第3章计算机网络体系结构

第3章计算机网络体系结构3.1计算机网络的功能特性3.2几种商用计算机网络的体系结构3.3ISO开放系统互连参考模型的概念3.4OSI分层体系结构3.1计算机网络的功能特性

加入分组的控制信息主要有两种:一种是接收端用于验证是否正确接收的差错控制信息;另一种是指明数据包的发送端和接收端的地址信息。因而网络必须具有差错控制功能和寻址功能。另外当多个结点同时要求发送分组时,网络还必须通过某种冲突仲裁过程决定谁先发送,谁后发送。所有这些带有控制信息的数据包在网络中通过一个个结点正确向前传送的功能,通常叫做数据链路控制功能DLC(DataLinkControl)。我们将在第五章详细论述DLC。图3.1一对用户之间进行网络通信的过程3.2几种商用计算机网络的体系结构3.2.1SNASNA(SystemNetworkArchitecture)是IBM公司的系统网络结构。SNA从1974年首次提出到1985年的最新版本经历了重大演变,从单个主机和终端组成的树形结构演变成了可由多个主机和终端组成任意拓扑结构的广域网络。图3.2表示了SNA两个结点机中的分层功能。虽然在图中没有表示出中间结点,但实际上允许在两个结点之间的通路上存在多个中间结点。这样的功能层次应该看成是一种逻辑表示,实际上一端的各个功能层可以物理地分布在几个机器中。图3.2SNA分层的体系结构际标准(参见第四章)。(2)数据链路控制层(DLC):这一层的功能是把原始的比特流组织成帧,使之无损伤地沿着噪音信道从主站传送到次站。(3)路径控制层(PC):这一层涉及在源结点和目标结点之间建立一条逻辑通路。(4)传输控制层(TC):提供端到端的有连接服务,包括会话连接的建立和拆除。(5)数据流控制层(DFC):这一层根据用户的请求和响应决定哪一方发送,哪一方接收;是全双工通信,还是半双工通信;在会话过程中对报文进行分组;根据用户的请求暂停数据的发送等。(6)表示服务层(PS):这一层定义用户对网络的接口,即数据编码,数据格式以及其他属性。(7)事务处理服务层(TS):这一层以特权程序的形式为用户提供应用方面的服务。3.2.2DNA和DECnetDNA(DigitalNetworkArchitecture)是DEC公司的网络体系结构。DECnet网络就是根据这种体系结构实现的。DNA最早在1975年提出,现行的是它的第五个版本,称Ⅴ型DNA。DNA的每一个版本都是向前兼容的。与SNA一样,DNA也在不断地演变,以反映计算机组网技术的进展。最新的Ⅴ型DNA既支持DEC专用的协议,也支持国际标准协议。它是现今最重要的专用网络体系结构之一。DNA的协议集表示在图3.3中,其中,最主要的是下面的四层,这是由制造商提供的。图3.3DNA分层的体系结构3.2.3X.25X.25协议表示在图3.4中,它是由CCITT建议的在公用数据网PDN(PublicDataNetwork)上数据终端设备DTE(即计算机,终端或其他按分组方式工作的设备)和通信子网之间的接口,于1976年首次作为国际标准公布,后又经过两次修订。事实上,X.25包括了通信子网最下边的三个逻辑功能层:即物理层,链路层(或帧层)和网络层(或分组层),和SNA下面的三层是对应的。图3.4X.25的分层协议和虚电路3.3ISO开放系统互连参考模型的概念3.3.1分层的原理分层是一种结构化技术,按照这种技术构造的系统可以从逻辑上看成是一些连续层次的组合。每一层都包裹住它下面的层次,把它们和上面的层次隔离起来,如图3.5所示。在这种分层结构中,每一层的功能都是在其下层功能的基础上实现的,是下层功能的增强或提高。图3.5网络的分层可以用另外一种等价的图形(图3.6)说明分层的原理。在图3.6中连续的层次组成垂直的序列,开放系统互连的物理介质处于这个序列的底层。每一个开放系统逻辑上被看成是由一些连续的子系统组成,这些子系统都处于各个开放系统和分层的交叉点上。换言之,一个层次逻辑上可以被看成是由所有互连系统的同一行上的子系统组成的。图3.6OSI表示分层的例子分层的基本想法是每一层都在它的下层提供的服务基础上提供更高级的增值服务,而最高层提供能运行分布式应用程序的服务。这样,分层的方法就把复杂问题分解开了。分层的另外一个目的是保持层次之间的独立性。其方法就是用原语操作定义每一层为上层提供的服务,而不考虑这些服务是如何完成的。即允许一个层次或层次的集合改变其运行的方式,只要它能为其上层提供同样服务就行。这种技术类似于结构化程序设计中所使用的方法,用户只需了解程序模块的功能,而不必弄清它的内部结构细节。除最高层外,在互连的各个开放系统中分布的所有(N)实体协同工作为所有(N+1)实体提供服务。也可以说,所有(N)实体在(N-1)层提供的(N-1)服务的基础上向(N+1)层提供增值服务,即(N)服务,如图3.7所示。图3.7实体、服务访问点和协议互连系统内部层次之间的局部流控所需的原语和参数,以及层次之间交换状态信息的原语和参数都不包括在OSI服务定义中。对于面向连接的服务,有四种形式的服务原语,即请求原语,指示原语,响应原语和确认原语。这些原语表示在图3.8中。图3.8抽象的服务原语图3.9连接和连接端点(CEP)图3.10(N)目录的例3.3.2面向连接的数据传输1.连接的建立和释放当某个(N+1)实体要求建立从它使用的(N)SAP到另一个(N)SAP的(N)连接时,它必须给当地的(N)SAP提供远方(N)SAP的(N)地址。(N)连接建立后,(N+1)实体就可以用它们自己一端的(N)CEP标识符来引用该(N)连接。2.多路复用和分流在(N-1)连接之上可以构造出三种具体的(N)连接(图3.11):(1)一一对应式。每一个(N)连接建立在一个(N-1)连接之上。(2)多路复用式。几个(N)连接多路访问一个(N-1)连接。(3)分流。一个(N)连接建立在几个(N-1)连接之上。这样,(N)连接上的通信被分配到几个(N-1)连接上传输。图3.11邻层连接之间的对应关系3.数据传输各个实体之间的信息传输是由各种数据单元实现的。这些数据单元表示在图3.12中。图3.12各种数据单元(N)协议控制信息通过(N-1)连接在两个(N)实体之间交换,用以协调(N)实体之间的合作。(N)用户数据来自(N)实体为之服务的(N+1)实体。(N)实体并不了解也不解释其内容。(N)协议数据单元包含(N)协议控制信息,也可能包含(N)用户数据。(N)接口控制信息是在(N+1)实体和(N)实体之间交换的信息,用以协调两个实体间的合作。(N)接口数据是(N+1)实体交给(N)实体发往远端的另一个(N+1)实体的信息,或者是(N)实体收到的,由远端(N+1)实体发来的,送往本地(N+1)实体的信息。(N)接口数据单元是(N+1)实体和(N)实体在一次交互作用中通过服务访问点传送的信息单位，由(N)接口控制信息和(N)接口数据组成。(N)服务数据单元是通过(N)连接从一端传送到另一端的(N)接口数据的集合,这个集合在传送期间保持其标识不变。3.4OSI分层体系结构3.4.1划分层次的原则ISO在划分功能层次时建立了一些分层的原则,七层协议模型就是根据这些原则定义的:层次不能太多,也不能太少。每一层应该有定义明确的功能,这种功能或者在完成的操作过程方面,或者在涉及的技术方面与其他功能层次有明显不同,因而类似的功能应归入同一层次。每一层的功能要尽量局部化。以往的经验证明是成功的层次应予保留。考虑数据处理的需要。层次的边界应划分在服务描述的量最小,交互作用最少的地方。每一层只与它的上下邻层产生接口。需要时,可以在一个层次中再划分出一些子层。3.4.2七层功能概述1.应用层这是OSI体系结构的最高层。这一层的协议直接为端用户服务,提供分布式处理环境。2.表示层表示层的用途是提供一个可供应用层选择的服务的集合,使得应用层可以根据这些服务功能解释数据的涵义。表示层以下各层只关心如何可靠地传输数据,而表示层关心的是所传输的数据的表现方式,它的语法和语义。图3.13OSI模型的网络体系结构3.会话层会话层支持两个表示层实体之间的交互作用。它提供的会话服务可分为两类:·把两个表示实体结合在一起,或者把它们分开。这叫会话管理服务。·控制两个表示实体间的数据交换过程。4.传输层这一层在低层服务的基础上提供一种通用的传输服务。会话实体利用这种透明的数据传输服务而不必考虑下层通信网络的工作细节,并使数据传输能高效地进行。传输层用多路复用或分流的方式优化网络的传输性能。当会话实体要求建立一条传输连接时,传输层就为其建一个对应的网络连接。5.网络层这一层的功能属于通信子网,它通过网络连接交换传输层实体发出的数据。网络层把上层来的数据组织成分组在通信子网的结点之间交换传送。交换过程中要解决的关键问题是选择路径,路径既可以是固定不变的(通过静态路由表实现),也可以是根据网络的负载情况动态变化的。另外一个要解决的问题是防止网络中出现局部的拥挤或全面的阻塞。6.数据链路层这一层的功能是建立,维持和释放网络实体之间的数据链路,这种数据链路对网络层应表现为一条无差错的信道。相邻结点之间的数据交换是分帧进行的,各帧按顺序传送,并通过接收端的校验检查和应答保证可靠的传输。数据链路层对损坏,丢失和重复的帧应能进行处理,这种处理过程对网络层是透明的。7.物理层规定通信设备的机械的,电气的,功能的和过程的特性,用以建立,维持和释放数据链路实体间的连接。具体地说,这一层的规程都与电路上传输的原始比特有关,它涉及到用什么电压代表“1”,用什么电压代表“0”一个比特持续多少时间传输是双向的,还是单向的一次通信中发送方和接收方如何应答设备之间连接件的尺寸和接头数以及每根连线的用途等。3.4.3OSI协议集国际标准化组织除了定义OSI参考模型之外,还开发了或正在开发着实现七个功能层次的各种协议和服务标准(通常和CCITT合作),这些协议和服务通称为“OSI协议”。OSI协议是一些已有的协议和ISO自己开发的协议的混合体,例如,大部分物理层和数据链路层协议是采纳了现有的协议,而数据链路层以上的协议是ISO自行起草的。图3.14OSI协议集1.物理层协议在物理层,OSI采纳了各种现成的协议。其中有RS-232,RS-449,X.21,V.35,ISDN以及FDDI,IEEE802.3,IEEE802.4和IEEE802.5的物理层协议这些协议我们将分别在有关章节介绍。2.数据链路层协议在数据链路层,OSI的协议集也是采纳了当前流行的协议。其中包括HDLC,LAP-B以及IEEE802的数据链路层协议(ISO8802)。数据链路层协议和服务与具体的物理传输技术有关,虽然在上层,一般是每层对应一个协议,而在数据链路层却不是这样。为了有效地利用各种传输技术,数据链路层用不同的协议满足不同的技术要求。3.网络层协议网络层提供两种服务:面向连接的服务和无连接的服务。ISO8348文件定义了面向连接的服务(CONS),与此对应的协议是CCITTX.213,这两个文件的规定与X.25分组级协议(PLP)一致。ISO8473文件定义了无连接的网络服务CLNS。4.传输层协议传输层和网络层之间的界面是用户和通信子网的界面。传输层的任务是在子网服务的基础上提供完整的数据传送,因而在原来OSI协议集中,传输层的功能是提供面向连接的服务,无连接的服务是后来增加的。