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1、第第4章章 数据通信协议数据通信协议4.1 通信协议和分层概念通信协议和分层概念4.2 数据链路控制规程数据链路控制规程4.3 X.25协议协议4.4 TCP/IP协议协议4.1 通信协议和分层概念通信协议和分层概念4.1.14.1.1通信协议及其作用通信协议及其作用1通信协议的概念通信协议的概念协议是定义了人或过程之间的约定。协议是定义了人或过程之间的约定。数数据据通通信信协协议议定定义义了了各各种种计计算算机机和和设设备备之之间间相相互互通通信信、数数据据管管理理和和数数据据交交换换等等的整套规则。的整套规则。2通信协议的组成要素通信协议的组成要素通信协议主要包括以下几个要素。通信协议主要
2、包括以下几个要素。（1）语法）语法（2）语义）语义（3）定时关系）定时关系3通信协议的功能通信协议的功能（1）分割和重组）分割和重组（2）封装与拆装）封装与拆装（3）寻址）寻址（4）排序）排序（5）流量控制）流量控制（6）差错控制）差错控制（7）连接控制）连接控制（8）传输服务）传输服务4 4.1.21.2协议的分层结构协议的分层结构1分层的概念分层的概念通通过过网网络络连连接接的的计计算算机机系系统统之之间间的的通通信信必必须须遵遵守守一一定定的的约约定定和和规规程程，才才能能保保证证相互连接和正确交换信息。相互连接和正确交换信息。所所谓谓层层（LayerLayer）是是指指系系统统中中能能
3、够够提提供供某某一一种种或或某某一一类类服服务务功功能能的的“逻逻辑辑构构造造”。这这样样协协议议分分层层使使得得每每一一层层都都建建立立在在下下层层之之上上，每每一一层层的的目目的的都都是是为为其其上上层层提提供供一定的服务。一定的服务。（1）系统）系统系系统统是是包包含含了了一一个个或或多多个个实实体体的的在在物物理理意意义义上上明明确确存存在在的的物物体体，它它通通常常具具有有数数据据处处理理和和通通信信功功能能，例例如如计计算算机机、终终端端和和遥感器等都称为系统。遥感器等都称为系统。（2）实体（）实体（Entity）在在一一个个计计算算机机系系统统中中，任任何何能能完完成成某某一一特
4、特定定功功能能的的进进程程或或程程序序，都都可可以以称称为为一一个个“实体实体”。（3）接口）接口接接口口是是指指相相邻邻层层之之间间要要完完成成的的过过渡渡条条件件，它它可可以以是是硬硬件件接接口口，也也可可以以是是软软件件接接口，如数据格式的转换、地址映射等。口，如数据格式的转换、地址映射等。（4）服务）服务服服务务指指某某一一层层及及其其以以下下各各层层通通过过接接口口提提供供给给上上一一层层的的一一种种能能力力，通通常常每每一一种种服服务可以通过某一个或某几个协议来实现的。务可以通过某一个或某几个协议来实现的。2层间通信层间通信（1）请求（请求（RequestRequest）（2）指示
5、（指示（IndicationIndication）（3）响应（响应（ResponseResponse）（4）证实（证实（ConfirmConfirm）4 4.1.31.3 开开放放系系统统互互连连参参考考模模型（型（OSIOSI）1OSI参考模型概述参考模型概述早早期期一一些些大大公公司司如如IBM公公司司的的SNA（系系统统网网络络架架构构）和和DEC公公司司的的DECNet，都开发了自己专用的协议栈。都开发了自己专用的协议栈。在在20世世纪纪80年年代代，网网络络的的规规模模和和数数量量都得到了迅猛的增长。都得到了迅猛的增长。OSI定定义义了了异异种种机机互互连连的的标标准准框框架架，为为
6、连连接接分分散散的的“开开放放系系统统”提提供供了了基基础础。这这里里的的“开开放放”表表示示任任何何两两个个遵遵守守OSI标标准准的的系系统统可可以以互互连连，即即只只要要求求使使用用的的通通信信软软件件遵遵循循这这个个标标准准，而而无无需需考考虑虑低低层层的的硬硬件。件。2OSI各层的功能描述各层的功能描述（1）应用层）应用层应应用用层层中中提提到到的的“应应用用”，可可以以理理解解为在计算机上用来完成某项任务的东西。为在计算机上用来完成某项任务的东西。 E-mail 文件传输和访问文件传输和访问 Web浏览器和服务器浏览器和服务器（2）表示层）表示层表表示示层层处处理理流流经经节节点点的
7、的数数据据码码表表示示方方式问题。式问题。表表示示层层提提供供了了下下列列关关于于数数据据表表示示方方式式的服务。的服务。 数数据据表表示示：表表示示层层解解决决了了连连接接到到网络的不同计算机之间数据表示的差异。网络的不同计算机之间数据表示的差异。 数数据据安安全全：表表示示层层通通过过对对数数据据进进行行加加密密与与解解密密，使使任任何何人人即即使使窃窃取取了了通通信信信信道道的的人人也也无无法法得得到到机机密密信信息息、更更改改传传输输的信息或者在信息流中插入假消息。的信息或者在信息流中插入假消息。 数数据据压压缩缩：表表示示层层也也能能够够以以压压缩缩的的形形式式传传输输数数据据，以以
8、最最优优化化的的方方式式利利用用信信道。道。（3）会话层）会话层一封信一般由开头、正文和结尾组成。一封信一般由开头、正文和结尾组成。（4）传输层）传输层 在在计计算算机机网网络络中中，需需要要将将应应用用程程序序信信息息传传到到指指定定的的计计算算机机中中。一一旦旦信信息息到到达达指指定定的的计计算算机机后后，还还必必须须将将它它交交给给计计算算机机中中相应的应用程序。相应的应用程序。 传输层提供的服务传输层提供的服务传传输输层层的的任任务务是是把把信信息息从从网网络络的的一一端端传输到另一端，如图传输到另一端，如图4-5所示。所示。图图4-5 消息和传输层消息和传输层 寻寻址址：传传输输层层
9、负负责责在在一一个个节节点点内内对对一一个个特特定定的的进进程程进进行行连连接接。所所有有的的低低层层只只需需考考虑虑把把自自身身与与网网络络地地址址（一一个个节节点点一一个个地址）联系起来。地址）联系起来。 连连接接管管理理：TCP的的传传输输层层负负责责建建立立和和释释放放连连接接，由由于于存存在在丢丢失失和和重重发发包包的的可可能性，因此，这是一个复杂的过程。能性，因此，这是一个复杂的过程。 流流量量控控制制和和缓缓冲冲：网网络络中中的的每每个个节节点都能以一个特定的速率接收信息。点都能以一个特定的速率接收信息。 两类传输层协议两类传输层协议 顺顺序序分分组组交交换换（SPX）SPX是是
10、从从施施乐乐（Xero）网网络络系系统统（XNS）协协议议族族演演化化而而来来的的用用于于Novell NetWare的的传传输输层层协议。协议。 TCPTCP是是Internet的协议。的协议。（5）网络层）网络层网网络络层层负负责责将将信信息息从从源源地地址址通通过过网网络络传送到目的地址。传送到目的地址。 网络层提供的服务网络层提供的服务网网络络层层接接收收传传输输层层的的信信息息并并通通过过添添加加一个头部来封装数据。一个头部来封装数据。 网络层使用的通用协议网络层使用的通用协议 网络层分组网络层分组网网络络层层分分组组的的头头部部包包含含原原地地址址和和目目标标地地址址，这这些些地地
11、址址叫叫做做网网络络地地址址，用用来来识识别别网网络络中中的的连连接接在在源源地地址址和和目目标标地地址址上上的的计计算机，如图算机，如图4-8所示。所示。图图4-8 分组（包）与网络层关系分组（包）与网络层关系（6）数据链路层）数据链路层 数数据据链链路路层层是是OSI参参考考模模型型的的第第2层层。数数据据链链路路层层的的任任务务是是将将网网络络层层的的信信息息即即分分组传输到网络中的下一个节点。组传输到网络中的下一个节点。 数据链路层提供的服务数据链路层提供的服务 通过链路传送帧。通过链路传送帧。 荷载分组的帧。荷载分组的帧。 数据链路层协议数据链路层协议几几个个常常见见的的数数据据链链
12、路路层层协协议议有有如如下下几几个。个。 高高级级数数据据链链路路控控制制（HDLC）：它它是是ISO的标准和子集。的标准和子集。 局域网（局域网（LAN）协议。协议。 广域网（广域网（WAN）协议。协议。（7）物理层）物理层 物物理理层层是是OSI参参考考模模型型的的最最低低层层。它它虽虽然然处处于于最最底底层层，却却是是整整个个开开放放系系统统的的基基础。础。3OSI模型中的数据名称模型中的数据名称为为了了使使数数据据分分组组从从源源主主机机传传送送到到目目的的主主机机，源源主主机机OSI模模型型的的每每一一层层要要与与目目标标主机的每一层进行通信。主机的每一层进行通信。第第4层层（传传输
13、输层层）的的协协议议数数据据单单元元称称为为段段（segment）。）。第第3层层（网网络络层层）的的协协议议数数据据单单元元称称为为分组或数据报分组或数据报。第第2层层（数数据据链链路路层层）的的协协议议数数据据单单元称为帧。元称为帧。4.2 数据链路控制规程数据链路控制规程4.2.14.2.1数据链路概述数据链路概述1数据链路的概念数据链路的概念数数据据通通信信与与电电话话通通信信所所不不同同的的是是，当当数数据据电电路路建建立立后后，为为了了进进行行有有效效的的、可可靠靠的的数数据据传传输输，需需要要对对传传输输操操作作实实施施严严格格的的控控制制和和管管理理。完完成成数数据据传传输输的
14、的控控制制和和管管理理功功能能的的规规则则，称称为为数数据据链链路路传传输输控控制制规规程程，也就是也就是数据链路层的协议数据链路层的协议。2数据链路与物理连接数据链路与物理连接物物理理连连接接与与物物理理介介质质是是两两个个不不同同的的概概念，前者受时间限制，后者没有时间性。念，前者受时间限制，后者没有时间性。3数据链路的结构数据链路的结构数数据据链链路路的的结结构构分分为为两两种种：即即点点对对点点和和点点对对多多点点的的数数据据链链路路。环环形形链链路路属属于于点点对对多多点点的的派派生生结结构构，图图4-14给给出出了了它它们们的的结构示意图。结构示意图。图图4-14 数据链路结构数据
15、链路结构4数据链路的主要控制功能数据链路的主要控制功能（1）链路管理）链路管理（2）帧同步控制）帧同步控制（3）流量控制）流量控制（4）差错控制）差错控制（5）透明传输）透明传输（6）异常状态的恢复）异常状态的恢复4.2.24.2.2 数数据据链链路路控控制制规规程程种种类类数数据据链链路路控控制制规规程程是是实实现现数数据据链链路路层层的的协协议议。数数据据链链路路协协议议可可以以分分为为两两大大类类：异异步步数数据据链链路路协协议议（异异步步协协议议）和和同同步步数数据链路协议（同步协议）。据链路协议（同步协议）。1异步协议异步协议异异 步步 协协 议议 主主 要要 在在 调调 制制 解解
16、 调调 器器（Modem）中中采采用用，它它引引入入了了起起始始位位和和结结束位以及字符之间的可变长度的空隙。束位以及字符之间的可变长度的空隙。2同步协议同步协议同同步步协协议议的的速速度度要要比比异异步步协协议议快快得得多多，在各种网络中成为一个很好的选择。在各种网络中成为一个很好的选择。4 4.2.3面向字符的协议面向字符的协议在在面面向向字字符符的的协协议议中中，有有ISO的的基基本本型型传传输输控控制制规规程程、IBM的的二二进进制制同同步步通通信信规规 程程 （ BSC） 、 美美 国国 国国 家家 标标 准准 协协 会会（ANSI）、中中国国的的数数据据通通信信基基本本型型控控制制
17、规规程程（GB3452-82）等等，这这些些规规程程也也称称为为基基本型传输控制规程。本型传输控制规程。1传输控制字符传输控制字符表表4-1给给出出了了IBM的的基基本本型型传传输输控控制制规规程使用的控制字符列表。程使用的控制字符列表。2面向字符的协议操作规程面向字符的协议操作规程（1）点对点的数据链路操作规程）点对点的数据链路操作规程点点对对点点的的数数据据链链路路操操作作规规程程比比较较简简单单，但但它它却却是是各各种种不不同同结结构构的的数数据据链链路路操操作作规规程的基础。程的基础。（2）多点数据链路操作规程）多点数据链路操作规程多多点点数数据据链链路路上上的的操操作作方方式式的的选
18、选择择，取取决决于于是是否否存存在在一一个个被被指指定定的的主主站站。多多点点数据链路的操作规程是数据链路的操作规程是探询探询/选择方式选择方式。 探探询询方方式式（polling）是是主主站站不不断断地地依依次次地地向向各各个个从从站站发发送送“询询问问序序列列”，询询问问哪哪个个站站要要发发送送数数据据，从从站站只只有有在在收收到到“询询问问序序列列”后后，才才能能向向主主站站发发送送数数据据；发发送送完完毕毕后后，主主站站向向从从站站返返送送“确确认认序序列列”的方式。的方式。 选选择择方方式式是是由由主主站站根根据据从从站站的的地地址址信信息息，发发送送“选选择择序序列列”，当当从从站
19、站收收到到“选择序列选择序列”后，准备接收数据的方式。后，准备接收数据的方式。4 4.2.4 面向比特的协议面向比特的协议1概述概述在在过过去去的的20年年里里出出现现了了许许多多不不同同的的面面向向比比特特的的协协议议，制制定定的的每每个个协协议议都都想想成成为为标标准准。但但是是大大多多数数协协议议是是专专用用的的，是是厂厂商商为为了了支支持持他他们们自自己己的的产产品品而而设设计计的的。而而高高级级数数据据链链路路控控制制协协议议（HDLC）是是ISO组组织织设设计计的的，并并已已成成为为现现在在使使用用的的所所有有面面向向比比特的协议的基础。特的协议的基础。2高级数据链路控制协议高级数
20、据链路控制协议（HDLC）（1）基本概念基本概念HDLC的的功功能能是是较较完完备备的的，通通常常为为了了实实现现某某个个用用途途，只只是是选选择择其其中中符符合合要要求求的的部分功能，构成部分功能，构成HDLC的一个子集。的一个子集。 HDLC站点类型站点类型HDLC协协议议有有三三种种站站点点类类型型的的工工作作站站，如图如图4-17所示。所示。图图4-17 HDLC站点类型站点类型 HDLC链路结构链路结构HDLC的的链链路路结结构构分分为为非非平平衡衡型型和和平平衡型两种。衡型两种。 HDLC操作模式操作模式根根据据通通信信双双方方的的链链路路结结构构和和传传输输响响应应类类型型，HD
21、LC支支持持三三种种不不同同的的操操作作方方式式：正正常常响响应应方方式式（NRM）、异异步步响响应应方方式式（ARM）和异步平衡方式（和异步平衡方式（ABM）。）。（2）HDLC帧格式（帧结构）帧格式（帧结构）HDLC规规程程的的帧帧结结构构如如图图4-18所所示示。一一个个完完整整的的帧帧由由标标志志字字段段、数数据据站站地地址址字字段段、控控制制字字段段、信信息息字字段段和和帧帧校校验验字字段段组组成成。将将位位于于信信息息字字段段前前的的字字段段统统称称为为首首部部（header），而而跟跟在在信信息息字字段段后后的的FCS和和标志字段称为尾部（标志字段称为尾部（trailer）。）。
22、图4-18 HDLC帧的基本格式 标志字段（标志字段（Flag） 地址字段地址字段（Address） 控制字段控制字段（Control） 信息字段信息字段（Information） 帧校验字段（帧校验字段（FCS）（3）HDLC帧的其他内容帧的其他内容（4）HDLC实例实例（5）其他数据链路控制协议）其他数据链路控制协议除除了了HDLC协协议议外外，还还有有许许多多其其他他重重要要的的数数据据链链路路协协议议，它它们们都都类类似似于于HDLC。有有些些实实际际上上是是对对HDLC协协议议的的修修改改，有有一一些些则则提提供供了了一一些些附附加加功功能能，在在此此只只简简单单地地介绍一些重要的协
23、议。介绍一些重要的协议。 平衡链路接入规程（平衡链路接入规程（LAPB） D信道链路接入规程（信道链路接入规程（LAPD） 逻辑链路控制（逻辑链路控制（LLC）3流量控制流量控制（Flow Control） 任任何何接接收收设设备备都都有有一一个个处处理理输输入入数数据据的的速速率率限限制制，并并且且存存储储输输入入数数据据的的存存储储器容量也是有限的。器容量也是有限的。 接接收收方方对对数数据据帧帧的的应应答答，可可以以是是一一帧帧一一帧帧地地应应答答的的，也也可可以以一一次次对对若若干干帧帧一一起进行应答起进行应答。目目前前用用得得较较多多的的链链路路流流量量控控制制技技术术有有两两类类：
24、停停等等式式流流量量控控制制和和滑滑窗窗式式流流量量控控制。制。（1）停等式流量控制停等式流量控制（Stop and Wait） XON/XOFF开关式流量控制开关式流量控制 协议式流量控制协议式流量控制（2）滑动窗口协议（）滑动窗口协议（Sliding Window Protocol） “窗口窗口”的概念的概念滑滑动动窗窗口口协协议议中中的的“窗窗口口”是是指指一一个个发送方和接收方都要创建的发送方和接收方都要创建的额外缓冲区额外缓冲区。 发送窗口发送窗口在在传传输输的的开开始始，发发送送方方窗窗口口有有1帧帧。随随着着数数据据帧帧的的发发送送，窗窗口口的的左左边边界界向向右右移移动，不断缩
25、小窗口的大小。动，不断缩小窗口的大小。 接收窗口接收窗口在在传传输输开开始始时时，接接收收方方窗窗口口不不是是包包含含有有1帧，而是包含有帧，而是包含有1个空间来接收帧。个空间来接收帧。4PPP协议协议Internet是是由由各各种种各各样样的的主主机机、网网络络设备和通信网基础设施互连而成的网络。设备和通信网基础设施互连而成的网络。（1）Internet中的中的“点到点点到点”链路链路在在实实际际应应用用中中，点点到到点点的的通通信信主主要要用用于以下两种情况。于以下两种情况。 路由器路由器路由器租用线路路由器租用线路 拨号主机拨号主机- -路由器路由器（2）串行线路）串行线路Interne
26、t协议协议（SLIP）（3）点到点链路协议（）点到点链路协议（PPP） PPP协议的特性协议的特性PPP协议的特性如下：协议的特性如下： 能够控制数据链路的建立；能够控制数据链路的建立； 能够对能够对IP地址进行分配；地址进行分配； 允许同时采用多种网络层协议；允许同时采用多种网络层协议； 能够配置和测试数据链路；能够配置和测试数据链路； 能够进行错误检测；能够进行错误检测； 向向能能够够对对网网络络层层的的地地址址和和数数据据压压缩缩等进行协商。等进行协商。 PPP的组成的组成PPP主要由以下三部分组成：主要由以下三部分组成： PPP采采用用HDLC作作为为在在点点到到点点的的链链路上封装数
27、据报的方法；路上封装数据报的方法； 链链路路控控制制协协议议（LCP）用用来来建建立立、配置和测试数据链路；配置和测试数据链路； 网网络络控控制制程程序序（NCP）用用来来建建立立和和配置不同的网络协议。配置不同的网络协议。 PPP帧格式帧格式PPP协协议议用用于于高高层层协协议议（如如TCP/IP）在用户之间建立简单的广域网连接。在用户之间建立简单的广域网连接。 PPP信息帧信息帧 PPP链路控制帧链路控制帧 网络控制帧网络控制帧 PPP会话的建立过程会话的建立过程PPP提提供供了了建建立立、配配置置、维维护护和和终终止止的点到点连接的方法。的点到点连接的方法。5PPP协议在协议在Inter
28、net中的应用中的应用目目前前，微微机机用用户户可可以以采采用用PPP方方式式拨拨号号上上网网，成成为为Internet上上的的一一个个注注册册节节点点，也也就就是是成成为为一一台台具具有有独独立立有有效效IP地地址址的的Internet主主机机。以以PPP方方式式入入网网在在性性能能上上优优于于以以仿仿真真终终端端方方式式入入网网，特特别别是是PPP方方式式可以使用具有图形界面的应用软件。可以使用具有图形界面的应用软件。4.3 X.25协议协议4 4.3.13.1概述概述X.25是由是由ITU-T在在1976年制定的标准，年制定的标准，协议文本曾被更新过若干次。协议文本曾被更新过若干次。X.
29、25是影响是影响现在和未来数据通信的最重要的网络体系现在和未来数据通信的最重要的网络体系结构之一。结构之一。4 4.3 3.22X.25X.25协议模型与格式协议模型与格式1X.25协议模型协议模型X.25定义了类似于定义了类似于OSI模型的下三层模型的下三层协议，即物理层、平衡式链路访问层和分协议，即物理层、平衡式链路访问层和分组层，分别对应组层，分别对应OSI模型中的物理层、数模型中的物理层、数据链路层和网络层。据链路层和网络层。（1）物理层）物理层（2）数据链路层）数据链路层（3）网络层）网络层2X.25分组格式分组格式（1）呼叫请求分组）呼叫请求分组（2）数据传送分组）数据传送分组4.
30、4 TCP/IP协议协议4 4.4.11TCP/IPTCP/IP协议参考模型协议参考模型（1）应用层）应用层TCP/IP协议的设计者认为高层协议应协议的设计者认为高层协议应该包括会话和表示层的细节，于是简单地该包括会话和表示层的细节，于是简单地创建了一个应用层来处理高层协议、有关创建了一个应用层来处理高层协议、有关表达、编码和对话控制。表达、编码和对话控制。（2）传输层）传输层传输处理主要解决可靠性、流量控制传输处理主要解决可靠性、流量控制和重传机制等问题。和重传机制等问题。（3）互联网层）互联网层互联网层用于把来自互联网络上的任互联网层用于把来自互联网络上的任何网络设备的源分组发送到目的设备
31、，而何网络设备的源分组发送到目的设备，而且这一过程与它们所经过的路径和网络无且这一过程与它们所经过的路径和网络无关。关。（4）网络接入层）网络接入层这这一一层层的的名名称称非非常常广广泛泛，它它也也被被称称为为主主机机-网网络络层层。有有时时它它表表现现为为两两层层，如如在在OSI模模型型里里，网网络络接接入入层层涉涉及及到到IP分分组组要要求求选选择择一一条条物物理理链链路路，它它包包括括局局域域网网和和广广域域网网的的技技术术细细节节，以以及及OSI模模型型中中物物理理层层和数据链路层的所有细节。和数据链路层的所有细节。4 4.4 4.22TCP/IPTCP/IP协议族协议族 HTTP超文本传输协议；超文本传输协议； SMTP简单邮件传输协议；简单邮件传输协议； DNS域名系统；域名系统； TFTP简单文件传输协议。简单文件传输协议。
