网络体系结构专项介绍

第二讲网络体系结构(2)三、网络层（1）基本概念网络层对整个通信子网进行管理和控制。网络层考虑如何把端结点的信息通过若干个中间结点正确传送到另一个端结点。一般要采用分组交换的方法。分组信息究竟通过哪些结点才能较快地传输，这就是路由选择问题网络层对网络上传输的信息进行整体的控制，也就是全网的流量控制。当某处发生拥塞时要及时加以解决。网络各层的功能（2）网络层的服务

网络层向传输层提供服务两种服务方式：面向连接和无连接

网络层的功能和作用是在通信端结点之间可靠地传输分组面向连接的服务－虚电路无连接的服务－数据报网络各层的功能1）数据报服务把报文分成包后，各个包可以分别寻找不同的路由，通过不同的链路到达目的端。网络各层的功能数据报方式的特点由于包的传输没有延迟，实时性好；数据报方式每个分组都应携带着足够的地址信息，寻找路由灵活；分组本身信息量花销大；分组走了不同的路径；各分组到达目的端的时间可能不按序，所以在目的端要进行排序；一般在数据信息量比较少时使用数据报方式，可以提高传输效率。网络各层的功能2）虚电路服务

在传输前，发送端先进行虚呼叫

(VC)，与接收端进行虚电路的建立。虚电路建好后，把报文的所有分组按照分组序号顺序发往目的端，由中间结点进行存储转发。到达目的结点后，重新组装报文送给主机。这里有两条虚电路VC1和VC2。当然还可以有多条，每一条都可以单独传输一路信息。从图可见，在H2和H3之间进行了多路复用。网络各层的功能虚电路方式的特点：分组按序到达；分组携带信息少；主机的多个进程可以进行多次呼叫，形成多条虚电路，如VC1和VC2；多条虚电路在某些段可以使用同一条链路，这种功能称为多路复用；虚电路方式的缺点是虚呼叫需要连接的建立与断连的时间。网络各层的功能虚电路和数据报的比较：网络各层的功能（3）路由选择

在网络中，端结点之间的数据传输可以选择多条路径。网络层如何为分组的存储转发选择一条较好的路径称路由选择。路由选择对网络的传输性能及质量有着极大的影响。路由选择的关键是网络中必须有一个比较好的路由选择算法；路由选择的算法主要可以分为两大类：自适应式（动态变化的）非自适应式（静态不变的）非自适应式的算法其路由基本上都是固定的，路由不随网络上的现行状态变化自适应的算法其路由随网络的状况随时进行调整网络各层的功能（4）拥塞控制

信道带宽、结点发送与接收缓冲区、处理机速度等称为网络资源。一般采取拥塞控制的方法限制网络资源的使用。拥塞是因为资源紧缺造成的。拥塞是由于进入网络的分组数太多造成的，拥塞的结果最终有可能导致死锁。通过拥塞控制，防止出现拥挤和死锁。把进入网络分组数看作是负载量从网络上输出的分组数看作是吞吐量，因有下图：网络各层的功能四、、传传输输层层（1）传传输输层层的的地地位位在网网络络协协议议中中，，传传输输层层是是至至关关重重要要的的一一层层。。几乎乎所所有有著著名名的的网网络络体体系系结结构构中中都都留留有有传传输输层层的的一一席席之之地地。。传输输层层属属于于资资源源子子网网，，属属于于主主机机范范畴畴。。但从从功功能能来来看看，，传传输输层层是是面面向向通通信信的的。。传输输层层的的地地位位如如图图所所示示：：网络络各各层层的的功功能能（2）传传输输层层的的作作用用网络络层层的的服服务务并并不不是是很很完完善善的的。。数据据报报服服务务的的差差错错控控制制就就是是由由主主机机完完成成。。为了了使使通通信信子子网网的的用用户户能能够够得得到到统统一一的的通通信信服服务务，，就就有有必必要要设设置置一一个个传传输输层层。。传输输层层弥弥补补通通信信子子网网提提供供的的服服务务的的差差异异和和不不足足。。在通通信信子子网网提提供供的的服服务务基基础础上上，，利利用用本本身身的的传传输输协协议议，，增增加加了了服服务务功功能能，，使使得得对对两两端端的的网网络络用用户户来来说说，，各各通通信信子子网网是是透透明明的的。。链路路层层使使物物理理链链路路变变成成了了一一条条无无差差错错的的链链路路，，传传输输层层使使得得通信信子子网网变变成成了了一一个个无无差差错错的的网网络络。。网络络各各层层的的功功能能（3）服服务务质质量量服务务是是网网络络中中各各层层向向紧紧邻邻的的上上层层提提供供的的一一组组操操作作。。任何何服服务务都都有有服服务务质质量量问问题题。。网络络层层服服务务质质量量最最主主要要的的指指标标就就是是可可靠靠性性，，包包括括是是否否有有分分组组丢丢失失、、重重复复、、失失序序、、连连接接及及释释放放的的时时延延等等。。根据据不不同同类类型型的的子子网网服服务务质质量量，，OSI将传传输输协协议议分分为为5类：：0类协协议议：简简单单类类，，是是面面向向A型网网络络服服务务的的。。其其功功能能只只是是建建立立一一个个简简单单的的端端到到端端的的传传输输连连接接和和在在数数据据传传输输阶阶段段具具有有将将长长数数据据报报文文分分段段传传输输的的功功能能。。该该类类协协议议没没有有差差错错恢恢复复和和将将多多条条传传输输连连接接复复用用到到一一条条网网络络连连接接上上的的功功能能。。1类协协议议：基基于于错错误误恢恢复复类类，，面面向向B类子子网网。。2类协协议议：多多路路复复用用类类，，面面向向A类子子网网。。3类协协议议：错错误误恢恢复复类类和和多多路路复复用用类类，，面面向向B类子子网网。。4类协协议议：错错误误检检测测和和恢恢复复类类，，面面向向C类子子网网。。网络络各各层层的的功功能能五、、高高层层协协议议（1）会会话话层层会话话是是在在应应用用进进程程之之间间交交换换信信息息而而按按一一定定规规则则建建立立起起来来的的一一个个暂暂时时联联系系。。会话话层层通通过过对对两两个个会会话话用用户户间间的的数数据据流流进进行行方方向向的的控控制制。。并且且通通过过增增强强传传输输数数据据流流的的结结构构性性的的手手段段提提供供服服务务。。（2）表表示示层层网络络上上不不同同的的计计算算机机对对数数据据信信息息有有不不同同的的描描述述方方法法。。表示示层层试试图图用用一一种种抽抽象象语语法法描描述述信信息息，，以以实实现现不不同同系系统统之之间间信信息息表表示示的的统统一一。网络络各各层层的的功功能能（3）应应用用层层应用用层层直直接接为为各各种种应应用用服服务务。。应应用用层层是是应应用用进进程程中中与与通通信信有有关关的的那那部部分分环环境境空空间间。。在在这这个个空空间间内内，，对对等等的的应应用用实实体体使使用用OSI各层层提提供供的的服服务务交交换换有有意意义义的的信信息息。。应应用用层层的的功功能能是是向向应应用用进进程程提提供供访访问问OSI的手手段段。。OSI在应应用用层层中中定定义义了了几几个个重重要要的的应应用用层层标标准准，，包包括括虚拟拟终终端端标标准准VTP，用用于于不不同同类类型型的的终终端端访访问问网网络络上上不不同同的的主主机机应应用用进进程程；；文件件传传输输、、访访问问和和管管理理标标准准FTAM，用用于于不不同同等等系系统统间间能能够够在在网网络络上上传传输输文文件件；；报文文处处理理系系统统MHS用于对网络上上使用非常普普遍的电子邮邮件系统进行行标准化。网络各层的功功能几个重要的协协议下面介绍的几几个协议在网网络中是经常常使用的，包包括物理层、、链路层的、、网络层的核核传输层的。。有些协议是是一个多层协协议的接口描描述。学习这这几个协议的的目的一是为为在今后实际际应用中奠定定一个基础；；二是作为学学习网络协议议的例子，有有助于读者更更好地学习和和理解网络协协议的知识。。（1）RS-232-C（2）HDLC协议（3）X.25协议（4）PPP协议（5）TCP/IP协议（6）NetBIOS协议一、RS-232-CEIARS-232-C是美国电子工工业协会EIA于1969年制定的著名物理层标标准；RS表示EIA的一种推荐标标准；232是个编号；C是标准RS-232以后的第三个个修订版本。。1）RS-232接口标准EIARS-232-C是DTE与DCE之间的接口标准DTE可以是计算机机主机、终端端和外部设备备DCE在这里就是直直接与模拟话话音线路相连连的调制解调调器MODEM几个重要的协协议2）机械特性在机械特性方方面，EIARS-232使用ISO2110接口标准，有有25根引线，在实实际使用中还还使用一种9根引线的简化化的版本3）电气特性在电气特性方方面，EIA-232遵循CCITTV2.8的建议书，采采用负逻辑。。4）功能特性在功能特性方方面，EIARS-232-C与CCITT的V.24建议书一致，，V.24提出了100系列和200系列两个接口口标准，200系列专用于自自动呼叫系统统中，100系列用于人工工呼叫系统中中，RS-232-C与100系列对应，本本节主要介绍绍100系列接口，，100系列接口线可可以分为三类类，即公用线线（地）、数数据线和控制制线，一般般只使用其中中9根线。几个重要的协协议5）规程特性EIARS-232-C的规程特性与与CCITT的V.24建议书是一致致的当终端（DTE-A）有数据要发发送时，置20线为高电平（（即通状态）），通知本地地MODEM（DCE-A）终端已经就就绪。DCE-A响应此信号，，置6线为高电平。。DTE-A置4线为高电平，，通知DCE-A请求发送数据据，DCE-A检测到4为高电平后：：①通过电话话线发一载波波信号给远程程MODEM（DCE-B），通知其准备接接收数据，②②同时置5线为高电平，，允许DTE-A发送。DCE-B检测到载波后后，置8线为高电平，，通知远程终终端（DTE-B）准备接收数数据。几个重要的协协议6）发送和断连连DTE-A检测到5线为高电平后后，数据传送送开始，由2线发送数据，，由3线接收数据。。DTE-A数据发送完后后，置4线为低电平（（断开），通通知DCE-A发送结束，DCE-A检测到4线为低电平后后，停止向电电话线发送载载波，并置5线为低电平作作为回答。DCE-B检测不到载波波后，即置8线和22线为低电平。。DTE-A置20线为低电平后后，将6线变为低电平平，同意拆线线。两台微微型机直接连连接：只要3根线在两台微机间连接，其它线都是在内部连接几个重要的协协议二、HDLC协议一个著名的面向比特型链路层协议不对要传输的的信息进行编编码，而以比比特为传输基基本单元，完完全同步传送送，基本上取取消了控制字字符，实现透透明传输帧格式统一，，校验方法一一致，采用CRC循环校验码采用连续发送方式（不同于于停等协议）），提高了传传输效率。不论在广域网网还是局域网网；不论在专专用网还是在在公用网中都都得到了非常常广泛的应用用由IBM公司研制成功功，名为SDLC。ISO对其进行扩充充，改名为HDLC作为OSI标准几个重要的协协议8位8位8位任意长16位8位FACIFCSF（1）HDLC的帧格式HDLC的帧区分为数据帧和控制帧。但这两种帧的的格式，对于于控制帧除了没有数据字段段以外，与数据据帧格式完全全一致。1）信息帧HDLC的帧具有六个个字段：F、A、C、I、FCS、F几个重要的协协议零比特插入与与删除技术发送方通过硬硬件对发送的的每一帧信息息进行扫描，，每当出现连续5个1时，自动插入1个0，这样，在在接收方不会会把它误认为为是F接收方对接收收到的帧也通通过硬件进行行扫描，每当当接收到连续5个1的数据后，必必须把其后的的一个0去掉，以便还原数数据。若发送的数据据为：01111110采用插入技术术后变为：011111010接收后再还原原成：01111110几个重要的协协议地址字段A（Address）：A字段由8位码组成，用用以指明从站站的地址。对对于命令帧，，它指接收端端（从站）的的地址；对于于响应帧，它它指发送该响响应帧的站点点地址。即主主站把从站的的地址填入A字段中发送命命令帧，从站站则把本站的的地址填在A字段中以返回回响应帧。控制字段C（Control）：C字段由8位组成，用以以进行链路繁繁荣监视和控控制。它是HDLC协议的关键部部分。该字段段由种不同的的格式，将在在下面介绍。。信息字段I（Information）：I字段用来填充充要传输的数数据、报表等等信息。HDLC协议对其长度度无限制，但但实际上受各各方面条件（（如纠错能力力、误码率、、接口缓冲空空间大小等））限制。在我我国，一般取取为1~2KB。帧校验序列FCS（FrameCheckSequence）：FCS是采用16位的CRC校验，以进行行差错控制。。它对两个标标志字段之间间的A字段、C字段和I字段的内容进进行校验。CRC校验的生成多多项式为几个重要的协协议2）控制字段控制字段C决定一个帧的的类型是控制帧还是数据帧。如果是数据帧帧（I帧）有I段。如果是控制帧帧，没有I段。控制帧分成两两种。一种是监控帧帧S帧。一种是无编号号帧U帧。它们的类型视视其控制字段段C的编码即可知知。控制字段本身身有三种编码码格式：位类12345678I帧0N(S)P/FN(R)S帧10SSP/FN(R)U帧11MMP/FMMM几个重要的协协议控制字段三种种编码格式当最高位为0时，C段使得HDLC的帧成为一个个信息帧（I帧）当最高位为１时，C段使得HDLC的帧成为一个个控制帧若第7位为0时，为监控帧帧（S帧）若第7位为1时，为为无编编号帧帧（（U帧）①I帧的C字段编编码C字段编编码主主要包包含两两个计计数器器一个是是发送送帧计计数器器N(S)，含义义是告告诉接接收方方，现现在发发送的的是哪哪一帧帧另一个个是接接收帧帧计数数器N(R)，含含义是是告诉诉接收收方，，刚才才曾正正确接接收到到了N(R)-1帧，期期待接接收第第N(R)帧可见，，N(R)的意义义主要要是用用于确确认几个重重要的的协议议②P/F位P/F位在主主站表表示P，若为为1，表表示期期望从从站给给予回回答，，否则则反之之。在从站站表示示F，若为为1，表表示发发送帧帧是最最后一一个帧帧，实实质上上也是是期待待给予予回答答的含含义。。另两个个的C字段的的编码码格式式中P/F位的含含义与与之类类似。。③S帧的C字段编编码S帧主要要用作作响应应帧，，对主主站的的命令令予以以响应应，并并给出出状态态表示示回答答N(R)的作用用也是是一个个接收收帧的的计数数器，，不同同的S帧其含含义是是不同同的，，但一一般是是对以以前接接收到到的帧帧的确确认或或否认认的回回答，，S是S帧的编编码，，共有有四种种S帧。。④U帧的C字段编编码U帧因没没有计计数器器而得得名为为无编编号帧帧，既既可用用作控控制帧帧，又又可用用作响响应帧帧，主主要用用于建建立和和拆除除链路路、置置工作作方式式等。。几个重重要的的协议议（2）HDLC的数据据传输输过程程1）建立立链路路确定发发收关关系，，主站站向从从站发发送命命令帧帧（SNRM），请请求建建立正正常响响应链链路。。若从从站同同意，，则发发Ua响应帧帧，并并置接接收端端计数数器V（R）=0，准备备接收收信息息；若若从站站不同同意，，不发发Ua响应帧帧。主主站接接到Ua响应后后同样样置发发送计计数器器V（S）=0，准备备发送送信息息帧。。2）数据据传输输如图所所示，，主站站发送送信息息帧，，把发发送计计数器器V（S）装入入信息息帧的的N（S）段中中，每每发完完一帧帧，V（S）就增增1。图2-15（a）所示示为主主站连连续发发送4个信息息帧，，从站站连续续发2个响应应帧，，均无无差错错，传传输结结束。。图2-15（b）、（（c）所示示为主主站连连续发发送4帧，从从站发发2帧，通通信中中出现现差错错的情情况；；（b）是拒拒绝接接收REJ，从错错误帧帧始均均要重重发；；（c）是选选择拒拒绝接接收SREJ，只选选择重重发错错误帧帧。几个重重要的的协议议图数数据传传输过过程3）拆除除链路路主站向向从站站发拆拆除命命令帧帧（DISC），从从站接接收。。若同同意拆拆除链链路，，则向向主站站发Ua响应帧帧；否否则无无响应应。主主站收收到从从站的的Ua后，将将数据据链路路拆除除。若若在规规定时时间内内未收收到Ua响应帧帧，则则重发发DISC帧。当当超过过规定定的重重发次次数后后仍未未收到到Ua响应，，则开开始系系统恢恢复操操作。。几个重重要的的协议议三、X.25协议目前国国际上上起源源最早早，使使用最最普遍遍的通通信网网主要要有两两种：：一种是是采用用电路交交换的公用用电话话网，，一种种是采采用分组交交换的公用用数据据网X.25建议书书，讨讨论一一个DTE如何连连接到到一个个公用用分组组交换换网上上X.25建议书书是一一个公公用分分组交交换网网DTE与DCE间接口的的规格格说明明，X.25只提供供虚电电路服服务几个重重要的的协议议1）体系系结构构公用分分组交交换网网是一一个通信子子网，包括括OSI的下三三层X.25在本地地DTE和远程程DTE之间提提供一一个全全双工工、同同步的的透明明信道道，并并定义义了3个相互互独立立的控控制层层：物物理层层、链链路层层和分分组层层（参参见图图）），它它们分分别对对应于于ISO/OSI的物理理层、、链路路层和和网络络层。。其中中：几个重重要的的协议议2）X.25虚电路路服务务X.25提供虚虚电路路服务务整个通通信过过程分分为三三个阶阶段即呼叫叫建立立阶段段数据据传传输输阶阶段段虚电电路路释释放放阶阶段段几个个重重要要的的协协议议四、、PPP协议议PPP（PointtoPointProtocol）是是1992年开开发发的的链路路层层远程程访访问问通信信协协议议，，来来自自于于另另一一个个串串行行通通信信协协议议SLIP（SerialLineIP），，SLIP是面面向向字字符符的的协协议议，，没没有有差差错错控控制制功功能能，，当当传传输输出出现现错错误误时时交交由由高高层层处处理理，，对对高高层层协协议议支支持持也也不不好好。。PPP协议议对对SLIP协议议进进行行了了改改进进，对对高高层层支支持持多多种种协协议议，，具具有有差差错错控控制制功功能能，，而而且且既既支支持持面面向向字字符符，，又又支支持持面面向向比比特特传传输输。。几个个重重要要的的协协议议（1）PPP的帧帧格格式式F(7E)A(FF)C(03)协议数据FCSF（7E）将多多种种网网络络层层分分组组包包括括IP数据据报报封封装装成成帧帧的的方方法法，，定定界界帧帧的的开开始始和和结结束束。。PPP既支支持持面向向字字符符的异异步步链链路路（（无无奇奇偶偶检检验验的的8比特特字字符符）），，也也支支持持面向向比比特特的同同步步链链路路。。建立立、、配配置置和和测测试试数数据据链链路路连连接接的的链链路路控控制制协协议议（（linkcontrolprotocol,LCP）。。通通信信的的双双方方可可通通过过LCP协商商一一些些选选项项。。网络络控控制制协协议议（（networkcontrolprotocol,NCP）。。它它包包含含多多个个协协议议，，其其中中的的每每一一个个RFC1662定义义了了与与HDLC近似似的的PPP帧格格式式（（HDLC-likeframing），，它它非非常常简简单单，，如如图图所所示示。。各各字字段段含含义义如如：：可见见：与与HDLC基本本相相似似多多了了一一个个协协议议字字段段，，F是一一样样的的，，地地址址和和控控制制暂暂时时未未用用几个个重重要要的的协协议议（2）PPP协议议的的重重要要性性在PPP协议议的的基基础础上上，，把把PPP协议议与与以以太太网网协协议议相相结结合合，，又又开开发发了了宽带带的的远远程程拨拨号号协议议，，如如PPPoE协议议，，用用在在ADSL等宽宽带带的的远远程程访访问问方方面面，，PPP协议议在在IP宽带带传传输输网网（以以后后介介绍绍））中中也也得得到到了了应应用用。。在在IPoverSDH宽带传输输网中，，可以先先把IP分组封装装在PPP数据字段段，然后后，把PPP的帧再封封装在SDH帧中，传传输速度度至少可可以达到到2Gb/sPPPoE协议，用用在ADSL等宽带的的远程访访问方面面。几个重要要的协议议TCP/IP协议最早早由美国斯坦坦福大学学的两名研研究人员员提出。。TCP/IP协议其实实是一个个协议集集合，它它不仅包包括了TCP协议（TransmissincontrolProtocol,传输控制制协议））、IP协议（InternetProtocol,Internet协议），，而且还还包括其其他一些些协议。。按照TCP/IP网络体系系结构，，网络划划分成四四个层次次，分别别是网络络接口层层、网络络层、传传输层和和应用层层几个重要要的协议议五、TCP/IP协议（一一）五、TCP/IP协议（二二）（1）网络接接口层：严格来来说它不不是一个个层次，，而仅仅仅是一个个接口，，用以提提供与与网络层层下面的的物理网网络（包包括数据据链路层层和物理理层）的的接口。。（2）网络层层：也称为为IP层，主要要协议有有网际互互连协议议IP、地址解解析协议议ARP（addressResolutionProtocol）\反向地址址解析协协议RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）和网际际控制报报文协议议ICMP(InternetControlControlMessage