第1章　计算机网络体系结构

1.1　考点归纳

【考纲指定考点】

【题型及考点分析】

这章主要以选择题形式考查，从历年的考研真题来看，一般是1～2题选择题，主要考点为计算机网络体系结构概念、计算机网络分层结构以及各种参考模型中的概念、各层特点以及他们的顺序。

一、计算机网络概述

1计算机网络的概念、组成与功能

（1）计算机网络的概念

计算机网络是指独立自治、相互连接的计算机集合。自治是指每台计算机的功能是完整的，可以独立工作，其中任何一台计算机都不能干预其他计算机的工作，任何两台计算机之间没有主从关系。相互连接是指计算机之间在物理上是互联的，在逻辑上能够彼此交换信息。确切地讲，计算机网络就是用通信线路将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机连接起来，并配置相应的网络软件，以实现计算机之间的数据通信和资源共享。

计算机网络的概念可以从三个角度进行定义：

①按广义定义

计算机网络是利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件及协议实现资源共享和信息传递的系统。

②按连接定义

计算机网络是将分布在不同地理位置上具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件，以实现计算机资源共享的系统。

③按需求定义

计算机网络是由大量独立的、但相互连接起来的计算机来共同完成计算机任务。

（2）计算机网络的组成

从不同的角度，可以将计算机网络的组成分为以下三类：

①在组成部分上

计算机网络主要由硬件、软件和协议三大部分组成。硬件主要由主机、终端、传输介质和连接设备等组成。软件主要包括网络操作系统和网络应用软件。协议是计算机网络的核心，规定了网络传输数据时应该遵循的规范。

②在工作方式上

计算机网络（主要指Internet）可分为核心部分和边缘部分。核心部分由大量的网络以及连接这些网络的路由器组成，负责为边缘部分提供连通性和交换服务；边缘部分由各主机构成，负责为用户提供信息处理和信息共享。

③在功能上

计算机可以分为通信子网和资源子网。通信子网是用作信息交换的节点计算机和通信线路组成的独立通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工和交换等通信处理工作。资源子网是网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合，为网络用户提供网络服务和资源共享功能等。

（3）计算机网络的功能

计算机网络的功能主要体现在三个方面：信息交换、资源共享、分布式处理。

①信息交换

信息交换是计算机网络的最基本的功能，主要完成计算机网络中各个节点之间的通信以及网络中各计算机之间的各种信息的传输，比如用户可以在网上传送电子邮件、发送消息新闻、电子购物、远程教育等。

②资源共享

网络上的计算机不仅可以使用自身的资源，也可以共享网络上的资源，这些资源包括软件和硬件资源。提高了系统的利用率。

③分布式处理

将一项复杂的任务划分成许多部分，由网络内的计算机共同协作完成该项任务，使整个系统的性能提高。

2计算机网络的分类

（1）按地理范围划分

①个人区域网（PAN）

个人区域网是在个人工作的地方将电子设备（如平板电脑、智能手机等）用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人区域网WPAN，其范围大约在10m。

②局域网（LAN）

局域网是在局部范围内的网络，覆盖的地区范围较小，在计算机数量配置上没有太多限制，少则两台，多则几百台，地理上则局限在较小的范围如1km左右。局域网特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率快。

③城域网（MAN）

城域网一般来说是在一个城市，将不同地理小区范围内的计算机互联，连接距离可以在5～50km。城域网大多采用以太网技术。

④广域网（WAN）

这种网络也称为远程网，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是将不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几十公里到几千公里。广域网是因特网的核心部分。连接广域网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。

（2）按交换方式划分

①电路交换网络

在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换网是传统电话网络。

②报文交换网络

报文交换网络是一种数字化网络。将用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文。整个报文传送到相邻结点，全部存储下来后，交换机根据报文的目的地址选择合适的路径发送报文，这种方式称作存储-转发方式。

③分组交换网络

分组交换也采用报文传输，将一个长的报文划分为许多定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位。这不仅大大简化了对计算机存储器的管理，而且也加速了信息在网络中的传播速度。由于分组交换优于电路交换和报文交换，具有许多优点，因此它已成为计算机网络的主流。

【例】关于数据交换，下列叙述不正确的是（　　）。

A．线路交换面向连接

B．分组交换比报文交换具有更好的网络响应速度

C．报文交换无存储转发过程

D．分组交换有存储转发过程

【答案】C

【解析】数据交换方式的三种主要方式包括线路交换（即电路交换）、报文交换和分组交换，面向连接的只有线路交换，报文交换和分组交换采用存储转发方式。由于分组交换的灵活性，使其具有更好的响应速度。

（3）按拓扑结构划分

网络拓扑结构是指网络电缆构成的几何形状，它能从逻辑上表示网络服务器、工作站的网络配置和互相之间的连接关系。

按网络的拓扑结构，计算机网络主要可以分为星形、总线形、环形和网状形网络等。星形、总线形和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网。

①星形网络

星型布局是以中央结点为中心与各结点连接而组成的，各结点与中央结点通过点对点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略，因此中央结点相当复杂，负担也重。

星形拓扑结构的优点：网络结构简单，便于管理、集中控制，组网容易，网络延迟时间短，误码率低；缺点：网络共享能力较差，通信线路利用率不高，中央节点负担过重，容易成为网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。

②总线形网络

用单根传输线把各结点连接起来。总线形网络的优点是构建简单、增减结点方便；缺点是重负载时通信效率不高、总线任一处对故障敏感。

③环形网络

环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以请求发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环形网中的数据可以单向传输也可以双向传输。

④网状形网络

一般情况下，每个结点至少有两条路径与其他结点相连，多用在广域网中。网状形网络可分为规则型和非规则型两种。其优点是可靠性高，缺点是控制复杂、线路成本高。

此外，网络的分类还有其它一些方法。例如，按网络的使用性质进行分类，可以划分为专用网和公用网；按网络的适用范围和环境可以分为企业网、校园网等；按传输介质分类，可分为同轴电缆网（低速）、双绞线网（低速）、光纤网（高速）、微波及卫星网（高速）；按网络的带宽和传输能力进行分类，可分为系带（窄带）低速网和宽带高速网等。

3计算机网络的标准化工作及组织

计算机网络的标准化对计算机网络的发展和推广起到了极为重要的作用。

因特网的所有标准都以RFC（Request For Comments）的形式在因特网上发布。RFC要上升为因特网正式标准需经过因特网草案（Internet Draft），建议标准（Proposed Standard），草案标准（Draft Standard），因特网标准（Internet Standard）四个阶段。其中，因特网草案阶段还不是RFC文档，而建议标准阶段开始就成为RFC文档。

此外，还有三种RFC，分别是历史的、饰演的和提供信息的RFC。

各种RFC之间的关系如图1-1所示。

图1-1　各种RFC之间的关系

尽管在世界各地存在着许多标准化组织，但是大部分的数据通信和计算机网络方面的标准主要是由以下一些机构制定并发布的：国际标准化组织（ISO）、国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）、电气电子工程师协会（IEEE）、电子工业协会（EIA）和美国国家标准化协会（ANSI）以及互联网工程任务组（IETF）。

4计算机网络的性能指标

性能指标是从不同方面度量计算机网络的性能。

（1）带宽

带宽表示网络的通信线路所传送数据的能力，是单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是“比特每秒”（b/s）。

（2）吞吐量

吞吐量是指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

（3）时延

时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需要的时间，它由四个部分构成：

①发送时延

主机或路由器发送数据帧所需要的时间。

发送时延＝数据帧长度（b）/信道宽度（b/s）。

②传播时延

电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

传播时延＝信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）。

③处理时延

处理时延是主机或路由器在收到分组时用于处理的时间。

④排队时延

分组进入路由器后要先在输入队列中等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发的时间。

总时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延＋排队时延。

（4）时延带宽积

时延带宽积是链路能容纳的比特数。

时延带宽积＝传播时延×信道带宽。

（5）往返时延（RTT）

往返时延是从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认）经历的时间。

（6）速率

网络中的速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称为数据率或比特率，单位是b/s（比特每秒）（或bit/s）。

二、计算机网络体系结构与参考模型

1计算机网络分层结构

（1）分层定义及优点

①一般把两台计算机之间数据通信这一任务划分成一些子任务，不同的子任务由不同的模块单独完成，而且这些模块之间形成单向依赖关系，即模块之间是单向的服务与被服务的关系，从而构成层次关系，这就是分层。

②层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。

③分层结构还有利于交流、理解和标准化。

（2）分层的原则

①每层的功能应是明确的，并且相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上下层解口不变，便不会对其它层产生影响。

②层间解口必须清晰，跨越解口的信息量应尽量少。

③层数应适中。若层数太少，则造成每一层的计算机网络协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现每层功能变得困难。

（3）网络的体系结构

依据一定的规则，将分层后的网络从低层到高层依次称为第1层、第2层……第n层。

在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素通常称为n层实体。具体地，实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。在不同机器把同一层称为对等层，同一层的实体叫做对等实体。n层实体实现的服务为n＋1层所利用。

一般把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。

2计算机网络协议、接口、服务等概念

（1）协议

协议是指计算机网络同层次中，通信双方必须遵循的控制信息交换规则的集合。协议由语法、语义和同步三部分组成。语法规定了传输数据的格式；语义规定了所要完成的功能，即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答；同步规定了执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。一个完整的协议通常应具有线路管理（建立、释放连接）、差错控制、数据转换等功能。

（2）接口

同一台计算机上相邻层之间（即不同实体之间，如不同进程之间）的通信也有约定，一般称这种约定为接口（interface），也叫服务接口（service interface），即下层通过接口向上层提供服务。接口定义了上层如何调用下层提供的服务。良好的接口定义除了可以尽可能地减少层与层之间要传递的信息数量以外，还可以方便人们用某一层协议的新实现来代替原来的实现或者用新的协议来代替原来的旧协议。

（3）服务

服务是指下层为紧相邻的上层提供的功能调用，也就是垂直的。对等实体在协议的控制下，使得本层能为上一层提供服务，但要实现本层协议还需要使用下一层所提供的服务。

服务和协议是截然不同的概念，它们的区别非常重要。服务是垂直的而协议是水平的，服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层打算代表用户执行哪些操作，但是它并不涉及如何实现这些操作。服务也会涉及到两层之间的接口，其中低层是服务提供者，而上层是服务的用户。

协议是一组规则，用来规定同一层上的对等实体之间所交换的消息或者分组的格式和含义。这些实体利用协议来实现它们的服务定义。它们可以自由地改变协议，但是不能改变服务，因为服务对于它们的用户是可见的。服务和协议是完全分开的。

计算机网络提供的服务大体上可以分为两大类：

①面向连接的服务

它是基于电话系统模型的。为了使用面向连接的网络服务，用户首先要建立一个连接，然后使用这个连接进行信息传递，最后释放该连接。

在有些情况下，当一个连接建立的时候，发送方、接收方和子网一起协商一组将要使用的参数，比如最大的消息长度、所需要的服务质量等。通常情况下，一方提出一个建议，然后另一方接受或拒绝该建议，甚至提出相反的建议。

②无连接的服务

它是基于邮政系统模型的。每一条报文都携带了完整的目标地址，所以，每条报文都可以被系统独立地路由。

还有一种服务是请求-应答服务。在这种服务中，发送方传输一个数据包，其中只包含一个请求；应答数据报中包含答案。

3ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

（1）OSI参考模型

国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型，称为开放系统互联参考模型（OSI/RM）通常简称为OSI参考模型。OSI有七层自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层。低三层统称为通信子网，完成数据的传输功能；高三层统称为资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。运输层承上启下。OSI层次结构如图1-2所示：

图1-2　OSI参考模型层次结构图

下面详述OSI参考模型各层的功能：

①物理层

物理层的任务是负责透明地传送比特流。在设计的时候必须要保证，发送方发送了“1”，接收方收到的就是“1”而不是“0”。这里设计问题主要涉及到了机械、电子和定时接口，以及位于物理层之下的物理传输介质等。

②数据链路层

数据链路层的主要任务是将网络层传下来的IP数据报组装成帧，数据链路层的功能可以概括为：成帧、差错控制、流量控制和传输管理等。数据链路层让发送方将输入的数据拆开，分装到数据帧中，然后顺序的传送这些数据帧。如果是可靠地服务，则接收方必须发送回一个确认帧确认每一帧都已经正确接收到了。

数据链路层往往需要一种流量调节机制，让发送方知道接收方当前时刻有多大的缓存空间，从而避免一个快速的发送方“淹没”一个慢速的接收方。通常情况下，这种流量调节机制和错误处理机制集成在一起。

对于广播式网络，数据链路层还专门设立了一个特殊子层（介质访问控制子层），用来控制对于共享信道的访问。

③网络层

网络层的主要功能是完成网络中不同主机之间的数据传输。网络层之间交换的数据单元一般用报文（packet）来表示。网络层的关键问题是对分组进行路由选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联等功能。

④传输层

传输层也叫运输层，传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP），传输层的任务是负责向两个主机中进程之间的通信提供服务，功能是为端到端连接提供可靠的传输服务；为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。

使用传输层的服务，高层用户就可以直接进行端到端的数据传输，从而忽略通信子网的存在。通过传输层的屏蔽，高层用户看不到子网的交替和变化。由于一个主机可同时运行多个进程，因此传输层具有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用则是运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

⑤会话层

会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理以及终止进程间的会话。会话层利用传输层提供的端到端的服务，向表示层提供它的增值服务。这种服务主要是向表示层实体或用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据，这就是会话，也称为建立同步（SYN）。

⑥表示层

在表示层下面的各层中，它们最关注的是如何传递数据位，而表示层关注的是所传递的信息的语法和语义。表示层主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同的计算机可能使用不同的数据表示法，为了让这些计算机能够进行通信，它们所交换的数据结构必须是一种抽象的方式来定义。同时，表示层还应该定义一种标准的编码方法，用来表示网络线路上所传递的数据。表示层管理这些抽象的数据结构，并允许定义和交换更高层的数据结构。

⑦应用层

应用层包含了各种各样的协议，这些协议往往直接针对用户的需要。一个广泛应用的协议是HTTP，它是万维网WWW的基础。还有一些其他应用协议用于文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）等。

（2）TCP/IP模型

OSI的七层协议体系结构概念清楚、理论完整，但它既复杂又不实用。现在得到广泛应用的是TCP/IP四层模型。TCP/IP模型从低到高依次为：网络接口层、网际层、传输层和应用层。TCP/IP的层次结构及各层的主要协议如图1-3所示：

图1-3　TCP/IP模型的层次结构及各层的主要协议

①网络接口层

网络接口层与OSI参考模型中的物理层和数据链路层相对应。它负责监视数据在主机和网络之间的交换。事实上，TCP/IP本身并未定义该层的协议，而由参与互连的各网络使用自己的物理层和数据链路层协议，然后与TCP/IP的网络接口层进行连接。

②网际层

网际层对应于OSI参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。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层分组或包进行传送。该层有三个主要协议：网际协议（IP）、互联网组管理协议（IGMP）和互联网控制报文协议（ICMP）。

③传输层

传输层对应于OSI参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能，保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。该层定义了两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。

TCP协议提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务；而UDP协议提供的则是不可靠的、无连接的数据传输服务。

④应用层

应用层对应于OSI参考模型的高层，为用户提供所需要的各种服务，例如：FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

（3）TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

①相同点

a．两者都以协议栈的概念为基础，并且协议栈中的协议彼此相互独立。

b．两个模型中各个层的功能也大体相似。

c．在这两个模型中，传输层之上的各层也都是传输服务的用户，并且是面向应用的用户。

②不同点

a．OSI参考模型的最大贡献就是精确地定义了三个主要概念：服务、协议和接口，这与现代的面向对象程序设计思想非常吻合。而TCP/IP模型对这三个概念却没有明确区分，不符合软件工程的思想。

b．OSI参考模型在协议发明之前就已经产生了，这意味着OSI模型不会偏向于任何一组特定的协议，OSI模型更加具有通用性。而TCP/IP模型在协议出现后才出现，它只是已有协议的一个描述，并不适合任何其他的协议栈。

c．OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信，但是运输层只支持面向连接的通信。TCP/IP模型的网际层上只有一种模式（无连接通信），但是在运输层上同时支持两种通信模式，这样可以给用户一个选择的机会。

【例】在OSI参考模型中，提供流量控制功能的层是第（1）（　　）层；提供建立、维护和拆除端到端的连接的层是（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

B．2、3、4

C．3、4、5

D．4、5、6

（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．会话层

D．传输层

【答案】（1）B，（2）D，（3）C，（4）A，（5）B

【解析】在计算机网络中，流量控制指的是通过限制发送方发出的数据流量，从而使得其发送速率不超过接收方的接收速率的一种技术。流量控制功能可以存在于数据链路层及其之上的各层。目前提供流量控制功能的主要是数据链路层、网络层和传输层。不过，各层的流量控制对象不一样。各层的流量控制功能是在各层实体之间进行的。在OSI参考模型中，物理层实现了比特流在传输介质上的透明传输；数据链路层将有差错的物理线路变成无差错的数据链路，实现相邻结点之间即点到点的数据传输。网络层的主要功能是路由选择、拥塞控制和网际互连等，实现主机到主机的通信；传输层实现主机进程之间即端到端的数据传输。