第3章 计算机网络体系结构 本章学习目标 3.4 网络层  3.5 传输层 3.6 高层 3.7 TCP/IP的体系结构 3.8 思考题

本章学习目标 本章主要介绍计算机网络体系结构。通过本章的学习，读者应能够： l了解开放系统互联参考模型中的若干重要概念 l熟悉和掌握OSI/RM各层协议的功能及基本原理 l掌握低四层协议

3.4 网络层 3.4.1 网络层的功能 3.4.2 虚电路服务与数据报服务 3.4.3 路由选择算法 3.4.4 拥塞控制技术

3.4.1 网络层的功能 网络层的任务是分组传送、路由选择和流量控制，最主要的功能是实现端到端通信系统中中间节点的路由选择。从OSI/RM的通信角度来看，网络层所提供的服务主要有两大类，即面向连接的网络服务和无连接的网络服务。这两种网络服务的具体实现就是所谓的虚电路服务和数据报服务。 1．面向连接服务 2．无连接服务

1．面向连接服务 连接是指两个对等实体之间为进行数据通信而进行的一种结合。面向连接服务就是在数据交换之前，必须先建立连接，当数据交换结束后，则应该终止这个连接。通常面向连接服务是一种可靠的报文序列服务，在建立连接之后，每个用户都可以发送可变长度的报文，这些报文按顺序发送给远端的用户，报文的接收也是按顺序的。有时用户可以发送一个很短（1～2字节长）的报文，但希望这个报文可以不按序号而优先发送，这就是“加速数据” ，它常用来传送中断控制命令。

1．面向连接服务 由于面向连接服务和线路交换的许多特性相似，因此面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。“虚”表示：在两个服务用户的通信过程中虽然没有自始至终都占用一条端到端的完整物理电路，但却好像占用了一条这样的电路。面向连接服务比较适合于在一定期间内要向同一目的地连续发送许多报文的情况。若两个用户经常进行频繁通信，则可建立永久虚电路，这样可免除每次通信时连接建立和连接释放这两个过程。

2．无连接服务 在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留，这些资源是在数据传输时动态地进行分配的。无连接服务不需要通信的两个实体同时处于激活状态，当发送端的实体正在进行发送时，它必须是激活的，但这时接收端的实体并不一定要激活，只有当接收端的实体正在进行接收时，它才必须是激活的。无连接服务的优点是灵活方便和比较迅速，但无连接服务不能防止报文的丢失、重复或失序。采用无连接服务时由于每个报文都必须提供完整的目的站地址，因此其开销也较大。

2．无连接服务 无连接服务大致有以下三种类型： （1）数据报（Datagram）：特点是发完了就算，而不需要接收端做任何响应。 （2）证实交付（Confirmed Delivery）：是一种可靠的数据报服务。 （3）请求回答（Request Reply）：这种类型的数据报服务是收端用户每收到一个报文，就向发端用户发送一个应答报文。

3.4.2 虚电路服务与数据报服务 虚电路与存储转发这一概念相联系。当我们在采用线路交换的电话网上打电话时，在通话期间，我们自始至终地占用一条端到端的物理线路。但我们占用一条虚电路进行计算机通信时，由于采用的是存储转发分组交换，所以只是断续地占用一段又一段的链路，感觉好像是占用了一条端到端的物理线路。使用虚电路服务，对网络用户来说，在呼叫建立后，整个网络就好像有两条连接两个网络用户的数字管道，所有发送到网络中的分组，都按发送的先后顺序进入管道，然后按“先进先出”的原则沿着管道传送到目的站主机。在全双工通信中，每一条管道只沿一个方向传送分组，这些分组在到达目的站时的顺序与发送时的顺序一样。

3.4.2 虚电路服务与数据报服务 数据报服务则不同，由于数据报服务没有建立虚电路的过程，而每一个发出的分组都携带了完整的目的站的地址信息，因而每一个分组都可以独立地选择路由。在此情况下，没有呼叫建立过程，对于网络用户来说，整个网络好像有许多条不确定的数字管道，所发送出去的每一个分组都可独立地选择一条管道来传送。这样，先发送出去的分组不一定先到达目的站主机。因此，数据报不能保证按发送顺序交付目的站。由于通常的数据传送都要求按发送顺序交付给目的站主机，所以在目的站必须采取一定的措施。例如，在目的站节点开辟缓冲区，把收到的分组缓存一下，等到可以按顺序交付主机时再进行交付。

3.4.2 虚电路服务与数据报服务

3.4.3 路由选择算法 1．静态路由选择策略 2．动态路由选择策略 3.4.3 路由选择算法 通信子网为网络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。网络节点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择。在数据报方式中，网络节点要为每个分组路由做出选择；而在虚电路方式中，只需在连接建立时确定路由。确定路由选择的策略称为路由算法。 1．静态路由选择策略 2．动态路由选择策略

1．静态路由选择策略 静态路由选择策略不用测量也不需利用网络信息，这种策略按某种固定规则进行路由选择，其中还可分为洪泛路由选择、固定路由选择和随机路由选择三种算法。 （1）洪泛路由选择法 （2）固定路由选择 （3）随机路由选择

2．动态路由选择策略 节点的路由选择要依靠网络当前的状态信息来决定的策略，称为动态路由选择策略。这种策略能较好地适应网络流量、拓扑结构的变化，有利于改善网络的性能。但由于算法复杂，会增加网络的负担。有三种动态路由选择策略的具体算法：独立路由选择、集中式路由选择和分布式路由选择。

3.4.4 拥塞控制技术 拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。这种现象跟公路网中常见的交通拥挤一样，当节假日公路网中车辆大量增加时，各种走向的车流相互干扰，使每辆车到达目的地的时间都相对增加（即延迟增加），甚至有时在某段公路上车辆因堵塞而无法开动（即发生局部死锁）。

3.4.4 拥塞控制技术 网络的吞吐量与通信子网负荷有着密切的关系。当通信子网负荷比较小时，网络的吞吐量随网络负荷的增加而线性增加。当网络负荷增加到某一值后，若网络吞吐量反而下降，则表明网络中出现了拥塞现象。在一个出现拥塞现象的网络中，到达某个节点的分组将会遇到无缓冲区可用的情况，从而使这些分组不得不由前一节点重传，或者需要由源节点或源端系统重传，从而使通信子网的有效吞吐量下降。由此引起恶性循环，使通信子网的局部甚至全部处于死锁状态，最终导致网络有效吞吐量接近为零。

3.5 传输层 3.5.1 传输层的功能 3.5.2 传输协议的分类

3.5.1 传输层的功能 传输层的作用是从端到端经网络透明地传送报文，完成端到端通信链路的建立、维护和管理。传输层向高层用户屏蔽了下面通信子网的细节，使高层用户看不见实现通信功能的物理链路是什么，看不见数据链路采用什么控制规程，也看不见下面到底有几个子网以及这些子网是怎样互连起来的。传输层让高层用户看见的就好像是在两个传输层实体之间有一条端到端的可靠通信通路。

3.5.1 传输层的功能 传输层协议与数据链路层协议相比较，其主要区别为：数据链路层的环境是两个分组交换节点PSN直接通过一条物理信道进行通信，而传输层的环境则是两个主机以整个子网为通信信道进行通信。这样就使传输层的环境比数据链路层的环境复杂得多，因而其流量控制也较为复杂。

3.5.2 传输协议的分类 网络的服务质量大致有三种类型： 3.5.2 传输协议的分类 网络的服务质量大致有三种类型： A型：网络连接具有可接受的低差错率和可接受的低故障通知率。A型网络服务是一个完善的、理想的、可靠的网络服务。然而实际的网络很少达到这个水平。 B型：网络连接具有可接受的低差错率和不可接受的高故障通知率。多数X.25公用分组交换网络提供的是B型网络服务。 C型：网络连接对传输层服务用户来说具有不可接受的高差错率。大多数无线分组网属于这种类型。

3.5.2 传输协议的分类 第0类传输协议 第1类传输协议 第2类传输协议 第3类传输协议 第4类传输协议 3.5.2 传输协议的分类 为了能够在各种不同的网络上进行不同类型的数据传送，ISO定义了5类传输协议，即第0～4类传输协议，它们都是面向连接的。 第0类传输协议 第1类传输协议 第2类传输协议 第3类传输协议 第4类传输协议

第0类传输协议 第0类传输协议最简单，它的功能就是建立一个简单的端到端的传输连接，并可以在数据传送阶段将长数据报文分段传送，没有差错恢复功能，也没有将多条传输连接复用到一条网络连接上的能力，主要是面向A型网络服务。

第1类传输协议 第1类传输协议也较简单，只是增加了基本的差错恢复功能，主要是面向B型网络服务。

第2类传输协议 第2类传输协议具有连接复用功能，但没有对网络连接出现故障的恢复功能，这类协议还具有相应的流量控制功能，主要是面向A型网络服务。

第3类传输协议 第3类传输协议包含了第1类和第2类传输协议的功能，既有差错恢复又有复用功能，主要是面向B型网络服务。

第4类传输协议 第4类传输协议是最复杂的，功能较齐全，具有差错检测、控制、恢复以及复用等功能，可以在质量较差的网络上保证高可靠的数据传输，主要是面向C型网络服务。

3.6 高层 3.6.1 会话层 3.6.2 表示层 3.6.3 应用层

3.6.1 会话层 会话层的主要目的是提供一个面向用户的连接服务，它给合作的会话用户之间的对话和活动提供组织和同步所必须的手段，以便对数据的传送提供控制和管理。会话层定义了可供选择的多种服务，而且可以将若干相关联的服务组成一个功能单元，而每一个功能单元则提供一种可供选择的工作类型，在会话连接建立时可就这些功能单元进行协商选择。

3.6.1 会话层 会话层与传输层有很大的区别。传输协议负责产生和维持在两个端点之间的逻辑连接，会话协议则在上述基本连接服务的基础上，用增值方法提供一个用户接口。传输层的服务比较简单，就是要提供一个可靠的传输数据的服务，但传输协议是很复杂的，因为要在各种不利的条件下保证传输服务是可靠的；而会话层则相反，当发送一个会话协议数据单元SPDU时，传输层可以保证将它正确发送给对等用户，因此会话协议是非常简单的，然而会话层定义的为数据交换用的各种服务却是非常丰富而复杂的，可供应用层根据需要从中进行选择。

3.6.2 表示层 表示层的基本功能是对源站点内部的数据结构进行编码，形成适合于传输的比特流，到了目的站再进行解码，转换成用户所要求的格式并保持数据的意义不变。表示层要解决的问题是，如何描述数据结构并使之与机器无关。表示层只涉及传送所需数据的表示。

3.6.3 应用层 应用层是作为与用户应用进程的接口，负责用户信息的语义表示，并在两个通信者之间进行语义匹配，它不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远地操作，而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理（User Agent），来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能。

3.6.3 应用层 目前已经称为OSI/RM标准的一些应用层协议有： l 报文处理系统； l 文件传送、存取和管理； l 虚终端协议； 3.6.3 应用层 目前已经称为OSI/RM标准的一些应用层协议有： l 报文处理系统； l 文件传送、存取和管理； l 虚终端协议； l 目录服务； l 事务处理； l 作业传送与操作； l 远地数据库访问。

3.7 TCP/IP的体系结构 3.7.1 TCP/IP模型 3.7.2 TCP/IP与OSI参考模型的比较

3.7.1 TCP/IP模型 TCP/IP模型也称为互联网参考模型，虽然它与OSI模型各有自己的结构，但是大体上两者仍能相互对照，如图3-9所示。TCP/IP模型由四个层次组成，下面介绍它们的功能。 1．网络接口层 2．网际层 3．传输层 4．应用层

1．网络接口层 该层负责接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络口接收物理帧，装配成IP数据报上交给网际层。网络接口层似乎与OSI的数据链路层和物理层相对应，但实际上TCP/IP本身并没有真正描述这一部分，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便能在其上传递IP分组。TCP/ IP的设计不依赖于网络访问方法、帧格式和媒体。从这点上讲，TCP/IP可以连接不同的网络类型。

2．网际层 该层行使寻址、数据的封装、数据报的分段和路由选择功能，它类似于OSI的网络层，其核心协议为: （1）网际协议（IP），IP为一路由协议，负责IP寻址，信息包的分裂和重组。 （2）网间控制消息协议（ICMP），ICMP负责提供诊断功能，报告关于IP信息包传送的错误或信息。 （3）地址解析协议（ARP），ARP负责将IP地址转换为物理地址。 （4）逆向地址解析协议（RARP），RARP通过广播发送硬件地址的手段来获得主机的IP地址。 （5）Internet组管理协议（IGMP），IGMP负责IP多点传送组的管理。

3．传输层 该层负责提供应用程序间（即端到端）的通信。源端的应用进程通过传输层，可以与目的端的相应进程进行直接会话。它包含了OSI传输层的功能和OSI对话层的某些功能。传输层的核心协议是TCP和用户数据报协议（UDP）。 （1）TCP协议是一个面向连接的数据传输协议，它提供数据的可靠传输。 （2）UDP协议是一种提供无连接服务的协议。UDP协议提供的传输是不可靠的，它虽然实现了快速的请求与响应，但是不具备纠错和数据重发功能。

4．应用层 该层向用户提供了数量众多的常用的应用程序，它提供访问其他层服务的应用能力，以及定义应用于交换数据的协议。 （1）Telnet协议。 （2）文件传送协议（FTP）。 （3）简单邮件传输协议（SMTP）。 （4）简单网络管理协议（SNMP）。 （5）超文本传输协议（HTTP）。 （6）域名系统（DNS）。 （7）网络文件系统（NFS）。

3.7.2 TCP/IP与OSI参考模型的比较 两种模型有很多相似之处： （1）都是分层的。 （2）在同层都确定协议栈的概念。 （3）以传输层为分界，其上层都希望由传输层提供端—端的、与网络环境无关的传输服务。传输层的上层都是传输服务的用户，这些用户以信息处理为主导。

3.7.2 TCP/IP与OSI参考模型的比较 然而，TCP/IP与OSI仍有较大区别： （1）在物理层和链路层，TCP/IP未做规定，表明TCP/IP可以使用OSI的物理层和链路层协议，TCP/IP不分层正是它的缺陷，也是一种失算。未做分层，有利于计算机网络的工业生产，所以称为工业标准。 OSI的高层分为会话层、表示层、应用层，从理论上构成完美的结构。

3.7.2 TCP/IP与OSI参考模型的比较 （2）OSI先有分层模型，后有协议规范。这一点意味着该分层模型不偏向任何特定的协议，因此具有通用性。而TCP/IP先有协议后有模型，模型是对协议的分层描述，因此该模型只适用于TCP/IP协议，对非TCP/IP网络并不适用。况且，OSI的分层严格，有利于网络功能的相对独立，有利于网络建造和维护。而TCP/IP的层次观念并不像OSI那样严格。与分层相关联，OSI具有明确的服务与协议区别，从而完善了分层协议的独立性，更有利于在技术上对协议修正，甚至是替换。

3.7.2 TCP/IP与OSI参考模型的比较 （3）就通信方式而言，OSI非常重视连接通信，建立了连接型通信的完美体系，但对无连接的数据报通信并不重视。而TCP/IP一开始就重视数据报通信。OSI的传输层支持面向连接的通信，网络层支持面向连接的通信外，还支持无连接的数据报通信。而TCP/IP 的传输层既支持面向连接的通信，也支持无连接的数据报通信，从而给高层用户提供可选择通信方式的机会，其网络层支持无连接的数据报通信。

3.7.2 TCP/IP与OSI参考模型的比较 （4）对网络互连问题，二者也有区别。OSI提出使用标准的公用数据网为主干网，且将各种不同系统连接在一起，而TCP/IP专门建立了互联网协议IP，用于各种异构网的互连。TCP/IP的考虑甚为实用。但从长远发展眼光看，可否一定为网络互连专门建立协议，目前还很难定论。可能OSI的方式是有远见的方式。OSI是严格的分层结构的理论模型，实现起来比较困难。而TCP/IP是简化的分层结构的实用模型、技术模型，实现起来比较容易。

3.8 思考题 1．网络中分层体系结构模型的含义是什么？ 2．说明协议和服务的区别及联系。 3.8 思考题  1．网络中分层体系结构模型的含义是什么？ 2．说明协议和服务的区别及联系。 3．根据控制字段的不同，HDLC数据帧可分为几类？各类帧的作用是什么？ 4．比较虚电路服务与数据报服务的异同。 5．流量控制与路由选择有何异同？ 6．TCP/IP协议的主要特点是什么？ 7．请比较OSI参考模型与TCP/IP参考模型的异同点。