第 5 章 分组交换教学大纲要求：1.基本要求（1）掌握计算机网络的组成和OSI协议体系结构2）掌握分组交换原理3）掌握分组交换网的路由选择2.重点、难点重点：分组交换原理，路由选择方法，特别是自适应路由选择策略难点：存储转发，寻址与路由问题3.说明以分组交换原理为主线，适当介绍相关内容1关于 “分组交换 ”首先介绍采用分组交换技术的计算机网络及其体系结构；然后讨论分组交换的基本原理及关键技术本章主要涉及传统的分组交换，而新型分组交换将在后续的章节中讨论2分组交换( Packet Switching)也称为包交换，它是现代计算机网络的技术基础 为 了掌握分组交换的功能、原理及其关键技术， 必须首先对 计算机网络 有一个概括的了解 5.1 分组交换计算机网络概述5.1.1 计算机网络的组成5.1.2 计算机网络的体系结构原理5.1.3 开放系统互连参考模型5.1.4 TCP/IP体系结构3本节的主要内容5.1.1 计算机网络的组成计算机为什么要连成网络？计算机连网的主要 目的 是：（ 1）实现资源共享，提高资源的利用率，这 些资源包括计算资源、存储资源和通信资源等；（ 2）实现负荷分担，加强计算机之间的互助合作；（ 3）构成分布式处理系统，提高处理能力和可靠性。
计算机网络的定义： 通过通信网络互连、按统一协议（规则）工作的多台计算机的集合4传统的计算机网络由两大部分组成，它们是：通信子网（骨干网） 和 用户（资源）子网 计算机网络的基本组成5计算机网络通信子网(信息传送 )用户子网(信息处理 )链路 L（用户线和中继线）结点 N（端结点和转移结点）主机 H数据集中器 C局域网 LAN5.1.2计算机网络的体系结构原理网络协议或规约 计算机网络的各计算机之间要交流信息，就必须遵守一些事先约定好的规则这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关事件发生的时序对不同系统的实体之间的信息交流进行控制的一组规则或约定，称为 网络协议或规约网络协议主要由以下三个要素组成：(1) 语法 ，即数据和控制信息的格式和编码；(2) 语义 ，即各种控制信息的含义及相应的控制操作；(3) 同步 ，即速率适配、事件出现顺序的控制等6假如两台计算机之间要通过一个通信网 络传送文件，如何实现？对于非常复杂的网络协议，成功经验表 明最好采用分层 (模块 )结构，如下图所示7网络层次划分采用分层的好处：(1) 各层之间是相对独立的2) 灵活性好3) 结构上可分割开4) 易于实现和维护。
(5) 能促进标准化工作我们将网络的各层及其协议的集合，称为网络的 体系结构 （ Architecture）计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件应完成的功能的精确定义需要强调的是，这些功能究竟是用何种硬件或软件完成，则是一个遵循这种体系结构的实现（ implementation）的问题体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件8计算机网络体系结构一、分层分层就是将一个复杂的系统功能划分为若干相对独立的子功能；每层完成一个子功能；下层为上层服务，上层是下层的用户应用层运输层网络层数据链路层物理层9根据计算机网络，特别是互联网( Internet ) 的建设、发展和运行的经验，将复杂的计算机网络的功能分为如右图所示的五层是比较适当的这五层分别是：应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层物理层的 任务 就是利用物理信道 “透明 ”地传输比特流在物理层上所传数据的基本单位是 比特 传输信息利用的物理信道是以双绞线、同轴电缆、光纤 、微波无线电等传输媒质为基础的信号通路透明 ”是一个很重要的概念它表示，某一 个实际存在的事物看起来好象不存在一样 “透明地传输比特流 ”表示经实际信道可以传输任意的比特组合，因而比特流的发送者和接收者就 “看不见 ”这个信道的存在。
物理层要规定与 信道（传输媒质）的接口 ，包括接口的电气特性、机械特性、功能特性和工作时序10(1) 物理层 (Physical Layer)数据链路层的 基本任务 是在两个相邻结点之间的链路上实现以 帧 (Frame)为单位的 “无误 ”数据传输帧有两种类型：数据帧和控制帧数据帧包含数据和必要的控制信息；控制帧主要包含控制信息，但也可搭载少量数据信息在每一帧所包括的控制信息中，有用于帧同步、寻址、差错控制以及流量控制等的信息数据链路层的具体功能包括 链路连接控制、差错控制和流量控制 等链路层可为上一层提供两种服务方式，面向连接方式和无连接方式链路连接控制只在有连接方式下采用11(2) 数据链路层 (Data Link Layer)网络层的 基本任务 是将数据从源 (结 )点传送到目的(结 )点在源点与目的点 (或称终点 )之间可能要经过许多个结点和链路，还可能要经过好几个不同的子网网络层数据传送的基本单位是 分组 (Packet)，又称为包因此，网络层的主要功能就是实现分组 交换，即根据分组首部所提供的寻址信息，选择合适的 路由 ，使数据分组经过沿途结点的转发准确无误地到达终点。
网络层为它的上一层提供 面向连接 (通路连接 )的服务或 无连接 (独立选路 )的服务12(3) 网络层 (Network Layer)运输层的 基本任务 是实现主机进程与主机进程之间的信息传送在运输层，信息的传送单位是 报文(Message)当报文较长时，先要把它分割成若干段，然后再交给下一层（网络层）进行传送运输层根据通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，透明地传送报文运输层根据应用层的需要向上一层提供 面向连接 的可靠数据传送服务或 无连接 非可靠的数据传送服务为了实现可靠传送，运输层要完成端到端的连接控制、差错控制、流量控制和拥塞控制等功能13(4) 运输层 (Transport Layer)应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要应用层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典型的应用层协议 有支持文件传送的 FTP协议、支持电子邮件的 SMTP 协议、支持万维网 (WWW) 的HTTP协议在五层网络体系结构中，应用层和运输层合称为 高层 ；网络层、数据链路层和物理层合称为 低层 。
主机或端系统要完成所有各层的功能；而通信子网的 各个结点和子网之间的路由器中只需完成低层功能14(5) 应用层 (Application Layer)计算机1AP4321AP254321物理传输媒质计算机2应用程序数据H5H4H3H2 2T数据部分数据部分数据部分数据部分1010011 … 比 特 流 … 010111010首部尾部5115数据在各层之间的传递过程假定两个主机是直接相连的，计算机 1的应用进程AP1向计算机 2的应用进程 AP2传送 数据协议数据单元 PDU（ Protocol Data Unit）一个应用进程发送的数据要经过复杂处理过程才能送到对方的应用进程，但 对用户来说，这些复杂过程都被以下各层屏蔽掉了，以致应用进程 AP1觉得好像是直接把数据交给了应用进程 AP2同理，任何两个同样的层次（图中的水平 虚线所示）之间，也好像将数据通过水平虚线直接传 递给对方这就是所谓的“对等层 ”（ Peer Layers）之间的通信所谓各层协议，实际上就是在各个对等层之间传递数据的各项规则在文献中常见术语 “协议栈 ” (Protocol Stack)，这是因为几个层次画在一起很像一个堆栈。
16“对等层 ”与 “协议栈 ”的概念二、实体、协议、服务、以及服务接入点实体 (Entity) 表示信息的任何发送者或接收者(可发送或接收信息的硬件或软件进程 )在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块协议 是控制两个对等实体进行通信的规则的集合协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式，而协议的语义方面的规则定义了发送者或接收者所要完成的操作在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供 服务 而要实现本层协议，还需要使用下一层所提供的服务17首先，协议的实现保证了能够向上一层 提供服务本层的服务用户只能看见服务而无法 看见下面的协议下面的协议对上面的服务用户是透明的其次，协议是 “水平的 ”，即协议是控制对等实体之间通信的规则但服务是 “垂直的 ”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的还应 注意，并非在一个层内完成的全部功能都称为服务 只有那些能够被高一层看得见的功能才能称之为 “服务 ”上层使用下层所提供的服务必须通过层 间交换的命令来实现，这些命令称为 服务原语 18“协议 ”与 “服务 ”在概念上的区别19SAP 和 SDU在同一系统中相邻两层的实体进行交互 (交换信息 )的地方，通常称为 服务接入点 SAP。
SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口，不同于通 常所说的硬件设备之间的并行接口或串行接口层与层之间交换的数据单元，称为 服务数据单元SDU，多个 SDU可以合成为一个 PDU，一个 SDU也可以分为几个 PDU任何相邻两层之间的关系如下图所示这里需要注意，某一层向上一层所提供的服务已包括了服务提供者服务用户 服务用户交换原语SAP SAP协议它以下各层所提供的服务所有这些对上一层(服务用户 ) 来说就相当于一个服务提供者5.1.3 开放系统互连参考模型国际标准化组织（ ISO, International Standard Organization ）制定的开放系统互连（ OSI, Open System Interconnection）参考模型采用 7个层次的网络体系结构，也就是将前面所讲的原理性体系结构中的应用层再划分为 3个层次，其余 4层保持不变这 3个层次从上到下的名称是：应用层、表示层和会话层20（ 1） 会晤层 （ Session Layer）会晤层为应用实体间的会晤提供控制机理，包括会晤连接控制及通信双方的同步表示层和应用层表示层负责应用层实体传送数据的格式转换，实现数据编码 /解码、数据压缩 /解压、数据加密 /解密等功能。
21应用层负责为用户提供接入 OSI环境的方法，支持各种应用，如网络虚拟终端、文件传送、电子邮件、多媒体、 WWW等 2） 表示层 （ Presentation Layer）（ 3） 应用层 （ Application Layer）5.1.4 TCP/IP体系结构互联网 (Internet)使用的 TCP/IP体系在计算机网络领域占有重要地位在 Internet的各种协议中， 最重要的是传输控制协议 TCP和网际协议 IP，而 TCP/IP往往是表示Internet所使用的 体系结构 或整个 TCP/IP协议族 22TCP/IP体系共有 4个层次，从上到下分别是应用层、运输层、网际层和网络接口层 TCP/IP与OSI体系结构的对比如右图所示应用层 这层中有许多著名协议，如远程登录协议 TELNET、文件传送协议 FTP、简单邮件传送协议 SMTP等运输层 这层可使用两种不同的协议， 一种是面向连接的传输控制协议 TCP另一种是无连接的用户数据报协议 UDP运输层的协议数据单元是报文或数据流网际层 主要协议是无连接的网际协议 IP网际层的协议数据单元是 IP数据报或 IP分组与网际协议 IP配合使用的还有三个协议，这就是 Internet控制报文协议 ICMP、地址解析协议 ARP和逆地址解析协议 RARP。
网络接口层 由于 TCP/IP在设计时。