计算机网络第3章课件

1、第3章 计算机网络体系结构与协议组成：语法、语义和定时。语法：传输信息所遵循的格式，即对传输数据格式的规定。 语义：交换的信息的含义。 定时：事件执行的顺序，包含速率匹配和排序等。2.分层 一个功能完备的计算机网络系统需要有一套复杂的协议集，组织计算机网络协议的最好方式是层次结构模型。计算机网络体系结构：计算机网络层次结构模型和分层协议的集合。网络体系结构的核心：接口和协议。分层：从物理连接到具体应用，将全部问题分成许多小的模块来第3章 计算机网络体系结构与协议解决，自上而下分成若干层，每层都使用由较低层提供的有意义的服务，同时该层又为较高层提供所定义的服务，高层依靠低层交换信息。 每一层完成

2、一定的功能，这些功能代表整个通信处理过程的一个组成部分，每一层都是建立在它的下一层基础之上。每层通过层间接口进行连接，接口把服务实现的细节对上层屏蔽。一台计算机的第n层与另一台计算机的第n层进行对话，对话的规则就是第n层协议。只要一个层的功能仍能为上一层提供所要求的服务，该层内功能的具体实现可以在不影响相邻层次的基础上修改和替换。 3.接口 接口：功能层之间的通信规约，数据流穿越功能层界面的约定。第3章 计算机网络体系结构与协议1）第n层实体在实现自身功能时，只能使用(n-1)层提供的服务，(n-1)层又使用了(n-2)层提供的服务。2）第n层向(n+1)层提供的服务不仅包括该层本身的功能，还

3、包括第3章 计算机网络体系结构与协议下层服务的功能总和。3）最低层只提供服务，是提供服务的基础；最高层只提供应用，是使用服务的最高层；中间层既是下层的服务对象，又是其上层的服务提供者。 4）仅在相邻层之间有接口，层间通过接口通信，并将服务功能细节对上层屏蔽。 协议类型：同等层间的通信协议和不同层之间的通信协议。4协议分层原则 划分层次的原则： 1）划分的层次不能太多，也不能太少，以便于管理。2）网中各节点都有相同的层次，相同的层次具有相同的功能。第3章 计算机网络体系结构与协议3）同一节点内部相邻层之间通过接口通信。 4）每层使用下一层提供的服务并，向其上层提供服务。 5）不同节点的同等层按照

4、协议实现对等层之间的通信。 分层结构的特点：1）一个节点的各层只能与相邻上下层通信，不能跨层通信。2）最低层是网络中各节点的直接接口。3）节点各层都有自己的协议，这些协议互相独立，各层的功能任务明确。4）层间接口清晰，层间传递的信息量少。 5）便于模块划分和分工协作开发，服务与实现无关。6）模块内部变动，只要接口不变，就不会影响层间关系。 第3章 计算机网络体系结构与协议7）可使人们集中注意总体结构及其相互关系，有利于总体优化。32 OSI参考模型 ISO提出了开放系统互连参考模型（OSI-RM）。 封闭系统：计算机系统应用进程仅能在其内部操作。如单机系统。开放系统：计算机系统应用进程不仅能在

5、其内部操作，还能与另一计算机系统的进程进行通信。开放系统由通信设备连接计算机系统构成。两个计算机系统之间必须高度一致的协调，包括硬件上的协调和软件上的协调，才能从物理上、逻辑上建立连接。当多个开放系统都实现了这种协调，并构成了一个完整的系统整体，才能构成计算机网络。“开放”是指遵守OSI标准，一个系统可以和位于任何地方遵守同一标准的其他系统进行通信。第3章 计算机网络体系结构与协议“系统” 是指能够进行信息处理或传输的自治整体（如计算机、外设、软件、操作员、传输手段等）的集合。 1. OSI参考模型 1977年，ISO在分析和研究了已有网络体系后，同时考虑到连网的方便性和灵活性，提出了一种不基

6、于特定机型、特定网络操作系统和特定公司产品的网络体系结构，即ISO参考模型。异种计算机：具有不同硬件体系结构或不同操作系统的计算机。OSI参考模型定义了异种机连网的标准框架，为分散的开放系统互联提供了基础。建立模型时，设计者将传输数据的过程分解为一些基本元素，这些元素用特定应用相关的网络功能标识出来，对它们分类，组成一些独立的功能组。这些不同类型的功能组就形成了层次。第3章 计算机网络体系结构与协议第3章 计算机网络体系结构与协议1、2、3层是网络支持层，属于通信子网的功能范畴，称为低层，处理从一个设备到另一个设备数据传输的物理方面的问题，如信号电气特性、物理连接、物理寻址、传输顺序及可靠性等

7、。5、6、7层是用户支持层，属于资源子网的功能范畴，称为高层，容许不相关的软件系统间的互操作。第4层将低层和高层连接起来，成为连接通信服务与数据处理服务的桥梁，承担高层和低层所提供的服务之间的联络工作。高层通常通过软件实现，低层是硬件和软件的复合体，物理层几乎都是由硬件组成。 在ISO环境中，不同体系的应用进程通信，可利用OSI提供的服务功能，按照OSI各层协议进行。发送方，每一层都可将上层来的数据拆成几个数据单元，以适应第3章 计算机网络体系结构与协议下层对数据单元长度的要求。通常，第4层传输的数据长度没有限制，第3层把第4层来的数据分成较小的单元（分组），在分组前加上第3层的报头。接收方，

8、数据单元向上传递时，由同等层协议按顺序重新组成原数据单元。一般高4层的数据单元为报文，网络层的数据单元为报文分组，数据链路层的数据单元为帧，物理层的数据单位为比特。 应用进程PA将数据送到PB，在逻辑上要形成一条由PA到PB的一条虚通信路径。对等层之间好象是将本层的协议数据单元直接送到了对方，这就是对等层之间的通信。第3章 计算机网络体系结构与协议第3章 计算机网络体系结构与协议2. OSI模型协议的功能 （1）封装 低层PDU不仅包含来自上层的数据，还包括含有控制信息的报头。高层数据不含低层协议控制信息，可使相邻层之间保持相对独立。封装：在高层数据上添加控制信息的处理过程。地址：发送地址和/

9、或接收地址。 错误检测代码：通常是校验和。协议控制：只有特定协议才有额外信息。（2）分段与重组分段：某些网络只能接受小于一定大小的数据块，因此需要对PDU分段。第3章 计算机网络体系结构与协议重组：接收方，将分段数据组装成与发送的原始数据一致的消息。 （3）连接控制 传输方式：面向连接的和面向无连接的。面向连接：节点发送消息前，对每个PDU分配一个序列号。接收方收到PDU时，要检查其序列号。面向无连接：分组要加上网络地址，根据地址进行转发。分组独立传输，到达顺序有可能与发送顺序不一致，需要重新排序。（4）有序传输 每个PDU赋予一个唯一的序号，接收方根据序号对PDU重新排序。（5）流量控制 接

10、收方限制发送方发送数据的速率和数量的能力。第3章 计算机网络体系结构与协议(6)差错控制 包括：检错和纠错。网络层，差错检测通常向数据中插入校验码来实现。一旦出现差错，可以及时发现，及时纠正。常用方法：重传。网络层负责确定每个PDU被正确接收，传输层负责确保所有PDU都被收到，并且没有重复。(7)寻址协议的不同层包含指示数据传输方向的不同地址。传输头包含处理邮件数据的接收计算机的邮件应用程序地址。网络层头中地址是数据将发往的计算机的地址。第3章 计算机网络体系结构与协议（8）多路复用在单条线路上同时进行多路通信。 （9）传输服务 可为消息提供优先级服务，规定所需的吞吐率，或者安全机制等。这些是

11、可选的，视需要而定。 第3章 计算机网络体系结构与协议33 物理层1. 物理层的功能不是指物理设备或传输介质，而是有关物理设备通过传输介质进行互连的描述和规定。尽可能地屏蔽各种传输介质和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异的存在。数据链路层就可不必考虑具体的传输介质，专心致力于完成本层的服务。作用：在一条物理传输介质上，实现数据链路实体间比特流的透明传输。功能： （1）物理连接的建立、维持和释放 两个数据链路实体请求建立连接时，物理层应能立即为它们建立相应的物理连接。通信时维持连接，通信结束释放连接。（2）物理服务数据单元的传输第3章 计算机网络体系结构与协议物理层使用的数据单元称为物

12、理服务数据单元。可采用串行传输，或并行传输，保证传输的顺序。串行传输可以是同步的或异步的。（3）物理层管理 完成某些管理事务，如发送和接收的控制、异常情况处理、故障报告等。2. 物理层的特性 实现系统与传输介质的物理连接接口，在数据链路实体之间合理地通过中间系统，为“1”、“0”传输所需要的物理连接的建立、保持、释放提供机械、电气、功能和规程特性。连接主要是指数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的连接。DTE一般为数据终端、计算机或I/O设备，具有数据发送、接收和处理的能力。DCE为调制解调器、信号变换器、自动第3章 计算机网络体系结构与协议呼叫应答器或线路适配器等，具有信号变换

13、和编码功能，负责建立、维护和释放物理连接。通信过程中，DCE一方面将DTE传送的数据流逐比特发往传输介质，同时也将从传输介质接收的比特流顺序地传送给DTE。在DTE和DCE之间所传送的既有数据，也有控制信息，需要它们之间高度协调的工作，因而需要制定DTE与DCE接口标准，即物理接口标准。 第3章 计算机网络体系结构与协议物理层并不是物理设备或物理传输介质，而是有关物理设备通过物理传输介质进行互连的描述和规定。物理层可以屏蔽物理设备和传输介质的差异，使高层协议感受不到这些差异的存在。（1）机械特性定义计算机和通信设备之间物理连接接插件的规格和型号。RS232是一种串行物理接口标准。（2）电气特性

14、 定义连接所使用信号的性质和对应的逻辑关系。DTE与DCE之间有多条信号线，电气特性规定这些信号线的连接方式、发送器和接收器的电气参数。（3）功能特性 定义接插件引脚的名称、用途及信号的表示方法。第3章 计算机网络体系结构与协议连接线一般分为数据、控制、定时、接地4类。（4）规程特性定义双方从开始传输的连接、传输过程的控制到终止连接期间各种控制过程的描述。规定了物理连接的建立、维持和释放时DTE与DCE的动作时序。第3章 计算机网络体系结构与协议34 数据链路层 1.数据链路层的基本概念 在相邻节点间建立数据链路，传送以帧为单位的数据，有效、可靠地进行数据交换。通过差错控制、流量控制等，将不可

15、靠的物理传输信道变成无差错的可靠的数据链路。数据组成适合正确传输的帧形式的数据单元，对网络层屏蔽物理层的特性和差异，使高层协议不必考虑物理传输介质的可靠性问题，把信道变成无差错的理想信道。 两个概念： “链路”和“数据链路” 。链路：一条中间没有任何交换节点的点到点的物理线路段，也称为物理链路。链路是构成计算机网络的一个基本单元。在一条链路上传输数据，只有物理线路是不够的，必须有一些数据传输协第3章 计算机网络体系结构与协议议来控制数据的传输。链路再加上实现这些协议的硬件和软件就构成了数据链路，有时也称为逻辑链路。设置数据链路层的目的：把传输介质的不可靠因素屏蔽起来，通过数据链路层协议的作用，

16、在不可靠的物理线路上进行可靠的数据传输。功能：在物理层服务基础上，加上本层功能，向网络层提供服务。第3章 计算机网络体系结构与协议2. 数据链路层提供的服务 将源节点网络层传送来的数据正确地传送到相邻节点的网络层。源节点网络层进程把网络层数据传送给数据链路层，数据链路层通过数据链路层协议，将数据传送到相邻节点数据链路层，最后由相邻节点数据链路层协议将数据交给其网络层。第3章 计算机网络体系结构与协议数据链路层除提供上述基本服务外，还提供3种具体服务：（1）无确认的无连接服务向相邻节点发送独立的帧，相邻节点对收到的帧不作确认。节点通信前不建立连接，通信完成后也没有链路释放过程。帧丢失，数据链路层

17、不进行恢复，恢复工作由网络层完成。应用：低误码率的链路。 （2）有确认的无连接服务 向相邻节点发送独立帧，相邻节点收到后要向源节点回送确认帧。在规定时间内，未收到确认帧，重发该帧。优点：提高了传输可靠性。应用：可靠性不高的通信场合（如无线通信）。第3章 计算机网络体系结构与协议（3）面向连接的服务 节点传输数据前，建立连接。发送的每一个帧都加上编号，不使帧乱序。优点：为网络层进程提供可靠的数据传送服务。数据链路层的确认机制是一选项，因为传输层发送数据后要等待确认。在可靠的传输信道上，采用确认机制是没必要的。在不可靠的传输信道上，这样做可能是值得的。3.数据链路层的功能 实现相邻节点间正确的数据

18、传输。相邻节点间的物理连接保证不了数据传输的可靠性，设置数据链路层使高层不必考虑物理传输介质的可靠性，把通道作为无差错的理想通道。第3章 计算机网络体系结构与协议功能： （1）帧定界与同步 数据链路层帧由若干字段构成，各字段之间如何标识和分界，这就是定界问题。同步是如何使收发双方取得一致，即如何确定一帧的开始和结束，以保证接收不产生帧定界错误。 数据链路层必须把物理层传送来的比特流组合成帧，其目的是为了利于差错控制。当传输出错时，只须将有错的帧重传，不必重发送全部数据。同步方法：1）字节计数法 第3章 计算机网络体系结构与协议用一个特殊字符表示一帧的开始，再用一个字段标明本帧的字节数。目的节点

19、数据链路层读该帧的字节计数值，就可以确定帧的结束位置。面向字节计数的同步规程采用的这种方法。2）字符填充法 用特定字符定界一帧的开始和结束。当帧的数据字段出现同类字符时，就在其前面填加一个转义字符DLE加以区分。面向字符的同步规程采用的这种方法。 3）比特填充法 用一个标志字段（例如01111110）放在一帧的首和尾，标志一帧的开头和结束。采用比特填充的方法避免信息字段中出现相同模式的字段。面向比特的高级数据链路控制规程就是采用的这种方法。第3章 计算机网络体系结构与协议4）违例编码法 用非法编码序列作为帧的开头和结束标志。例如，数据采用曼彻斯特编码，而在帧的开头和结束处采用位中间没有跳变的编

20、码方式，使开头和结束字段与数据字段编码方式不同，从而可以确定帧的边界。 比较：字节计数法的“字节计数”字段一旦出错，不但影响本帧，还会影响后续帧。比特填充法比字符填充法优越，应用广泛。违例编码法只适用于物理层采用冗余编码的特殊编码使用。（2）差错控制 数据传输可能产生差错，传输过程中有可能使数据帧或应答帧丢失。接收方由于收不到数据帧而不予以应答，或者回送了应答帧，由于丢失发送方无法收到，必然等待下去。第3章 计算机网络体系结构与协议发送方每发出一帧，启动定时器计时，规定一最大计时时间。超时未收到应答信息，就认为帧出错或丢失，重发该帧。给每一发送帧编号，接收方根据编号区分是否重复接收帧。数据链路

21、层通过定时和帧编号保证每帧都能正确交给相邻节点网络层。（3）流量控制 使通信双方收发数据速率达到一致，保证最大的传输效率，提高传输的可靠性。使用反馈控制机制使发送方了解接收方的情况，根据某些规则决定什么时候发送下一帧，什么时候停止。不同层流量控制的对象不同。数据链路层控制的是相邻节点间数据链路上的流量，传输层控制的是源到目的间端到端的流量。第3章 计算机网络体系结构与协议（4）链路管理 主要用于面向连接的服务。链路两端的节点在进行通信前，需要确知对方已处于准备好，并交换一些必要的信息，对帧编号初始化，然后才能建立连接。通信过程中要维持连接，包括出现差错后重新初始化，重新建立连接等。通信完毕要释

22、放连接。4. 流量控制技术 为了获得高传输效率和高可靠性，远距离通信必须考虑流量控制。通常接收方开辟一定大小的缓冲区，接收数据进入缓冲区后对其进行处理，处理完毕后清除缓冲区。接收方未处理完，新数据进入了缓冲区，就会产生溢出。流量控制就是为了避免此现象产生而采取的相应措施。第3章 计算机网络体系结构与协议（1）停等流控技术 发送一帧后，等待应答。发送方收到确认信号，发送下一个数据帧；收到否认信号，重发。优点：工作简单，仅需半双工工作，所需缓冲区容量小。缺点：等待应答花费时间，传输效率低。应用：只有少量大的帧的情况。高速传输或实时性要求高的场合不宜采用。（2）滑动窗口流控技术发送方可连续发送若干帧

23、，一个ACK帧可对多个接收帧进行应答。1）窗口收发各创建一缓冲区，存储数据帧，并对传输帧个数进行限制。第3章 计算机网络体系结构与协议接收方可不等窗口填满而在任一点对数据帧进行应答，只要接收窗口未满，发送方就可发送数据帧。为了记录传输和接收的帧，引入了一个基本窗口大小标识机制，每一个要发送的帧都给一个编号，其范围是 。例如n=3，帧编号为0，1，2，3，4，5，6，7，0，1，2，3，4，5，6，7，0，1，。窗口大小为 ，本例为7。窗口比帧编号（此例为8帧）小1。接收方发送包含要求下一发送数据帧的编号确认所接收的数据帧。例如，收方发送一个编号5的应答帧，就对编号4的帧进行应答。两端窗口可以存

24、储 帧，发送方在接收ACK帧之前最多可以发送 帧，接收方每次最多可接收 帧。第3章 计算机网络体系结构与协议2）发送窗口最初，发送窗口有 个帧，随着帧的发送，窗口左边界向里移动，每发送一帧，右移一帧。如果窗口为W，自最近应答以来已发送3帧，窗口中剩余帧数为W-3。接收到ACK后，右边界向外移动，移动数目等于应答帧数。如果04的帧已发送，但未收到应答，发送窗口就只包含5、6两帧。若收到带有编号4的应答帧，便知03的帧已正确接收，发送窗口右边界向右移动4帧。第3章 计算机网络体系结构与协议数据帧发送后，发送窗口左边向内收缩；应答帧到来，右边向外扩展。收缩和扩展数等于确认帧数。3）接收窗口 接收数据

25、前，接收窗口是空的。接收窗口代表在发送应答帧前还能接收帧的数目。如果接收窗口为W，未发送应答帧前接收了3帧，此时，窗口所剩空间为W-3。发送应答帧后，窗口依照应答帧的个数进行扩展。接收一帧，左边界就向右移动一帧。应答帧发出，接收窗口右边界移动数目等于最近发出的应答帧中包含的帧编号减去上一次应答帧中包含的帧编号（模 ）。如果上次的应答帧编号是2，而当前的应答帧编号是5，窗口就扩展3(5-2)个空间。如果上次应答帧编号是3，当前应答帧编号是1，窗口扩展6(1+8-3)个空间。 第3章 计算机网络体系结构与协议数据帧接收后，接收窗口左边界向里收缩；应答帧发出时，窗口右边界向外扩展。收缩和扩展的数目等

26、于确认的帧数。4）窗口尺寸为避免在应答帧中出现模棱两可的编号，窗口的大小应是 ，而不是 。原因：如果发送了编号为0的帧，收到了带有编号为1的应答帧，发送方扩展窗口并发送编号为1，2，3，4，5，6，7以及0的帧。第3章 计算机网络体系结构与协议若此时又收到带有编号为1的应答帧，这时发送方就不知道到底这是前一次应答帧的重复，还是确认最近收到的8个帧的新的带有编号1的应答帧。如果窗口大小是7而不是8，这种情况就不会发生了。 适用于全双工通信。5）数据传输过程 假定无差错地传输。开始，收发窗口均为7。第3章 计算机网络体系结构与协议第3章 计算机网络体系结构与协议5. 差错控制技术 数据链路层的差错

27、控制主要是指检测和重传。1）肯定应答 接收方对收到的帧进行校验，无差错，送回一个肯定的应答ACK。2）否定应答 接收方收到一帧后进行校验有错，送回一个否定的应答NAK。发送方收到NAK，重传该帧。 3）超时重传 发送方有一计时器，发送一帧计时器计时。在规定时间内若没有收到该帧的应答信号，重传此帧。上述方法称为自动请求重发ARQ。第3章 计算机网络体系结构与协议数据重传情况：数据帧破坏、数据帧丢失和应答帧丢失。（1）停等ARQ 停等ARQ是停等流控技术和自动请求重发技术的结合。发送一帧数据后等待应答信号，收到ACK发送下一帧；收到NAK重传该帧；在规定时间内没有收到应答信号也必须重传该帧。没有收

28、到应答信号的原因：数据帧丢失；应答帧丢失。为了重传，在基本流控机制的基础上增加了4个方面的功能： 1）发送方在收到最近帧的应答之前必须保留帧的副本，以备重发，直到被正确接收。 2）为了识别各帧，数据帧和应答帧都交替地编号为0或1。一个编号为1的数据帧被一个ACK1确认，表明已经正确接收了数据帧1，并期望接收数据帧0。第3章 计算机网络体系结构与协议应答帧丢失，发送方重传。接收方会先后收到相同的两帧，根据帧编号丢弃重复帧。 3）NAK不编号，通知发送方重新发送最近的帧。 4）在规定的时间内没有收到应答信号，重传该帧。 可能的重传情况：帧破坏和帧丢失。1）帧破坏重发 接收帧有错，回送一个NAK，发

29、送方收到NAK后重传该帧。发数据帧1，返回ACK1，数据帧1被正确接收，期望接收下一数据帧0。发送数据帧0，正确到达，返回ACK0。又发送数据帧1，有错，返回一NAK。重发数据1 ，正确，返回一ACK1，如此继续。第3章 计算机网络体系结构与协议第3章 计算机网络体系结构与协议2）帧丢失重发 可能的帧丢失情况：数据帧丢失、应答帧丢失。 数据帧丢失 发送计时器超时，重发该帧，重新启动计时器，等待应答。 第3章 计算机网络体系结构与协议肯定应答帧丢失 发送计时器超时，重发该帧。接收方收到新数据帧检查其编号，如果与最近收数据帧编号相同，丢弃，回送一ACK，等待下一帧。第3章 计算机网络体系结构与协议

30、否定应答帧丢失 计时器超时重发。检查新收到的数据帧编号，如果与最近收到数据帧编号相同，无错，回送ACK；有错，回送NAK，等待该帧下一次到来。第3章 计算机网络体系结构与协议(2)回退N帧ARQ 在基本滑动窗口流控机制基础上增加了3个功能： 1) 发送方收到ACK之前保留发送帧的副本，以备重发。 2) ACK和NAK都必须编号。ACK编号表示期待接收的下一帧的编号；NAK编号表示损坏帧的编号。一个带有编号的应答，不但表明下一个期待接收的数据帧，也确认了该编号之前的所有帧。例如上一次的应答帧编号为3，一个ACK6就对3、4、5号帧进行了确认。对每一错误帧都必须进行应答。例如，4号和5号帧接收错误

31、，必须回送NAK4和NAK5。一个NAK4同时告诉发送方，4号帧之前的所有帧已正确接收。3) 发送计时器用于应答帧丢失处理。在规定的时间内没有收到应答信号，必须重发。第3章 计算机网络体系结构与协议在回退N帧ARQ中，一帧丢失或损坏了，从最近一次得到应答的数据帧开始重发。数据帧破坏 如果03号帧已发送，但收到了NAK3。表明0、1、2号帧已正确接收，3号帧损坏，需要重发。如果发送了04号帧，收到的2号帧有错，立即停止当前帧接收，回送一个NAK2。发方收到NAK2后立即停止发送，回退到2号帧开始重发。2帧正确，3号帧有错，马上回送一个NAK3，并对随后到来的4号、5号帧都丢弃。从3号帧开始重发。

32、第3章 计算机网络体系结构与协议第3章 计算机网络体系结构与协议数据帧丢失 数据帧破坏或丢失，接收帧顺序会发生错误。接收方检查帧编号，对最早丢失的帧返回一个NAK。重发NAK所指明的帧及以后发送的帧。 第3章 计算机网络体系结构与协议应答帧丢失 利用计时器判定哪一应答帧丢失。第3章 计算机网络体系结构与协议（3）选择性ARQ 接收方对被破坏的数据帧返回一个NAK，发送方只对被破坏帧重发。这样接收数据帧顺序会被打乱，要求： 1）接收方必须具有排序功能，对接收的乱序帧进行排序。同时，回送NAK后继续存储原接收帧，直至损坏帧被替换。 2）发送方必须存储已发送数据帧副本，收到NAK，重发所需重传帧。

33、3）ACK帧编号是对特定帧及其以前接收帧的肯定应答，而不是期待接收帧编号；NAK帧编号是对特定损坏（或丢失）帧的否定应答。 第3章 计算机网络体系结构与协议1）帧破坏 第3章 计算机网络体系结构与协议对2号帧否定应答，同时，对其之前正确接收的尚未应答的帧进行肯定应答。接收方在等待重传帧的同时可继续接收新的数据帧。错误帧后接收的数据帧，在错误帧未纠正之前不能进行应答。重传的2号帧到达时，返回一个ACK5，同时对重传的2号帧及3、4号帧进行了应答。选择性ARQ需记录缺少和未应答的帧，以便进行相应处理。 2）数据帧丢失 数据帧接收可以不按顺序，但应答必须按顺序。传输的最后一帧丢失，接收方不做应答，发

34、送计时器超时按丢失了应答帧对待。 3）应答帧丢失在规定时间内没有收到应答，就将未应答的所有帧都重传。第3章 计算机网络体系结构与协议（4）回退N帧ARQ和选择性ARQ比较 看起来选择性ARQ要比回退N帧ARQ更有效，事实上并非如此。接收方进行重新排序和存储帧所带来的复杂性，以及发送方为重传特定帧所需要的额外开销，要比回退N帧ARQ大得多。所以，实际中选择性ARQ并不常用。虽然回退N帧ARQ不如选择性ARQ性能好，但由于回退N帧ARQ方式实现简单，实际中却被经常采用。 6.数据链路传输控制规程 常用传输控制规程：面向字符型和面向比特型。面向字符的只适用于半双工通信，面向比特的能适应全双工通信。H

35、DLC是ISO制定的国际标准，是面向比特的，引入了标志字符F和“0”比特插入删除技术，实现了数据的透明传输。第3章 计算机网络体系结构与协议(1) HDLC规程特点 1）使用固定“封装”格式帧结构和“0”比特插入删除技术。 2）面向比特传输，任意长的比特序列都可以以帧的形式传送。 标志字段F序列01111110有可能在幀中出现，破坏幀同步。为此，采用 “0”比特插入、删除技术。在帧发往信道前，除标志字段以外的所有字段都要进行“0”插入。每当出现5个连续的“1”后，就插入一个“0”。这样除标志字段外，幀中不会有多于连续5个“1”的比特序列出现。接收方在检测到起始标志字段后，继续检查5个连续“1”

36、后的比特。如果为“0”，删除；如果为“1”，再检查下一个比特。第7个比特是“0”，就认为是标志字段。第7个比特是“1”，是错误序列，拒绝接收。例： “0”为插入的“0”。第3章 计算机网络体系结构与协议数据序列 111111111111011111101111110插入“0”后的序列 1111101111101101111101011111010信息字段可以插入任意的比特模式，称为数据的透明性，该传输方式称为透明传输。（ 2）HDLC帧结构 标志、地址和控制字段统称为报头。校验和标志字段称为报尾。第3章 计算机网络体系结构与协议F：标志字段，帧定界符，由01111110组成，表示一个帧的开始和

37、结束。连续传送数据帧时，同一个标志字段在表示前一帧结束的同时，也表示下一帧的开始。还用来建立和维持帧的同步。接收方不断地搜索该字段，进行幀起始同步。A：地址字段，写入从站或应答站地址。通常为8bit，可寻址256个地址。使用扩展方式，按8bit的整数倍扩展。8位组中的第1位是扩展位，其余7位为地址。扩展位为0，表示后面紧跟的8位组也是地址；扩展位为1，表示是最后一个8位组。11111111表示广播地址，主站广播一个幀给所有从站。第3章 计算机网络体系结构与协议 C：控制字段，标识帧类型、帧编号、命令和控制信息。 I：信息字段，长度为字节的整数倍，通常不超过256字节。执行0比特插入和删除操作。

38、 PCS： CRC校验字段，G(x) = x16 + x12 +x5 +1，检查A、C、I字段在传送过程中是否出现了差错。也可采用32位的CRC码校验。 （3）HDLC帧类型 帧类型：信息帧、监控帧和无编号帧。分别由帧控制字段C中的帧格式识别位指示。信息帧：传输用户信息。监控帧：链路状态的监视和控制。无编号帧：命令和响应，数据链路控制。第3章 计算机网络体系结构与协议35 网络层 网络层要决定数据在通信子网中传送的路径，控制通信子网的数据流量，防止拥塞等，提供建立、维护和终止网络连接的手段。是通信子网的最高层，最能体现网络的概念，称为网络层。在数据链路层提供服务的基础上向传输层提供服务，使传输

39、层不必关心网络内部的中转细节、路由选择以及多个子网互联的详细情况。1. 网络层提供的服务和功能 （1）网络层提供的服务 基本服务：为两个传送实体提供透明的数据传送。屏蔽不同传送方式和子网技术的差异，保证网络服务的一致性。讨论点-点连接方式通信子网的网络层。第3章 计算机网络体系结构与协议向传输层提供的服务类型：面向连接的服务和面向无连接的服务。 面向连接的服务：传输数据前建立一条从源到目的的固定的数据传输通路（虚电路）。传输结束后，拆除连接。面向无连接的服务：传输数据前不需要建立从源节点到目的节点的连接。分组加上网络地址，转发节点要进行路由选择，分组到达顺序可能与发送顺序不同，必须重新排序。是

40、一种无序的服务。（2）网络层的功能1）动态地建立、维持和拆除网络连接。 2）多路复用。3）数据的分段和组装，差错检测和恢复，流控和有序服务。4）路由选择和中继。第3章 计算机网络体系结构与协议2. 路由选择 节点收到分组后，决定在哪一条输出链路上输出所使用的策略。（1）静态路由选择法 不反映网络状态变化的路由选择方法。 1） 扩散法节点收到分组后，向除发往该节点以外的所有相邻节点转发分组。改进：节点记住已发送的分组标识，重复分组到达时丢弃。第3章 计算机网络体系结构与协议特点： 可靠性高。可作为其他路由算法的参考，确定最短路由、最小时延的路经。 选择扩散法：节点把接收的分组只向与目的节点方向一

41、致的那些输出线路转发。减少了网络的流量。应用：只适用于负载较轻的小规模网络。2）固定路由法 每个节点都保存一张固定的到达其他各节点的路由表，表中有该节点到所有可能的目的节点的输出路径。根据目的地址，从表中找出输出路径。表是事先设计好的，在一段相当时间内保持不变。优点：简单，网络拓扑结构不变且通信量稳定，该方法是很好的。第3章 计算机网络体系结构与协议缺点：网络拓扑结构发生变化，不能保证正常的分组传输，需要人工加以处理，应用有一定的局限性。后继节点当前节点123456收节点11113/23/4221/5224/5331/51/6334441/66/2453/2556/2563/44/5666第3

42、章 计算机网络体系结构与协议（2）动态路由选择法 经常地对网络参数变化作出反应，在各种网络状态下都能提供最佳路由。代价： 1) 最佳路径的计算复杂、频繁、开销较大。 2) 增加了网络的负担。 3) 对网络参数变化反应速度控制困难，增加了网络管理复杂度。优点 ：1)能明显改善网络性能，使网络具有最大的吞吐率，延迟小。2)能对业务量进行控制，可避免或推迟网络拥塞的发生。应用：大型公共网络。第3章 计算机网络体系结构与协议1）孤立式 只根据本节点状态进行路由选择，和其它节点不交换路由信息。最短队列法分组进入节点，放入最短输出队列中。例如队列。固定式与最短队列法的结合 不但要考虑固定式策略，还要考虑队

43、列的长度。第3章 计算机网络体系结构与协议a)先按固定式选择输出链路，队列长度不超过给定值时，就选用该输出线。b)按最短队列法选择输出链路，再根据该链路的可用率决定是否选用。 c) 选择可用率最高和队列最短的链路作为输出。 原则：负载轻时，选择可用率高的；负载重时，选择队列最短的。2）分布式 节点定期与相邻节点交换路由信息来修改自己的路由表。经过多次修改后，就可反映出整个网络的路由变化情况。优点：能够适应全网状态变化。缺点：近节点反应快，远节点反应慢。第3章 计算机网络体系结构与协议每个节点都有一张路由表，内容：去往目的节点的输出链路和估计到达目的节点的距离等。距离度量标准：节点数、队列长度、

44、延迟时间等。 假定J到K、I、H、A的时间延迟分别为TJK、TJI、TJH和TJA。方法：通过J分别向K、I、H和A发一echo分组实现。节点将到相邻节点的延迟，分发给相邻节点，它也会从相邻节点收到延迟时间清单，据此估算最新到目的节点的延迟时间和最佳输出链路。假设X到I的延迟时间为XI，如果节点已知道到X的延迟时间为m，则经X到I的时间为XI+m。通过这种计算，修改路由表和相应的输出链路。 例：前4列表示J从相邻节点收到的当前路径延迟。假定J已测得到A、I、H和K的延迟分别为8、10、12和6ms。第3章 计算机网络体系结构与协议第3章 计算机网络体系结构与协议如果J的分组由A转发到G，J到A

45、的延迟是18ms，所以J到G的延迟是26(18+8)ms。经I到G的延迟是41(31+10)ms；经H到G的延迟是18(6+12)ms；经K到G的延迟是37(31+6)ms。18ms最小，J到G的最佳路径是经过H，在新路由表中填上18。以此，可得到新路由表。3）集中式网络中设置一RCC。每个节点定期向RCC发送其状态信息，RCC根据全网运行状态，按照某种算法计算一个节点到其它节点的最佳路径，构成新的路由表，分发给各节点。 4）混合式 孤立式和分布式对网络状态不知道或者很久才知道网络远地的变化。集中式通常有很大的延迟。混合式：不同方法的组合。第3章 计算机网络体系结构与协议Delta算法：集中式

46、与孤立式的结合。通过集中式获得全网路由信息，通过分布式获得各节点的最新路由信息。RCC汇总形成路由表，分发给各节点。delta算法还考虑节点的队列状况。如果RCC提供的路由表中有一条传输路由时间较短，其它与其相比大于一个规定的delta值，就选用传输时间最短的作为传输路由。如果有几条路由的传输时间很接近，它们之间的差值都不大于delta，源节点可以根据本节点的队列情况，同时利用这几条路由传输。 （3）分级路由选择法把网络划分为若干区域，每个区域包括若干个节点。可分为多级例如，先分成簇，簇再分为区，区分为组，直到够用为止。分为两级，节点地址：区地址区内地址；分为三级，节点地址：第3章 计算机网络

47、体系结构与协议簇地址区地址区内地址。每个节点只知道在自己区域内如何选择路由，不知道其它区域的内部结构。 图(a)不分级：节点1A的路由表有17个出口。分为两级：路由表输出口为7个。本区域内3个；每个区域占一个，共4个。这样，到区域2节点的分组都要经过1B-2A，其余的经过1C-3B。代价：增加了路径长度。例如，1A到5C的最佳路由是经过区域2，分级后，到区域5的所有分组都要经过区域3，实际上区域5中多数节点经过区域2较好。例如720个节点的子网。不分级：每节点需有720个输出口的路由表。第3章 计算机网络体系结构与协议两级：分成24个区域，每区域有30个节点，每节点只需30个本区出口和23个远

48、程出口，共53个。三级：8个簇，每簇9个区，每区10个节点。每节点只需10个本区出口，8个区域出口和7个簇出口，共25个。N个节点的网络最佳分级数为lnN，每个节点路由表输出口数为elnN。第3章 计算机网络体系结构与协议第3章 计算机网络体系结构与协议（4）组播路由选择法 有时，一些远离的进程需要组成小组协同工作，一个进程向组内的其他成员发送消息。组的规模不大，可采用点-点方式通信。组的规模较大，点-点方式不很适用。采用广播方式，当广播的规模很大，小组成员不是很多，其效率就很低。实现组播，要有一定的措施来创建和取消小组，允许进程加入和离开小组。算法关心的是进程何时加入小组，如何通知其主机已加

49、入了小组。节点还应知道与它连接的哪台主机属于哪个小组。或者相反，主机通知小组成员的变动情况。也可以是节点定期查询主机。上述任何方式，节点都能知道哪台主机属于哪个小组。如果节点再将这些信息告诉它的邻居，就能在整个子网中传播开来。第3章 计算机网络体系结构与协议为了实现组播，节点需要计算出一棵覆盖全网的生成树。一进程向小组成员发送分组时，第一个收到分组的节点将检查生成树，剪除不到达小组成员的线路。分组仅沿相应生成树逐节点转发。修剪方法： 从端点开始，然后向根发展，剪除所有不属于小组的节点。第3章 计算机网络体系结构与协议逆向路由转发。节点收到组播消息时，如不与该小组连接，就回应一个修剪消息，告诉发

50、送者不要再向它发送组播消息，以此对树修剪。缺点：不易升级到大型网络。一个网络有n个组，每个组平均有m个成员。修剪后的生成树共mn棵，如果组很大，用于存储树的空间可观。 核心基本树(Core-Base Tree)法。每个组只计算一棵生成树，树根（核心）靠近组的中心部位。要发送组播消息，首先将消息发往核心，再由核心沿生成树组播。该树对源节点并不都是最佳的，但将每组m棵树的存储开销降低到了一棵树，节省空间。 第3章 计算机网络体系结构与协议3. 流量控制与拥塞控制 任何一个网络的资源（链路容量、节点缓冲区的大小、节点的处理能力等）都是有限的。在某段时间内，对网络资源的需求量超过了网络所能提供的数量，

51、网络的性能就会显著下降。将网络吞吐量随输入负载的增大而下降的现象称为网络拥塞。若网络的输入负载继续增大，到了一定程度，其吞吐量下降为零，此时网络完全不能工作，这种现象称为死锁。输入负载：单位时间进入网络的分组数。吞吐量：单位时间从网络输出的分组数。具有理想流量控制的网络，吞吐量达到饱和之前，吞吐量应等于输入负载；输入负载达到一定值，网络资源的限制，吞吐量不能再增加，保持为常值，吞吐量达到了饱和（吞吐量最大值）。 第3章 计算机网络体系结构与协议原因：随着队列长度的增长，节点缓冲区被占满，分组被丢弃。源节点除发送新分组，还要重发被丢弃的分组，网络通信状况恶化，越来越多的分组被重传，网络负载会越来

52、越大，更多节点缓冲区被占满。如此恶性循环，使网络完全堵塞而死锁。网络实施流量控制，吞吐量将随输入负载的增大而增大，不会出现拥塞与死锁现象。第3章 计算机网络体系结构与协议流量控制需要额外开销，有流量控制的吞吐量比无流量控制的吞吐量小。 流量控制的功能： 1）防止网络因过载而引起吞吐量下降和延时的增加。 2）减少拥塞，避免死锁。 3）在互相竞争的用户之间公平合理地分配资源。 （1）流量控制 为了防止网络拥塞和死锁的出现而采取的一种措施。当发至某一节点的分组速率超出了该节点的处理速率时，就会出现拥塞现象。防止拥塞的问题就转化为向节点提供一种能控制来自其他节点的分组速率的问题。第3章 计算机网络体系

53、结构与协议报文分组流受多重控制，通过各层协议，在不同层次上实现。1）相邻节点间的流量控制 克服存储转发死锁的方法：节点只剩一个缓冲区未被占用时限制报文分组的输入；分组输出空出存储空间后再允许输入。相邻节点间流量控制方法：应答方式，发送方只有收到接收方的应答后才发送下一分组。第3章 计算机网络体系结构与协议2）源节点和目的节点间的流量控制 一般采用滑动窗口流控技术。 一个长报文分成多个报文分组，目的节点必须将这些报文分组存储起来，等收齐一份报文的全部分组后，才能把它们重新装配成原报文递交给目的主机。目的节点缓冲区可能被几份不同报文的分组占满，又没有一份报文的分组是齐全的，因而不能装配成完整的报文

54、，同时又不能再接收新的报文分组，于是就会形成死锁，称为重装死锁。 克服办法：源节点向目的节点预约缓存区，保证每份报文都有相应的存储空间。3）主机与源节点间的流量控制 控制进入网络的总流量，也叫网络访问流量控制，与网络的拥塞第3章 计算机网络体系结构与协议控制关系密切。 4）源主机与目的主机间的流量控制 防止用户缓冲区出现拥塞。1)、2) 主要是调节和控制通信子网内部的流量，3）涉及用户送入通信子网的数据流量。不进行主机间的流量控制，通信子网内部的流量可能不断增长，拥塞难以避免。方法：源主机与目的主机间预约和分配缓冲区实现。流控方法：发送等待法、预约缓冲区法、滑动窗口法、许可证法、限制管道容量法

55、等。1）发送等待法 数据传输前，为主机的一次通信过程分配一个最低限度的基本缓冲区，并保持到这次通信结束。如果数据量较大，可再动态地申第3章 计算机网络体系结构与协议请缓冲区，用完后立即交还。主机空闲缓冲区容量低于某一限度时，对占用多个缓冲区的通信双方，强制发送方暂停数据发送。等到基本缓冲区空闲后，再允许发送数据。 2）预约缓冲区法 发送方向接收方申请缓冲区。发送方按指定缓冲区容量发送数据。缓冲区占满，等待再次分配缓冲区后再发送数据。 （2）拥塞控制 流量控制是对一条通信路径上的通信量进行控制，解决“线”或“局部”的问题。拥塞控制是对进入网络的总流量进行控制，解决“面”或“全局”的问题。第3章

56、计算机网络体系结构与协议分组进入网络总是通过个别路径实现的，因而两者密切相关。拥塞控制与主机和源节点间流量控制尤为密切。 流量控制方法：1）让接收方抑制发送方，发送方采取停发的办法控制流量；2）接收方采取简单的丢弃报文的办法抑制流量。在网络连接的两端进行流量控制，很难控制网络流量总数，难免发生不可预见的拥塞现象。在一个拥塞的网络中，到达某一节点的分组将会遇到无缓冲区可用的情况，这些分组不得不由前一节点或源节点重发，进一步恶化了网络的传输能力和缓冲区的利用率，使吞吐量下降。拥塞严重时，网络的一部分或全部处于死锁状态。第3章 计算机网络体系结构与协议死锁： 1）直接存储转发死锁 分组到达对方，无缓

57、冲区存储，只得丢弃。发送方收不到确认信息，发送过的分组继续存储，形成了僵持状态，谁也无法成功地发送一个分组，称为直接存储转发死锁。 2）间接存储转发死锁 当A发往B的分组，需要由C转发。但C的缓冲区存满了D发给E的分组，因此，A的分组不能通过C转发，称为间接存储转发死锁。3）重装死锁目的节点缓冲区存满来自不同节点的报文分组，每份报文的分组都不齐全，无法组装成原报文。又不能再接收新的分组，于是也形成死锁，称为重装死锁 。第3章 计算机网络体系结构与协议第3章 计算机网络体系结构与协议拥塞控制方法： 1) 缓冲区预分配法 面向连接方式的网络建立虚电路时，节点为每条虚电路分配缓冲区，使每条虚电路都有

58、足够的缓冲空间，不至于出现拥塞。2) 分组丢弃法 面向无连接的网络，交换节点为每条输入、输出线路合理安排缓存区，在保证不发生拥塞的情况下，尽可能发挥缓冲区的资源利用率。每条链路有最小的缓冲区，同时又规定最大的队列，不过多地丢弃分组。3) 抑制分组法 输出链路规定一个利用率阈值，当链路的利用率大于其阈值时，就进入“警告”状态。第3章 计算机网络体系结构与协议新分组到达，检查输出链路，处于警告状态，发抑制分组，通知源节点，请求减慢发送速度。一般，第一个抑制分组到来时发送速率降低为原来的50，第二个抑制分组到来时降低为原来的25，依此类推。经过规定时间后，如没有再收到抑制分组，就以某种比率增加发送速

59、率。改进：输出线路设两个阈值，达到低阈值时，发抑制分组，达到高阈值时，丢弃分组。两阈值要有一定差值，以免频繁转换。还可采用拥塞信息和路径信息一起传送的方法，效果更好。4）许可证法网络中设定固定数目的“许可证”， “许可证”随机地在网络中巡游。欲发送分组的节点先捕获到“许可证”，然后跟随“许可证”发送分组，分组传送到目的节点并递交给主机后将“许可证”归还网络。第3章 计算机网络体系结构与协议36 传输层 低3层提供的是通信子网的功能，主要是面向通信的服务。高3层提供的是通信管理和数据处理的服务。第4层便成了连接通信服务、通信管理及数据处理服务的桥梁，担当高3层和低3层之间的联络工作。对高层屏蔽数

60、据通信的细节，是计算机体系结构中最关键的一层。1. 传输层的功能 为源主机到目的主机提供可靠的、有效的数据传输，这种传输与当前网络或使用的网络无关，其本身独立于物理网络。 互联网中数据传送，一个网络的网络层或数据链路层可能将包切成更小的段，另一个网络的对等层又可能将若干小段组装在一起，形成一个大的包。多次变换到达目的地后必须保持原始形式。 第3章 计算机网络体系结构与协议可靠性交换的基本要素：1）所有数据都到达了目的地；2）接收数据的顺序与发送数据的顺序相同。设置传输层的目的：为实体建立端端差错控制、流量控制、顺序控制、管理多路复用等，向用户提供可靠的端端服务，透明地传送报文。其上层协议不必了