网络体系结构

网络体系结构网络协议，网络体系结构开放系统互连参考模型OSIOSI中的数据流动过程对等层通信服务、用户知识要点：一、网络协议，网络体系结构网络协议协议的分层实现网络体系结构1.1网络协议

互联在一起的许多计算机要有条不紊地交换数据，每个计算机必须遵守一些事先约定好的规则。这些为网络中的数据交换而建立的规则，标准或约定就称为网络协议。协议的三要素：

语法：指数据或控制信息的格式、数据编码等。语义：指控制信息的内容，需要做出的动作及响应。时序：事件先后顺序和速度匹配。

协议是分层实现的计算机网络协议十分复杂，采用自顶向下逐步求精的方法，将其分为层次式结构。

分层的好处：各层之间相互独立。某层只要知道下一层所提供的服务，不需了解其实现的细节。灵活性好。若某层发生变化，只要接口关系不变，则上、下层均不受影响，便于修改、取消某层提供的服务。结构上可分割开，各层都可以选择最合适的实现技术。整个系统被分割为若干个范围较小的部分，便于实现调试和维护。每一层的功能和所提供的服务都有精确的说明，有助于标准化。

分层的原则：

每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层具体实现方法更新时，只要保持与上、下层接口不变，那么就不会对邻层产生影响。层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。层数应适中。若层数太少，则层间功能的划分会不明确，多种功能混杂在一层中，造成每一层的协议太复杂。若层数太多，则体系结构过于复杂，各层组装时的任务要变得困难。

1.3网络体系结构计算机网络的各层及协议的集合，称为网络体系结构。如：IBM公司SNADigital公司DNAARPANET参考模型ARM

两方面的含义：协议分几层实现每层都有那些规定OSI模型OSI中的数据流服务，协议和服务访问点信息传送单元服务原语三、开放系统互连参考模型（OSI模型）国际标准化组织ISO制定了开放式系统互连OSI参考模型OSI参考模型的目的——方便计算机系统的互连。凡遵守OSI标准的系统可以互连，彼此能开放式地进行通信。OSI参考模型共有七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。二、OSI模型物理层（PhysicalLayer）数据链路层（DataLinkLayer）网络层（NetworkLayer）传输层（TransportLayer）会话层（Session）表示层（PresentationLayer）应用层（ApplicationLayer）7654321OSI参考模型的特点：每个层次的对应实体之间都通过各自的协议通信；各个计算机系统都有相同的层次结构；不同系统的相应层次有相同的功能；同一系统的各层次之间通过接口联系；相邻的两层之间，下层为上层服务，上层使用下层提供的服务。2.1OSI中的数据流物理层数据链路层传输层回话层表示层应用层7654321网络层物理层数据链路层传输层回话层表示层应用层网络层AP1AP2数据数据数据数据数据数据数据比特流报头，控制信息概念：系统和实体系统——是网络中有自治能力的计算机或交换设备，从拓扑学的角度，叫节点。实体——是能够发送和接收信息的任何东西。包括：1、软件实体2、硬件实体3、对等实体——同一层次的实体。

概念：对等层之间的通信（PeerLayer），透明通信每层加上若干比特的控制信息接收方各层根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，交给上层。可能分段，合并等操作。数据数据数据数据数据2.2服务，协议和服务访问点子系统：每个开放系统有7个划分，其中每个划分为一个子系统。

对等实体：位于不同子系统的同一层内相互交互的实体。

N协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。名词解释：2.3服务，协议和服务访问点（N+1）实体（N）实体（N）实体（N+1）实体提供服务提供服务交换原语交换原语通过(N-1)连接进行通信使用（N-1）服务（N-1）层（N）层（N+1）层层间接口接口和服务接口——是相邻两层之间的边界，底层通过接口为上层提供服务，上层通过接口使用底层提供的服务。上层叫服务的使用者，下层叫服务的提供者，服务是在服务访问点提供给上层使用的。N层向N+1层提供服务,N+1层利用N层所提供的服务完成两个N+1对等层实体的通信。N层向N+1层提供的服务包含了N-1层向N层所提供的服务。但对N+1层来说，认为所有服务都是N层提供的。名词解释：

（

N）用户：接受N服务的是上一层的实体，即（N+1）实体。（N）实体借助于和另一（N）实体的通信向（N+1）实体提供服务。但要实现这种通信，（N）实体还要使用（N+1）实体提供的（N-1)）服务。

（N）服务：（N）层实体向（N+1）实体提供的服务。

服务访问点（SAP)：同一系统相邻两层中的实体进行交互之处。（N）SAP实质上是（N）实体和（N+1）实体之间的逻辑接口。每个SAP都有一个唯一地标明它的地址。服务用户：(N)用户服务提供者：（N）服务SAPSAP(N)层(N+1)层服务用户：(N)用户2.4服务原语

N层向N+1层提供服务,N+1层利用N层所提供的服务完成两个N+1对等层实体的通信。两种类型的服务：面向连接的服务无连接服务（数据报服务）面向连接的服务和无连接服务服务分为：面向连接的服务无连接服务面向连接的服务在数据交换之前必须经过建立连接、维护连接和拆除连接三步工作。特点：可靠性高，保证数据顺序传输。无连接服务在数据交换之前不需要建立连接，按目的地址一步步传输数据。特点：不需要维持连接的额外开销，但可靠性较低，也不保证数据的传输顺序。当（N+1）实体向（N）实体请求服务时，服务用户与服务提供者之间要进行一些交互。OSI中规定了每一层均可使用的4个原语类型：Request请求原语Indication指示原语Response响应原语Confirm证实原语2.4服务原语1432RequestConfirmResponseIndication(N-1)层(N)层(N+1)层(N)实体(N)实体实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。三、物理层(Physical)数据终端设备DTE、数据通信设备DCEDTE——用于处理用户数据的设备。如计算机、路由器。DCE——用于把DTE发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式。如MODEM。DTEDCEDCEDTENetworkDTEDCEDCEDTENetwork3.2物理层的功能

在DTE和DCE之间提供透明的二进制比特流传输。物理层向数据链路层提供物理连接，使两个数据链路实体之间建立连接，在他们之间进行透明的比特流传输。数据链路实体将数据通过接口送给物理层，物理层通过物理链路实现将数据一位一位地送给另一数据链路实体。机械特性电器特性功能特性规则特性3.3物理层的特性（1）机械特性

机械特性规定了物理连接时的接插件的规格尺寸，引脚数量和排列情况。

如：RS-232C规定的25针插座，X.21所用的15针插座，RS-449规定的37针插座及9针插座。（2）电器特性

电器特性规定了在物理连接上传输二进制位流时信号电压高低，阻抗匹配，传输速率和距离限制等。如：多少伏电压表示“1”，多少伏电压表示“0”。

EIA-232-D与CCITT的V.28建议书一致，采用负逻辑，此时逻辑0相当于对信号地线有+5V～+15V的电压，而逻辑1相当于对信号地线有-5V～-15V的电压。

发送和接受电路连接方式:三种基本方式非平衡型半平衡型平衡型地线非平衡型地线半平衡型地线平衡型发送器和接收器均为单端入出，共用一根信号线。易受干扰发送器为单端出，接收器采用差动输入方式，减少干扰发送器为平衡方式，接收器采用差动输入方式，抗共摸干扰能力强（3）功能特性和规则特性

功能特性是指对各个信号线分配确切的信号含义。即定义DTE/TCE见各个线路的功能。信号线一般分为数据线，控制线，定时和地线等。规则特性定义了:利用信号线进行二进制位流传输的一组操作规程，是指在物理连接的建立，维持，交换信息时，TDE/DCE双方在电路上的动作次序。（4）协议举例：EIARS-232E接口

EIARS-232-C是由美国电子工业协会在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口标准。该标准主要是为通过公用交换电话网络（PSTN)进行数据通信而制定的，即提供一个利用公用电话网作为传输介质，通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。“ES”:表示”推荐标准”,1991年又修订为RS-232-E.对于近距离，可不使用电话网和调制解调器，而直接使用RS-232标准将两台计算机连在一起，称作“零调制解调器连接（NullModem）”。机械特性：25针DB-259针DB-9电气特性：驱动器输出阻抗≤300Ω

接收器输出阻抗3～7kΩ

电平：-3～-15V：”1”+3～+15V：”0”

传输距离：<15m最高速率：19.2kb/s功能特性：各管脚功能见下表DB-25功能DB-91保护地

2发送（TD）33接收（RD）24请求发送（RTS）75允许发送（CTS）86数据就绪（DSR）67信号地（SG）58载波检测（DCD）120数据终端就绪（DTR）422振铃指示（RI）modemmodemPSTN3.4协议举例：EIARS-232E接口DTEDCE206543271

206543271

DTEDTE206543271

206543271

三线方式物理层的特性包括：机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格电气特性：信号电平，脉冲宽度，频率，数据传送速率，最大传送距离等功能特性：接口引脚的功能作用规程特性：信号时序，应答关系，操作过程3.5RS-449/V.35的信号定义

RS-449实际上由下列三个接口标准组成：（1）RS-449：规定了接口的机械特性、功能特性和规程特性。（2）RS-423-A：规定了在采用非平衡传输时（此时所有电路共用一个公共地）的电气特性，它采用单端输出和差分输入电路。（3）RS-422-A：规定了在采用平衡传输时（此时所有电路没有公共地）的电气特性，它采用双端差分输出、差分输入，这时信号传输线不和地线发生关系。

RS-449/V.35主要控制信号在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为一条无错的线路。所关心的问题包括：物理地址、网络拓扑；组帧：把数据封装在帧中,按顺序传送,并处理返回的确认帧；定界与同步：产生/识别帧边界；差错恢复：采用重传（ARQ）的方法；流量控制：收发双方传输速率的匹配。四、数据链路层链路和线路：链路管理：在面向连接的服务中，完成建立数据链路，维持数据链路和释放数据链路。帧同步：在数据链路层，数据以帧为单位传送，为了使接收方从收到的比特流中明确区分一帧的开始和结束，帧同步是必须的。流量控制：应控制发送方发送数据的速率，使得接收方来得及接收。差错控制：完成差错编码和解码，检错或纠错。区分数据和控制信息。透明传输（如：增1去1）寻址：在多点连接的情况下，要保证每帧能正确地到达目的地址，收方也应知道发方在哪一个站。4.1基本概念：线路中间没有任何交换节点，而链路是一条无源的端到端的物理线路段，在进行数据通信时，两台计算机之间的通信链路往往是由许多线路串接而成。把实现控制数据传输的一些规程的硬件和软件加到链路上就构成了像数据管道一样的数据链路。有时往往将链路称为物理链路，而将数据链路称为逻辑链路，即物理链路加上必要的通信规程就是数据链路。4.2数据链路层提供的服务

无确认无连接服务：发送一个个独立的帧，无须确认，事先不建立连接，事后也无须释放连接，如果在线路中因干扰把帧丢失，不去做恢复的努力。

有确认无连接服务：每个帧单独确认，如果在规定的时间内没有收到确认信息，则重发，重发超时则做失败处理。

面向连接的服务：事先要建立连接，连接建立后再传输数据，数据传输完毕后，释放连接。4.3.1差错检测方法产生差错的原因：1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；2）信号反射；3）串扰；4）闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。4.3差错控制反馈检测法：自动请求重发（ARQ）:接受方发现错误，就发回请求重发的应答信号，发送方收到后，重新发送。停等ARQ；连续ARQ；选择ARQ；停等ARQ：主机A向主机B发送数据，主机A向主机B发送完一帧数据后，停止发送，等待ACK。几种可能情况可能会发生？DataACKAB4.3.2差错控制方法数据帧正确数据帧出错数据帧丢失应答帧丢失Data1ACKData2Data1NAKData1Data1toutData1Data1Data1tout效率分析：设：信道容量：B(b/s)，帧长度：L，信号在信道中往返传播延时时间是：2R。设应答不占信道时间。信道效率：U==L/B2RL/BL/B+2RLL+2RB例：卫星信道B=50kb/s,2R=0.5s,L=1kbits则U==

4%10001000+25000126以上分析只考虑因等待对信道效率产生的影响，实际上，由于差错而引起的超时重传，同样会造成效率降低停等协议算法:发送方:N(S):发送序号发送状态初始化V(S)<-0从主机取帧一数据N(S)<-V(S)将数据帧放入发送缓存NAK从缓存取一帧数据发送设置超时计时器有应答?ACK/NAK?V(S)<-V(S)1超时?ACKYNYN接收状态初始化V(R)<-0丢弃数据差错校验发NAK收到数据帧交主机收到?V(R)<-V(R)1发ACKYNYN正确?N(S)=V(R)?YN接收方:

连续ARQ:允许发送方不必等待确认就可连续发送若干帧为了区分发出的多个帧，需要给帧编号，需用多位表示，一般：帧号位数m[log2((L+2RB)/L)]例:上例中U=1/26所以最多允许连续发送26帧，帧号至少需5位二进制数表示工作原理：发送方：连续发送尚未确认的帧并保存。接受方：以正确顺序将接收到的帧上送主机0123456723456701234567234567tout重发丢掉数据帧出错应答丢失缺点：浪费又称为：回退N帧0123456723456701E34567234567NAKACKACK重发丢掉

选择ARQ：原理：一旦一帧出错，只要求重传出错帧，其它帧接收暂存，当收到重传的帧后，便将其余暂存的帧一起按顺序上送主机。特点：需要更大的缓冲区0123456720123401E34567201234暂存tout重发2~7帧依次送主机4.4流量控制：

是对发、送双方的数据流量进行限制。方法：（1）XON/XOFF方案（2）滑动窗口协议（1）XON/XOFF方案：

当接收方发生过载时，向发送方发送一XOFF字符（DC1=00100001)，发送方收到XOFF字符后停止发送数据。当过载恢复后，再向发送方发一XON字符（DC2=00100011），发送方收到XON字符后重新开始发送数据。发送和接收双方需要限制数据帧数，限制的数目称为窗口。发送窗口：控制发送数据帧数目。大小：WT接收窗口：控制接收数据帧数目。大小：WR设：用k位表示帧号，则帧号范围：0-2k-1WT和WR≤2k-1为什么WT和WR≤2k-1???两种描述形式:第一种:例:K=3,WT=5表示发送方最多可以发出5个数据帧（2）滑动窗口协议发送方可以发送0~4号帧收到0确认帧后,发送方可以发送1~5号帧WT01234567012WT0123456701201234567012WT收到1~3确认帧后,发送方可以发送4~0号帧发送窗口:接收窗口:WR01234567012WR=1表示允许接收的数据帧号接收方准备接收0号帧01234567012WR接收方收到0号帧,准备接收1号帧01234567012WR接收方陆续收到1-3号帧,准备接收4号帧第二种描述形式:发送方：每发出一帧，窗口后沿前移一格；每收到一个ACK，窗口前沿前移一格或到(i+WT)mod2k。接收方：每收到一帧，窗口后沿前移一格；每发出一个ACK，窗口前沿前移一格或到(i+WR)mod2k。设：用K=3，则其范围：0~7。双方窗口大小：W2k–1.4.5高级数据链路控制协议HDLC基本概念HDLC历史HDLC的帧结构HDLC的操作过程两种链路配置：非平衡配置和平衡配置非平衡配置：由一个主站控制整个链路的工作。主站发出的帧叫命令，受控的各站叫次站，次站发出的帧叫响应。命令命令响应多点链路响应点到点链路（1）基本概念

平衡配置：只能是点到点工作。链路两端的两个站都是复合站，每个复合站都具有同等的地位，都可以发出命令和响应。命令响应

三种数据传送方式：正常响应方式，异步响应方式和异步平衡方式。正常响应方式：只对非平衡配置。只有主站才能发起向次站的数据传输，而次站只有在主站向它发起轮询时，才能回答以响应帧。(NRM:NormalResponseMode)异步响应方式：只对非平衡配置。这种方式允许次站发起向主站的数据传输，即次站不需要等到主站发过来的命令，而可以向主站发送响应帧，但主站仍负责全线的初始化，差错恢复和逻辑断连。(ARM:AsynchronousResponseMode)异步平衡方式：仅对平衡配置。每个复合站都可平等地发起数据传输，而不需要得到对方的允许。(ABM:AsynchronousBalancedMode)（2）HDLC历史1974年IBM提出SDLC(SynchronousDataLinkControl),后来IBM将SDLC提交给ISO和ANSI。ANSI将SDLC修改为ADCCP(AdvancedDataCommunicationControlProcedure)作为美国国家标准。ISO将SDLC修改后称为HDLC(High-levelDataLinkControl)。CCITT将HDLC再次修改修改后称为LAC(LinkAccessControl)，作为X.25中的一部分。（3）HDLC的帧结构F：标志字段，为一个帧的边界。01111110A：地址字段C：控制字段DATA：数据段CRC：帧校验序列

FACDATACRCF

F：标志字段

F=01111110，

为了达到透明传输的目的，HDLC采用比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现连续6个1。若发现有5个连续1，则立即插入一个0，在接收端则进行反变换。如：要发送的序列：010110011111011111110101被送的序列：01011001111100111110110101地址字段：A字段为8比特在采用非平衡配置时，A等于次站的地址。在采用平衡配置时，A等于应答站站的地址。全1为广播地址，全0为无效地址。有效地址有254个CRC帧校验序列:占16比特生成多项式:G(X)=X16+X12+X5+1校验范围从地址字段的第一比特到数据字段的最后一个比特。（3）HDLC的帧结构控制字段C：

该字段最复杂，HDLC的主要功能都靠该字段实现。C字段占8比特，根据第1,2比特的取值，可将HDLC帧划为三大类：信息帧，监督帧和无编号帧。

123456781字节1字节2字节FACDATACRCF0N(S)P/FN(R)信息帧1SP/FN(R)0监督帧1MP/FM1无编号帧1字节1字节N(S)为发送序号，表示当前发送的信息帧的序号。N(R)为接收序号，表示该站所希望接收到的帧的发送序号。P/F为轮询/最终（Poll/Final）比特，占一比特。

(1)主站发出的命令帧：P=1,表示要求对方发送响应。

(2)对方确认帧：F=1：表示要发送的数据已发送完毕。

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0N(S)P/FN(R)信息帧：S的取值有如下四种含义：00：接收准备就绪RR(ReceiveReady)。准备接收下一帧，序号为N(R)-1以及以前的个帧均已收到，含有确认功能。10：接收未就绪RNR(ReceiveNotReady)。暂停接收下一帧，但序号为N(R)-1以及以前的个帧均已收到，含有确认功能。01：拒绝REJ(Reject)。否认，从N(R)起的所有帧都被否认，但序号为N(R)-1以及以前的个帧均已收到11：选择拒绝SREJ(SelectiveReject)。只否认序号为N(R)的帧。但序号为N(R)-1以及以前的个帧均已收到Rem：监督帧不需要有序号，但监督帧中的N(R)却至关重要！1SP/FN(R)0

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监督帧：

U帧本身不带编号，即无N(S)和N(R)，而用5个比特的M表示不同的无编号帧。无编号帧主要起控制的作用，即不同的命令。可以表示25种不同的命令.无编号帧可以在任何时刻发出，而不影响带序号的信息帧的交换顺序。

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1MP/FM1无编号