《计算机网络基础》第2章网络体系结构.

第2章网络体系结构2．1概述2．2网络各层的功能2．3几个重要的协议返回2．1概述2．1．1协议2．1．2协议的分层结构2．1．3协议标准2．1．4标准化组织返回2．1．1协议协议是通信双方为了正确完成通信所规定的双方必须遵守的规约通信是在收发双方进行的，是不同系统之间的作用，如果通信双方不进行某种约定，通信是很难完成的特别是数据通信，由于所传输的数据不允许出错（误码率要求），通信终端又都是计算机（机器），因此对通信协议的制定提出了严格的要求通信协议要控制通信双方进行有效和可靠的数据传输，要进行差错控制、流量控制、路由选择，并解决网络中经常出现的拥塞和死锁等现象返回协议的体系结构由于通信的复杂性，导致了协议结构的复杂性所以在网络通信系统中，要对网络通信协议进行分层，化整为零，使得每一层协议变得相对简单，便于设计、分析和研究把某种协议的分层结构称为协议的体系结构IBM公司1974年推出的体系结构SNAARPA采用TCP/IP体系结构OSI就是一个协议的标准2．1．2协议的分层结构用邮政系统说明协议分层结构是再好不过的，如图2-1所示返回发信者北京站北京局收信者哈站哈局火车邮政系统是最古老的一种通信系统，这个系统可以分为三层最高层是得到邮政服务的用户，包括发信者和收信者。发信者发出一封信，邮寄到收信者手里，实现了信的邮递第二层是完成邮件传递的两个邮局，图中为哈尔滨局（简称哈局）和北京局。邮局一般把发往同一地区的信集中起来放在邮袋中，一同传递到对方局，完成邮件在两局之间的传递第一层是完成邮件传递的两个车站，图中为哈尔滨站（简称哈站）和北京站最底层是实现邮件传递的火车，邮件最终是由火车在两个车站之间进行实体传递的在邮件传递过程中，发信者与收信者、两个邮局之间和两个火车站之间进行的通信都是虚通信，只有火车才实现了实通信信从发信者传递到收信者手里是由多层虚通信和有关的实通信完成的邮局为用户服务，火车站为邮局服务，服务是一层层完成的，网络中进行通信的过程类似于邮件传递的过程从网络通信原理的角度可以把网络分为五层即应用层（A）、传输层（T）、网络层（N）、链路层（D）和物理层（Ph），如图2-2所示。AATTNNDDPhPh物理媒体虚通信实通信SAPPDU分层的基本概念一般各对等层的协议完成各层间的通信所有层间(包括物理层)的通信都是虚通信只有物理媒体中实现的是实通信各层间虚通信完成各层间协议数据单元（ProtocolDataUnit,PDU）的传输,如TPDU(TransmissionPDU)和NPDU(NetworkPDU)等上层靠下层的服务才能使通信完成服务通过层间的服务访问点（ServiceAccessPoint,SAP,如TSAP、NSAP等）作为接口对等层的通信在对等层间的虚通信有两种方式一种是面向连接的方式另一种是无连接的方式各层协议数据单元是有结构的要传输的报文进入第n层后，要加上该层相应的报头信息，有的层（链路层）还同时加上尾部信息，这些都是用来进行通信控制的MMH4MH3H4MH4MH3H4MH2H3H4MT2H2H3H4MT2物理媒体应用层PDU传输层PDU网络层PDU链路层PDU终端A终端B层间的服务传输层把应用层PDU(M)加上传输层的报头信息H4传送给网络层网络层把应用层的PDU以及所加上的H4看作是传输层PDU，并进一步加上网络层的报头H3传送给链路层链路层加上报头信息H2以及报尾信息T2组成一帧信息通过物理层作为2进制代码在物理通路中传输这里描述的是A终端的过程，在B终端一方，恰好执行相反的服务过程在A方是“打包”的过程，在B方是“拆包”的过程2．1．3协议标准国际标准化组织ISO于1977年成立专门机构制定了一个网络体系结构的标准即著名的开放系统互连基本参考模型（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel，OSI/RM）返回7应用层（A）6表示层（P）5会话层（S）4传输层（T）3网络层（N）2链路层（D）1物理层（Ph）OSI参考模型采用了七层体系结构顺序依次是：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层和物理层2．1．4标准化组织1．ISO2．IEEE3．ITU4．IETF５．EIA返回2．2网络各层的功能2．2．1物理层2．2．2链路层2．2．3网络层2．2．4传输层2．2．5高层协议返回2．2．1物理层1．数据通信系统模型2．物理层的特点3．物理层的功能4．对物理层的进一步讨论1．数据通信系统模型计算机网络属于数据通信系统（相对于电话通信系统），有时为了讨论方便，一般可以把数据通信系统表示成如图2-5所示的模型DTEDCEDTEDCE通信线路数据电路数据链路其中，DTE称为数据终端设备（DataTerminalEquipment），可以是计算机等终端设备DCE称为数据电路端接设备（DataCircuit-terminatingEquipment），可以是调制解调器等设备通信线路可以是有线的，也可以是无线的；可以是模拟的，也可以是数字的；可以是交换的，也可以是点对点的通信线路是物理电路，经过DCE设备后变成了可以传输数据信息的数据电路数据电路经过扩展，把数据终端设备中的通信控制器再考虑进去形成的逻辑电路称为数据链路，数据链路有时简称为链路，是一条用于传输无差错数据的逻辑电路2．物理层的特点物理层是7层协议中的最底层，但是物理层协议标准是制定得比较晚的一层。一方面是由于物理层涉及直接和各种复杂的通信设施打交道；另一方面是由于在OSI模型提出之前就已经开发了许多协议的产品，使得标准的制定难以统一物理层直接与物理接口作用，是纯粹的服务提供者，向链路层提供面向连接的服务，但是物理层仍然具有逻辑的意义物理层并不是某些具体物理设备的描述和产品规格说明，恰恰相反，物理层屏蔽物理设备的差异，起到了通信子网与物理设备间的隔离层作用所以，物理层仍然属于逻辑的范畴，物理层的通信仍然属于虚通信3．物理层的功能物理层是七层协议最底层物理层向链路层提供面向连接的服务物理层屏蔽物理设备的差异物理层的功能是在DTE和DCE之间，为传输比特流所需的物理层连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段物理层局限自己的范围是在DTE与DCE之间的接口。其实质是物理层研究问题的范围。返回物理层的接口接口可以概括为物理层的四个特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性机械特性就是对DTE与DCE之间进行物理连接时接插件的规格定义机械特性就是在DTE与DCE之间进行物理连接时对接插件的规格定义在DTE与DCE之间通过多条导线相互连接，作为两种独立的设备，通常采用标准接插件极其方便地实现机械的互连为便于不同厂家生产的DTE与DCE进行连接，ISO制定了ISO2110接口标准该标准对接插件的几何尺寸、引线排列和锁定装置等机械特性作了详细的规定。接插件的形状一般都做成“D”型，所以称D型插口，如图2-6所示（前页）做成D型的目的是使之具有锁定功能以RS-232-C为例，在DTE一方，一般都做成插头（有插孔）；在DCE一方，一般都做成插座（有插针），25根引脚，引脚号依次为1~13和14~25电气特性描述接口的电气连接功能特性用来说明某条线上出现的某一电平的意义规程特性用来说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序4．对物理层的进一步讨论物理层的研究范围只涉及DTE与DCE之间的接口，可以把物理层的主要功能理解为如何把DTE通过DCE连接到网络上去物理层只负责实现无意义的二进制代码的传输，而不管传输的内容是什么，也不管所传输的内容是否有错，差错问题由链路层去解决要注意物理层的千差万别比如RS系列的物理层标准就有很多以太网、令牌环等网络各有各的物理层协议仅10M以太网就有4个物理层规范所以，这里只是以一个典型的、古老的RS-232协议为例来介绍物理层的基本概念。2．2．2链路层1．链路层功能2．链路层协议分类3．可靠的链路层协议返回1．链路层功能链路层是非常重要的一层，任何网络都离不开链路层从高层向下看，惟有链路层才真正承担着网络数据传输的任务，是数据传输的核心和骨干，因为链路层完成了有结构、有意义和可控的数据传输物理层虽然是在其下层实现代码的传输，但物理层的数据传输是无意义的发送数据时，链路层把高层数据放在链路层的“信息字段”并封装成帧实现数据传输，在接收时解封、还原并交给高层处理所以链路层的功能是在两个（相邻的）结点间实现帧的传输。这里给出了要传输的数据—帧的形式，给出了作用的范围，即两个（相邻的）结点间2．链路层协议分类链路层协议有多种按照网络组成方法和数据传输方式的不同，可以分为点对点和广播方式根据链路层对可靠性响应方式的不同，又可以分为可靠的和不可靠的按照传输数据的组织方式分类，链路层协议又可以分为两大类：面向字符型和面向比特型点对点和广播方式例如HDLC和PPP是点对点的，以太网是广播方式可靠的和不可靠根据链路层对可靠性响应方式的不同，又可以分为可靠的和不可靠的点对点的PPP协议和广播方式的以太网是不可靠的点对点的HDLC和BSC是可靠的面向字符型和面向比特型按照传输数据的组织方式分类，链路层协议又可以分为两大类：面向字符型和面向比特型最早的面向字符型协议是由IBM公司在20世纪60年代初提出的二进制同步通信控制规程BSC，后来由ISO进行了标准化最早的面向比特型协议也是由IBM公司在1969年提出的同步数据链路控制规程SDLC，用在该公司的SNA网络体系结构中在此基础上，各标准化组织都制定了各自面向比特型协议的标准。例如ISO在SDLC的基础上制定了高级数据链路规程HDLCITU制定了LAPB协议标准，LAPB是公共分组交换网的链路级协议，体现在ITU著名的X.25建议书中在实际网络应用中，链路层大部分都采用面向比特型协议，已经很少采用面向字符型协议3．可靠的链路层协议可靠是指不出差错那么是否不可靠的链路层就允许出差错呢？其实所谓“不可靠”是指在本层（如链路层）不进行有关可靠性方面的处理。例如传输中的差错，不可靠的链路层把差错交由高层处理，整个网络依然是可靠的数据传输实际上，数据传输对通信系统可靠性的要求是比较高的，一般来说不允许出错或者对差错有一个所谓误码率（误码率是恒量通信系统数据传输质量的性能指标）的限制要求对于可靠的链路层，除了以上介绍的基本功能以外，还必须提供面向连接、流量控制和差错控制的功能以达到可靠数据传输的目的连接的概念连接的概念很简单，是指通信之前在通信的两个端点之间通过控制命令的交互建立联系，然后再通信，通信结束后再断开已经建立的联系下面主要介绍流量控制和差错控制的概念（1）流量控制不论是发送站还是接收站，都必须开辟一定容量的缓冲区主机因为忙，来不及对数据进行处理时，这些数据必须在缓冲区暂存显然缓冲区是通信系统的资源为了保证无差错传输，在链路层必须进行流量控制否则，当接收缓冲区满时，还有数据从发送方传输过来，就会使缓冲区中还来不及处理的数据丢失在高层如有些网络层和传输，也有流量控制的任务链路层流量控制方法链路层流量控制有两种方法：停等协议滑动窗口协议所谓停等协议就是每发送一帧信息都要停下来等待接收方发回来的确认信息假设在数据传输中没有出错的情况，A结点每发一帧数据后就停下来等待，直至收到B结点发回的ACK信号再发下一帧，这样，就起到了流量控制作用送主机ACKACKDATA1DATA0送主机AB（2）差错控制在数据传输系统中，必须尽可能地减少差错发生，使误码率达到要求的指标，所以在系统中必须引进差错控制机制。每当差错发生时，可以发现错误，并采取相应的措施纠正目前差错控制主要采用反馈重传纠错机制，如图2-8所示送主机ACKNAKDATA1DATA0ABDATA1送主机其原理是：接收方通过校验，发现数据有错时回答否认（NegativeAcKnowlegement，NAK）信号，发送方接收到NAK后必须重发这一帧，从而起到了差错控制的作用，这时在发送方应该设一个帧的发送缓冲区暂存用于重发的帧但有时因为信道质量差，使得数据帧发生丢失，接收方不知道有数据发来，