第3章计算机网络体系结构

第3章计算机网络体系结构主要内容：开放系统互连参考模型TCP/IP参考模型及两种模型的比较集成自动化系统网络体系结构物理层数据链路层网络层传输层及高层协议

（一）网络协议的概念网络协议简称协议，有三要素。语义：规定通信双方彼此“讲什么”，如规定通信双方要发出什么控制信息，执行什么动作和返回什么应答。语法：规定通信双方彼此“如何讲”，如数据与控制信息的格式、数据编码。时序：时间安排，定义“什么时间讲”,“先讲什么，后讲什么”。三要素语义语法时序什么是网络协议？其组成要素？计算机网络同等层次中，通信双方进行信息交换时必须遵守的规则。3.1网络体系结构的基本概念

（二）协议分层

1、分层的思想是设计协议的基础思想。设计者按照功能和数据信息的流动过程把计算机网络划分为多个不同的功能层，并规定每一层所必须完成的功能，这就是网络的层次结构。各层通过SAP（服务访问点）相联系。2.网络体系结构的概念结构化的分层设计方法使任一对应用实体之间的通信，实际上成为各个不同层次上的对等实体共同协调工作的通信。基于这种概念的描述，可以这样定义计算机网络体系结构：网络体系结构在逻辑上是由连续的层组成，具体地讲，由三个基本要素组成：（1）层：能提供某一种或某一类服务功能集合的逻辑构造；（2）协议：即某层的网络协议，每层所完成的功能都是在该层协议控制下进行的，因此，协议一定是指某一层的协议；（3）接口：两个相邻协议层之间交换信息的连接点。不同的计算机网络具有不同的网络体系结构，其层次的数量和各层的名字、内容、功能以及相邻层之间的接口都是不一样的。3.网络体系结构的层次分析网络体系结构的每一层是相邻上层服务的提供者，又是相邻下层服务的用户。每一层完成的功能都是在本层协议的控制下，在低一层服务的基础上实现，为高一层提供服务。因此，每一层的功能或服务实际每一层协议的功能或服务，任一层功能的实现并不是该层独立完成的，而是需要以下各层服务的提供。这就是网络体系结构各层垂直方向的服务关系，这种服务关系是一种嵌套服务关系，即n层完成n层功能必须使用n-1层以下各层服务服务，目的是为了向n+1层以上提供服务。网络通信协议的层次结构有哪些特征？分层的优点各层独立。每一层不需要知道下层是如何实现的，只需要知道层间的接口和所提供的服务。灵活性好。当任意层发生变化时，只要接口不变，上下层均不受影响。结构上分开。各层可采用最适合的技术。易于实现和维护。促进标准化。由于每一层及其提供的服务都有明确的定义。分层原则根据功能需要分层每层的功能明确每层的功能的选择有利于制定国际标准每层的接口信息量尽可能少层数足够多：避免不同的功能混于同一层层数不能太多：避免体系结构过于庞大网络体系结构研究方法按功能抽象分层定义层间的接口和提供的服务定义同层间通信的规则——协议网络体系结构的定义层服务协议层和相邻层层（layer）(n)层：指在网络体系结构中的某特定层(n+1)层：指(n)层的相邻上层(n-1)层：指(n)层的相邻下层每层实体与同一系统的相邻层实体交互每层实体与不同系统的对等实体交互分层的相关概念：对等层：不同系统的相同层次。实体：网络层次结构中每一层中实现该层功能的软件或硬件。对等实体：处于不同结点的同一层次中的实体。第n层为第n+1层的服务提供者，第n+1层为第n层的服务用户。相邻层之间都有一个接口（interface），接口定义了下层向上层提供的原语操作和服务。

层间接口是服务访问点的集合。什么是网络体系结构？请说出使用分层协议的两个理由。什么是实体？什么是对等实体？接口和服务在计算机网络分层结构中，每一层功能的本质都是为它的上层提供服务。服务Service：(n)实体向(n+1)实体提供的相互通信的能力。服务是(n+1)实体能看见的(n)实体提供的功能集合，包括：(n)实体自己提供的某些功能。从(n-1)层及以下各层及本地系统得到的服务。通过与对等实体通信而得到的功能服务访问点SAP服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）任何层间服务是在接口的SAP上进行的；每个SAP有唯一的识别地址；每个层间接口可以有多个SAP。相邻层之间可有多个SAP，每个SAP都有一个唯一的地址，不同的高层协议通过不同SAP对低层协议进行调用。网络体系结构（Networkarchitecture）：指计算机网络的层次结构模型、各层协议和层间接口的集合。

网络参考模型（RM）：是设计和描述网络通信的基本框架。具有代表性的参考模型有开放式系统互连参考模型（OSI/RM）和TCP/IP参考模型。计算机网络体系结构定义？在概念上可把网络上的数据传输看成是各层对等实体之间的数据交换。网络协议实质上就是对等实体之间的通信规则的约定。

数据的传输过程如图。（三）、数据的传输过程

封装：发送端发送数据时，数据由高向低逐层传递，每经过一层，该层将上层的数据附加上本层的信息头部（有些层次还同时附加上相应的信息尾部)。

信息头部（Header）

包含了本层的控制信息（如顺序、报文类型、状态等），反映了该层所使用的协议，供接收方对等层处理和分析时使用。

解封装：接收方接收数据时，数据从低到高逆向传送。每一层都要将接收到的数据进行拆分，去掉信息头部（尾部），并根据头部信息进行相应的操作，然后再把剩余的数据部分传给上一层。3.2OSI模型ISO（InternationalStandardsOrganization，国际标准化组织）1978年提出的OSI/RM（OpenSystemsInterconnection/referencesmodel，开放式系统互联参考模型）是一个7层模型，作为理论上的网络国际标准。（一）

ISO/OSI参考模型分层结构图OSI参考模型将整个网络的功能分成7个层次来实现，它们是？

（二）ISO/OSI参考模型－功能划分资源子网 从功能上，计算机网络划分为两个子网：资源子网和通信子网。1、资源子网 由计算机、终端控制器、终端和计算机所能提供的软件资源（如数据库和应用程序）构成。它包括了OSI的高四层。2、通信子网 由用作信息交换的节点计算机和通信线路组成，它承担全网的数据传输、转换、加工和变换等通信处理工作。它包括了OSI的低三层。OSI参考模型按功能划分两个子网，它们是？每个子网的功能是什么？第1层：物理层(Physical)实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。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，最大传送距离等规程特性：信号时序，应答关系，操作过程功能特性：接口引脚的功能作用第2层：数据链路层(DataLink)

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。主要功能和服务物理地址成帧定界与同步差错恢复法流量控制信道的访问控制第3层：网络层(Network)

在源结点与目的结点之间建立、维护、终止网络连接。主要功能和服务路由选择数据分组转发流量控制和拥塞控制差错检测与恢复审计：流量统计和记账第4层：传输层(Transport)

为源端主机到目的端主机提供可靠的、满足服务质量要求的数据传输服务主要功能和服务：屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响弥补应用层和通信子网间差异提供进程级通信能力。会话层(Session)和表示层(Presentation)会话层：建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话。会话：完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换。表示层：处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义。第7层：应用层(Application)为用户的应用程序提供网络通信服务

主要功能包括：识别并证实目的通信方的可用性使协同工作的应用程序之间进行同步判断是否为通信过程申请了足够的资源……简述OSI参考模型各层的功能？OSI模型各层次功能总结应用层（报文）负责用户信息的语义表示，即：做什么？表示层（报文）解决用户信息的语法表示，即：任务怎么描述？会话层（报文）会话的管理与数据的同步，即：从何时、何处开始？传输层（报文）建立一条传输的连接，即：对方在何处？网络层（分组或包）选择合适的路由，即：走哪条路可到达该处？数据链路层（帧）在链路上无差错地传送帧，即：每一步应该怎样走？物理层（比特）将比特流送到物理媒体上传送，即：怎样利用物理媒体？

（三）ISO/OSI参考模型数据流（四）服务原语服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述的。当(n+1)实体向(n)实体请求(n)服务时，服务提供者和服务用户间需要交流一些必要信息，以说明要求的服务的一些情况，这些信息即服务原语。服务原语的类型请求（Request）指示（Indication）响应（Response）确认（Confirm）服务定义详细地说明了各层所提供的服务；某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；低层的服务是通过接口向上一层提供的;各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是具体实现的。一组服务是由一组原语完成：原语就是服务提供者应执行的操作（五）服务分类面向（基于）连接的服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接。特点：可靠，顺序性好。无连接服务直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。特点：不可靠，顺序性差。OSI参考模型中的网络层可以提供哪两类服务？面向连接的服务和无连接服务的主要区别是什么？（五）服务与协议的关系服务服务是各层向上层提供的一组原语（操作），只定义接口不涉及具体实现；协议协议定义同层对等实体的具体规则；二者关系实体利用协议实现服务定义的接口；只要服务不变，可以任意改变协议。协议与服务有何区别？有何关系？对OSI的评价OSI是20世纪80年代计算机网络技术。OSI网络体系结构的核心和贡献：分层模型，网络体系结构的研究方法服务、接口、协议AndrewS.Tanenbaum在书中评价OSI：糟糕的提出时机（太晚）糟糕的技术（模型和协议都有缺陷）糟糕的实现（庞大，笨拙，缓慢）糟糕的策略（政府和组织的官僚）层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；OSI参考模型将“服务”与“协议”的定义结合起来，使得参考模型变得格外复杂，实现困难；寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；严格按照层次模型编程的软件效率很低。在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其它非TCP/IP协议族；3.3TCP/IP参考模型TCP/IP协议产生于20世纪70年代后期TCP/IP协议集是Internet的核心，是事实上的标准。TCP/IP协议集的产生遵循了按需要制定协议的原则。TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本4、版本5与版本6；目前我们使用的是版本4，一般被称为IPv4；IPv6被称为下一代的IP协议。3.3.1TCP/IP体系结构TCP/IP体系结构是Internet采用的网络体系结构，也是事实上的国际工业标准。TCP/IP是指一系列协议组成的协议簇，目前包含了100多个协议，TCP和IP是其中两个最基本、最重要的协议。对应于OSI参考模型，TCP/IP体系结构分为四个层次，包括网络接口层、网络层、传输层和应用层，如下页图所示。图对应于OSI参考模型的TCP/IP体系结构及协议簇网络接口层：TCP/IP协议集把物理层和数据链路层合起来称为网络接口层。没有具体协议Internet层（网络层）：控制通信子网提供源点到目的点的IP包传送。IP传输层：提供端到端的数据传送服务。TCP和UDP应用层：提供各种Internet管理和应用服务功能。FTP、SMTP……网络终端协议Telnet文件传输协议FTP，简单邮件传输协议SMTP，域名系统DNS，简单网络管理协议SNMP，超文本传输协议HTTP等TCP/IP层次结构TCP/IP协议从下向上分为四个层次，它们是？TCP/IP参考模型的特点开放的协议标准;独立于特定的计算机硬件与操作系统；独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互连网中；

统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址；标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。对TCP/IP的评价TCP/IP是Internet的支撑协议，是目前使用最广泛的协议。TCP/IP网络体系结构的主要优点：简单、灵活、易于实现充分考虑不同用户的需求AndrewS.Tanenbaum在书中评价TCP/IP：没有明显地区分出协议、接口和服务的概念不通用，只能描述它本身主机-网络层只是个接口不区分物理层和数据链路层有缺陷的协议很难被替换3.3.2两种模型的比较相同点：1.两者都是层次化模型2.都是基于独立的协议栈概念。3.两者都有功能相似的应用层、传输层、网络层。不同点：1.在OSI模型中，严格地定义了服务、接口、协议；在TCP/IP模型中，并没有严格区分服务、接口与协议。2.OSI模型支持非连接和面向连接的网络层通信，但在传输层只支持面向连接的通信；TCP/IP模型只支持非连接的网络层通信，但在传输层有支持非连接和面向连接的两种协议可供用户选择。3.TCP/IP模型中不区分、甚至不提起物理层和数据链路层。4.TCP/IP模型不是通用模型，不适合除TCO/IP以外的任何协议。5.在应用方面，OSI模型的结构复杂，实现周期长，没有在工业中得到真正的应用。列出OSI参考模型和TCP/IP参考模型的主要相同点和不同点。抽象5层模型ISO/OSI关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层的功能：在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。研究内容：物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。3.4物理层3.4.1物理层的作用及特性物理层的四个重要特性物理层机械特性规程特性电气特性功能特性主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。常用的标准接口ISO2110，25芯连接器，EIARS-232-C，EIARS-366-AISO2593，34芯连接器，V.35宽带MODEMISO4902，37芯和9芯连接器，EIARS-449ISO4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22（1）机械特性（2）电气特性规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIARS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接收器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。CCITT标准化的电气特性标准CCITTV.10/X.26：新的非平衡型电气特性，EIARS-423-ACCITTV.11/X.27：新的平衡型电气特性，EIARS-422-ACCITTV.28：非平衡型电气特性，EIARS-232-CCCITTX.21/EIARS-449电气特性分类不平衡传输用单线传输信号，以地线作为信号的回路，发送器和接受其均采用非平衡工作方式。典型接口RS-232。干扰从信号线和地线上迭加后影响接收信号。半平衡传输发送器采用非平衡工作方式，接收器采用平衡工作方式。用单线传输信号，每个方向各有一根地线作为信号的回路，典型接口RS-423A。干扰从信号线和地线上迭加后影响接收信号平衡传输用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，发送器和接收器均采用差动方式输入，共用一根地线。双绞线上所感应的干扰会相互抵消，地线干扰不会影响接收端。可以更远，更快的传输信号。典型接口RS-422A。物理层接口的电气特性主要分为三类,请简述它们的特点？试比较每种方式的性能？请对每一种方式给出一种串行通信接口。功能特性主要定义各条物理线路的功能和作用。按线路的功能可分为：地线，数据线，控制线，定时线等。规程特性主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系，指明在DTE,DCE之间在物理连接的建立、维护、拆除时，各线路的动作顺序及操作等。EIA-232-E是美国电子工业协会EIA制订的著名物理层异步通信接口标准，它最早是1962年制订的标准RS-232，其中的RS表示EIA的一种“推荐标准”，232是编号。(3)功能特性和规程特性物理层有四个特性，它们是？3.4.2物理层的标准1、物理层标准的主要特性表3-3： 不同的物理接口标准在以上4个重要特性上都不尽相同。实际网络中比较广泛使用的是物理接口标准有EIA-232-C、EIARS-449和CCITT的X.21建议。EIARS-232C仍是目前最常用的计算机异步通信接口。2、EIA-232C接口标准1)电气特性EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=-3V～-15V逻辑0(SPACE)=+3～＋15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平告语+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±(3～15)V之间。2)连接器的机械特性：

连接器：由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。下面分别介绍两种连接器。DB9和DB25的常用信号脚说明简述RS-232的电气特性、机械特性和传输特性？数据的传输速率局限于20Kbps；传输距离为15米；不能直接与TTL电平连接，使用时必须加电平转换接口电路。常用的电平转换芯片为MC1488，MC1489。计算机串口－12输出±12V输入±12V＋12V输入TTL电平1/4MC1488计算机串口输入TTL电平＋5V1/4MC1489终端/计算机通信互连方式DTE：数据终端设备→终端DCE：数据电路设备→传输设备a：计算机与MODEM连接；b：三线连接c：自握手直接连接；d：查询通信。采用Modem(DCE)和电话网通信时的信号连接3、RS-449接口标准 RS-449是1977年由EIA发表的标准，它规定了DTE和DCE之间的机械特性和电气特性。RS-449是想取代RS-232-C而开发的标准，但是几乎所有的数据通信设备厂家仍然采用原来的标准，所以RS-232-C仍然是最受欢迎的接口而被广泛采用。RS-449有三个标准组成，即：规定接口的机械特性、功能特性和过程特性。RS-449采用37根引脚的插头座。在CCITT的建议书中，RS-449相当于V.35规定在采用非平衡传输时的电气特性。当连接电缆长度为10M时，数据的传输速率可达300kb/s.规定在采用平衡传输时的电气特性。它可将传输速率提高到2Mb/s,而连接电缆长度可超过60m.当连接电缆长度更短时（如10m），则传输速率还可以更高些（如达10Mb/s）。RS-449标准的电器特性有两个标准，即平衡式的RS-422标准和非平衡式的RS-423标准。RS-423电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器(即非平衡发送器)和差动接收器。虽然发送器与RS-232C标准相同，但由于接收器采用差动方式，所以传输距离和速度仍比RS-232C有较大的提高。当传输距离为10M时，速度可达成100KBPS；距离增至100M时，速度仍有10KBPS。RS-422电气标准是平衡方式标准，它的发送器、接收器分别采用平衡发送器和差动接收器，由于采用完全独立的双线平衡传输，抗串扰能力大大增强。又由于信号电平定义为±6伏(±2V为过度区域)的负逻辑，故当传输距离为10M时，速率可达10Mbps；而距离增长至1000m时，速率可达到100Kbps（1）、RS-422RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。图9是典型的RS-422四线接口（2）、RS-485 由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式，都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，参见图10。

采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主(Master)设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。参见图11。 RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k，RS-422是4k；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。请比较RS-422和RS485的异同点？常见串行接口性能比较 CCITT的X.21建议是访问公共数据网的接口标准，X.21建议分为两部分：一部分是用于公共数据网同步传输的通用DTE/DCE接口，这是X.21的物理层部分，对电路交换业务或分组交换业务都适用；另一部分是电路交换业务的呼叫控制过程，这一部分内容有些涉及数据链路层和网络层的功能。3.4.3X.21建议1.电气特性 X.21采用X.26和X.27规定的两种接口电路。X.21建议指定的数据速率有5种，即600、2400、4800、9600和48000b/s。X.21规定在DCE一边只能采用X.27规定的平衡电气特性；在DTE一边，对于4种低速率可选用平衡的或不平衡电气特性，对于超过9600b/s的速率只能采用平衡电气特性，以保证通信性能。2.机械特性

X.21的机械接口采用15针连接器。X.21建议对管脚功能做了精心安排，使得每一互换电路都能利用一对导线操作。特别重要的是，即使DTE使用X.26的不平衡接口，而DCE使用X.27的平衡接口时，按照X.21赋予管脚的功能，也能使每一互换电路自成回路，这样的互连能提供近似于全部使用X.27电气特性时的性能指标。引

脚

号

缩

写

符

信

号

方

向

说

明

1PG公共端设备地2T（A）

输出

发送数据（+）

3C（A）输出

控制信号（+）

4R（A）

输入

接收数据（+）5I（A）输入指示（+）6S（A）输入信号元素计时（+）

7B（A）输入字节计时（+）8SG公共端信号地9T（B）输出发送数据（）

10C（B）

输出控制信号（）11R（B）

输入

接收数据（）12I（B）

输入指示（）13S（B）

输入信号元素计时（）14B（B）

输入字节计时（）3.功能特性 X.21对功能进行编码，在少数电路上传输代表各种功能的字符代码，来建立对公共数据网的连接。这样X.21的接口线数比RS-232-C大为减少，图中画出X.21定义的全部互换电路。3.4.4USB接口通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）是PC机连接外部设备的接口，是由Intel和Microsoft等厂商组成的USB开发者论坛（USBImplementersForum，USB-IF）于1998年制定的，最初的版本是USB1.1。USB接口的机械和电气特性定义了由4根针脚组成的连接器，参见图。A型连接器中间两个针为D+和D-，用于传输数据，两边两个针为Vbus和地线，用于提供5伏电源。USB电缆分为屏蔽和非屏蔽两种，屏蔽电缆传输速率可达12Mb/s，非屏蔽电缆的传输速率为1.5Mb/s。USB设备支持热插拔。

USB设备可以串联成菊花链，最多可串接127个设备。USB的功能和过程特性规定，主机采用轮询方式与外围设备通信，操作过程是由驱动软件实现的。 2000年发布的USB2.0的数据速率可达480Mb/s，最大电缆长度为5米。最新的USB3.0规范已于2008年发布，USB3.0的最大传输带宽高达5.0Gbps（500MB/s）。 USB2.0基于半双工二线制总线，只能提供单向数据流传输；而USB3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，可以支持双向并发数据流传输。 2013年1月，USB3.0推广组织在美国消费电子展(CES)上宣布，第一批传输速率达到10Gbps的USB3.0设备将于2014年面市，此速度将较之现在的5Gbps快一倍之多。在物理层提供的服务基础上，数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接；传输以“帧”为单位的数据包；采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路；3.5数据链路层功能：成帧，差错控制、流量控制，物理寻址，媒体访问控制1、为什么要设计数据链路层？在原始的物理传输线路上传输数据信号是有差错的，存在一定的误码率；设计数据链路层的目的就是如何在有差错的线路上，进行无差错传输。向网络层提供高质量的服务。从网络参考模型来看，物理层之上的各层都有改善数据传输质量的要求，数据链路层是重要的一层。3.5.1数据链路层概述2、数据链路层定义和数据链路要解决的问题：如何在有差错的线路上，进行无差错传输。ISO关于数据链路层的定义：数据链路层的目的是为了提供功能上和规程上的方法，以便建立、维护和释放网络实体间的数据链路。数据链路：数据链路(datalink)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。数据链路包括传输的物理媒体、链路协议、有关设备以及有关计算机程序。规程：早期的数据通信协议曾被叫做通信规程，因此在数据链路层中，规程和协议代表相同的内容 将物理层传输原始比特流而提供的可能出差错的链路改造成为逻辑上无差错的数据链路。3、数据链路层的作用（1）链路管理（LinkManagement）：主要负责数据链路的建立、维持和释放。（2）帧同步（FrameSynchronism）：指接收方应能从收到的比特流中明确区分出一帧的开始和结束在什么地方。（3）流量控制（FlowControl）：流量控制实际上指的是对发送方数据流量的控制，使其发送速率不会超过接收方所能处理的速率。（4）差错控制（ErrorControl）：在计算机通信中，往往要求有极低的比特差错率。这就要求通信系统必须具备发现（即检测）差错的能力，并采取措施进行纠正，使差错控制在所能允许的尽可能小的范围内，这就是差错控制过程。4、数据链路层的主要功能（5）区分数据和控制信息：大多数情况下，数据和控制信息是处于同一帧中进行传送。要有措施在接收方将他们区分。（6）透明传输（TransparentTransmission）：就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传输。（7）寻址（Addressing）：在多点连接或多条数据链路连接的情况下，提供数据链路端口标识的识别，支持网络层实体建立网络连接，以保证每一帧都能送到正确的目的地址。接收端也应该知道发送端是哪一个结点。简述数据链路层的主要功能下面不是数据链路层的功能是（）A.帧同步，B.差错控制，C.流量控制，D.拥塞控制5、数据链路层提供的服务无确认的无连接服务发送前不建立连接，可以发送任意长的信息，对方接收后也不需要做应答，出错和丢失都不处理。由上层完成差错控制，适合于误码率低、实时性要求高的场合，如大部分有线局域网。有确认的无连接服务发送前不建立连接，可以直接发送数据，接收方接收后，经过校验结果作不同的回答。进行简单的差错控制。适用于不可靠的信道，如无线网。有确认的面向连接的服务首先建立链路，然后维持连接，通信结束后释放链路，在每个帧都要确认。适合于可靠性要求较高的场合。适合于大多数广域网。数据链路层提供的服务有三类，它们是？3.5.2链路管理功能－成帧主要面向连接的服务；数据链路连接的建立、维持和释放就称为链路管理。帧的同步（帧定界）：接收方从收到的比特流中区分出一帧的开始和结束的方法。常见的如下（参考“计算机网络原理”，王志文编著P75）字符计数法字符填充的首尾界定法违法编码法IEEE802使用比特填充的首尾定界符法HDLC下面三页成帧（1）－（3）可不讲成帧（1）将比特流分成离散的帧，并计算每个帧的校验和。成帧方法：1）字符计数法在帧头中用一个域来表示整个帧的字符个数缺点：若计数出错，对本帧和后面的帧有影响。 因此很少采用。555343224521355成帧（2）2）带字符填充的首尾字符定界法用DLESTX标示帧的开始用DLEETX标示帧的结束用DLEDLE标示传送数据信息中的DLE例如：信息DLESTXADLEBDLEETX在网络中传送时表示为：DLESTXDLEDLESTXADLEDLEBDLEDLEETXDLEETX

缺点：局限于8位字符和ASCII字符传送，也不被普遍采用。成帧（3）3）带位填充的首尾标记定界法：适用面向比特的通信规程。帧的起始和结束都用一个特殊的位串“01111110”，称为标志(flag)“0”比特插入删除技术，在传送的数据信息中每遇到5个连续的1在其后加0例如：0110111111011111001在网络中传送时表示为：01111110011011111010111110001011111104）物理层编码违例法只适用于物理层编码有冗余的网络，如曼彻斯特编码HDLC协议使用这种方法。注意：在很多数据链路协议中，使用字符计数法和一种其它方法的组合。3.5.3差错控制差错出现的特点：随机，连续突发（burst）差错产生的原因信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射；串扰；闪电、大功率电机的启停等。

出错情况帧（包括发送帧和响应帧）出错帧（包括发送帧和响应帧）丢失差错控制的目的保证帧正确，按序送交上层。在接收方能够判断接收的数据是否正确，若错误还可能要恢复错误。差错控制的方法自动纠错机制（该方法又称作前向纠错（FEC-ForwardErrorControl），由接收端自动恢复差错。）检错反馈重发机制（该方法又称作自动请求重发（ARQ–AutomaticRepeatRequest），出错后通过发送方重发来恢复差错。）差错控制的方法—混合方式（HybridFEC一ARQ） 少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出自行纠正能力时，就向发信端发出询问信号，要求重发。纠错码和检错码码字codeword一个帧包括m个数据位，r个校验位，称为n

位码字（n=m+r）。

纠错码error-correctingcode加入了足够多的冗余位，使接收方不仅知道有差错发生，并知道哪些位发生差错。检错码error-detectingcode加入了冗余位，使接收方知道有差错发生，但不知道什么差错，然后请求重发。

同学思考一下，采用什么方法可以进行差错控制，或检错和纠错？1、奇偶校验码在数据后填加一个奇偶位（paritybit）例：使用偶校验（“1”的个数为偶数） 10110101 ——> 101101011 10110001 ——> 101100010若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。增加奇偶校验位后海明距离由1变为2，因此可以检查出一位二进制位的差错垂直水平奇偶校验码提高了奇偶校验的差错检测能力。

（参考“计算机网络原理”，王志文编著P78）2、循环冗余码(CRC)循环冗余码（CRC码，多项式编码）110001，表示成多项式x5+x4+1生成多项式G(x)发方、收方事前约定；生成多项式的高位和低位必须为1生成多项式必须比传输信息对应的多项式短。CRC校验基本思想：CRC码（即校验和）加在帧尾，使带CRC码的帧的多项式能被G(x)除尽；接收方接收时，用G(x)去除它，若有余数，则传输出错。设G(x)为r阶，在帧的末尾加r个0，使帧为

m+r位，相应多项式为xrM(x)；按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xrM(x)的位串；按模2减法从对应于xrM(x)的位串中减去余数（等于或小于r位），结果就是要传送的带校验和的多项式T(x)。CRC码计算算法CRC的检错能力发送：T(x)；接收：T(x)+E(x)；余数((T(x)+E(x))/G(x))=0+余数(E(x)/G(x))若余数(E(x)/G(x))=0，则差错不能发现；否则，可以发现。四个多项式已成为国际标准CRC-12 =x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 =x16+x15+x2+1CRC-CCITT =x16+x12+x5+1（HDLC）CRC-32=局域网X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1硬件实现CRC校验。循环冗余校验法CRC码计算算法差错控制的方法基本上可以分为两类，它们是？常用的检错码有

和

两种。什么是CRC校验？试叙述CRC校验的过程？3、检验和(checksum)算法检验字段初值置0；数据拆分成与检验字段等长的分片，不足部分补0；将所有分片逐位取反，并连续累加，丢弃最高进位；计算结果置入检验字段；接收段执行相同的过程，并将计算结果和传输过来的检验和进行比较以决定数据是否出现差错；适用于高层协议，如IP、TCP、UDP等；检验和算法举例待传输数据为：10010100,01110110,1100计算过程~(10010100)+~(01110110)=1111010011110100+~(11000000)=00110011带检验和的传输数据是10010100,01110110,1100001100113.5.4流量控制数据链路进行数据传输时，必须进行流量控制。1．XON/XOFF方案

它是一种与差错无关的纯流量控制技术，是在接收端来进行控制的。当接收缓冲区达到规定的上限值时，向发送端发送XOFF控制字符。发送端收到此字符以后，便暂时停止发送，等待接收端处理缓冲区中的数据。当接收端缓冲区中的数据占据量下降到规定的下限时，向发送端发送XON字符，发送端接收到XON字符以后，便可继续发送数据了。2．停止等待协议一次发送一个数据帧，便停止发送，等待接收端的响应帧，根据响应帧的情况，再进行相应的处理。有以下几种情况：（1）发送端的数据被正确地接收，接收端给发送端发送ACK确认帧，发送端收到ACK以后，便可以继续发送数据了。（2）发送端的数据被错误地接收，接收端给发送端发送NAK否认帧，发送端收到NAK以后，便重新发送，直到正确为止。（3）如果发送端的数据帧在传送过程中丢失，则接收端无响应帧给发送端，发送端将无限地等待下去，从而造成死锁。为解决此问题，我们可在发送端设置一个计时器来解决此问题，超过规定时间而没有收到响应帧，将重新发送数据。（4）发送端的数据被正确地送达到接收端，但是响应帧丢失，接收端将收到重复的数据帧。为解决此问题，可在发送的数据中加入序号。一旦收到重复的数据帧，便将其丢弃。3．连续ARQ协议_滑动窗口协议－教材P62在连续ARQ协议中，发送端在没有收到响应帧之前，可以连续地发送数据。由于链路不可靠，有可能出错，因此发送端需要有一个较大的缓冲区，以保存发送过的数据的拷贝。为了区分这些数据，还要对它们编号来加以区别。接收端按照顺序来接收数据，每收到一个正确的数据帧，就返回一个确认帧，发送端将从缓冲区中删除该拷贝；如收到错误的数据帧，返回一个否认帧，并丢弃该帧以及该帧以后所有的帧。发送端收到否认帧，将重新发送该帧及该帧以后的所有的帧。超时情况的处理与停止等待的处理相似。简述连续ARQ协议进行流量控制的原理？3.5.5HighLevelDataLinkControl（高级数据链路控制）HDLC高级数据链路控制（High-LevelDataLinkControl或简称HDLC），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织（ISO）根据IBM公司的SDLC（SynchronousDataLinkControl）协议扩展开发而成的。面向字符型数据链路层协议的缺点：控制报文和数据报文格式不一样；采用停止等待方式，效率低；只对数据部分进行差错控制，可靠性较差；系统每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符。面向比特型协议的设计目标：以比特作为传输控制信息的基本单元；数据帧与控制帧格式相同；传输透明性好；连续发送，传输效率高。1、HDLC（高级数据链路控制）产生的背景2、HDLC的特点（1）.HDLC是面向比特的数据链路控制协议的典型代表，该协议不依赖于任何一种字符编码集；（2）.数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现；（3）.全双工通信，有较高的数据链路传输效率；（4）.所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重发，传输可靠性高；（5）.传输控制功能与处理功能分离，具有较大灵活性。 高级数据链路规程(HDLC)，是位于数据链路层的协议之一，其工作方式可以支持半双工、全双工传送，支持点到点、多点结构，支持交换型、非交换型信道，它的主要特点包括以下几个方面：（1）.透明性：为实现透明传输，HDLC定义了一个特殊标志，这个标志是一个8位的比特序列，(01111110)，用它来指明帧的开始和结束。同时，为保证标志的唯一性，在数据传送时，除标志位外，采取了0比特插入法，以区别标志符，即发送端监视比特流，每当发送了连续5个1时，就插入一个附加的0，接收站同样按此方法监视接收的比特流，当发现连续5个1时而第六位为0时，即删除这位0。（2）.帧格式：HDLC帧格式包括地址域、控制域、信息域和帧校验序列。（3）.规程种类：HDLC支持的规程种类包括异步响应方式下的不平衡操作、正常响应方式下的不平衡操作、异步响应方式下的平衡操作。3、HDLC的帧格式（1）标志字段(F)标志字段为01111110的比特模式，用以标志帧的起始和前一帧的终止。标志字段也可以作为帧与帧之间的填充字符。通常，在不进行帧传送的时刻，信道仍处于激活状态，在这种状态下，发方不断地发送标志字段，便可认为一个新的帧传送已经开始。采用“0比特插入法”可以实现数据的透明传输。（2）地址字段(A)地址字段的内容取决于所采用的操作方式。在操作方式中，有主站、从站、组合站之分。每一个从站和组合站都被分配一个唯一的地址。命令帧中的地址字段携带的是对方站的地址，而响应帧中的地址字段所携带的地址是本站的地址。某一地址也可分配给不止一个站，这种地址称为组地址，利用一个组地址传输的帧能被组内所有拥有该组的站一一接收。但当一个站或组合站发送响应时，它仍应当用它唯一的地址。还可用全“1”地址来表示包含所有站的地址，称为广播地址，含有广播地址的帧传送给链路上所有的站。另外，还规定全“0”地址为无站地址，这种地址不分配给任何站，仅作为测试。（3）控制字段(C)控制字段用于构成各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制。发送方主站或组合站利用控制字段来通知被寻址的从站或组合站执行约定的操作；相反，从站用该字段作对命令的响应，报告已完成的操作或状态的变化。该字段是HDLC的关键。控制字段中的第一位或第一、第二位表示传送帧的类型，HDLC中有信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）三种不同类型的帧。控制字段的第五位是P/F位，即轮询/终止（Poll/Final）位。（4）信息字段(I)信息字段可以是任意的二进制比特串。比特串长度未作限定，其上限由FCS字段或通信站的缓冲器容量来决定，国际上用得较多的是1000~2000比特；而下限可以为0，即无信息字段。但是，监控帧（S帧）中规定不可有信息字段。（5）帧校验字段(FCS)帧校验序列字段可以使用16位CRC，对两个标志字段之间的整个帧的内容进行校验。FCS的生成多项式CCITTV4.1建议规定的X16+X12+X5+1。HDLC的主用功能是什么？HDLC是面向（字符/位）帧同步方式？工作在数据链路层的设备(1)交换机(2)网桥(3)网络适配器(网卡)通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径；为数据在结点之间传输,创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。路由、转发，拥塞控制3.6网络层网络层是通信子层和网络高层的界面网络层----功能在数据链路层提供的两个相邻节点之间的数据帧的传送基础上，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向提供传输层最基本的端到端的数据传送服务；具体功能包括：路由选择，拥塞控制和网际互连等。网络层将传输层提供的帧组成数据包，封装有网络层包头，其中包含逻辑地址信息，既源站点和目的站点的网络地址。通信子网的操作方式网络层是通信子网中网络节点中的最高层，所以网络层体现通信子网向端系统所提供的网络服务。分组交换方式中，通信子网向端系统提供虚电路和数据报两种网络服务；通信子网内部的操作有虚电路和数据报两种操作方式。路由算法的要求：

◆正确性◆简单性◆可靠性◆稳定性◆健壮性◆公平性◆最优性路由选择（链路层）邮递员通信子网(邮递公司）主机A主机B﹗﹗路由选择静态路由选择策略（又称非自适应算法）认为网络环境是不变的，变化也不考虑算法简单易于实现动态路由选择策略（自适应算法）认为网络的运行环境是随时变化的，即网络的吞吐量，各节点的拥塞状况等都是动态的。路由器是实现路由功能的装置。拥塞控制----拥塞当通信子网中的有太多的分组待传输时，达到一定的数量，会造成子网的性能下降，这种情况叫拥塞拥塞控制和流量控制是有差异的拥塞控制是必须确保通信子网能正常传输-------全局性流量控制只是与某发送和接收者之间的通信量有关—局域性abab流量拥塞﹗拥塞----原因网络的吞吐量（分组/S）与通信子网负荷（通信子网中正在传输的分组数）有着密切的关系。当通信子网负荷比较小的时候，吞吐量与网络负荷的增加而线性增加；当网络负荷增加到一定值后，吞吐量反而下降，表征网络中出现了阻塞现象；甚至出现死锁。拥塞产生的原因，引起的后果可能的原因突发性负载处理器速度慢，线路带宽低引起的后果