网络技术三章

第3章计算机网络体系结构与协议3.1网络体系结构的基本概念3.1.1网络协议

体系结构是研究系统各部分组成及相互关系的技术科学。计算机网络体系结构采用分层配对结构，定义和描述了一组用于计算机及其通信设施之间互连的标准和规范的集合。遵循这组规范可以方便地实现计算机设备之间的通信。所谓网络体系就是为了完成计算机间的通信合作，把每台计算机互连的功能划分成有明确定义的层次，并规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务，将这些同层进程通信的协议以及相邻层的接口统称为网络体系结构。1．协议2．实体3．接口3.1.3网络体系结构我们将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构（Architecture）。计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。协议层次化不同于程序设计中模块化的概念。在程序设计中，各模块可以相互独立、任意拼装或者并行。而层次则一定有上下之分，它是依数据流的流动而产生的。组成不同计算机同等层的实体称为对等进程。对等进程功能必须完全一致，且采用相同的协议。3.2OSI参考模型3.2.1OSI参考模型的制定

1．OSI参考模型的提出2．OSI参考模型的结构OSI/RM中的基本概念1．实体、协议、服务和服务访问点2．ISO/OSI的工作过程3．面向连接服务与无连接服务4．服务原语3.2.3OSI与TCP/IP体系结构的比较

1．TCP/IP体系结构与OSI/RM层次之间的对应关系TCP/IP体系结构由一系列协议构成，其中传输控制协议（TransmissionControlProtocol，TCP）和因特网协议（InternetProtocol，IP）是最重要的两个协议，因此就把该体系结构称为TCP/IP体系结构。TCP/IP体系结构分为网络接口层、网际层、运输层和应用层4层，它同样遵循关于体系结构的原理。TCP/IP体系结构与OSI/RM层次之间的对应关系如图3-8所示。TCP/IP模型和ISO/OSI模型有许多相似之处，两种模型中都包含能提供可靠的进程之间端到端传输服务的传输层，而在传输层之上是面向用户应用的传输服务。2．TCP/IP协议集TCP是由一系列协议组成的，它是一套分层的通信协议模型及协议集内部的依赖关系如图3-9所示。3.3物理层的功能和特性在建立网络标准以确保通信和网络设备有统一的标准方面，美国和许多国际组织发挥了重要的作用。这些组织包括：※美国国家标准化协会（ANSI）。※国际通信联盟（ITU）。※电气电子工程师协会（IEEE）。※国际标准化组织（ISO）。※电子工业联合会（EIA）和相关的通信工业联合会（TIA）。※Internet协会（ISOC）和相关的Internet工程任务组（IETF）。1．物理层定义物理层是OSI分层结构体系中最重要最基础的一层。它是建立在通信媒体基础上实现设备之间的物理接口。要指出的是，物理层并不是指连接计算机的具体物理设备或具体的传输媒体，而是指在物理媒体之上的为上一层提供一个传输原始比特流的物理连接。3.3.1物理层功能2．物理层向数据链路层提供的服务物理层是为高层实现位流传输的物理通道，通道的组成包括连接两个物理实体之间的传输介质、传输位流（或码元）所必需的设施、物理层中的中继设备、互连数据电路等。物理层向数据链路层提供下列服务：（1）物理建立、连接与释放（2）物理服务数据单元（3）通报故障与差错3．物理层要解决的主要问题（1）数据信号传输（2）接口设计（3）实现位操作（4）信号传输规程3.3.2物理层特性物理层协议（面向通信的协议通常也称为通信规程）与具体的物理设备、传输媒体和通信手段有关。物理层许多协议是在OSI模型公布之前制定的，并为众多厂商接受和采纳，这些物理层协议与OSI的严格要求相比有一定的差距。因为它们既没有按照OSI那样严格的分层来制定，也没有像OSI那样将服务定义和协议规范区分开来，因此对物理层协议就不便利用OSI术语加以阐述，只能将物理层实现的主要功能描述为与传输媒体接口有关的一些持性，物理层就是通过这4个特性作用，在数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）和数据电路终接设备DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）之间实现物理通路连接。2．电气特性3．功能特性4．规程特性标准化的DTE/DCE接口包括以下4个方面的特性。1．机械特性3.3.3常用物理层标准

1．EIARS-232-C和EIARS-232-D2．RS-449、RS-422-A和RS-423-A3．CCITTX.21数字接口3.4数据链路层3.4.1数据链路层的基本概念前面已多次使用过“链路”和“数据链路”这两个术语。“链路”和“数据链路”并不是一回事。链路（1ink）就是一条无源的点到点的物理线路段。中问没有任何其他的交换结点。在进行数据通信时，两个计算机之间的通路往往是由许多的链路串接而成，可见一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路（datalink）则是另一个概念，这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。数据链路层的主要功能如下：（1）帧定界（2）链路管理（3）流量控制（4）差错控制（5）透明传输（6）区分数据和控制信息（7）寻址3.4.2停止等待协议1．完全理想化的数据传输当两个主机进行通信时，应用进程要将数据从应用层逐层往下传，经物理层到达通信线路。通信线路将数据传到远端主机的物理层后再逐层向上传。最后由应用层交给远程的应用进程。但现在为了把主要精力放在数据链路层的协议上，可以采用一个简化的模型，如图3-13）。即把数据链路层以上的各层用一个主机来代替，而物理层和通信线路则等效成一条简单的数据链路。在发方和收方数据链路层分别有一个发送缓存和接收缓存，若进行全双工通信，则在每一方都要同时设有发送缓存和接收缓存。缓存就是一个存储空间，它是必不可少的。这是因为在通信线路上数据是以比特流形式串行传输的，但在计算机内部数据传输则是以字节（或若干个字节）为单位并行传输的。2．具有最简单流量控制的数据链路层协议3．实用停止等待协议这就是说传输数据的信道不能保证使所传的数据不产生差错，并且还需要对数据的发送端进行流量控制。3.4.3连续ARQ协议的工作原理

用图3-16所示的简单例子来讨论连续ARQ协议的工作原理，它的要点就是在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧，由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。如图3-16所示，结点A向结点B发送数据帧，当结点A发完0号帧后，不是停止等待，而是继续发送后续的1号帧、2号帧等，A每发送完一帧就要为该帧设置超时计时器。由于连续发送了许多帧，所以确认帧必须要指明是对哪一帧进行确认。图3-16中，ACKn表示对第（n-1）号帧的确认，这表示对发送方说，“我已正确收到了第（n-1）号帧，下一次我期望收到第n号帧”。1．HDLC协议概述计算机通信的早期人们就发现，对于经常产生误码的实际链路，只要加上合适的控制规程，就可以使通信变为比较可靠。那时ARPANET和IBM公司分别使用了各自的控制规程，它们分别是IMP-IMP协议和BSC规程。这些规程都是数据链路层的协议。3.4.4面向比特的链路控制规程HDLC2．HDLC的帧结构数据链路层的数据传送是以帧为单位。一个帧的结构具有固定的格式，见图3-17。从网络层交下来的分组变成为数据链路层的数据。这就是图3-17中的信息字段，信息字段的长度没有具体规定，数据链路层在信息字段的头尾各加上24bit的控制信息，这样就构成了一个完整的帧。3.4.5点对点协议PPP

PPP主要由以下几部分组成。封装。网络控制协议（NCP）。1．PPP的组成链路控制协议。2．PPP的帧格式3.5网络层协议3.5.1网络层概述数据链路层研究和解决的问题是两个相邻的节点之间的通信问题。实现的任务是在两个相邻节点间透明的无差错的帧级信息的传送，数据链路层不能解决由多条链路组成的道路的数据传输问题。网络层的主要功能就是实现整个网络系统内连接。为运输层提供整个网络范围内两个终端用户之间数据传输的通路。网络层所研究和解决的问题如下。（1）为上一层提供服务。（2）路径选择又称路由选择。（3）流量控制。数据链路层的流量控制是针对数据链路相邻节点进行的，网络层的流量控制是对整个通信子网内的流量进行控制，是对进入分组交换网的通信量进行控制。（4）连接的建立、保持和终止问题。3.5.2网络层所提供的服务

网络层所提供的服务有两个大类：面向连接的网络服务和无连接的网络服务。所谓连接是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。面向连接的网络服务在数据交换之前必须先建立连接，当数据交换结束后断开连接。无连接服务是两个实体之间的通信，不需要先建立好一个连接，通信所需的资源无需事先预定保留，所需的资源是在数据传输时动态地进行分配的。3.5.3路径选择

1．路由算法的设计考虑2．静态路由算法3．动态路由算法3.5.4流量控制与死锁网络层中的流量是指计算机网络中的通信量。即计算机网络中的报文流或分组流。网络层流量控制的作用就是保证通信子网提供能使信息在节点之间畅通无阻，顺利流通的通路。它的主要功能就是：（1）避免死锁。（2）防止网络过载而引起的网络数据吞吐量下降和时延增加。（3）公平地在用户之间分配资源。1．死锁的产生及解决方法2．流量控制的实现①运输级流量控制。②进网级流量控制。③入口出口级流量控制。④段级流量控制。3.5.5网络层协议实现网络全网范围内交换方式为线路交换和存储转发交换两种。针对这两种交换方式，CCITT制定了X.25建议和X.21建议。这两个建议是为实现网络层的适用于线路交换方式协议和适用于存储转发方式协议制订的。X.21建议在物理层介绍过，这里不再重复。X.25建议是在公用数据网络上，终端以分组形式进行操作的数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间接口标准。以此接口构成的网络被称为公用报文分组交换网。X.25建议包括：①DTE和网络节点上链路控制级实体的同等协议。②DTE和DCE中的物理级实体之间的同等协议。③DTE和网络节点上分组交换分组级实体之间的同等协议。X.25于1976年被CCITT采纳成为国际标准。X.25建议在公用数据网上提供的网络服务有：①数据报；②永久虚电路；③转接虚拟电路（也称为虚呼叫）。3.6传输层协议从通信和信息处理角度看，运输层向它上面的应用层提供通信服务，属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。在通信子网中没有运输层，运输层只存在于通信子网以外的主机中。严格地讲两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信。IP协议虽能把分组送到目的主机，但是这个分组还停留在主机的网络层而没有交付给主机的应用进程。3.6.1传输层概述1．传输层的功能（1）弥补了各个通信子网提供服务的差异和不足。（2）复用是指当通信子网提供的服务不能满足高层要求时运输层能把一个运输连接复用到多个网络连接上传送，即向下多路复用（分流）。（3）提高服务质量。（4）网络层所传送的分组的大小是有限的。2．运输层与上下层的关系OSI使用了简洁的象方法将运输层与其上下层之间的关系归纳如图3-23所示。3．端口的概念UDP和TCP都使用了与应用层接口处的端口（port）与上层的应用进程进行通信。应用层各种进程是通过相应的端口与运输实体进行交互。因此，在运输协议数据单元首部中都要写入源端口号和目的端口号。当运输层收到IP层交上来的数据就要根据其目的端口号来决定应当通过哪一个端口上交给目的应用进程。用户数据报协议UDP，只在IP的数据报服务之上增加了很少一点功能。这就是端口的功能（有了端口，运输层就能进行复用和分用）和差错检测的功能。虽然UDP用户数据报只能提供不可靠的交付，但UDP在某些方面有其特殊的优点。例如：(1)发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。(2)UDP用户数据报只有8个字节的首部开销，比TCP的20个字节的首部要短。3.6.2用户数据报协议UDP(3)UDP不使用拥塞控制也不保证可靠交付，因此主机不需要维持具有许多参数的、复杂的连接状态表。(4)由于UDP没有拥塞控制。因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低，这对某些实时应用是很重要的。很多的实时应用（如IP电话、实时视频会议等）要求源主机以恒定速率发送数据，并且允许在网络发生拥塞时丢失一些数据，但却不允许数据有太大的时延，UDP正好适合这种要求。3.6.3传输控制协议TCP

1．TCP概述TCP是TCP/IP体系中面向连接的运输层协议，它提供全双工和可靠交付的服务。TCP与UDP最大的区别就是：TCP是面向连接的，而UDP是无连接的。图3-26是TCP发送报文段的过程示意图，为了突出示意图的要点，只画出了一个方向的数据流，实际上，只要建立了TCP连接，就能支持同时双向通信的数据流。2．TCP报文段的首部一个TCP报文段分为首部和数据两部分，如图3-27。TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用，因此只有弄清TCP首部各字段的作用才能掌握TCP的工作原理。TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面有4N字节是根据需要而增加的选项（N必须是整数），因此TCP首部的最小长度是20字节。3.7会话层、表示层和应用层会话层是建立在运输层之上的。其基本功能就是向表示层提供建立和使用连接的方法。1．基本概念会话层服务就如同两个人进行对话，考察两个人之间的对话包括如下几个方面：（1）会话协调：通过会话双方的表情、手势、语调等进行发言权交替等协调工作，使会话能够顺利进行。（2）会话方式：一般两个人面对面的交谈采用的是一人讲另一个人听的方式进行，这叫半双工交互。3.7.1会话层（3）会话隔离：说话方要让听话方能分清所说不同内容的界限，这就是会话隔离。（4）会话同步：会话双方进展必须是一致的，如果一方说的话另一方没有听懂，或没有听清楚，听话一方需要说话方重说一遍，这就是会话同步，否则会话就会出现混乱。2．会话层的特点（2）会话连接的释放（3）会话层管理（1）会话连接到传输连接的映射3．会话层服务（1）交互管理。（2）隔离服务。（3）会话连接同步。（4）异常报告。3.7.2表示层

1．表示层为应用层提供的服务（1）语法转换。（2）语法选择。（3）连接管理。2．抽象语法和传送语法3．表示层的功能（1）表示连接的建立与释放。（2）数据传送。（3）语法变换。（4）语法协商。3.7.3应用层1．应用层的作用2．应用层的客户一服务器方式

习题一．填空题1．体系结构是研究()及()的技术科学。2．协议是用来描述()之间()的一个术语。3．一般来说，协议由()、()和()3部分组成。4．整个网络