第三章 计算机网络体系结构

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1、第三章 计算机网络体系结构系统讲解两种计算机网络体系结构模型，即开放互连参考模型和TCP/IP模型3.1 引言计算机网络的体系结构是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合，即计算机 网络及其部件应实现的功能的定义和抽象。 系统结构是抽象的，是存在于纸上的。 实现是具体的，是运行在计算机软件和硬件之上的。 为保证网络设计过程中的高度结构化和标准化，有必要学习计算机网络体系结构 模型。3.2 开发系统互连参考模型 3.2.1 概述 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立 了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互 连成网的标准框

2、架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection/Reference Model)，简称为 OSI。关于开放系统互连参考模型 OSI/RM 只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标 准的其他任何系统进行通信。 在市场化方面 OSI 却失败了。- OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；- OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；- OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进 入市场；-OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。 主机A主机B山用

3、层协议应丿U层应用层衣示层协议衣ZJV层衣小尼会话层协议传输层协议数据链路层物理层网络尼网络层协议传输层网络层11物理层物冋!尼诈议应用层会话层if昇机A汁算机B010011100100111001U0101000U11101传输介质E-mail应用程序E-mailttIK血用层、表示圧和会话层3.2.2 OSI/RM 基本概念 实体和对等实体 实体(entity)是每一层中实现该层功能的软件和硬件，在发送端与接收端同一层 次中的实体称为对等实体(peer entities)o在概念上信息是在同一层次中的同等实 体之间进行的虚拟的传输，协议也是同等层次实体之间的传输控制规程。 协议(proto

4、col)是某一个层次中对等实体之间的通信的控制规程。协议包含三个方面的要素：(1) 语法：语法用来规定由协议的控制信息和传送的数据组成的传输信息应遵 循的格式，即传输信息的数据结构。(2) 语义：语义指对构成协议的各个协议元素的含义的解释，不同的协议元素 规定了通信双方所要表达的不同含义。(3) 时序(同步)：它规定实体间通信的操作执行的顺序，协调双方的操作，使 两个实体之间有序地进行合作，共同完成数据传输任务。各层对等实体之间在协议控制下变换的数据块称为协议数据单元(protocol data unit, PDU)。PDU包括本层的协议控制信息和用户数据，本戻的用户数据就是上 层的PDU。各

5、层次的 PDU 物理层 位 数据链路层 帧 网络层 分组或包 传输层 段 会话层、表示层、应用层 消息 在OSI网络中，(N)实体在(N)协议的控制下可以向(N+1)实体提供服务， 实现某种(N+1 )层所需要的功能，只有能为(N+1)层所使用的功能才称为(N) 服务。 其中(N)实体为服务提供者，(N+1)实体为服务用户。在同一结点中，相邻两层的实体相互作用的地方称为服务访问点(SAP，Service access point)。 SAP 是上下层实体之间信息交换的接口。服务有两种形式： (1)面向连接的服务：建立连接，用后释放。 (2)无连接的服务：根据地址选定线路传递。面向连接和无连接服

6、务 用于数据通信的两种不同的传输数据技术。每种都各有优点和缺点。它们是面向连 接的方法和无连接的方法。 面向连接(connection-oriented),在发送任何数据之前，要求建立会话连接(与拨 打电话类似)，然后才能开始传送数据，传送完成后需要释放连接。建立连接是需 要分配相应的资源如缓冲区，以保证通信能正常进行。这种方法通常称为 “可靠” 的网络业务。它可以保证数据以相同的顺序到达。面向连接的服务在端系统之间建 立通过网络的虚链路无面向连接(connectionless)，不要求发送方和接收方之间的会话连接。发送方只 是简单地开始向目的地发送数据分组(称为数据报)。这与现在风行的手机短

7、信非 常相似：你在发短信的时候，只需要输入对方手机号就OK 了。此业务不如面向连 接的方法可靠，但对于周期性的突发传输很有用。系统不必为它们发送传输到其中 和从其中接收传输的系统保留状态信息。无连接网络提供最小的服务，仅仅是连接。 无连接服务的优点是通信比较迅速,使用灵活方便,连接开销小;但可靠性低,不能防 止报文的丢失,重复或失序. 适合于传送少量零星的报文。3.2.3OSI/RM 各层基本功能OSI 参考模型概论：特点OSI参考模型把网络连接问题分解成小的简单的问题，简化了相关的网络操作，易 于学习和应用。OSI参考模型仅仅定义了抽象的结构，而非具体实现的描述。 推论：灵活性好，某一层改变

8、时，只要接口不变，其他各层不会受影响 每一层只负责完成本层的工作内容，而不关心其它层的工作细节。 每一层的正常工作，必然要依赖于以下的各层都能正常工作。OSI参考模型的物理层 核心任务：源站点如何将数据变成信号，在物理链路上传输至目的站点(发送和接 收比特) 定义内容：定义为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和 规程的特性。涉及有关在物理链路上传输非结构的位流和故障检测指示。物理层：基带与宽带 基带：介质的全部频宽用于在一个信道上传输一路数据 数据传输率较大;可以实现双工通信(全双工或半双工) ;绝大数局域网均采用基带传输 宽带：将一条物理线路分成两个或两个以上信道，每个信

9、道发送一路不同的数据。 线路复用，充分利用线路资源;常用于广域网技术中物理层：单工、半双工、全双工 单工通信 单向传输;有线电视系统 半双工通信 双向传输，但某一时刻是单向的;步话机 全双工通信 在任意时刻均为双向传输;现代电话系统 物理层：常见的传输介质双绞线:UTP/STP (Unsielded Twisted Pairwire/Shielde Twisted Pairwire)同轴电缆(Coaxial Cable):RG58 A/U 细缆 RG11 粗缆光纤(Optical Fiber)： SC、ST、MT-RJ、GBIC (LX、SX)无线OSI参考模型的数据链路层 核心任务：在不太可

10、靠的物理连路上实现可靠的数据传输 定义内容：网络节点的物理地址;如何使用物理介质;错误通告;网络拓扑结构-流量控制 数据链路层的最基本的功能是向该层用户提供透明的和可靠的数据传送基本服务。 透明性是指该层上传输的数据的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释信息 结构的意义；可靠的数据链路层传输使用户免去对丢失信息、干扰信息及顺序不正 确等的担心。在物理层中这些情况都可能发生，在数据链路层中必须用纠错码来检 错与纠错。 数据链路层是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错的 物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一无差错的线 路。如果您想用尽量少的词来记住

11、数据链路层，那就是：“帧和介质访问控制”。数据链路层：媒体访问控制层的任务 MAC,Media Access Control 将上层传下来的数据封装成帧进行发送，接收时进行相反的过程，将帧解封装传递 给上层;完成发送方占用信道的问题;定义 MAC 地址;定义拓扑结构数据链路层：信道的占用方式*争用Contention:以太网采用的方法令牌Token Pass：令牌网采用的方法数据链路层：MAC地址 MAC 地址：网络设备的物理地址-以太网的MAC地址为48位二进制代码，一般写成12位16进制数的形式 前面的24位由IEEE赋值，为厂商代码 后面的 24 位由厂商自己赋值，为生产序列码-MAC地

12、址是全球唯一的-MAC地址用来区分网络上的各个设备。各个设备根据数据帧中的目的 MAC 地址来识别该帧是不是发给自己的。数据链路层数据链路连接的建立与拆除；链路的接入控制；提供传输透明性；流量控制；差错控制 帧同步 为了使传输中发生差错后只将有错的有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合 成以帧为单位传送。每个帧除了要传送的数据外，还包括校验码，以使接收方能发 现传输中的差错。帧的组织结构必须设计成使接收方能够 明确地从物理层收到的 比特流中对其进行识别，也即能从比特流中区分出帧的起始与终止，这就是帧同步 要解决的问题。由于网络传输中很难保证计时的正确和一致，所以不可采用依靠时 间间隔关系来确

13、定一帧的起始与终止的方法。 （1）字节计数法：这是一种以一个特殊字符表示一帧的起始并以一个专门字段来 标明帧内字节数的帧同步方法。接收方可以通过对该特殊字符的识别从比特流中区 分出帧的起始并从专门字段中获知该帧中随后跟随的数据字节数，从而可确定出帧 的终止位置。面向字节计数的同步规程的典型代表是DEC公司的数字数据通信报 文协议 DDCMP（Digital Data Communications Message Protocol）。 DDCMP 采用的 帧格式如图 3-1。 （2）使用字符填充的首尾定界符法：该法用一些特定的字符来定界一帧的起始与 终止，为了不使数据信息位中出现的与特定字符相同

14、的字符被误判为帧的首尾定界 符，可以在这种数据字符前填充一个转义控制字符（DLE）以示区别，从而达到数 据的透明性。但这种方法使用起来比较麻烦，而且所用的特定字符过份依赖于所采 用的字符编码集，兼容性比较差。 数据链路层 （3）使用比特填充的首尾标志法：该法以一组特定的比特模式（如 01111110）来 标志一帧的起始与终止。本章稍后要详细介绍的 HDLC 规程即采用该法。为了不 使信息位中出现的与特定比特模式相似的比特串被误判为帧的首尾标志，可以采用 比特填充的方法。比如，采用特定模式 01111110，则对信息位中的任何连续出现的 五个“1”，发送方自动在其后插入一个“0”，而接收则做该过

15、程的逆操作，即每接收 到连续五个“1”，则自动删去其后所跟的“0”，以此恢复原始信息，实现数据传输的 透明性。比特填充很容易由硬件来实现，性能优于字符填充方法。 （ 4 ）违法编码法：该法在物理层采用特定的比特编码方法时采用。例如，一种被 称作曼彻斯特编码的方法，是将数据比特“1”编码成“高低”电平对，而将数据比 特“0”编码成“低高”电平对。而“高高”电平对和“低低”电平对在数据比特中是 违法的。可以借用这些违法编码序列来定界帧的起始与终止。局域网IEEE 802标 准中就采用了这种方法。违法编码法不需要任何填充技术，便能实现数据的透明性， 但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。由于字节计数法中COUNT字段的脆 弱性以及字符填充法实现上的复杂性和不兼容性，目前较普遍使用的帧同步法是比 特填充和违法编码法。 流量控制 流量控制并不是数据链路层所特有的功能，许多高层协议中也提供流时控功能，只 不过流量控制的对象不同而已。比如，对于数据链路层来说，控制的是相邻两节点 之间数据链路上的流量，而对于运输层来说，控制的则是从源到最