IEEE由大约17万名从事电气工程、电子和有关领域的专 业人员组成，分设1O个地区和206个地方分会，设有31个技 术委员会。 IEEE制定的标准内容有：电气与电子设备、试验方法、元 器件、符号、定义以及测试方法等。 IEEE最引人注目的成就之一是通过802方案对LAN和城域网 MAN进行的标准化。802方案含局域网和城域网各方面上百个 单独的规范，符合IEEE的LAN包括以太网(IEEE 802．3)和令 牌环网(802，5)，802系列标准和所有规范限于物理层和／ 或数据链路层。
5．美国电子工业协会 美国电子工业协会(Electronic Industries Association， EIA)创建于1924年，当时名为无线电制造商协会(Radio Manufacturers Association，RMA)，总部设在弗吉尼亚的 阿灵顿。
第二章 计算机网络协议的体系结构
--------------
(N)实体
(N)服务: 在(N)协议的控制下,(N)层通过(N)实体的工作,可以 向上一层即(N+1)层提供服务.这种服务称为(N)服务.
开放系统A (N+1)层
(N)服务 (N+1)实体 (N)实体 (N)连接 (N)用户
(N)层 (N-1)层
交换原语
(N-1)实体
(N)服务是由以下三部分组成的: (1)(N)实体自己提供的某些功能; (2) (N-1) (2)从(N-1)层及其以下各层以及本地环境得 到的服务; (3)通过与处在另一开放系统中的对等(N)实 体的通信而得到的服务.
(N)SAP (N)CEP (N)连接
二 数据单元
在用户数据传送的过程中,有两种控制信息 存在:一种用于控制对等(N)层之间的信息传送; 另一种用于控制相邻层之间的信息传送.
当用户数据从发送端的应用层传向物理层时,要带上各层的对等层控制信息; 当其从接送端的物理层传向应用层时,各层要将其对接的同等层附加的控制信息取 走. 用户信息在相邻层间传送时,由相邻层控制信息控制,这些控制信息不参加传 送,也不出现在用户信息中,它们只是局部有效.
OSI环境
网络环境 3 2 1 节点 数据通信网 网络环境 3 2 1 节点
APA 7 6 5 4 3 2 1
AP数据 AP数据 数据单元 数据单元 数据单元
APB 7 6 5 4 3 2 1
数据单元 数据单元 比特流 物理媒体
报文 分组 帧
应用进程APA要在OSI中经过复杂的处理过程才能送到对方的应用进程 APB，但这些复杂过程对用户来说都被屏蔽掉了，应用进程APA的数据 好像直接传递给了应用进程APB。同理，OSI环境中两个同样的层次之间， 也好像可将数据（服务单元）直接传送给对方。
第2章：网络体系结构
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《计算机网络》第2章 网络体系结构与网络协议
体系结构
开放系统的层次结构、层次之间的相互关系 及各层所包括的可能的服务；
作为一个框架来协调和组织各层协议的制定；
对网络内部结构最精炼地概括与描述。
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《计算机网络》第2章 网络体系结构与网络协议
服务定义
详细地说明了各层所提供的服务； 某一层的服务就是该层及其以下各层的一种 能力； 低层的服务是通过接口向上一层提供的; 各层所提供的服务与这些服务是如何实现的 无关； 定义了层与层之间的接口与各层使用的原语， 但不涉及接口的具体实现方法。
第2章 网络体系结构 与网络协议
本章学习要求：
掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念 掌握：网络体系结构的层次化研究方法 掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能 掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务 功能与主要协议 了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较 了解：网络协议标准组织，RFC文档、Internet草案与 Internet协议标准的制定过程
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数据链路层 物 理 层
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数据链路层 物 传输介质 理 层
《计算机网络》第2章 网络体系结构与网络协议
2. OSI环境中的数据传输过程
主机A 应用 进程A 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 数据 主机B 应用 进程B 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层
8
《计算机网络》第2章 网络体系结构与网络协议
2.1.3 网络体系结构的研究方法
计算机网络技术基础教程(第2章)
图2-5 OSI参考模型中的数据传输
2.3 TCP/IP参考模型 TCP/IP是Internet采用的协议标准，是一种异构网络互联的 通信协议，也适用于在一个局域网中实现异种机的互联通信。 2.3.1 TCP/IP参考模型描述 TCP/IP最早起源于1969年美国国防部赞助研究的网络ARP ANET-世界上第一个采用分组交换技术的计算机通信网。 TCP协议用来为应用程序提供端到端的通信和控制功能， IP协议用来给各种不同的通信子网或局域网提供一个统一的互 联平台，这两者的结合被称为TCP/IP（传输控制协议/网际协议） 协议模型。 TCP/IP协议模型从更实用出发，形成了具有高效的四层体系 结构，与OSI模型的对应关系如图2-6所示。
2.1.3 协议分层 计算机网络的整套协议是一个庞大复杂的体系，为了便 于对协议的描述、设计和实现，目前都采用分层的体系结构。 如图2-2所示： 所谓层次结构就是 指把一个复杂的系统设 计问题分解成多个层次 分明的局部问题，并规 定每层次必须完成的功 能。
图2-2 网络的层次结构
同一体系结构中各相邻层之间的关系是：下层为上层提供 服务，上层利用下层提供的服务完成自己的功能，同时再向更 上一层提供服务。 同一系统相邻层之间都 有一个接口，接口定义了下 层向上层提供的原语操作和 服务。 例：如图2-3所示
第2章 计算机网络体系结构与协议
计算机网络中不同的计算机之间进行通信时， 计算机网络中不同的计算机之间进行通信时，必须遵守 一定的约定，这些约定即为网络协议。 一定的约定，这些约定即为网络协议。 网络协议依赖于网络体系结构， 网络协议依赖于网络体系结构，协议和协议分层是网络 体系结构的基础。 体系结构的基础。
IPX协议与IP协议功能相似，是N0vell NetWare操作系统 的底层协议，负责网络中数据的传输。如果数据在同一网段 内传输，则直接找目的目的计算机的MAC地址，然后将数据 传送到目的计算机；若目的和源计算机不在同一网段内或位于 不同的局域网中，则数据包通过NetWare服务器或路由器中的 网络号，被传输到下一个结点。 SPX协议与TCP协议的功能相似，负责对传输的数据进行 无差错处理，它在发送数据之前需要与接收点建立连接，并检 测数据包是否被正确和完整的传输到了接收方，如果检测到数 据包在传输中被丢失，或被破坏，则SPX会重新发送损坏或丢 失的数据包。因此，SPX是一个面向连接的协议。
第二章网络体系结构和网络协议
2.2 例题分析【例题2-1】在OSI参考模型中，当相邻高层的实体把——传到低层实体后，被低层实体视为______。
A.IDU,PDUB.PDU,IDUC.IDU,SDUD.PDU,SDU【例题2-2】在ISO的OSI参考模型中，提供流量控制功能的层是第(1)______；提供建立、维护和拆除端到端连接的层是(2)______；为数据分组提供在网络中路由功能的是(3）____；传输层提供(4)_____的数据传送；为网络层实体提供数据发送和接收功能和过程的是(5)____。
（1）A．1、2、3层B．2、3、4层C．3、4、5层 D.4、5、6层(2) A.物理层B．数据链路层C．会话层D．传输层(3) A．物理层B．数据链路层C．网络层D．传输层(4) A．主机进程之间B．网络之间C．数据链路之间D．物理线路之间(5) A．物理层B．数据链路层C．网络层D．传输层【例题2-3】TCP/IP参考模型是Internet采用的协议标准，是一个协议系列，由多个处在不同层次的协议共同组成，用于将各种计算机和设备组成实际的计算机网络。
TCP/IP参考模型分成四个层次：分别是主机—网络络层、互联网络层、传输层与应用层。
（1）______属于互联网络层的低层协议，主要用于完成IP地址向物理地址的转换：（2）________主要用于完成物理地址向IP地址的转换，多用在无盘工作站启动时利用物理地址解析出对应的IP地址；（3）________是与IP协议同层的协议，更确切的说是工作在IP协议之上，但又不属于传输层的协议，可用于Internet上的路由器报告差错或提供有关意外情况的信息；(4)________是一种面向连接的传输协议，在协议使用中存在着建立连接、传输数据、释放连接的过程；(5)_________是一种无连接的传输协议，采用这种协议时，每一个数捃包都必须独立地进行路由选择，特别适合于突发性短信息的传输。
A. RARPB. ICMPC. ARPD. IGMPA. RARPB. ARPC.DNSD.BOOTPA. IGMPB. ICMPC. DHCPD. SMTPA. SNMPB. HTTPC. TCPD. UDPA. HTTPB. FTPC. TCPD. UDP【例题2-4】计算机网络提供的服务可以分为有确认服务与无确认服务，二者之间有什么区别？在下列情况中，请说明哪些可能是有确认服务或无确认服务？哪些可？哪些两者皆不可？（1）建立连接（2）数据传输（3）释放连接2.3基础习题一、填空题1.在计算机网络中，_____和______的集合称为网络体系结构。
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用户 A 数据
封装
数据
用户 B 数据
数据
拆装
控制信息
控制信息
图2-3 数据封装与拆封
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（4） 排序
协议的排序功能是指报文发送与接收顺 序的控制，如图2-4所示。
数据设备
1 数据设备
2
3
3 2 1
数据设备
数据设备
图2-4 排序
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信息流控制 传输信道
图2-5 信息流控制
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这套规则就是通信协议。
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（2） 层次（layer）
层次是人们对复杂问题的一种基本处理
方法。当人们遇到一个复杂问题的时候，通
常习惯将其分解为若干个小问题，再一一进
行处理。在计算机网络中，每个节点都划分
为相同的层次。不同节点的相同层次具有相
同的功能，这些都与邮政系统的类似。
人民邮电出版社
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(1) 语法
语法是指数据的结构或格式，指数据表示的顺序。例如，
一个简单的协议可定义数据的前八个比特是发送者地址，第二
组八个比特是接收者地址，而剩下的比特流就是消息本身。
(2) 语义
语义指比特流每部分的含义。一个特定的比特模式该如何
理解?基于这样的理解该采取何种动作？例如，一个地址指的是
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协议定义了网络上的各种计算机和设备 之间相互通信、数据管理、数据交换的 整套规则。通过这些规则（也称为约 定），网络上的计算机才有了彼此通信 的“共同语言”。
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1. 协议的中心任务
在计算机网络的一整套规则中，任 何一种协议都需要解决3方面的问题。
① 协议的语法（如何讲）问题。 ② 协议的语义（讲什么）问题。 ③ 协议的定时（讲话次序）问题。
选择运输 路径（路由）
运输部门的（邮件）运输业务
转送邮局 接收邮件
图2-6 邮政系统中信件传递工作过程示意图
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计算机网络通信系统的工作过程存在以 下几个基本概念。
（1） 协议（protocol）
协议是一种通信约定。在计算机网络通
信过程中，为了保证计算机之间能够准确地
进行数据通信，也必须制定一套通信规则，
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2.1 网络协议
在计算机网络中，不同系统的实体 之间将会发生通信。一个通信实体 是指能够发送和接收信息的任何事 物，例如应用程序、文件传输包、 浏览器、数据库管理系统以及电子 邮件软件。一个系统是包含有一个 或多个实体的物理对象，例如计算 机和终端。
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但是两个实体间仅发送二进制位就指望 对方能理解所传送的信息的内容是不可 能的。为了进行通信，实体之间一定要 达成一个协议。正如在数据通信组成部 分中所定义，协议就是控制数据通信的 一组规则。一个协议定义了通信内容是 什么，通信如何进行以及何时进行。协 议的关键要素是语法、语义和时序。
（3） 接口（interface）
接口就是同一节点内，相邻层之间交换 信息的连接之点。在网络中，同一节点内的 各相邻层之间都应有明确的接口，高层通过
接口向低层提出服务请求，底层通过接口向 高层提供服务。
（4） 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
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（3） 整体的协议或分层的结构化协议 整体协议，一个整体协议包括了一整
套的规则，以及协议的各种功能。分层的 结构化协议，即将协议的各种功能分为多 个层次、单位（结构）来实施。
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2.2 计算机网络体系结构的概念
1. 层次化体系结构的概述 图2-6是当前实际运行的邮政系统的
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（2） 寻址
协议的“寻址”功能使得设备彼此 识别，同时可以进行路径选择，如图22所示。
A
B
数据包
数据包
发送方选Biblioteka 哪条路径？C图2-2 路径选择
X
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（3） 封装与拆封
协议的“封装”功能是指在数据单元 （数据包）的始端或者末端增加控制信息， 其相反的过程是“拆封”（拆装），如图2-3 所示。
要经过的路由器还是消息的目的地址?
(3) 时序
时序包括两方面的特性：数据何时发送以及以多快的速率
发送。例如，如果发送方以100Mbps速率发送数据而接收方仅
能处理1Mbps速率的数据，这样的传输将使接收者负载过重并
导致大量数据丢失。
在数据通信中，一个协议是一组用来控制信息通信的各个
方面的规则。
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信息共用干路。 （9） 连接控制 协议的连接控制功能可以控制通信实
体之间建立和终止链路的过程。
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3. 协议的种类
（1） 标准或非标准协议 标准协议涉及各类的通信环境；而非标准
协议只涉及专用环境。 （2） 直接或间接协议 当设备直接进行通信时，需要一种直接
通信协议；而设备之间，间接通信时，则需 要一种间接通信协议。
第2章 网络协议与体系结构
本章学习要点：
l 了解：网络协议的作用 l 掌握：网络系统的分层体系结构 l 掌握：OSI七层参考模型 l 了解：网络的3个著名标准化组织及
其主要贡献
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2.1 网络协议 2.2 计算机网络体系结构的概念 2.3 网络的三个著名标准化组织的 组成与主要贡献
2. 协议的功能
作为计算机数据交换语言的协议 必须具备以下一些功能。
（1） 分割与重组 协议的“分割”功能，可以将较
大的数据单元分割成较小的数据单元， 其反过程为“重组”，如图2-1所示。
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用户 A
报文
分割
报文分割为 信息包
P
P
报文
用户 B 重组
信息包重组 为报文
P
P
P
图2-1 分割与重组
工作流程示意图，图中清楚地表明了信 件发送和接收的过程。
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书写信件 粘贴邮票 投递进信箱
发信者
通信者活动 界面
收集信件 加盖邮戳 邮件分检
邮局服务业务
邮件打包 转送运输 部门
邮局转运业务
收信者
通信者活动 界面
信箱取信 阅读邮件
邮局服务业务
邮件投递 邮件分检
邮局转运业务
接收邮件 邮件拆包
（5） 信息流控制 协议的流量控制功能是指在信息流过大时，
所采取的一系列措施，如图2-5所示。 （6） 差错控制 差错控制功能使得数据按误码率要求的指标，
在通信线路中正确地传输。 （7） 同步 协议的同步功能可以保证收发双方在数据传
输时的一致性。
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（8） 干路传输 协议的干路传输功能可以使多个用户