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1、中南大学网络技术与应用中南大学网络技术与应用课件第课件第3 3章章- -计算机网络体计算机网络体系结构与协议系结构与协议-2-2第3章 网络体系结构与协议3.3 物理层的功能和特性物理层的功能和特性 3.3.1 物理层功能物理层功能1.物理层定义物理层定义2.实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。3.定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。过程的和功能的特性。4.DTE数据终端设备数据终端设备,用于处理用户数据的设备。如计算用于处理用户数据的设备。如计算机、路由器。机、路由器。
2、5.DCE数据通信设备数据通信设备,用于把用于把DTE发出的数字信号转换发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式。如成适合于在传输介质上传输的形式。如MODEM。 3.3.2 物理层特性物理层特性（1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。（4）规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 3.3.3 常用物理层标准常用物理层标准 1. EIA-232-DnRS-232-C标准（协议）的全称是EIA-RS-232-C标准
3、nRS-232-C标准广泛应用于30m内的计算系统间的信息传送，以及用作计算机通信中数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DEC）之间的物理接口。nDTE通过DCE连接到通信传输线路3.4 数据链路层数据链路层 在相邻节点之间建立链路，传送以帧在相邻节点之间建立链路，传送以帧(Frame)为单位的数据信为单位的数据信息，并且对传输中可能出现的差错进行检错和纠错，向网络层息，并且对传输中可能出现的差错进行检错和纠错，向网络层提供无差错的透明传输。提供无差错的透明传输。数据链路层是将一条原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路；3.4.1 数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念v线路
4、 链路v物理线路 数据链路v链路管理 v帧同步 v流量控制 v差错控制 v帧的透明传输 v寻址 数据链路层协议 为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。停止等待协议（stop and wait）是最基本的数据链路层协议。3.4.2 停止等待协议停止等待协议实用的停止等待协议实用的停止等待协议1、实用的停止等待协议需解决两个问题：、实用的停止等待协议需解决两个问题：v数据传送的差错控制数据传送的差错控制v数据传送的流量控制数据传送的流量控制2、解决办法、解决办法v接收方收到正确数据，向发送方发送接收方收到正确数据，向发送方发送ACK帧帧v接收方发现循环冗余检验出错，向发送方发送接收方发现循环冗
5、余检验出错，向发送方发送NCK帧，并由发送方帧，并由发送方重发。重发。v用超时记时器设置重传时间用超时记时器设置重传时间toutv采用发送序号处理重复帧。采用发送序号处理重复帧。3.4.3 连续连续ARQ协议协议n接收方从出错帧起丢弃所有后继帧；接收方从出错帧起丢弃所有后继帧；n发送方仃止数据帧的发送，并从出错帧开始重发发送方仃止数据帧的发送，并从出错帧开始重发N个帧。个帧。n对于出错率较高的信道，浪费带宽。对于出错率较高的信道，浪费带宽。3.4.4 面向比特的面向比特的 HDLC面向字符型数据链路层协议的缺点：v报文格式不一样；v传输透明性不好；v等待发送方式，传输效率低。面向比特型协议的设
6、计目标：v以比特作为传输控制信息的基本单元；v数据帧与控制帧格式相同；v传输透明性好；v连续发送，传输效率高。HDLC的帧结构的帧结构 vF（flag） ：固定格式 01111110 作用 帧同步 (从收到的比特流中正确判断出一个帧的开始和结束的位置)何谓传输数据的透明性?实现透明传输办法:零比特插入与删除 vA（address） ：地址.首位为0:8位,1:16位.vC（control） ：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息vI（information） ：网络层数据，Nmax = 256BvFCS: 采用CRC（checksum） ：校验A、C、I字段的数据 G(X)= X16+X12+X
7、5+1零比特填充零比特填充帧类型及控制字段的意义帧类型及控制字段的意义3.4.5 点对点协议点对点协议PPPPoint-to-Point ProtocolvPPP协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面向比特型协议,可以支持IP协议及其他一些网络层协议（例如IPX协议）；vPPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器路由器之间的专用线上广泛应用;vPPP协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用的协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分。 PPP信息帧格式信息帧格式v 标志（flag）：01111110v 地址（address）：值为“FF”（11111111），表示网中所有的站
8、 都接收该帧v 控制（control）：值为“03”（00000011）v 协议（protocol）：长度为2字节，它标识出网络层协议数据域的 类型。常用的网络层协议的类型主要有： 0021HTCP/IP 0023HOSI 0027HDECv数据字段：长度可变3.5 网络层协议网络层协议n通信子网的最高层；n位于数据链路层和传输层之间，使用数据链路层提供的服务，为传输层提供服务；n处理端到端传输的最低层。v网络层的作用网络层的作用n屏蔽各种不同类型网络之间的差异，实现互连n了解通信子网的拓扑结构，选择路由，实现报文的网络传输v网络层提供的服务网络层提供的服务n面向连接的服务n无连接的服务。3.
9、5.3 路由算法路由算法在通信子网内部，分组从一个网络节点转移到另外一个网络节点，直至在通信子网内部，分组从一个网络节点转移到另外一个网络节点，直至到达目的用户所连接的网络节点，分组在其中的转发过程成为到达目的用户所连接的网络节点，分组在其中的转发过程成为路由选择转发过程。路由算法的目的是找到一条从源到目的地的一条“最好”路径。花费可能是可能是距离、信道带宽、平均通信量、通信开销、队列平均长度、测量到的时延和其它一些因素的综合。路由算法应具有的特性路由算法应具有的特性n正确性（correctness）n简单性（simplicity），减小路由算法的复杂度以及系路由系统的开销n健壮性（robus
10、tness），能够适应网络结构的变化，保证路由选择的有效性n稳定性（stability），能够适度反映网络的变化，不会因为网络结构的变化而导致动荡的路由选择。n公平性（fairness），找到一种合适的网络路由选择策略n最优性（optimality）n高效性（efficiency），能够充分利用网络链路资源，减少分组在通信子网中的传递时间v静态路由算法：预先计算好路由表，下载到路由器中，此后不再改静态路由算法：预先计算好路由表，下载到路由器中，此后不再改变；算法简单，适应性差。变；算法简单，适应性差。n洪泛算法n固定路由算法：在网络中每个节点中都存放一张事先确定好的路由表。v动态路由算法：根据
11、网络当前的拓扑结构和流量特点计算动态路由算法：根据网络当前的拓扑结构和流量特点计算路由表；适应性强，算法复杂，实现难度大。路由表；适应性强，算法复杂，实现难度大。n距离向量路由算法让每个路由器维护一张表，表中给出了到每个目的地已知的最佳距离和路线，通过与相邻路由器来更新表的信息。n链路状态路由算法将自己对邻居的认识洪泛给全网3.5.4流量控制与死锁流量控制与死锁n拥塞控制（congestion control）需要确保通信子网能够承载用户提交的通信量，是一个全局性问题，涉及主机、路由器等很多因素；n流量控制（flow control）与点到点的通信量有关，主要解决快速发送方与慢速接收方的问题，
12、是局部问题，一般都是基于反馈进行控制的。2. 流量控制的实现流量控制的实现v开环控制开环控制 n拥塞预防策略：数据链路层、网络层、传输层都策略可以进行预防n通信量整形n强迫分组以某种可以预见的速率传送。n漏桶和令牌桶均可实现通信量整形。n流说明v闭环控制闭环控制n虚电路网络中的拥塞控制n许可控制、绕开拥塞、资源预留n抑制分组：向源主机发送抑制分组。n为了公平，可以采用加权公平算法(字节轮巡)。n为了得到快速的抑制效果，可采用Hop-by-Hop抑制分组，抑制分组对其所经过的路由器都起作用。n负载丢弃：对不同服务采用不同的丢弃策略。3.6 运输层协议运输层协议运运输输层层向向它它上上面面的的应应
13、用用层层提提供供通通信信服服务务，它它属属于于面面向向通通信信部部分分的的最最高层，同时也是用户功能中的最低层高层，同时也是用户功能中的最低层 物理层网络层运输层应用层数据链路层面向信息处理面向通信用户功能网络功能运输层的主要功能运输层的主要功能 v运运输输层层为为应应用用进进程程之之间间提提供供端端到到端端的的逻逻辑辑通通信信（但但网网络络层层是是为为主主机之间提供逻辑通信）机之间提供逻辑通信）54321运输层提供应用进程间的逻辑通信应用进程应用进程IP 层AP1AP2AP4端口端口54321AP3复用复用分用分用v两个对等运输实体在通信时传送的数据单位叫作两个对等运输实体在通信时传送的数据
14、单位叫作传输协传输协议数据单元议数据单元 TPDU (Transport Protocol Data Unit)vTCP 传送的数据单位协议是传送的数据单位协议是 TCP 报文段报文段(segment)v UDP 传送的数据单位协议是传送的数据单位协议是 UDP 报文报文或或用户数据报用户数据报 端口的概念端口的概念v在在Internet中，传输层服务访问点中，传输层服务访问点 TSAP为为端口端口（IP address, local port）v端口的作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通端口的作用就是让应用层的各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给运输层，以及让运输层知道应当将其
15、报过端口向下交付给运输层，以及让运输层知道应当将其报文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程文段中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程v从这个意义上讲，端口从这个意义上讲，端口号（port number）是用来标志应是用来标志应用层的进程的用层的进程的进程地址，进程地址，端口用一个端口用一个 16 bit 端口号进行端口号进行标志标志ACBIP=131.6.23.13 端口端口1500端口端口1501IP=128.36.1.22端口端口1500IP=130.42.85.15端口端口25连接1连接2连接3为了在通信时不至于发生混乱，必须把端口号和主机的为了在通信时不至于发生混乱，必须把
16、端口号和主机的IP地地址结合在一起使用址结合在一起使用3.6.2 用户数据报协议用户数据报协议UDPvUDP 只只在在 IP 的的数数据据报报服服务务之之上上增增加加了了端端口口的的功功能能和和差差错错检检测测的的功能功能v UDP 的特点：的特点：n无需建立连接，提供有限的差错检验功能；n无拥塞控制，只提供不可靠的交付，但UDP 的主机不需要维持复杂的连接状态表nUDP 用户数据报只有8个字节的首部开销n网络出现的拥塞不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的 /IP电话、实时视频会议v设设计计比比较较简简单单的的UDP协协议议的的目目的的是是希希望望以以最最小小的的开开销销来来
17、达达到到网网络络环境中的进程通信目的；环境中的进程通信目的；v使用条件使用条件：进程发送的报文较短，同时对报文的可靠性要求不高，：进程发送的报文较短，同时对报文的可靠性要求不高，那么可以使用那么可以使用UDP协议协议UDP 用户数据报的首部格式用户数据报的首部格式 伪首部源端口目的端口长 度检验和数 据首 部UDP长度源 IP 地址目的 IP 地址017IP 数据报字节44112122222字节发送在前数 据首 部UDP 用户数据报3.6.3 传输控制协议传输控制协议 TCPv面向连接的、可靠的、端到端的、基于字节流的传输协议；vTCP 将将所所要要传传送送的的报报文文看看成成是是字字节节组组
18、成成的的数数据据流流，并并使每一个字节对应于一个序号使每一个字节对应于一个序号v传输实体之间使用传输实体之间使用段(segment)（TPDU）交换数据；）交换数据；vTCP 每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计每发送一个报文段，就对这个报文段设置一次计时器。只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确时器。只要计时器设置的重传时间到但还没有收到确认，就要重传这一报文段认，就要重传这一报文段TCP首部20 字节的固定首部目 的 端 口数据偏移检 验 和选 项 （长 度 可 变）源 端 口序 号紧 急 指 针窗 口确 认 号保 留FIN32 bitSYNRSTPSHACKURG比特 0 8 1
19、6 24 31填 充TCP 数据部分TCP 首部TCP 报文段IP 数据部分IP 首部发送在前4字节的字节的整数倍整数倍v网络层主要任务是为分组通过通信子网选择适当的：网络层主要任务是为分组通过通信子网选择适当的：A） 传输路径传输路径 B） 传输协议传输协议 C） 传送速率传送速率 D）目的结点）目的结点传输层的主要任务是向高层屏蔽下层数据通信的细节，向用传输层的主要任务是向高层屏蔽下层数据通信的细节，向用户提供可靠的：户提供可靠的：A） 点点点点-服务服务 B） 端端-端服务端服务 C） 结点结点-结点服务结点服务 D）子网）子网-子网服务子网服务vHTTP协议协议采用的熟知采用的熟知TCP端口号是：端口号是：A） 20 B） 21 C） 80 D）110vFTP和和TFTP的描述中，正确的是：的描述中，正确的是：A） FTP和和TFTP都使用都使用TCP B） FTP使用使用UDP，TFTP使用使用TCPC） FTP和和TFTP都使用都使用UDP D）FTP使用使用TCP，TFTP使用使用UDP结束结束
