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1、,第3章 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 在计算机网络中有许多互相连接的节点，在这些节点之间经常需要不断地交换数据和控制信息。要做到在节点之间有条不紊地交换数据，每个节点必须遵守一些事先约定好的规则。这些为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议（Network Protocol）。网络协议包含以下3个要素。,（1）语义： 指构成协议的协议元素的含义，不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容。这里的协议元素是指控制信息或命令及应答。,（2）语法： 即用户数据与控制信息的结构和格式。 （3）时序： 对事件实现顺序的详细说明。,3.1.
2、2 层次化的概念 网络协议实质上是计算机通信时所使用的一种语言，它是计算机网络不可缺少的组成部分。为了减少网络协议设计的复杂性，最好的组织方式是分层模型，也就是将通信问题分为几个小问题（层次）的方法，每个小问题对应于一层。网络协议采用层次结构有以下优点。,（1）各层之间相互独立。各层只要知道通过接口所提供的服务，而不需要了解其他层中实现的细节。 （2）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、取消某层的服务。,（3）各层都可以选择最合适的实现技术，各层实现技术的改变不影响其他层。 （4）整个系统被分解为若干个较小的部分，便于实现、调试和维护。 （5）每一层的功
3、能和所提供的服务都有精确的说明，有利于促进标准化。,3.1.3 网络体系结构 计算机网络体系结构是网络中分层模型以及各层功能的精确定义。对网络体系结构的描述必须包括足够的信息，使实现者可以为每一功能层进行硬件设计或编写程序，并使之符合相关协议。,但我们要注意的是，网络协议实现的细节不属于网络体系结构的内容，因为它们隐含在机器内部，对外部说来是不可见的。,3.2 OSI参考模型,3.2.1 OSI参考模型的制定 ISO在1977年3月召开的第九次全会上决定成立一个新的技术委员分会(ISO/TC97/SC16)专门研究此课题。经过几年的努力，1983年ISO/TC97/SC16提出了开放系统互连参
4、考模型（Open System Interconnection/Reference Mode，OSI/RM），即著名的ISO7498国际标准。,OSI网络体系结构是由国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）提供和定义的计算机网络的分层、各层协议和层间接口的集合。,图3-1 OSI网络体系结构,3.2.2 各层的主要功能 1物理层（Physical Layer） 物理层保证在通信信道上传输原始比特流。物理层协议被设计用来控制传输媒体，以提供传输媒体对计算机系统的独立性。物理层协议规定传输媒体本身及机械、电气、功能、规程
5、特性。,2数据链路层（Datalink Layer） 负责建立、维持、释放数据链路的连接，在两个相邻节点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。数据链路层加强物理层原始比特流的传输功能，使之对网络层呈现为一条无差错链路。,数据链路层把数据分装在不同的数据帧中发送，并处理接收端送回的确认帧。每一帧中必须携带同步、地址、差错控制、流量控制等信息。,3网络层（Network Layer） 网络层完成对通信子网的运行控制，提供源站（或源主机）和目标站（或目标主机）间的数据传输服务，数据的单位是“分组”或“包”。负责选择从发送端传输数据包到达接收端的路由。另外，网络层还负责通信子网中的分组、拥塞控制和
6、记账等。,网络层协议有面向连接和无连接两种服务，它们分别向高层提供连接方式的和无连接方式的网络服务。,4运输层（Transport Layer） 运输层为OSI网络体系结构中最核心的一层，它把实际使用的通信子网与高层应用分开，提供发送端和接收端之间的高可靠、低成本的数据传输。运输层协议必须完成寻找接收端用户地址、提供面向连接服务时的建立连接、拆除连接以及流量控制和多路复用等工作。,5会话层（Session Layer） 会话层使用运输层提供的可靠的端到端通信的服务，并增加一些用户所需要的附加功能和建立不同机器上的用户之间的会话联系。会话层协议为表示层提供同步服务，使得低层协议在发生了某种错误之
7、后，会话层协议能返回到一个已知状态。 会话层还为表示层提供活动管理功能。这里，活动是一个由用户确定的具有逻辑意义的信息单位。会话层协议的另一个重要功能是数据交换。,6表示层（Presentation Layer） 表示层完成被传输数据的解释工作，包括数据转换、数据加密和数据压缩等。 表示层向应用进程提供信息的语法表示，对不同语法表示进行转换管理，使采用不同语法表示的系统之间能进行通信，而不必考虑对方使用什么语言。,7应用层（Application Layer） 应用层是开放系统与用户应用进程的接口，提供OSI用户服务、管理和分配网络资源。应用层包含用户普通需要的应用，例如虚拟终端、文件传送、远
8、程用户登录和电子数据交换以及电子邮件等。,3.2.3 OSI/RM中的基本概念 1OSI中的数据流动过程,图3-2 OSI中数据流动过程,2协议、服务与服务访问点 在网络中，每一层中至少有一个实体（Entity）。实体既可以是软件实体（比如一个进程），也可以是硬件实体（比如一块网卡）。在不同开放系统对应层之间的实体叫做对等实体（Peer Entity）。,在同一开放系统上、下层之间存在着“服务”与“被服务”的关系，而在不同开放系统中的对等实体之间存在着“协议”的关系。两个对等实体之间的通信规则就是该层使用的协议，有关第N层的通信规则的集合，就是第N层的协议，记为“（N）协议”。,在（N）协议控
9、制下两个对等（N）层实体之间的通信，使得（N）能够向上一层（即（N+1）提供服务，这种服务叫做（N）服务。接受（N）服务的（N+1）实体叫做（N）服务用户，而（N）同样需要服务提供者（N1）提供的服务。因此对于（N）来说，它是（N+1）的服务提供者又是（N1）的服务用户。,因此，每一层只有依赖下一层为它提供的服务并且实现本层的协议才能为它的上一层提供服务。但要注意，每一层只接受下一层的服务，而不关心下一层的协议，即（N）协议对于（N）服务用户是透明的。,在同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方称为服务访问点（Service Access Point，SAP），它是相邻两层实体的逻辑接口。在同一
10、系统中相邻两层的实体交换信息的方式是通过交换服务原语进行的。,3服务原语,表3-1 4类服务原语,3.2.4 OSI/RM与TCP/IP体系结构,图3-3 OSI/RM与TCP/IP的比较,3.3 物 理 层,3.3.1 物理层的功能 物理层的作用就是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。为此，物理层必须具备以下功能。,1物理连接的建立、维持与释放 2物理服务数据单元的传输 3物理层管理,3.3.2 物理层的特性 1机械特性 机械特性规定接口所用接线器的形状、几何尺寸、引线数目和排列方式、固定和锁定装置等。它描述的是DTE与DCE之间接口的标准。DTE通过DCE
11、连接到通信线路上的情况如图3-4所示。,图3-4 DTE通过DCE与通信线路相连,2电气特性 在DTE与DCE之间有多条信号线，除了地线之外，每条信号线都有其发送器和接收器。电气特性规定这些信号的连接方式、发送器和接收器的电气参数，包括信号源输出阻抗、负载输人阻抗、信号“1”或“0”的电压范围、传输速率和距离的限制等。,3功能特性 功能特性对接口连线的功能给出确切的定义，说明某条连线上出现的某一电平的电压所表示的意义。与功能特性有关的国际标准主要有CCITT V. 24和X. 21。例如EIA-232-D的功能特性与CCITT的V. 24建议书一致。它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一
12、根以及该引脚的作用。,4规程特性 物理层的规程特性规定了使用接口线实现数据传输的操作过程，也就是在物理连接的建立、维持和解释时DTE/DCE双方在各电路上的动作序列。对不同的应用场合有不同的操作过程。,3.4 数据链路层,数据链路层的主要作用是：通过数据链路层协议在不太可靠的物理链路上，实现可靠的数据传输。,3.4.1 数据链路的概念 链路和数据链路是两个不同的概念。所谓链路就是一条无源的中间没有任何交换节点的相邻两个节点间的物理线路。,两个计算机进行数据通信的通路，往往是由许多链路串接而成。但是，要在一条链路上传输数据，除物理线路外，还必须具有控制数据传输的规程。链路加上实现这些规程的软、硬
13、件构成数据链路，在数据链路上才能进行数据通信。也将链路称为物理链路，而将数据链路叫做逻辑链路。,3.4.2 数据链路层的功能 1链路管理 2帧的同步 3流量控制与顺序控制,4差错控制 5将数据和控制信息区分开 6透明传输 7寻址,3.4.3 停止等待协议 停止等待协议是数据链路层的重要协议，为了理解数据链路层协议，假设发送端主机A通过传输信道向接收端主机B发送数据，我们分3种情况分别加以讨论。,1理想情况 理想的数据传输情况需要满足以下两个条件。 （1）链路是理想的传输信道，在这样的信道上传输的数据完全可靠，既不出错也不丢失。 （2）不管发送方发送数据速率快、慢，接收方总是能收下并及时上交主机
14、。,2仅需流量控制的情况 假定链路仍然是理想的传输信道，但是接收端接收数据的速率跟不上发送端发送数据的速率。,图3-5 理想情况,图3-6 仅需流量控制的情况,3实用的停止等待协议 在实际数据传输过程中，理想情况往往是不存在的，不但要考虑流量控制的情况，还要考虑数据帧在传输过程中丢失、出错的情况。,（1）帧丢失,图3-7 实际的数据传输情况,（a）数据帧丢失 （b）应答帧丢失 （c）数据帧出错,（2）差错检查 例 设要传送的二进制信息串为1011010，生成多项式P(x)=x4+x+1，其系数为10011。试计算CRC校验码。 分析 首先将1011010左移4位（在其后补4个0），然后除以P(
15、x)对应的二进制位串，余数即为CRC校验码。,解 得 CRC校验码为1111。,（3）纠错,4自动请求重传 在上面分析的停止等待协议机制中，发送端重发数据帧是自动进行的，所以将这种差错控制机制称为自动请求重传（Automatic Repeat Request，ARQ）。,3.4.4 连续ARQ协议和选择重传ARQ协议 1连续ARQ协议 连续ARQ协议的基本原理是：在发送端发完一个数据帧后不停下来等待应答帧，而是连续发送若干个数据帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送，但是接收方只能接收一个帧。如图3-8所示。,图3-8 连续ARQ协议基本原理,2选择重传ARQ协议 选
16、择重传ARQ协议的基本原理是：发送方一次可以连续发送多个帧，当出现差错或定时器超时时，只重传出现差错的数据帧或定时器超时的数据帧。为此，接收端必须能接收多个数据帧，待所缺序号的数据帧收到后，再一起送交主机。,3.4.5 数据链路层帧的结构 数据链路层的数据传递是以帧为单位进行的，帧的结构具有固定的格式，如图3-9所示。,图3-9 数据链路层帧的结构,1同步 2透明传输 3寻址 4差错控制 5数据与控制信息的识别 6信息字段,3.5 网 络 层,在一个网络中，从发送端到接收端存在着很多节点，这些节点形成了端到端的多条路径，经过不同的链路。因此，一个分组在网络中要从一端传递到另一端涉及到链路选择、流量控制等问题。当通信的双方经过两个或更多的网络时，还存在网络互联问题。本节主要讨论广域网的路由选择和流量控制。,3.5.1 路由选择 路由选择的任务是为
