網絡通訊與信息安全課件 03網絡體系結構

第三章計算機網絡體系結構3.1劃分層次的必要性3.2實體、協(xié)議、服務和服務訪問點3.3面向連接服務與無連接服務3.4計算機網絡的體系結構

3.4.1OSI參考模型3.4.2TCP/IP參考模型3.4.3五層協(xié)議的體系結構

3.5OSI與TCP/IP體系結構的比較5/14/20233.1劃分層次的必要性相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調工作才行，而這種“協(xié)調”是相當復雜的?！胺謱印笨蓪嫶蠖鴱碗s的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。5/14/2023社會上存在的郵政系統(tǒng)5/14/2023層次的劃分計算機網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規(guī)則。這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）。為進行網絡中的數據交換而建立的規(guī)則、標準或約定即網絡協(xié)議(networkprotocol)，簡稱為協(xié)議。5/14/2023網絡協(xié)議的組成要素語法數據與控制信息的結構或格式。語義需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。同步事件實現(xiàn)順序的詳細說明。5/14/2023劃分層次的概念舉例計算機

1

向計算機

2

通過網絡發(fā)送文件?？梢詫⒁龅墓ぷ鬟M行如下的劃分。第一類工作與傳送文件直接有關。確信對方已做好接收和存儲文件的準備。雙方協(xié)調好一致的文件格式。兩個計算機將文件傳送模塊作為最高的一層。剩下的工作由下面的模塊負責。5/14/2023兩個計算機交換文件文件傳送模塊計算機

1計算機

2文件傳送模塊只看這兩個文件傳送模塊好像文件及文件傳送命令是按照水平方向的虛線傳送的把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊5/14/2023再設計一個通信服務模塊文件傳送模塊計算機

1計算機

2文件傳送模塊只看這兩個通信服務模塊好像可直接把文件可靠地傳送到對方把文件交給下層模塊進行發(fā)送把收到的文件交給上層模塊通信服務模塊通信服務模塊5/14/2023再設計一個網絡接入模塊文件傳送模塊計算機

1計算機

2文件傳送模塊通信服務模塊通信服務模塊網絡接入模塊網絡接入模塊通信網絡網絡接口網絡接口網絡接入模塊負責做與網絡接口細節(jié)有關的工作例如，規(guī)定傳輸的幀格式，幀的最大長度等。5/14/2023分層的好處各層之間是獨立的。靈活性好。結構上可分割開。易于實現(xiàn)和維護。能促進標準化工作。5/14/2023層數多少要適當若層數太少，就會使每一層的協(xié)議太復雜。層數太多又會在描述和綜合各層功能的系統(tǒng)工程任務時遇到較多的困難。5/14/20233.2實體、協(xié)議、服務

和服務訪問點實體(entity)表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。協(xié)議是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層所提供的服務。5/14/2023實體、協(xié)議、服務

和服務訪問點（續(xù)）本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透明的。協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱為服務訪問點SAP(ServiceAccessPoint)。5/14/2023實體、協(xié)議、服務

和服務訪問點（續(xù)）協(xié)議交換原語交換原語服務用戶提供服務服務提供者第n層第n+1層服務用戶SAPSAP5/14/2023協(xié)議很復雜協(xié)議必須將各種不利的條件事先都估計到，而不能假定一切情況都是很理想和很順利的。必須非常仔細地檢查所設計協(xié)議能否應付所有的不利情況。應當注意：事實上難免有極個別的不利情況在設計協(xié)議時并沒有預計到。在出現(xiàn)這種情況時，協(xié)議就會失敗。因此實際上協(xié)議往往只能應付絕大多數的不利情況。

5/14/2023著名的協(xié)議舉例占據兩個山頂的藍軍與駐扎在這山谷的白軍作戰(zhàn)。力量對比是：一個山頂上的藍軍打不過白軍，但兩個山頂的藍軍協(xié)同作戰(zhàn)就可戰(zhàn)勝白軍。一個山頂上的藍軍擬于次日正午向白軍發(fā)起攻擊。于是發(fā)送電文給另一山頂上的友軍。但通信線路很不好，電文出錯的可能性很大。因此要求收到電文的友軍必須發(fā)送確認電文。但確認電文也可能出錯。試問能否設計出一種協(xié)議，使得藍軍能實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)因而一定(即100%)取得勝利？5/14/2023明日正午進攻，如何？同意收到“同意”收到：收到“同意”………………這樣的協(xié)議無法實現(xiàn)！5/14/2023結論這樣無限循環(huán)下去，兩邊的藍軍都始終無法確定自己最后發(fā)出的電文對方是否已經收到。沒有一種協(xié)議保證藍軍能100%獲勝。5/14/20233.3面向連接服務與

無連接服務面向連接服務(connection-oriented)面向連接服務具有連接建立、數據傳輸和連接釋放這三個階段。

無連接服務(connectionless)兩個實體之間的通信不需要先建立好連接。是一種不可靠的服務。這種服務常被描述為“盡最大努力交付”(besteffortdelivery)或“盡力而為”。5/14/2023面向連結的服務（connection-orientedservice）是以電話系統(tǒng)為模式，相反無連結服務（connectionlessservice）是以郵政系統(tǒng)為模式。可用服務質量（qualityofservice）來評價每種服務的特性。在面向連結的服務中，先發(fā)送的報文一定先收到，也就是說，發(fā)送和接收是有次序的。5/14/2023面向連結的服務5/14/2023無連結的服務

5/14/2023面向連結的服務和無連結的服務對比

5/14/20233.4計算機網絡的體系結構計算機網絡的體系結構(architecture)是計算機網絡的各層及其協(xié)議的集合。體系結構就是這個計算機網絡及其部件所應完成的功能的精確定義。實現(xiàn)(implementation)是遵循這種體系結構的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。體系結構是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。5/14/2023兩種國際標準法律上的(dejure)國際標準OSI并沒有得到市場的認可。非國際標準TCP/IP現(xiàn)在獲得了最廣泛的應用。TCP/IP常被稱為事實上的(defacto)國際標準。5/14/2023有關標準化組織為確保發(fā)送方和接受方能彼此協(xié)調，若干標準化組織促進了通信標準的開發(fā)，先簡單介紹5個這種組織：ANSI、ITU(CCITT)、EIA、IEEE和ISO。

ANSI：美國國家標準協(xié)會（AmericanNationalStandardInstitute）

ITU：國際電信聯(lián)盟（InternationalTelecommunicationUnion）

EIA：電子工業(yè)協(xié)會（ElectronicIndustriesAssociation）

IEEE：電氣和電子工程師協(xié)會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）

ISO：國際標準化組織（InternationalStandardOrganization）

5/14/2023國際標準化組織信息處理系統(tǒng)技術委員會（ISOTC97）于1978年為開放系統(tǒng)互連建立了分委員會SC16,并于1980年12月發(fā)表了第一個開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI/RM：OpenSytermsInterconnection/ReferenceModel）的建議書,1983年它被正式批準為國際標準，即著名的IS07498國際標準。通常人們也將它稱為OSI參考模型，并記為OSI/RM，有時簡稱為OSI。我國相應的國家標準是GB9398。開放系統(tǒng)互連參考模型的制定5/14/2023關于開放系統(tǒng)互連參考模型

OSI/RM只要遵循OSI標準，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統(tǒng)進行通信。在市場化方面OSI卻失敗了。OSI的專家們在完成OSI標準時沒有商業(yè)驅動力；OSI的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復雜，且運行效率很低；OSI標準的制定周期太長，因而使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場；OSI的層次劃分并也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現(xiàn)。

5/14/20233.4.1OSI參考模型數據鏈路層主機路由器協(xié)議應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層層7654321應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層應用層協(xié)議表示層協(xié)議會話層協(xié)議傳輸層協(xié)議網絡層數據鏈路層物理層網絡層數據鏈路層物理層通信子網邊界內部子網協(xié)議網絡層主機路由器協(xié)議物理層主機路由器協(xié)議APDUPPDUSPDUTPDU分組幀比特交換單元名字主機A主機B處理網絡應用數據表示互連主機通信端到端連接尋址和最短路徑接入介質二進制傳輸主機層：保證主機之間精確的數據傳輸介質層：控制網絡上信息的物理傳輸數據報5/14/20235/14/2023OSI參考模型的各層內容1）物理層（physicallayer）其任務是實現(xiàn)網內兩實體間的物理鏈接，按位串行傳送比特流，將數據信息從一個實體經物理信道送往另一個實體，向數據鏈路層提供一個透明的比特流傳送服務。典型問題：用多少伏特電壓表示"1"，多少伏特表示"0"；一個比特持續(xù)多少微秒；傳輸是否在兩個方向上同時進行；最初的連結如何建立和完成通信后連結如何終止；網絡接插件有多少針以及各針的用途。物理層特性：機械特性：接口的形狀、大??；接口引腳個數、功能等電氣特性：信號產生、傳輸速率、信號的傳輸、編碼。功能特性：接口線功能規(guī)定方法，接口線的功能分類。規(guī)程特性：傳輸方式（單、半、全雙工）5/14/2023數據鏈路層的主要任務是對高層屏蔽傳輸介質的物理特征,保證兩個鄰接的(共享一條物理信道)結點間的無錯的數據傳輸,給上層提供無錯的信道服務。需解決的問題：解決由于幀的破壞、丟失和重復的問題；防止高速的發(fā)送方的數據把低速的接收方"淹沒"，故需要某種流量調節(jié)控制；如果線路用于雙向傳輸，數據鏈路軟件還必須解決新的麻煩，即從A到B數據確認幀將同從B到A的數據幀競爭線路的使用權。數據鏈路層的功能：幀同步：接收方應當從收到的比特流中準確地區(qū)分幀的起止。鏈路管理：就是對數據鏈路層連接的建立、維持和釋放的操作。差錯控制：錯誤幀和丟失幀情況，需要控制。流量控制：阻塞產生原因及其控制。透明傳輸：無論什么樣的比特組合的數據都能夠傳輸就是透明傳輸。識別數據和控制信息：數據和控制信息一致時，應能夠識別。尋址：多點連接進行數據傳輸時，要保證信息能夠準確到達對方。通信控制規(guī)程：面向字符（基本型）和面向比特（高級數據鏈路HDLC）。2）數據鏈路層（datalinklayer）OSI參考模型的各層內容5/14/2023該層的基本工作是接收來自源機的報文，把它轉換成報文分組(包)，而后送到指定的目標機。網絡層關系到子網的運行控制，其中的一個關鍵問題是確定分組從源端到目的端的路由選擇問題。路由即可以選用網絡中固定的靜態(tài)路由表，也可以在每一此會話時決定，還可以根據網絡的當前的負載狀況，高度靈活地為每一個分組決定路由。數據報與虛電路服務、流量控制。擁有子網的人總希望他們提供的子網服務得到報酬，所以網絡層常常設有記帳的功能。網絡層是通信子網和資源子網的邊界。3）網絡層（networklayer）OSI參考模型的各層內容5/14/20235/14/2023該層的目的是提供一種獨立于通信子網的數據傳輸服務(即對高層屏蔽通信子網的結構)，使源機與目標機像是點對點的簡單地連接起來的一樣，盡管實際的連接可能是一條租用線或各種類型的包交換網?；竟δ埽涸诰W絡層的基礎上，完成端對端的差錯糾正，并實現(xiàn)兩個終端系統(tǒng)間傳送的分組無差錯、無丟失、無重復和分組順序無誤。通常，會話層每請求建立一個傳輸連結，傳輸層就會為其創(chuàng)建一個獨立的網絡連結。如果傳輸連結需要一個較高的吞吐量，傳輸層也可以為其創(chuàng)建多個網絡連結，讓數據在這些網絡連結上分流，以提高吞吐量(1:n)。另一方面，如果創(chuàng)建和維持一個網絡連結不劃算。傳輸層可以將幾個傳輸連結復用到一個網絡連結上，以降低費用(n:1)。傳輸層是真正的從源到目標“端到端”層。也就是說，源端機上的程序，利用報文頭和控制報文與目標機上的類似程序進行對話。4）傳輸層（transportlayer）OSI參考模型的各層內容5/14/20235/14/2023該層的任務是為不同系統(tǒng)中的兩個進程建立會議連接,并管理他們在該連接上的會話。會話連接到傳輸連接的映射：依賴于已經建立的傳輸連接。會話連接的釋放：在雙方都同意后，才釋放連接。會話層管理：用來協(xié)調、管理和控制兩會話實體間的交互活動5）會話層（sessionlayer）OSI參考模型的各層內容5/14/2023該層完成許多與表示有關的內容。表示層完成的功能有字符集的轉換,數據壓縮與恢復,數據加密與解密,實際終端與虛擬終端之間的轉換,以便使存在差異的設備能夠實現(xiàn)通信;或者為了提高通信效率,增強通信保密等。IBM主機使用的擴充的二－十進制交換碼EBCDIC碼與ASCII碼的轉換。定義了表示圖像的方法，比如：JPEG（JointPhotographicExpertsGroup：聯(lián)合圖像專家組）TIFF（taggedimagefileformat：標記圖像文件格式）；定義了表示聲音和影片的方法，比如：MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface：樂器數字接口），MPEG（MotionPictureExpertsGroup：活動圖片專家組）等。6）表示層（presentationlayer）OSI參考模型的各層內容5/14/2023應用層是OSI參考模型的最高層,負責兩個進程之間的通信,為網絡用戶之間的通信提供專用的程序包,一般可以看成是網絡環(huán)境的應用程序接口API(ApplicationProgramInterface)應用層涉及的問題：分布數據庫、分布計算技術、網絡操作系統(tǒng)和分布操作系統(tǒng)、遠程文件傳輸、電子郵件、終端電話、遠程作業(yè)錄入等。注：OSI模型本身不是網絡體系結構的全部內容，這是因為它并未確切地描述用于各層的協(xié)議和服務，它僅僅告訴我們每一層應該做什么。它僅僅是一種網絡教學模型。7）應用層（applicationlayer）OSI參考模型的各層內容5/14/2023OSI環(huán)境中數據的傳輸過程B5/14/2023OSI環(huán)境中的數據流5/14/2023盡管OSI模型在各種場合得到了廣泛的應用，但由于其建立時間過早，各種網絡的發(fā)展不斷突破了OSI參考模型，特別是互聯(lián)網的發(fā)展，對OSI模型是一個巨大的挑戰(zhàn)。OSI參考模型的教訓是：首先，在技術上不能完全適應網絡發(fā)展現(xiàn)狀，如會話層在大多數應用中很少使用，表述層幾乎是空的。相反數據鏈路層和網絡層內容過多，不得不分成子層，每一子層賦予不同的功能。OSI的另一個問題是有些功能在不同的層一再出現(xiàn)，如編址、流量控制、糾錯等等。有些功能放在那里很難達成一致意見，如安全性、加密及網絡管理層很難達成一致而干脆未包括在內。同時OSI完全忽略了無連接業(yè)務的相應的協(xié)議，而這在LAN和演播室局域網中得到了廣泛的應用，只是后來才加以補充。另一個嚴重問題是OSI主要考慮通信，而計算機世界有相當多的不同點。OSI參考模型的一些問題5/14/2023

TCP/IP參考模型是計算機網絡的祖父ARPANET和其后繼的因特網使用的參考模型。ARPANET是由美國國防部DoD(U.S.DepartmentofDefense)贊助研究的網絡。逐漸地它通過租用的電話線連結了數百所大學和政府部門。當無線網絡和衛(wèi)星出現(xiàn)以后，現(xiàn)有的協(xié)議在和它們相連的時候出現(xiàn)了問題，所以需要一種新的參考體系結構。這個體系結構在它的兩個主要協(xié)議出現(xiàn)以后，被稱為TCP/IP參考模型（TCP/IPreferencemodel）。3.4.2TCP/IP參考模型應用層傳輸層互聯(lián)網層主機至網絡層TCP/IP參考模型共有四層：應用層、傳輸層、互聯(lián)網層和主機至網絡層(或網絡接口層)。與OSI參考模型相比，TCP/IP參考模型沒有表示層和會話層。互聯(lián)網層相當于OSI模型的網絡層，主機至網絡層相當于OSI模型中的物理層和數據鏈路層。TCP/IP參考模型5/14/2023它的功能是使主機可以把分組發(fā)往任何網絡并使分組獨立地傳向目標（可能經由不同的網絡）

.這些分組到達的順序和發(fā)送的順序可能不同，因此如果需要按順序發(fā)送和接收時，高層必須對分組進行排序?；ヂ?lián)網層定義了正式的分組格式和協(xié)議，即IP協(xié)議（internetprotocol）?；ヂ?lián)網層的功能就是把IP分組發(fā)送到應該去的地方。分組路由和避免阻塞是這里主要的設計問題。TCP/IP互聯(lián)網層和OSI網絡層在功能上非常相似。TCP/IP參考模型的各層內容1、互聯(lián)網層（internetlayer）：5/14/2023它的功能是使源端和目標主機上的對等實體可以進行會話。在這一層定義了兩個端到端的協(xié)議。一個是傳輸控制協(xié)議TCP（TransmissionControlProtocol），它是一個面向連結的協(xié)議，允許從一臺機器發(fā)出的字節(jié)流無差錯地發(fā)往另一臺機器。它將輸入的字節(jié)流分成報文段并傳給互聯(lián)網層。TCP還要處理流量控制，以避免快速發(fā)送方向低速接收方發(fā)送過多的報文而使接收方無法處理。

另一個協(xié)議是用戶數據報協(xié)議UDP（userdatagramprotocol），它是一個不可靠的、無連結的協(xié)議，用于不需要TCP排序和流量控制能力而是自己完成這些功能的應用程序。TCP/IP參考模型的各層內容2、傳輸層（Transportlayer）：5/14/2023在TCP/IP模型的最上層是應用層（Applicationlayer），它包含所有的高層的協(xié)議。 高層協(xié)議有：

虛擬終端協(xié)議TELNET：允許一臺機器上的用戶登錄到遠程機器上并且進行工作。

文件傳輸協(xié)議FTP（FileTransferProtocol）:提供有效地將數據從一臺機器上移動到另一臺機器上的方法。

電子郵件協(xié)議SMTP（SimpleMessageTransferProtocol）:最初僅是一種文件傳輸，但是后來為它提出了專門的協(xié)議。

域名系統(tǒng)服務DNS（Domainnameservice）：用于把主機名映射到網絡地址。

超文本傳輸協(xié)議HTTP（HypertextTransferProtocol）；用于在萬維網（WWW）上獲取主頁等。TCP/IP參考模型的各層內容3、應用層（Applicationlayer）：5/14/20234、主機至網絡層

互聯(lián)網層下面什么都沒有，TCP/IP參考模型沒有真正描述這一部分，只是指出主機必須使用某種協(xié)議與網絡相連。層名應用層傳輸層互聯(lián)網層物理＋數據鏈路層TELNETSMTPFTPDNSTCPUDPIPARPANETMANYLANSANDWANSYOURLAN協(xié)議網絡TCP/IP模型中的網絡和協(xié)議TCP/IP參考模型的各層內容5/14/20233.4.3五層協(xié)議的體系結構TCP/IP是四層的體系結構：應用層、運輸層、網際層和網絡接口層。最下面的網絡接口層并沒有具體內容。因此往往采取折中的辦法，即綜合

OSI和

TCP/IP

的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結構。5/14/2023五層協(xié)議的體系結構應用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網絡層(networklayer)數據鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)數據鏈路層5應用層4運輸層3網絡層2數據鏈路層1物理層5/14/2023計算機

1

向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用進程數據先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層

PDU5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層報文再傳送到網絡層加上網絡層首部，成為IP數據報（或分組）5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2IP數據報再傳送到數據鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數據鏈路層幀5/14/2023計算機

1

向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數據鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2物理層接收到比特流，上交給數據鏈路層5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數據鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數據部分，上交給網絡層5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網絡層剝去首部，取出數據部分上交給運輸層5/14/2023計算機

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向計算機

2

發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層剝去首部，取出數據部分上交給應用層5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層剝去首部，取出應用程序數據上交給應用進程5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數據！5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用程序數據應用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應用程序數據H5應用程序數據H4H5應用程序數據H3H4H5應用程序數據H4運輸層首部H3網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部5/14/2023計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321計算機

1AP2AP1計算機

210100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數據鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數據5/14/2023H3H4H5應用程序數據計算機

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向計算機

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發(fā)送數據5432154321