第2章 计算机网络体系结构 教学目标： 通过本章的学习，了解计算机网络体系结构和各个层次的相关协议，理解接口和服务等概念。掌握ISO/OSI模型和TCP/IP模型的各个层次及其所实现的功能。掌握IP地址的功能和划分，并对子网掩码和下一代互联网IPv6有相应的了解。

教学重点和难点： ISO/OSI网络参考模型 TCP/IP参考模型 IP地址的功能与划分 子网掩码及子网划分

课程学习 2.1 计算机网络的体系结构概述 2.2 ISO/OSI网络参考模型 2.3 TCP/IP参考模型 2.4 IP地址

2.1计算机网络的体系结构概述 2.1.1网络体系结构的概念 2.1.2协议的概念 2.1.3接口和服务

2.1.1网络体系结构的概念 计算机网络体系机构就是计算机网络各层次及其协议的集合。 高层 中层 低层 中间节点 物理介质

2.1.2协议的概念 计算机网络协议就是通信的计算机双方必须共同遵从的一组约定。例如怎样建立连接，怎样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信和交流。

2.1.3接口和服务 接口和服务是分层体系结构中十分重要的概念。实际上，正是通过接口和服务将各个层次的协议连接为整体，完成网络通信的全部功能。 服务是通过接口完成的。接口就是上层实体和下层实体交换数据的地方，被称为服务访问点。

协议和服务的关系 逻辑连接 n+1层协议 n＋1层 n＋1/n层间接口 n层协议 n层 n层向n＋1层提供服务口 n/n-1层间接口 … n＋1/n层间接口 n层向n＋1层提供服务口 n-1层向n层提供服务口 n/n-1层间接口 逻辑连接 n+1层协议 n层协议 n-1层协议 物理连接 物理介质

2.2 ISO/OSI网络参考模型 OSI/RM结构 各层次具体功能和作用 总结

2.2.1 OSI/RM结构 应用层 表示层 会话层 传输层 包(package) 网络层 帧(frame) 数据链路层 位(bit) 物理层 数据链路层 传输媒介 包(package) 帧(frame) 位(bit)

2.2.2物理层 物理层是OSI参考模型中的最低层，也是最重要、最基础的一层。它是建立在通信介质基础上的、实现设备之间联系的物理接口。 物理层的主要功能 物理层协议 物理层接口特性

物理层接口特性 （1）机械特性——说明接口所用物理连接器的形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等。例如，EIA-RS-232-D标准规定使用25引脚的DB-25插座，其两个固定螺丝之间的距离为。 （2）电气特性——说明接口处信号线上出现的电压应为什么范围，即什么样的电压表示1或0。电气特性规定了在物理连接信道上传输比特流时信号的电平、数据编码方式、阻抗及其匹配、传输速度和连接电缆最大距离的限制等。例如，EIA-RS-232-D采用负逻辑，即逻辑0（相当于数据0）或控制线处于接通状态时，相对信号的地线有+5V～+15V的电压，当其连接电缆不超过15m时，允许的传输速率不超过20kb/s。 （3）功能特性——说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。功能特性规定了物理接口各个信号线的确切功能和含义，如数据线和控制线的功能等。例如，EIA-RS-232-D规定的DB-25插头座的引脚2和引脚3均为数据线。 （4）规程特性——说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。规程特性是指利用信号线进行比特流传输时的操作过程，例如，信号线的工作规则和时序等。

2.2.3数据链路层 所谓链路就是数据传输中任何两个相邻节点间的点到点的物理线路段。链路间没有任何其他节点存在，网络中的链路是一个基本的通信单元。在网络中，从一方到另一方的数据通信通常是由许多链路串接而成的，这就是数据链路，也叫通路。

1.基本概念 帧（frame）是数据链路层的信息传输单位。 2.数据链路层的主要功能 3．数据链路层的主要协议

2.2.4网络层 数据链路层不能解决由多条链路组成的两个主机之间通路的数据传输问题，因为两个主机之间的通路通常由多条链路组成，涉及到路径选择、流量控制等问题；在通信的双方经过两个或更多的网络时又出现网络互连问题，而这些问题可在网络层得到解决。

1．基本概念 2．网络层功能 3．网络层协议 4．网络层服务 网络层也称通信子网层，网络层的功能是向传输层提供服务，同时接受来自数据链路层的服务。 2．网络层功能 3．网络层协议 4．网络层服务

2.2.5传输层 1．传输层概述 2．传输层服务 3．传输控制协议 OSI的低三层主要是面向数据通信，因此基于低三层通信协议构成的网络常称为通信网络（或通信子网），支持用户信息在同一个网络的端到端传输。 2．传输层服务 3．传输控制协议

2.2.6会话层 会话层用于建立、管理以及终止两个应用系统之间的会话。它是用户连接到网络的接口。它的基本任务是负责两主机间的原始报文的传输。

2.2.7表示层 表示层向上对应用层服务，向下接受来自会话层的服务。表示层是为在应用过程之间传送的信息提供表示方法的服务，它关心的只是发出信息的语法与语义。表示层要完成某些特定的功能，主要有不同数据编码格式的转换，提供数据压缩、解压缩服务，对数据进行加密、解密。

2.2.8应用层 网络应用层是通信用户之间的窗口，为用户提供网络管理、文件传输、事务处理等服务。 应用层为用户提供的常见服务和协议有：文件服务、目录服务、文件传输服务、电子邮件服务、打印服务、网络管理服务、远程登录服务和数据库服务等。上述每种服务均需一种具体的应用层协议来完成。

2.2.9 总结 应用层——与用户应用进程的接口，即相当于：做什么？ 表示层——数据格式的转换，即相当于：对方看起来象什么？ 会话层——会话的管理与数据传输的同步，即相当于：轮到谁讲话和从何处讲？ 传输层——从端到端经网络透明地传输报文，即相当于：对方在何处？ 网络层——分组传输、路由选择和流量控制，即相当于：走哪条路可以到达该处？ 数据链路层——在链路上无差错地传送数据帧，即相当于：每一步该怎么走？ 物理层——将比特流送到物理媒体上传送，即相当于：对上一层的每一步应怎样利用物理媒体。

2.3 TCP/IP参考模型 OSI/RM七层参考模型，从理论上来说，只要遵循OSI参考模型，那么任何网络之间都可以实现无差别的互连。但是在实际上，要想完全实现OSI参考模型的协议，十分庞大和复杂，因此，完全遵循OSI七层参考模型的协议几乎不存在，OSI参考模型仅为人们考查其它协议各部分间的工作方式提供了评估基础和框架。 20世纪70年代，出现了TCP/IP参考模型，这个模型在20世纪80年代被确定为因特网（Internet）的通信协议。

2.3.1 TCP/IP简介 TCP/IP是传输控制协议/网际协议(Transmission Control Protocol /Internet Protocol)的缩写，TCP/IP协议形成于20世纪70年代，是由美国国防部(DOD)出于构建不同类型计算机间的数据通信网ARPANET的需要而主持开发的。 TCP/IP协议的特点是： （1）开放的协议标准 （2）独立于特定的计算机硬件与操作系统 （3）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网中 （4）统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址 （5）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务

2.3.2 TCP/IP协议结构 Ethernet IP ICMP ARP RARP TCP UDP RPC TFTP SNMP TELNET FTP SMTP 应用层 传输层 网际层 网络接口层

2.3.3 TCP/IP与OSI/RM模型的比较 1．对OSI参考模型的评价 2．对TCP/IP参考模型的评价 3．一种建议的参考模型

2.4 IP地址 2.4.1 IP地址的功能与划分 一个以太网上的两个设备之所以能够交换信息就是因为在物理以太网上，每个设备都有一块网卡，并拥有唯一的以太网地址。如果设备A向设备B传送信息，设备A需要知道设备B的以太网地址。 如果一个网络上的设备B向另外一个不同网络上的设备C发送信息，会发生什么情况呢？

1．IP地址的表示 为了容易阅读，将32位地址进行分组(8位为一组)： 01111110 10001000 00000001 00101111 最后，将每个8位数据转换成十进制，并用小数点隔开，得到如下地址： 126.136.l .47。

2．IP地址的分类 网 络 类 型 标 志 位 地 址 数 网络数 主 机 主机数 地址格式 网络 地址 范围 A类 7 126 24 7 126 24 16777214 0xxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx 1-127 B类 10 14 16382 16 65535 10xxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx 128-191 C类 110 21 2097150 8 254 110xxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx 192-223 D类 1110 － 1110xxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx 224-239 E类 11110 11110xxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx 240-247

2.4.2子网掩码及子网划分 10 网络号 主机号 子网号 主机号 11111111 11111111 1111 0000 00000000 子网号 主机号 11111111 11111111 1111 0000 00000000 255 255 240 0 （a）B类地址 （b）增加了子网号字段 （c）子网掩码 图2.7 子网掩码的意义

2.4.3 IPv6 IPv4地址总量约为43亿，随着网络的迅猛发展，全球数字化和信息化步伐的加快，目前70%的地址资源已经被使用

1．IPv6的特点 2．IPv6地址空间分配 3．IPv6地址表示法 4．IPv6地址类型 5．特殊IPv6地址

习题2 1．OSI/RM包括哪些层次，说明每一层次的功能和任务？ 2. TCP/IP参考模型分为哪几层，各层的功能是什么，各层包含的主要协议有哪些？ 3. 试简述OSI参考模型与TCP/IP参考模型的异同点？ 4. 简述划分子网的目的。 5. 网络193.1.1.0，子网掩码是255.255.255.224，这个网络分了几个子网？每个子网的主机号范围是怎么样的？ 6. IP是Internet中广泛使用的网络层协议，它能提供什么样的服务？