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1、第第2章章 计算机网络体系结构与数据链路控制协议计算机网络体系结构与数据链路控制协议2.1网络体系结构网络体系结构2.1.1体系结构的层次化2.1.2开放系统互连参考模型2.1.3 OSI/RM中的基本概念2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介 2.2数据链路控制协议数据链路控制协议2.2.1数据链路控制协议的基本概念 2.2.2停止等待协议 2.2.3连续ARQ和选择重传ARQ协议2.2.4面向比特的链路控制规程HDLC2.2.5数据链路服务原语与协议数据单元的关系 2.2.6因特网的点对点协议PPP2.1 计算机网络体系结构2.1.12.1.1 网络体系结构与网络协议的概念网络体系结构与
2、网络协议的概念1 1、网络协议、网络协议（1 1）协议：一种约定，为了达到某一目标完成某一任务共同）协议：一种约定，为了达到某一目标完成某一任务共同 遵守。遵守。（2 2）网络协议：通信双方事先约定的通信的语义、语法和时）网络协议：通信双方事先约定的通信的语义、语法和时序规则的集合。序规则的集合。语义：指双方讲什么，指协议单元的内容。语义：指双方讲什么，指协议单元的内容。语法：指怎么讲，指协议单元的格式。语法：指怎么讲，指协议单元的格式。时序：指事件执行的顺序。时序：指事件执行的顺序。2、网络体系结构的概念 网络协议和网络各层功能的集合称作网络体系结构。 关于网络体系结构中的“层”的说明：2.
3、1.2 开放系统互连参考模型OSI/RM1 1、问题提出、问题提出19741974年美国年美国IBMIBM公司发表了面向集中型网络的公司发表了面向集中型网络的“系统体系结构系统体系结构”， SNASNA（System Network ArchitectureSystem Network Architecture）；）；19751975年年DECDEC发表了面向分布型网络的发表了面向分布型网络的“数字网络体系结构数字网络体系结构” DNADNA（Data Network Architecture Data Network Architecture ）19771977年年ISO/TC97ISO/T
4、C97成了一个分技术委员会，专门研究成了一个分技术委员会，专门研究“开放系统开放系统互连互连”19781978年美国年美国UNIVACUNIVAC公司提出了能支持多个系统的公司提出了能支持多个系统的“分布式计算分布式计算机体系结构机体系结构”DCADCA（Distributed Computer Architecture Distributed Computer Architecture ）19791979年底公布了年底公布了OSI/RMOSI/RM（reference model of open systemreference model of open system）19831983年正式
5、确立为国际标准，即年正式确立为国际标准，即ISO7498ISO7498。2、OSI参考模型的层次划分图2.1 OSI 7层参考模型 3、OSI各层的主要功能（1）物理层 在物理媒体上传输数据的比特流，提供为建立、维持和拆除物理 链路所需的机械、电气、功能和过程规程的特征。（2）数据链路层 在相邻结点间无差错地传送信息。提供帧的封装与还原，帧同 步，差错控制，流量控制等。（3）网络层 为分组交换网上的不同主机提供通信，提供包的封装与还原，路由选择，拥塞控制等功能。（4）传输层 也称端端协议。向资源子网屏蔽通信子网的物理结构。在端端间可靠地传送报文，通过报文分块、顺序控制、流量控制、差错控制等弥补
6、和加强网络层的服务。（5）会话层 在两个应用进程之间建立会话并管理会话。（6）表示层 数据压缩、数据加密解密、编码传换。（7）应用层 为用户应用进程和开放系统提供接口或手段，如电子邮件、远程登录、虚拟终端协议等。 2.1.3 OSI/RM中的一些基本概念中的一些基本概念 1、实系统、开放实系统、开放系统 （1）实系统：指在现实世界中能够进行信息处理或信息传递的自治整体。它是由一台或多台计算机、相关软件、外围设备、终端及信息传输设备所构成的一个集合。 （2）开放实系统：如果一个实系统在与其他实系统进行通信时能够服从OSI协议，则称之为开放实系统。 （3）开放系统：指开放实系统中与互连有关的部分。
7、开放系统不包括实系统中与互联无关的部分。2、数据传送单元和服务访问点（1）（N）协议数据单元（N）PDU 指OSI中（N）层对等实体之间所传送的数据单元。（2）（N）协议控制信息（N）PCI 指为实现（N）层功能在（N）层加上的控制信息。 （3）（N）服务数据单元（N）SDU 指N层的用户数 据。（4）接口数据单IDU 指同一系统相邻层实体间一次交互中通过层间接口的数据元。（5）接口控制信息ICI 指协议数据单元通过层间接口时所加的信息，IDU通过接口后去掉ICI。（6）服务访问点SAP 指同一系统中相邻两层的实体交换信息的地方，（N+1）层实体访问（N）层的地方。举例举例 A系统 B系统 I
8、CI PDUICI(N)SDU(N+1)层(N)PDU1(N)PDUn(N)层(N)层SAP说明:（N+1）PDU在（N）SAP加上ICI进入（N）层，经过（N）SAP时 就弃掉ICI，（N+1）PDU=（N）SDU。当（N）SDU较大，大于（N）PDU的规定时，（N）SDU被切分成多个部分，每部分加上PCI成为（N）PDU。图2.2 协议数据单元关系图3、（N）协议，（N）服务，（N）服务用户（1）（N）协议： 两个对等（N）实体进行通信规则的集合。（2）（N）服务： 指（N）实体通过（N）协议向（N+1）实体提供的服 。（3）（N）服务用户：指同一系统中的（N+1）实体。4、服务原语 在同
9、一开放系统中，（N+1）实体向（N）实体请求服务时，服务用户和服务提供者之间要进行交互，交互的信息称为服务原语。四种类型： Request 请求 Indication 指示 Response 响应 Confirm 证实一个完整的原语有三部分构成 原语名字 类型（原语参数）5、面向连接的服务和无连接的服务 面向连接的服务：需建立连接、数据交换、释放连接的过程。有确认。 无连接的服务：不需连接和确认，数据传输时动态地分配下层资源。图2.3服务原语的相互关系6、OSI中的数据流动过程图2.4OSI中的数据流动过程2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介1、TCP/IP协议的形成与发展 最早应用于AR
10、PA网，1974年Kahn最早定义了TCP/IP参考模型，1985年Leiner对其进一步研究，1988年CLark在Kahn和Leiner的基础上进一步完善，形成现在的基本架构2、TCP/IP参考模型及其与OSI参考模型的对应关系应 用传输层网络层主机网络层应 用表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层图2.5TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对应关系3、 TCP/IP各层的内容与功能 图2.6 TCP/IP的主要内容TCP/IP各层的功能1.网络接口层2. 接收IP数据报，并通过特定的网络传输，或从特定的网上接收物理帧抽出IP数据报交网际IP层2. 网际层 屏蔽各种不同物理帧的差异，转
11、换成IP分组，并完成路由、流控、差错控制等问题。3. 运输层 包括UDP和TCP两个协议，解决不同应用程序的识别问题，提供端到端的可靠传输。4. 应用层 为应用程序提供接口，满足不同用户的需求。4、TCP/IP与与OSI的主要差别的主要差别1、OSI是一个理想的协议，大而全；TCP/IP是一个实践的协 议，以实用为其指导思想。2、TCP/IP允许越层直接使用更低层所提供的服务，而OSI不 允许。3、对异构网互连问题，TCP/IP一开始就考虑到了，而OSI则 是在以后完善中才补充进去的。4、TCP/IP一开始就考虑到面向链接的服务和无链接的服务，而OSI开始只有面向链接的服务，后来才考虑无链接的
12、服务。共同点：两个模型中低层很多具体的协议内容是相同的。共同点：两个模型中低层很多具体的协议内容是相同的。2.22.2 数据链路控制协议数据链路控制协议2.2.12.2.1 数据链路层协议概述数据链路层协议概述1、数据链路层协议的形成与发展数据链路层协议面向字符的协议面向位的协议BSC(Binary Synchronous Communication）BMXBMSDLC(Synchronous Data Link Control)ADCCP(Advanced Data Communication control protocol)HDLC (High-level Data Link Contr
13、ol)LAP(Link Access Protocol)说明：（1）BSC是由IBM公司在60年代研制，后被ISO采纳，定义为BM和XBM，BM和XBM在透明传输控制上有区别。（2）SDLC是由IBM公司于1969年研制，后经美国国家标准局ANSI修改后称为ADCCP，1982以后ISO对SDLC修改后称为HDLC，并推荐作为国际标准。CCITT对HDLC修改后称为LAP，并作为X.25建议的一部分。这四种协议名称不同，所属标准系列不同，但内容上大同小异。2、成帧方法 成帧方法即是讲如何形成帧，如何识别帧，其实质是帧与帧之间如何分离区分的问题。有4种方法：（1）字符计数法 在帧的开头约定一固定
14、长度的字段标明该帧的字符个数，当接收方收到该字段时，根据其中的字符计数值接收后续的字符，确定帧和下一帧的开始。第一帧5个字符5 1 2 3 4 6 1 2 3 4 5 2 1第二帧6个字符第三帧2个字符图2.7字符计数法图示（2）首尾分界符法 在帧的开始和结束处分别用开始字符和结束字符标记，以此作为帧与帧之间的分界符。STXETX帧正文开始标志帧正文结束标志图2.8BM中采用的首尾分界符法 （3）首尾标志法 在帧的开始和结束处分别用一特殊字符（HDLC中用01111110）来作为帧的开始和结束。0111111001111110帧首标志帧尾标志图2.9 HDLC中采用的首尾标志法（4）物理层编码
15、违例法 在帧的开始和结束处使用非法编码系列来作为开始和结束标志。例如，在曼氏编码中每一位的中间都有跳变，如果在帧的开始和结束处采用位中间没有跳变的电平，就与一般的数据位区别开了。2.2.2 停止等待协议1、问题提出 在点点式通信系统中，当接收端接收数据的速率小于发送端的发送速率时，就会出现接收端数据的堆积，当堆积的数据超过接收端的接收缓冲区时，会出现丢失数据的情况，这时就需要采取某种措施，以放慢发送端的发送速率。所采取的措施就是流量控制的方法。 一种最简单的做法就是发送方每发送一帧，就要等待接收方的应答，只有当收到肯定的应答ACK后才发送下一帧。这就是所谓的停等协议（stop-and-wait
16、）。这是一种单工通信协议。也称自动请求重发ARQ协议。停等协议中有很多复杂的问题要解决。(图2.10 停等协议中发收信息的过程)发方收方数据帧ACK/NAK正确交收方主机副本放缓冲区中图2.11数据帧出错图2.12数据帧丢失ABACKDATANAKDATAX出错V（R）=V（R） 送主机V（R） V（R）+1 ABACKDATADATAXtout丢失V（R）=V（R） 送主机V（R） V（R）+1 图2.13应答帧丢失ABACKDATADATAXtout丢失V（R）N（S） 送主机V（R）=N（S）V（R） V（R）+1 ACK2、停等协议的算法图2.14停止等待协议算法发送状态变量初始化V（
17、S） 0发送方从主机取一数据帧装配：将V（S）的值写入N（S）即N（S） V（S）；将数据帧送缓冲区从发送缓冲区取出数据帧并发送出去设置超时定时器tout更新状态变量V（S） V（S）+1ACK/NCK？超时否应答到达否？NAKACKYYNN接收方接收状态变量初始化V（R） 0结果正确否？接收数据帧并作出差错校验数据帧收到否？ N（S）= V（R）？ 将收到的帧中的数据部分送主机更新状态变量准备接收下一帧V（R） V（R）+1发ACK（重复帧）丢弃此帧发NAKYYYNNN算法说明：（1）收发双方各设一个1比特的本地状态变量V(S)、V(R)，初始值V(S)=V(R)=0（2）发送端每发送一帧数
18、据都要将V（S）写入数据帧的序号字段N(S)上V(R) N(S)。发送端只有收到一个ACK才更新V(S)的值，V(S) V(S)+1（3）接收方每收到一个数据帧，就将V（R）和N（S）比较，若N（S）= V（R），则交接收方主机，且更新V（R）的值 V(R) V(R)+1，若V（R）N（S），则丢弃。（4）接收方只要收到一个无差错帧，都要返回一个ACK。若是新帧更新V（R）的值V（R） V（R）+1，若是重复帧V（R）不变。（5）发送端在发完数据帧时，在发方缓冲区中保留有该帧的副本，只有收到ACK后方清除副本。2.2.3 连续ARQ和选择重传ARQ协议 1、连续ARQ协议的基本原理 停等协议每
19、发一帧都要等待应答，信道利用率低。连续ARQ协议发送一帧后不必等待，可继续发送后续各帧，边发送边等待应答。假如发送方没有收到编号为N的帧的肯定应答（丢失或超时），则重传N帧及N帧以后的各帧。 连续ARQ协议又称后退N帧的协议。图2.15帧1出错0123123401231234重发送主机送主机丢弃XACK0NAK1图2.16 帧1丢失的情况0123123456012312345tout重发送主机 丢弃送主机XACK1ACK0 2、选择重传ARQ协议 在噪声干扰较强的场合，连续ARQ未必就比停等协议的效率高。选择重传ARQ克服连续ARQ的不足，在重传时仅重传没有正确发送的帧，即仅重传没有收到肯定应
20、答ACK的帧。这需要在窗口机制的控制下进行。2.2.3 滑动窗口流量控制1、几个概念（1）窗口：所谓窗口就是一段顺序号表。窗口中存放允许发送/接收帧的顺序号。（2）窗口尺寸：顺序号表中所含顺序号的个数。（3）发送窗口、接收窗口：发送端保存着一张允许发送的帧的顺序号表称发送窗口，接收方保存的允许接收的顺序号表称接收窗口。 发送和接收窗口的尺寸是由通信链路建立确定的。发送窗口和接收窗口张合滑动，实现流量控制。2、窗口的工作机制图2.17 3位序号、窗口尺寸为1的滑动窗口17653420发送窗口176534201765342017653420接收窗口1765342017653420176534201
21、7653420(a)(d)(c)(b)（a）表示发、收窗口的初始状态。这是发送端还未开始发送、发送窗口上下缘重合；接收窗口尺寸为1，它期待接收序号为0的帧。（b）窗口的上缘移动至1处，表示发送端已发送了序号为0的帧，而下一帧该发序号为1的帧，此时窗口下缘仍不动，表示等待0帧的应答到达。上下缘所夹的序号表示已经发送但未收到应答的序号。接收窗口同前，指允许接收0号帧。（c）表示发送端仍在等待0帧的应答到达，接收端则已收到0帧，其窗口上下缘同时向前滑动一个序号，准备接收序号为1的帧。（d）表示发送端收到了0帧的应答，窗口下缘向前滑动一个序号而与窗口上缘重合。接收端仍等待1端到达。这样不断重复下去，发
22、送窗口和接收窗口均以窗口尺寸为1的状态向前连续滑动。 2.2.42.2.4 面向比特的高级数据链路控制规程面向比特的高级数据链路控制规程HDLCHDLC1、HDLC的配置与数据传送方式（1）三种类型的站主站：对整个链路功能进行控制，主站发出的帧叫命令。从站：是受主站控制的站，从从站发出的帧叫做响应。复合站：具有主站和从站的双重功能，复合站既可发命令， 也可作响应。（2）两种链路配置非平衡配置：由主站和一个或多个从站组成，适合点对点或点对多点式连接。平衡配置：只适用于点到点链路，由两个复合站组成。ADCBBA（点点式连接）(点多式连接)图2.18 非平衡配置图示图2.19 平衡配置图示BC（3）
23、三种数据传输方式非平衡配置有两种数据传输方式a、正常响应式NRM，用置正常响应模式命令（SNRM）设置。只有主站才能启动数据传输，从站仅当收到主站的询问命令后才能发送数据。b、异步响应式ARM，用置异步响应模式命令（SARM）设置。从站不必等待主站询问就可以发送信息，启动数据传输。但主站仍负责链路管理。平衡配置只有一种数据传送方式异步平衡式ABM，用置异步平衡式命令（SABM）设置。任何复合站无需得到另一个复合站的允许便可启动数据传输。2、HDLC的帧结构标志F 地址A控制C信息info 校验Fcs 标志F0N(S)P/FN(R)10SP/FN(R)11MP/FM1234567 8比特序号信息
24、帧I监督帧S无编号帧U（图2.20 HDLC帧的结构）说明：（1）标志字段F 共8位，01111110，采用首尾标志法，帧首帧尾各1个F。（2）地址字段A 8的整数倍位。全为0为无效地址，全为1为广播地址。若8位基 址不够，则将基址首位置0，再扩展8位地址。（3）控制字段C 8位，用于区分不同类型的帧。（4）信息字段 长度不固定，只有I 帧和某些无编号帧才有该字段。（5）帧校验序列Fcs 16位，生成多项式G(X)=X16+X12+X5+1，校验范围为A，C，I。（6）透明传输问题。 采用“零比特的插入与删除”技术,即在发送成帧前如果发现有连续5个1的地方,就在其后自动插入1个0,在接收方再将
25、插入的“0”删除。例如：0111111110101111101110101111111101011111011101通信网插入删除（图2.21零比特的插入与删除图示）3、HDLC帧的类型与功能（1）信息帧，第1比特为0，表明该帧带有信息。 N（S），3位，写入发送帧的序号。 N（R），3位，写入接收序号，即一个站所期望收到对方发来 的帧的发送序号，带有确认的意思，即表示序号为N（R）-1（mod8）及其以前的各帧都已正确无误地接收妥当。 P/F，1位，称轮询/终止位。主站将P位置1，表示要求从站响应；从站将F位置1，表示从站的响应帧是本次轮询的最后一个响应帧。P/F置0无任何意义。（2）监督帧
26、，第1，2比特置10，监督帧不带有信息字段，所以不需要发送序号N（S）和N（R）。P/F的涵义同信息帧。监督帧的类型：图2.22 监督帧的类型(3)无编号帧U，第1，2位为11，没有N（S），N（R）字段，P/F位的含义同I帧。M字段共5位，对应第3、4、6、7、8位，可表示32种不同类型的U帧，目前只定义了15种。M字段(第3,4,6,7,8位)帧名(命令/响应)功 能00001SNRM置正常响应模式(在非平衡配置中)11000SARM/DM置异步响应模式(在非平衡配置中)/拆线响应11100SABM置异步平衡式(在平衡配置中)11011SNRME11010SARME11110SABMEM字
27、段(第3,4,6,7,8位)帧名(命令/响应)功 能00010DISK/RD用于终止已建立的各种模式(断开)/断开应答10000SIM/RIM置初始模式(初始化)/催促主站初始化00100UP探询命令,用于同时探询多处站址00000UI/UI指示带有信息11101XID/XID交换标志,用于两站间交换信息11001RSET重置命令10001FRMR/FRMR通知发送端收到了一个错误帧00110/UA用置模式和断连接的应答（图2.23无编号帧的类型）4、HDLC的操作过程举例ACB主站从站从站B,SNRM,PB,UA,FC,SNRM,PC,DM,F图2.24 非平衡配置的点多式线路B,UA, F
28、B,SNRM, PC,SNRM, PC,DM, FB,RR 0,PB,I,0,0B,I,1,0B,I,2,0B,I,3,0,FB,RR, 4B,DISK, PB,UA, F站A站B,C建立链路数据传输释放链路站A发回确认帧,P未置I,站B不必应答,所以,站A随即发送DISK0 00 10 20 30 4状态变量:V1(S) V1(R)V1(S)V1(R)000V2(S)站A,B建立链路并将状态变量初始化站A,C未建立链路站A就绪希望收0号帧站B将状态变量初始化00V (R)V (S)V (S) V (R)0 01 02 03 04 0站C不同意建立链路F置1表示站B信息已发完2.2.6因特网的
29、点对点协议PPP1、PPP协议概况 1992年公布的协议，作用是通过电话网络和ISP将计算机接入TCP/IP网络。PPP是面向连接的协议。图2.25 PC机用户拨号方式入网 2、PPP协议的组成（1）提供将IP数据报封装的串行链路的方法（2）链路控制协议LCP：用来建立、配置、测试和释放数据链路的连接。（3）网络控制协议NCP：对不同的网络层协议有相应的NCP支持。3、PPP的帧格式 协议字段用于区分信息字段内容的数据类型，其他几个字段的作用同HDLC。图2.29 PPP的帧格式小结小结本章讲解的主要内容有（1）OSI参考模型和TCP/IP参考模型形成背景、层次划分及相互关系；（2）介绍了停止等待协议的原理；（3）介绍了滑动窗口流量控制的原理；（4）说明了HDLC及PPP帧的构成及各字段的意义，
