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1、第2章 计算机通信协议与网络体系结构,2.1 概述 2.2 OSI参考模型功能简述 2.3 OSI-RM分层结构的重要概念 2.4 因特网TCP/IP协议栈和分层结构 2.5 标准化组织与机构,2.1 概 述,随着计算机系统网络化互连业务的需求不断增长，世界上一些大的计算机公司在20世纪60年代率先开发出了自己的计算机网络体系结构、协议(Protocol，也称规程)和通信设备，如IBM公司的系统网络体系结构(SNA)、DEC公司的数字网络体系结构(DNA)等。这些公司的产品自成系列，能够方便地实现同类计算机系统的互连成网。,然而，各公司设计的计算机专有系统所用的体系结构、控制机理和信息格式彼此
2、不同、互不兼容，使不同的计算机系统之间的通信变得相当复杂。1976年，ITUT正式公布了基于分组交换技术的公用数据通信网的重要标准X.25接口规程，为计算机通信技术的发展奠定了基础。网络及其标准化的发展势在必行，其原动力出于两方面：,(1)计算机厂商为了拓宽其产品的销路。 (2)用户渴望能得到性能价格比高的兼容设备。 国际标准化组织(ISO)吸取了SNA、DNA以及ARPA网等网络体系结构的成功经验，参照了X.25开放互连结构特性，从用户系统信息处理的角度，提出了开放系统互连的参考模型(OSIRM)，即ISO7498，该参考模型于1984年5月被批准为国际标准。与此同时，ITUT从通信系统的角
3、度，进一步研究了如何实现设备的兼容性要求，规定了ITUT应用OSIRM、各层提供的服务以及开放系统中对等实体间通信所必须遵循的规程X.200系列建议。,2.1.1 通信协议与分层体系结构 我们将计算机通信网中为正确传输数据信息而设立的通信规则(或约定)称为通信协议，也称网络协议。通信协议是指网络中应用进程之间相互通信所必须共同遵守的约定的集合。一个通信协议应包含以下三个基本要素15: (1)语义(Semantics)：定义了用于协调通信双方和差错处理的控制信息，是对构成协议的协议元素含义的解释，即“讲什么”。 (2)语法(Syntax)：规定了通信所用的数据格式、编码与信号电平等；是对所表达内
4、容的数据结构形式的一种规定，即“怎么讲”。 (3)定时规则(Timing)：明确实现通信的顺序、速率适配及排序。,通信协议实质上是实体间通信时所使用的一种语言。计算机通信网的协议包含的内容相当复杂，如何将复杂的问题分解为若干较简明且有利于处理的问题，实践表明,采用网络的分层结构最为有效。,图2.1.1 邮政系统处理信件的层次结构,2.1.2 ISO/OSI参考模型 ISO7498标准定义了描述网络体系结构的对象的类型、关系及约束，还定义了七层功能的开放系统互连(OSI，Open System Interconnection)参考模型，用于异种计算机应用进程间通信，如图2.1.2所示。,图2.1
5、.2 OSI参考模型中的体系结构,实系统：表示一台或多台计算机、相关的软件以及信息处理过程等的集合，是能独立运行和处理信息的自治整体。遵循互连协议标准的实系统称开放实系统。所谓开放系统，是指所有符合抽象开放互连特性的实系统。OSIRM标准是抽取实系统中与互连有关的公共属性所构成的模型系统，在此基础上研究模型系统的互连标准，以避免涉及具体的机型、技术细节，使用逻辑功能上等价的开放实系统来代替实系统开放性。,OSI参考模型的特征为： (1)采用了有利于异构计算机系统互连、互通的层次化结构。 (2)是一种抽象的标准框架，也是OSI中最高一级的抽象，而不是具体实现的描述。 (3)在不同开放实系统的对等
6、(Peer)层之间的通信由此层的协议管理。 (4)在同一开放实系统的相邻层间的接口定义了服务关系和操作原语。 (5)可提供的服务为面向连接的或无连接的数据服务。 (6)每层实体执行所定义的功能，修改某层的功能不应影响其他层。,2.1.3 结构化分层功能 依据上述分层原则，OSI参考模型采用了七层体系结构。物理层(PhysicalLayer，缩写为PH)、数据链路层(DataLinkLayer，缩写为DL)和网络层(NetworkLayer，缩写为NT)为下三层，统称为低层，构成了开放的网络通信平台，实现OSI参考模型面向通信(含传输和交换)的功能。,OSI参考模型的高层(或称为上三层)为 会话
7、层(SessionLayer,缩写为S)、 表示层(PresentationLayer,缩写为P)和 应用层(ApplicationLayer，缩写为A)， 主要面向用户的应用进程，进行分布的信息处理。 中间的第四层为传输层(TransportLayer，缩写为T)，它是计算机通信的关键层次，为高低层间提供接口与服务，起与通信两端桥接的作用。,2.2 OSI参考模型功能简述,ISO/OSI参考模型的每一层都是一种类型功能的集合，由许多基本功能模块组成。每一个基本功能模块执行规程所确定的相应功能，它具有相对独立性，常称之为实体(Entity)。,1.物理层 物理层是OSI七层模型的最低层，其主要
8、功能是为计算机等开放系统之间建立、保持和断开数据电路的物理连接，并确保在通信信道上传输可识别的透明比特流信号和时钟信号。物理层有四个基本特性：机械特性、电气特性、功能特性和过程特性，用来提供连接服务。物理层协议的目标是使所有厂家的计算机和通信设备在接口上按规定互相兼容。比较典型的物理层协议如ITUTV系列建议、X.21建议和I系列的I.411/I.412接口规范。,2.数据链路层 数据链路层是OSI参考模型的第二层,其目的是屏蔽物理层的特征，面向网络层提供几乎无差错、高可靠传输的数据链路，确保数据通信的正确性。数据链路层主要解决以下两个问题： (1)数据传输管理,包括信息传输格式、差错检测与恢
9、复、收发之间的双工传输争用信道等。 (2)流量控制，协调主机与通信设备之间的数据传输速率失配。数据链路层的主要功能是：数据链路的建立和释放，数据链路服务单元的定界、同步、定址、差错控制和数据链路层管理。,3. 网络层 网络层是管理和控制通信子网的重要层次，其主要功能是：路由选择和中继、激活和终止网络连接、数据的分段与合段、差错的检测和恢复、排序、流量控制、拥塞控制、一条数据链路上复用多条网络链接以及网络层管理。,4.传输层 传输层是计算机通信网络体系结构中最关键的一层。它汇集下三层的功能，向高层提供完整的、无差错的、透明的、可按名寻址的、高效低费用的端到端的通信服务，起到承上启下的作用。 传输
10、层的主要功能是：传输连接的建立和释放、分段与合段、拼接与分割、传输协议数据站单元(TPDU)的传输、连接的拒绝、数据TPDU的编号、加速数据传输及重同步等。,5.会话层 会话是指两个用户按已协商的规程，为面向应用进程的信息处理而建立的临时联系。会话的目标是为会话服务用户(表示实体)之间的对话和活动提供组织、协商与交互所必需的措施，并对信息传输进行控制与管理。,6.表示层 表示层主要解决不同开放实体系统互连时的信息表示问题，并描述对等实体共享的数据。在OSI环境中，信息的表示约定称为语法。应用实体可根据具体的应用，选用不同的语法(称为局部语法)。在应用实体之间传输的信息具有公共的信息表示方法(称
11、为公共语法)，表示层的功能就是实现其语法转换。,7.应用层 应用层是OSI参考模型中的最高层，也是开放体系中直接向应用进程或用户提供服务的惟一层次。应用层的作用是：在实现多个系统中应用进程间相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的功能。应用层负责用户信息的语义表示，并对应用进程间的通信进行语义适配。它通过应用实体、应用协议和表示服务进行信息交换，并给应用进程访问OSI提供惟一的窗口。,2.3 OSIRM分层结构的重要概念,2.3.1 通信协议、服务和服务访问点 通信协议是指为描述计算机通信系统对等实体之间进行数据交换而建立的规则、约定和步骤，也称为网络协议或通信规程(Protocol)。 同一
12、系统上下相邻两层实体之间可有联系，联系的交接点出现在层接口上，称之为服务访问点(SAP)。 相邻层实体间允许有多个SAP，一个(N)-SAP只能被一个(N)实体所使用，也只能为一个(N+1)实体所使用，如图2.3.2所示。一个(N)实体可向多个(N)-SAP提供服务，称“连接复用”，向上复用。,图2.3.1 不同子系统的同一层内实体间的相互关系,图2.3.2 服务访问点和服务连接端,2.3.2 数据单元 在OSI参考模型中，数据单元(DU，DataUnit)是通信双方信息传递的单位。在各个层次(除第一层外)中，都由通信双方协议来规定数据单元格式。图2.3.3所示的数据单元可归纳为下列几种类型：
13、,图2.3.3 OSI参考模型数据单元,2.3.3 数据传输流程 OSI环境中对等实体间通信数据封装与解封的传送流程如图2.3.4所示。 在源端，系统的应用进程APA将用户数据送入应用层，在此层加封AH(应用层协议的头标，或称标题)作控制作用，组成APDU。通过P-SAP传到表示层，同样加封PH，组成PPDU。依此类推，直到第二层，控制信息分别加在数据单元的头(LH)、尾(LT)，形成LPDU，亦称帧。第一层只是比特流的传送，所以不必再加任何控制信息。,图2.3.4 对等实体间通信数据封装与解封的传送流程,由图2.3.4可见，系统A作发送端时，对用户数据逐层加封(Encapsulation)。
14、当一连串比特流经传输媒体送到系统B后，从低层到高层，由每一层实体来分析控制信息头标的内容并作出必要的操作，然后再去封，将数据单元上交到高一层，依次处理，直到应用进程APB。,源端：自上而下 宿端：自下而上,层层处理,加封(Encapsulation)洋葱皮式封装,拆封(Unencapsulation)分析头标标题,2.4 因特网TCP/IP协议栈和分层结构,因特网(Internet)的分层协议体系结构为全球信息联网奠定了基础。实际上，因特网是一个虚拟网。所谓虚拟网,是指因特网由许许多多的网互连而成，如图2.4.1所示，它执行TCP/IP协议栈(TCP/IPStacks，也译为协议集或协议簇)，
15、并定义任何可以传输分组的通信系统均可视为网络。因此，因特网具有网络对等性，即不论复杂的网络还是简单的网络，甚至两台连接的计算机也算一个网络。它是依托在物理网络上运行的，但与网络的物理特性无关。,图2.4.1 因特网-虚拟网,2.4.1 TCP/IP分层体系结构 基于硬件层次上执行TCP/IP协议栈的因特网，如同OSI参考模型，由四个概念性层次组成，自上而下为应用层、传输层、网间互连层(IP层)和网络接口层，如图2.4.2所示。,图2.4.2 因特网TCP/IP分层体系结构,1.应用层 应用层(ApplicationLayer)对应于OSIRM的高三层(应用层、表示层、会话层)，用户通过API(
16、应用进程接口)调用应用程序来运用TCP/IP因特网提供的多种服务。应用程序负责收、发数据，并选择传输层提供的服务类型，如连续的字节流、独立的报文序列，然后按传输层要求的格式递交。,常用的基本服务程序有：远程登录(Telnet)、文件传输协议(FTP，File Transfer Protocol)、简化邮件传送协议(SMTP，Simple Mail Transfer Protocol)、域名系统(DNS，Domain Name System)。此外，还有普通文件传输协议(TFTP，Trivial File Transfer Protocol)、网络文件系统(NFS，Network File System)、网络信息系统(NIS，Network Information System)、简单网络管理协议(SNMP，Simple Network Management Protocol)等。,2.传输层 传输层(TransportLayer)提供端到端应用进程之间的通信，常称为端到端(EndtoEnd)通信。该层的通信
