计算机网络第三章 课件详解 考研必看

1三．计算机网络通信协议知识⒈计算机网络发展中所遇到的问题·连线对端的信号标准不一致；·接入网络的操作系统所使用的网络数据传输控制方法不一致；·网络汇接、交换控制方法随不同厂商的产品而不同；上述问题使得众多网络产品制造商迫切希望不同的计算机和网络产品都能按照相同的信号、交换控制标准进行设计和生产。1978年，国际标准化组织（ISO）设立了T（9）（即ISO的9）技术委员会专门研究网络通信的体系结构并提出了开放系统互连OSI（OpenSystemInterconnection）的标准参考模型。⒉OSI标准参考模型与计算机网络通信协议①OSI的标准参考模型的层次结构OSI的标准参考模型将网络通信系统结构分为七个相互独立的层面，故又被称为七层模型（如下图所示）。应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层物理层协议链路层协议网络层协议传输层协议会话层协议表示层协议应用层协议物理信道结点A结点B2②OSI的标准参考模型的工作原理设想：将信号、数据按一定的长度分为若干个数据单位—数据包（Packet）。对数据包再按不同的应用功能分层组装，经过物理信道传送到目的站后再逐层分解、还原（如下图）。进行同层或相邻层间数据划分、组装、分解和还原的操作规则及其标准的总和就是网络通信协议（简称网络协议）。为了使不同计算机的同层间能相互识别对方，每台计算机的网络各层都要定义一个唯一的表示本层的网络地址。n层协议实体n层协议实体n层协议向n-1层请求的服务向n层提供的服务n-1层协议实体n层n-1层n+1层向n+1层提供的服务向n层请求的服务n层的用户对等的n层的用户应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层结点A发送结点B接收用户数据用户数据H7用户数据用户数据H7用户数据H6用户数据H7用户数据H6用户数据H7用户数据H6H5用户数据H7用户数据H6H5H4用户数据H7用户数据H6H5H3用户H5H4H3H4H2T2报文报文报文报文报文帧用户比特3自从上述OSI模型推出之后，许多与计算机网络服务相关的国际组织和许多国家的专门技术管理部门针对不同层的网络通信陆续推出了多种相关层面的网络协议。网络协议由语义、语法和变换规则三个部分组成。语义是关于该层功能所涉及的内容的定义。语法是为实现该层功能所涉及的数据格式的定义。变换规则是关于实现该层功能所必须进行的操作步骤的定义。③OSI的标准参考模型分层功能的划分（一）物理层实现数据的数模、模数转换（既前述的数据通信内容）和传送。目前使用较多的物理层协议有电子工业联盟（ElectronicIndustriesAlliance—EIA）的RS-232C协议（RS意为RecommendedStandard、232为标准序号、C为版本号）、国际电报电话咨询委员会（ConsultativeCommitteeonInternationalTelephoneandTelegraphy—CCITT）的V.24协议（V意为Volume、24为标准序号）等（参见下表）。EIA标准CCITT建议主要特性RS-232CV.24、V.28基本标准，25芯接口，最高传输速率为20kbps，最大传输距离为15m。RS-449RS-422ARS-423AV.11/X.27V.10/X.26在上述基础上接口改为37（9）芯，最高传输速率为10Mbps，最大传输距离为1km。RS-530使用25芯接口的RS-449协议。最高传输速率为2Mbps，最大传输距离为60m。V.35使用34芯接口,最高传输速率为48kbps，最大传输距离为100m。X.21使用15芯接口的RS-232C协议。最高传输速率为10Mbps，最大传输距离为300m。物理层的网络地址由置于计算机内的网卡来确定。每一块网卡4（包括各种型号的内、外置调制解调器）都有一个6字节长的全世界唯一的物理地址，又称为MAC（MediaAccessControl）地址。生产网卡的厂商经过合法的渠道可获得其一定范围的MAC域值。（二）（数据）链路层为网络层提供数据链路的控制服务（包括链路的搜寻、建立、维护和拆除等）、数据传输的差错检测服务（包括错误识别、顺序控制和流量控制等）。目前使用较多的链路层协议列于下表。协议推出的机构协议名称美国国家标准化协会（AmericaNationalStandardInstitute—ANSI）高级数据通信控制规程（AdvancedDataCommunicationControlProcedure—ADCCP）国际标准化组织（ISO）高级链路控制规程（High-levelDataLinkControl—HDLC）国际电报电话咨询委员会（CCITT）X.25国际电子电气工程师协会（IEEE）802.2和802.3各一部(a)数据链路层数据包的组装来自网络层的数据包再装配特定的链路层首尾标志就构成了本层的数据传输单元—帧。例如HDLC协议帧的结构可呈现如下的样式：HDLC协议规定该协议链路层地址字使用8个二进制数表示。其中全0为无效地址，全1为该层广播地址。因此在一个网络内使用本协议的链路层地址最多为254个。标志01111110目的地址网络层数据报帧校验数据标志01111110控制校验区间5(b)数据链路层的差错校验网络传输中对数据校验的方法很多，但不同层中所使用的却不相同。通常为了能够识别所收到的数据是否有错，必须在有效数据位以外插入专门用于校验的专用数据位。故统称为冗余码校验法。在链路层传送以字符型数据时多采用奇偶校验。既由发送方在所传送的数据中插入一位作奇校验或偶校验。接收方对全部收到的数据进行奇（偶）数1的判决。而当传送比特型数据的差错校验则多采用循环冗余码（CycleRedundancyCode）校验法。其原理是一个m位整数被扩大n位权值后再被n（nm）位数整数除所得的余数一定是一个不会超过n位的整数。于是可将该（n位）余数加上被扩大n位权值后的整数形成一个m+n位的新整数。接收方在收到该数据后先将附加的n位填为0，并用相同的n位的整数去除，将得到的余数与所附加的数值相减，若差为0则传输正常。例：传送十进数179，冗余因数为19，则17900÷19的余数为2，实际应传送17902。(c)IEEE802协议标准与计算机局域网在计算机网络中，局域网是构成整个计算机网络的基础。而OSI模型中的链路层和物理层又是构成计算机局域网络的最基本成份。目前在计算机局域网络中使用最为广泛的是IEEE802协议标准。尽管该协议产生于OSI模型之后，但由于网络制造商的广泛采用而在1984年被ISO采纳为ISO8802标准。IEEE802协议是由国际电子电气工程6师协会于1980年2月成立的计算机网络专门委员会陆续推出的一个计算机网络互连协议家族（见下表）。IEEE802.1A：概述及网络体系结构IEEE802.1B：寻址、网间互连和网络管理IEEE802.2：逻辑链路控制LLCIEEE802.3：CSMA/CD访问控制和物理层技术规范IEEE802.4：令牌总线介质访问控制方法和物理层技术规范IEEE802.5：令牌环介质访问控制方法和物理层技术规范IEEE802.6：分布式队列双总线协议和物理层技术规范（MAN城域网网标准）IEEE802.7：FDDI访问介质控制方法和物理层技术规范IEEE802.8：FDDI时间片环访问控制方法和物理层技术规范IEEE802协议与OSI模型的区别如下图所示：利用OSI模型的物理层和链路层协议便可组成最简单的计算机局域网络。这种局域网络被称为以太（Enthernet—1970年由Xerox公司推出）网。而IEEE802.2和IEEE802.3是支持以太网络的典型协议。更由于众多的厂商所推出的商业品牌的协议都以其为基础改进或扩充，故其知名度更高。如Novell公司推出的IPX/SPX协议、802.2逻辑链路控制802.1网间互连协议802.1A网络体系结构802.1B网络体系结构802.3MAC802.3物理802.4MAC802.4物理802.5MAC802.5物理802.6MAC802.6物理802.7MAC802.7物理802.8MAC802.8物理物理介质访问控制逻辑链路网络7Microsoft公司推出的Netbeui协议、Ndis协议等。IEEE802的地址由标识本层网段的地址字和标识本站的地址字所组成。该二地址分别为4字节的长度。IEEE802.3协议所采用的载波监听、多重访问、冲突检测控制（CarrierSenseMultipleAccessProtocolswithCollisionDetection—CSMA/CD）方法是计算机局域网络中典型的物理层控制方法。其基本思路是某站在发送信息前先监听信道内是否有数据正在传送。当确认信道空闲时即刻占用信道并发送数据帧。监听的方法通常有1-坚持、非坚持和p-坚持等。但由于发站发出的数据要经过一段延迟才能到达收站，因此容易形成两个以上的发站同时抢占信道并发送数据帧。此时，就需要采用冲突检测手段来减少发送数据的碰撞可能。冲突检测控制所采用的是一种被称为退避算法的控制方法来避免发送冲突的。8例：假设A站在时间t0开始发一帧数据给站B，当发送了t0+t1时B站监听到网络空闲，便即刻开始发送。几乎在t0+t1+t’时B站因收到冲突信号而停止发送，而A站则要到t0+2(t1+t’)时才能收到冲突信号。因此一个站从开始监听并判断网络是否空闲的最短时间为两倍的信道延迟时间。上述方法解决了多站异步传输导致冲突问题，但仍存在同步传输冲突的可能。解决方法是各站自备一个随机正整数（使该数最小为2），每次要发信时按该数倍的最大传输延时等待既可。由物理层和链路层便可构成局域网络。构成局域网络的主要连接设备有Hub和Switch。ABt0ABt0t1t'tABt1+t'AB2t1+2t'9（三）网络层网络层的功能是实现网间数据的交换服务。在一个局域网络内部的数据交换只要有物理层和链路层协议的支持就可实现。位于两个不同的局域网络内的计算机实现数据交换则必须借助网络层协议的支持才能进行（如下图所示）。(a)网络层的传输方式·虚电路方式—在进行数据通信之前，要两个站间建立一条网络连接·数据报方式—将传送的数据按某种规则分成若干个分组并以分组为单位进行数据通信虚电路方式数据报方式有连接无连接数据顺序有保证数据顺序保证较差传输质量可靠传输质量较差传输成本高传输成本低(b)网间互连的形式·网桥—利用放置在服务器内的多块网卡实现的局域网间的互连（如下图）局域网1A站局域网2B站网络层协议支持的连接服务器A服务器B10·多协议路由器—利用专门设计了多种网络层交换协议的设备充当网间互连的介质·网关—利用指定网络对外连接地址的一种强制性网间访问(c)路由选择与拥塞控制一个网络与多个网络间可能存在多条连接通道，因而势必造成了通过不同的连接通道的搭配则会产生不同的传输效果的现象。本层协议的重要控制规则便是为进行数据通信的两个站点寻找到恰当的一组连接通道，这种通道便称为路由（如下图所示）。选择路由的计算方法很多，较为常用的有：·最短通路算法—从多条路由中选出传输时间最短的一条路由固定不变，易拥塞。·静态路由算法—在多条路由中指定一个固定的路由路由固定不变，拥塞程度由人为控制。·距离矢量路由算法—每个点定时测试去往各相邻路由的距离并将测的路由距离矢量表和邻站发来的路由距离矢量表一起发给相邻站点路由能动态改变，可示拥塞程度自动选择路由，但路由距离矢量表容易发错且网络层开销加大。该协议的产品名称为RIP—RouteInformationProtocol。A结点的路由表D结点的路由表目的结点下一个路由器距离目的结点下一个路由器距离ABCD12311AA0AA1BB1BA2CB2CA3DD1DD0若某时刻路由1出现故障，A结点首先告之D结点，则D结点的路由表内关于B结点和C结点的距离会改为无穷大。但若D结点首先告之A结点，则A结点的路由表内关于B结点和