通信系统第15章

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1、第15章 网络体系结构,15.1 概述 15.2 物理层 15.3 数据链路层 15.4 网络层 15.5 高位层简介,15.1 概 述,15.1.1 分层体系结构 计算机网络的基本功能是让远程端用户之间进行通信联系。 为了适应端用户的各种要求，而且不管在传输过程中出现任何差错，端用户数据格式有何差别，数据传输的速度如何，间断方式如何，通信联系也应能够进行。网络的总功能是十分复杂的， 因此最好将总功能划分成一系列按某种方式组合的更简单的功能来逐步完成。 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功能集合的准确定义和结构。 最典型的网络体系结构是分层体系结构。因此换种说法，网络体系结

2、构就是指计算机网络各层及其协议的集合。分层结构的基本概念包括以下两个方面：,(1) 将网络的功能分解成许多层，在每一层中，通信双方要有许多约定和规程， 这些约定和规程叫做同层协议或等同协议，简称协议。只有双方共同遵守规定的协议，才可以配合工作，避免混乱。,(2) 要能从一个层次过渡到另一个层次，即前一层要做好为进入下一层次的准备工作， 以便顺利转入下一个层次。这种两个相邻层次之间要完成的过渡条件，叫做接口协议，简称接口。 接口可以是硬件，如机械的和电子的装量等，也可以是软件， 如数据格式的变换和地址的映射等， 要根据具体条件而定。 分层结构有许多优点，一是可使复杂的网络设计简化； 二是模块化，

3、使层内功能局部化，修改某层协议不影响系统的其余部分，所以各个计算机厂家都有自己产品的网络体系结构。这些结构都确认：当用户通过一个或一系列网络进行通信时， 必须保证数据传输的及时性、正确性和可辨识性。 即解决通信问题有两个必不可少的部分：,(1) 由一个端点用户发出的数据必须能正确、 及时地到达目的地。 (2) 保证到达末端用户的数据是可辨识的， 并且具有恰当的形式以使它能正确使用。 为了解决上述第一个问题提出了许多网络协议，而第二个问题是用高层协议来解决的，因此一个完整的面向末端用户的体系结构包含两类协议。 根据这一特征， 可用图15.1来表示。 它描述了两个末端用户A和B之间的通信。,图15

4、.1 分层通信结构的功能,15.1.2 开放系统互连（OSI）参考模型（RM） 由于先前各计算机厂家推出的产品，其网络体系结构有各自不同的分层、不同的数据格式和数据交换规则。因此，不同厂家甚至同一厂家不同的网络产品很难互连。为此国际标准化组织（ISO）提出了一个开放系统互连（OSI， Open System Interconnections）参考模型（RM），它是定义连接异种计算机的标准框架。 OSI模型提供了连接分布式应用处理的开放系统的基础。所谓“开放”模式， 就是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方，也遵循这一标准的其他任何系统进行通信。这一点很像世界范围的电话和邮政

5、系统，这两个系统都是开放系统。,图15.2 OSI参考模型,OSI模型各层的名称如下： 第1层： 物理层（Physical Layer）； 第2层： 数据链路层（Data Link Layer）； 第3层： 网络层（Network Layer）； 第4层： 传输层（Transport Layer）； 第5层： 会话层（Session Layer）； 第6层： 表示层（Presentation Layer）； 第7层： 应用层（Application Layer）。,这种分层体系结构有以下特点： (1) 各层只能与上下相邻层之间相互通信，与各层的内部过程无关。 (2) 各层的协议互相独立，各层的

6、任务明确，每一层利用相邻的下一层提供服务完成特定的功能，每层只对相邻的上一层提供服务。 (3) 除物理层是水平通信外，其余各层都是垂直通信，即网络中各节点之间的直接接口只能是物理层。,1. 物理层 物理层的主要功能有： (1) 提供为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、 电气的、 功能的和规程的特性。 (2) 在物理链路上传输非结构的比特流以及物理链路故障检测指示。,2. 数据链路层 数据链路层的主要功能有： (1) 检测和校正物理链路产生的差错， 将不可靠的物理链路变成可靠的数据链路。 (2) 提供数据链路的流量控制。 (3) 为网络层实体间提供传送数据的功能和过程。,3. 网络层 网络层

7、的主要功能有： (1) 为端到端传输数据提供面向连接的和无连接的服务。 (2) 提供控制通信子网传输的操作，如路由选择、拥塞控制、 网络互连等功能，它的特性对高层是透明的。 (3) 根据传输层的要求来选择服务质量和安全性。 (4) 向传输层报告未恢复的差错。,4. 传输层 传输层的主要功能有： (1) 提供建立、维护和拆除连接的功能。 (2) 选择网络层提供的最合适的服务。 (3) 在系统之间提供可靠的、 透明的数据传输， 提供端到端的差错恢复和流量控制。,5. 会话层 会话层的主要功能有： (1) 提供两个进程之间建立、 维护和终止连接的功能。 (2) 提供交互会话的管理功能。有三种数据流方

8、向控制模式， 即单工、半双工和全双工模式。 6. 表示层 表示层的主要功能有： (1) 代表应用进程协商数据表示。 (2) 完成数据转换、 格式化和文本压缩。,7. 应用层 应用层可提供OSI用户服务，例如事务处理程序、文件传送协议和网络管理等。需要指出的是，ISO/OSI参考模型为研究、 设计和实现计算机网络系统提供了功能上和概念上的框架结构，但它本身并不是一个标准。目前，尚未出台严格按照ISO/OSI七层参考模型定义的网络协议集及其国际标准。但是， 在制定有关网络协议和标准时都要把ISO/OSI参考模型作为“参照基准”，并说明与该“参照基准”的对应关系，这正是ISO/OSI参考模型的意义所

9、在。,15.1.3 开放系统互连（OSI）环境 在研究OSI RM时，常常要弄清楚它所描述的范围。这个范围就称为OSI环境。图15.3 所示为OSI环境及其有关数据单位。 通信是在系统中的用户或它们的应用进程（图中标AP（A）和AP（B）之间进行的。如果AP（A）希望送一份电文到AP（B），它就启动应用层（第7层），第7层与终点装置（目的站）的第7层通过使用第7层协议建立对等层的联系，这一协议需要第6层的服务，因而两个第6层实体使用它们自己的协议。 如此类推到物理层，它才真正通过传输媒介来传输比特流。,图15.3 OSI环境及有关数据单元,15.2 物 理 层,15.2.1 物理层接口特性 1

10、. 机械特性 物理层的机械特性规定了物理接口连接器的尺寸，插针的数目、排列情况以及插头与插座的尺寸， 电缆长度以及电缆所含导线的数目等。例如，常用于串行远程通信的EIARS-232C 和ISO 2110规定的25针插座，X.25公用分组交换网物理级X.21协议所用的ISO 4903所规定的15针插座，以及EIARS-499和ISO 4902规定的适用于串行话音通信和宽带MODEM的37针和9针插座等。 ,2. 电气特性 物理层的电气特性规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电压高低、阻抗匹配情况、传输速率和距离的限制等。物理层接口的电气特性主要分为三类： 非平衡型、新的非平衡型（半平衡

11、型）和新的平衡型（平衡型），它们分别由ITU的V.24/V.28（对应EIA RS-232C/RS-232D）、V.10/X.26（对应EIA RS-423A）、V.11/X.27（对应RS-422A）定义， 如图15.4所示。,图15.4 几种电气特性 （a） 非平衡型； （b） 新的非平衡型；（c） 新的平衡型,表15.1 不同电气特性的比较,3. 功能特性 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/DCE间各个线路的功能。 对每根接口信号线的定义通常采用两种方法：一种是一线一义法，即每根信号线定义为一种功能，ITU-T V.24、 EIARS-232C、EIARS-449

12、等都采用这种方法；另一种是一线多义法，指每根信号线被定义为多种功能， 此法有利于减少接口信号线的数目， 被ITU-T X.24、ITU-T X.21所采用。 接口信号线按其功能一般可分为接地线、控制线、定时线等几类。,4. 规程特性 规程特性是指完成物理连接的建立、维护、交换信息及拆除连接时，DTE/DCE双方在各电路上的动作序列，最常见的有V.24、 V.25、 V.54、 V.22等V系列标准和X.20、X.20bis、 X.21和X.21bis（带bis的标准表示它能与V系列Modem相连）等。,15.2.2 常用物理层接口标准,1. EIA RS-232C EIA RS-232C是美国

13、电子工业协会（EIA，Electronic Industry Association）颁布的物理接口标准。RS（Recommended Standard）的意思是推荐标准，232是一个标识号码，C表示该标准已被修改过的次数。该标准最初是为了促进使用公用电话网， 通过Modem进行远程数据通信而制定的，但目前也广泛应用于主机与终端、 计算机与计算机以及计算机与I/O设备之间的近程连接之中。 EIA RS-232C的机械特性建议使用25针连接器，并对该连接器的尺寸及插针排列位置作了确切的使用说明。EIA RS-232电气特性采用非平衡型的电气特性。,EIA RS-232C的功能特性将25针中的20

14、条信号线分为四类： 数据线（4条）、控制线（11条）、定时线（3条）和信号线（2条），余下的5条是未定义或专用的。 在RS-232C的接口中， 实际上有主、辅两种信道。辅助信道用于在互连的设备之间传送一些辅助的控制信息，其速率比主信道低得多。 在规程方面，RS-232C可以用于单向发送或接收、半双工和全双工等多种场合。对于每一种应用场合，都有一组标准信号线与之对应，称为不同的接口类型。它共有14种不同的接口类型。对应于每类接口，规定有相应的规程特性，这对于接口的正确设计与正常工作是至关重要的。,另外，在实际使用中，由于并非要用到该标准中的全集（即各条信号线的功能），因此也可采用插针较少的标准连

15、接器， 如9针连接器或8针连接器（RJ45）。 当使用RS-232C接口直接连接两台计算机时，引入了一种空调制解调器（Null Modem）方式。所谓空Modem，实际上是指没有Modem， 直接把两个机器的串行口用电缆连接起来。 为了使两台计算机能按RS-232规程进行数据传输， 这段电缆采用交叉跳接信号线的方法，使得连接在电缆两端的DTE通过电缆看对方都好像是DCE一样，从而满足了RS-232C需要DTE/DCE成对使用的要求。,2. EIA RS-449、 RS-422A和RS-423A 由于RS-232C的所有电路共享一个公用地，是一种非平衡传输，因此可能在设备之间产生相当多的串话干扰

16、。1977年11月，EIA颁布了RS-449标准， 其机械、功能和规程接口由RS-449定义，电气接口有两种不同的标准，即RS-422A（平衡型）和RS-423A（半平衡型）。 RS-422A采用的是平衡发送器和差分接收器，使用双线来传输信号，增强了抗共模干扰能力。当距离为10 m时，速率达10 Mb/s；当距离增加到1000 m时，速率仍可达100 kb/s。 ,RS-423A采用的是单端发送器和差分接收器。由于采用了差分接收，可获得比RS-232C更好的传输特性。在距离为10 m时，速率可达300 kb/s； 当距离增加到1000 m时，速率为3 kb/s。 由于在传输同样数量的信号时，RS-422A和RS-423A需要用到更多的连接线，因此RS-449的机械特性规定使用37针的标准连接线。,3. ITU-T X.21 X.21是ITU-T于1976年推荐的一种数字发送接口。作为X.25协议的第一级，它规定了DCE如何与D