數(shù)據(jù)通信體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議

第 7章 數(shù)據(jù)通信體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議 數(shù)據(jù)通信協(xié)議及 OSI通信體系結(jié)構(gòu) 7.1 V.24 物理層接口標(biāo)準(zhǔn) 7.2 HDLC 數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議 7.3 ITU-T X.25標(biāo)準(zhǔn)中的分組層協(xié)議 7.4 TCP/IP通信體系結(jié)構(gòu) 7.5 IP 7.6 TCP 7.6 數(shù)據(jù)通信是依照一定的通信協(xié)議 ， 在兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間通過某種傳輸媒介 (例如電纜 、光纜 )以數(shù)字二進(jìn)制信息單元形式交流信息的過程 。 目的是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī) 、 計(jì)算機(jī)與終端 、 終端與終端之間的數(shù)據(jù)信息交流 。 7.1.1 概述 7.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議及 OSI通信體系結(jié)構(gòu) 通常把計(jì)算機(jī)、終端（如網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)）、其他數(shù)據(jù)終端處理設(shè)備統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ Data Terminal Equipment， DTE）。 協(xié)議 （ Protocol） 主要包括以下的全部或部分要素 。 語法 (syntax)：包括數(shù)據(jù)格式 、 編碼 、信號級別等 。 語義 (sematics)：包括用于相互協(xié)調(diào)及差錯處理的控制信息 。 定時關(guān)系 (timing)：包括速度匹配和時序關(guān)系 。 協(xié)議協(xié)調(diào)通信網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)中信息傳遞的控制、管理、轉(zhuǎn)換。所以，協(xié)議十分重要。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)、國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ITU-T)、 Internet體系結(jié)構(gòu)委員會（ IAB）在促進(jìn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化方面做了許多工作，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)和建議。實(shí)際上協(xié)議就包含在這些標(biāo)準(zhǔn)和建議之中。 7.1.2 OSI通信體系結(jié)構(gòu) 開放系統(tǒng)，是指允許兩個不同系統(tǒng)獨(dú)立于下層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信的一套協(xié)議。其目的就是在不需要改變系統(tǒng)的軟硬件邏輯結(jié)構(gòu)的條件下，使不同系統(tǒng)間的通信成為可能。允許不同廠商按照開放系統(tǒng)中的協(xié)議，設(shè)計(jì)自己的通信軟件。而開放的另一個含義是該協(xié)議族的定義及其多種實(shí)現(xiàn)可以不用花錢或花很少的錢就可以公開地得到。 OSI模型由 7個功能層組成 ， 它們是：物理層 、 數(shù)據(jù)鏈路層 、 網(wǎng)絡(luò)層 、 運(yùn)輸 （ 傳輸 ）層 、 會話層 、 表示層和應(yīng)用層 。 圖 7-1 DTE網(wǎng)絡(luò)間相互通信以及對應(yīng)的 OSI分層模型 1.應(yīng)用層 (第 7層 ) 7.1.3 OSI模型各層的基本功能 應(yīng)用層直接與用戶和用戶的應(yīng)用程序進(jìn)行通信。應(yīng)用層提供的典型服務(wù)有：文件傳送、電子郵件、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)訪問、分布式系統(tǒng)等。 2.表示層 (第 6層 ) 表示層的主要功能是把應(yīng)用層提供的信息變?yōu)槟芄餐斫獾男问健?3.會話層 (第 5層 ) 會話層建立并保持用戶進(jìn)程之間的邏輯關(guān)系，以及處理進(jìn)程之間的對話，并且保證每次會話都會正常結(jié)束。 會話層的主要功能有：確認(rèn)雙方身份；確定工作方式（是全雙工還是半雙工）；確認(rèn)付費(fèi)方；對傳送的大文件設(shè)置斷點(diǎn)（同步點(diǎn)）；并提供檢查斷點(diǎn)重傳機(jī)制等。 4. 運(yùn)輸層 (第 4層 ) 運(yùn)輸層又稱傳輸層，也稱端到端層，它實(shí)現(xiàn)用戶端到端或進(jìn)程之間的信息控制和信息交換。 傳輸層的主要功能有：決定是否通過一條單獨(dú)路徑來傳輸所有的消息（是虛電路還是分組方式）；在發(fā)送端將消息分解成帶序號的分組，在接收端將分組正確重組為消息；負(fù)責(zé)將報(bào)文從源 DTE的一個特定進(jìn)程傳遞到目標(biāo) DTE的一個特定進(jìn)程；在信源進(jìn)程到信宿進(jìn)程的層次上進(jìn)行差錯控制和流量控制。 5.網(wǎng)絡(luò)層 (第 3層 ) 網(wǎng)絡(luò)層又稱通信子網(wǎng)層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源 DTE盡力傳輸?shù)侥康?DTE的過程。 網(wǎng)絡(luò)層屬于通信體系結(jié)構(gòu)中的低層組，因此除了源 DTE、宿 DTE之外，中間的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也要參與對網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)分組6.數(shù)據(jù)鏈路層 (第 2層 ) 數(shù)據(jù)鏈路層是在物理層基礎(chǔ)上建立的，用于建立和拆除數(shù)據(jù)鏈路連接，實(shí)現(xiàn)無差錯傳輸?shù)目刂茖印?數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是分組的封裝成幀；相鄰節(jié)點(diǎn)鏈路層的錯誤檢測、流量控制；在數(shù)據(jù)同步通信中負(fù)責(zé)時序同步。 7. 物理層 (第 1層 ) 物理層包含那些在物理媒介上傳輸比特流必須的功能。 7.1.4 層間通信 0SI參考模型基于下列簡單的假設(shè)給出了不同類型計(jì)算機(jī)之間通信的框架 。 在每層運(yùn)行一組規(guī)則或運(yùn)行過程 。 這些規(guī)則或過程稱為協(xié)議 。 運(yùn)行在每層的協(xié)議只允許與 OSI的直接上層或直接下層進(jìn)行通信。 圖 7-2 層間數(shù)據(jù)單元關(guān)系 在標(biāo)準(zhǔn) ISO X.210中使用了 4種類型的服務(wù)原語來定義分層體系結(jié)構(gòu)中相鄰層之間的請求原語： request 指示原語： indication 響應(yīng)原語： response 證實(shí)原語： confirm 7.2 V.24 物理層接口標(biāo)準(zhǔn) 7.2.1 概述 物理層標(biāo)準(zhǔn)中最常用的就是物理層接口標(biāo)準(zhǔn)。而物理層接口一般指 DTE與 DCE的界面。DTE指數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備。 DTE需要通過 DCE（如調(diào)制解調(diào)器）才能與網(wǎng)絡(luò)相連。因此本節(jié)討論物理層 DTE/DCE接口標(biāo)準(zhǔn)。通過討論得到廣泛應(yīng)用的 V.24接口標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地理 通常說的 V.24接口標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上包括了一機(jī)械的： ISO 2110 電氣的： V.28 功能的： V.24 過程的： V.24 7.2.2 機(jī)械特性 7.2.3 電氣特性 7.2.4 功能特性 7.2.5 過程特性 7.3 HDLC 數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議 7.3.1 基本概念 HDLC定義了三種類型站點(diǎn)、兩種鏈路設(shè)置以及三種數(shù)據(jù)傳送操作模式。 主站：負(fù)責(zé)控制鏈路操作。發(fā)出命令幀，從站：在主站的控制下操作，發(fā)出應(yīng)答幀，接收命令幀，并配合主站參與對鏈路的組合站：混合了主站和從站的特點(diǎn)，既能發(fā)出命令幀和應(yīng)答幀，也能接收命令幀和應(yīng)答幀。 7.3.2 幀結(jié)構(gòu) 在 HDLC中，所有信息都由幀來承載，幀分為三類：信息幀 (I幀 )、監(jiān)控幀 (S幀 )和無編號幀 (U幀 )。 I幀主要用于信息傳送； S幀主要用于鏈路監(jiān)控；而 U幀用來提供附加的鏈路控制功能。 圖 7-4 HDLC的幀格式 1. 地址域 (A) 2. 控制域（ C） 3. 信息域（ I 4. 幀校驗(yàn)序列域 (FCS) 5.標(biāo)志序列（ F 7.3.3 控制域（ C）格式和參數(shù) 7.3.4 操作過程 HDLC的操作涉及了三個階段。首先，雙方中有一方要初始化數(shù)據(jù)鏈路，使得幀能夠以有序的方式進(jìn)行交換。在這個階段中，雙方需要就各種選項(xiàng)的使用達(dá)成一致。初始化之后，雙方交換用戶數(shù)據(jù)和控制信息，并且實(shí)施流量和差錯控制。最后，雙方中有一方要發(fā)出信號來中止操作。 1. 初始化 2. 數(shù)據(jù)傳送 3. 7.4 ITU-T X.25標(biāo)準(zhǔn)中的分組層協(xié)議 7.4.1 X.25的層次 圖 7-5 X.25接口 X.25標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層、鏈路層、分組層共 3層功能 1. 7.4.2 X.25的分組層協(xié)議 （ 1）為每個用戶呼叫（包括虛呼叫和永久虛電路）指定數(shù)據(jù)終端和網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的邏輯信道號，從而建立和拆除虛電路？使用戶（ 2 （ 3 2. （ 1）呼叫建立分組：用于在兩個 DTE之間建立交換虛電路。 這類分組有：呼叫請求分組、呼入分組、呼叫接受分組和呼叫連（ 2）數(shù)據(jù)傳輸分組：用于在兩個 DTE之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這類分組有：數(shù)據(jù)分組、流量控制分組、中斷分組和在線登記分組。 （ 3）恢復(fù)分組：實(shí)現(xiàn)分組層的差錯恢復(fù)，包括復(fù)位分組、再啟動分組和診斷分組。（ 4）呼叫釋放分組：用于在兩個 DTE之間斷開虛電路。包括呼叫釋放請求分組、釋放指示分組釋放接受分組和釋放確認(rèn)分組。3. 4. 表 7-8 呼叫請求分組格式 7.5 TCP/IP通信體系結(jié)構(gòu) TCP/IP的正式名稱是 TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族，一般稱為 TCP/IP （ Transmission Control Protocol/Internet Protocol）。TCP/IP通信體系結(jié)構(gòu)是開放的體系結(jié)構(gòu)，多個不同廠家生產(chǎn)各種型號的計(jì)算機(jī)，它們運(yùn)行著不同的操作系統(tǒng)， TCP/IP允計(jì)它們互相之間進(jìn)行通信。使用 TCP/IP也可以在任何相互連接的一系列網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信。 7.5.1 TCP/IP模型 TCP/IP模型一般認(rèn)為由 5層構(gòu)成：獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、運(yùn)輸層和應(yīng)用層。 圖 7-10 TCP/IP 分層模型 1. 目前狀況 7.5.2 TCP/IP模型與 OSI標(biāo)準(zhǔn)模型的比較 （ 1） TCP/IP在 OSI對相應(yīng)協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的 10年前就已經(jīng)有了定義，之后被廣泛應(yīng)用。因此， 80年代的一些公司因急需使用某種標(biāo)準(zhǔn)而面臨如下的選擇，是繼續(xù)等待具有光明前途但卻從來沒有真正完成的 OSI軟件包，還是使用隨時可以使用的 TCP/IP協(xié)議族。人們選擇使用了 TCP/IP，一旦作出了這樣的決定，那么要從現(xiàn)存的基礎(chǔ)上進(jìn)行移植就要在費(fèi)用和技術(shù)方面冒險(xiǎn)，這就抑制了 OSI的 （ 2） TCP/IP是隨 UNIX操作系統(tǒng)配套發(fā)（ 3） Internet是在 TCP/IP的基礎(chǔ)上建立的。 2. 主要差別 TCP/IP分層模型是在 OSI之前發(fā)展而來的。因此它的 5層分層模型中的層次概念與OSI模型中的層次概念并不完全匹配。 7.6 IP 在 TCP/IP中， IP是最主要的第 3層協(xié)議，它是網(wǎng)際協(xié)議（ Internet Protocol）英文首字母的縮寫。 IP提供了三個重要的定義。第一， IP定義了在整個 TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸所用的基本分組單元及其格式；第二， IP軟件完成選擇一個分組發(fā)送的最初路徑；第三， IP還包括了一組體現(xiàn)不可靠和無連接的分組交付思路的規(guī)則：每個分組都將獨(dú)立傳輸；它們可能通過不同的路徑傳輸，因此有可能在到達(dá)目的地的時候次序發(fā)生顛倒； IP不追蹤傳輸路徑，因而也沒有任何機(jī)制來進(jìn)行重新排序；這些規(guī)則還指明了主機(jī)和路由器應(yīng)該如何處理分組、何時及如何發(fā)出錯誤信息以及在什么情況下可以放棄分組；IP將盡最大的努力使傳輸能夠到達(dá)目標(biāo)，但并不提供任何保證。 7.6.1 IPv4分組格式 圖 7-11 IPv4分組格式 7.6.2 IPv4尋址方式 IPv4的 32位地址簡稱為 IP地址。 IP地址類似于電話網(wǎng)中的電話號碼， IP地址并不是直接與主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一一對應(yīng)的，它是與主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)接口一一對應(yīng)的。 IP協(xié)議的尋址方式支持 5種不同的網(wǎng)絡(luò)類型，地址格式的最左邊的一個或多個二進(jìn)制數(shù)用來指定網(wǎng)絡(luò)類型。 1. A 2. B 3. C 4. D 5. E 6. IP 最初網(wǎng)絡(luò)的形成，一般是由某組織或公司為了實(shí)現(xiàn)具體目的而設(shè)計(jì)的，組織或企業(yè)會選擇適合通信需要和預(yù)算的硬件技術(shù)從而形成各自的物理網(wǎng)絡(luò)。而互聯(lián)網(wǎng)就是要把這些物理網(wǎng)絡(luò)連接到一起實(shí)現(xiàn)信息共享。從上面 IP地址的劃分來看， A類和 B類地址為主機(jī)分配了太多的空間，可分別容納的主機(jī)數(shù)分別為 224-2和 216-2（全 0或全 1的主機(jī)號無效）。 事實(shí)上，在 1個物理網(wǎng)絡(luò)中，一般最多有幾千臺主機(jī)。因此 1個 A類或 B類地址只安排給一個物理網(wǎng)絡(luò)會浪費(fèi)大量的網(wǎng)絡(luò)地址。這樣，子網(wǎng)編址技術(shù)就應(yīng)時而生了。 表 7-14 子網(wǎng)編址舉例 7.6.3 IPv4路由選擇 路由器內(nèi)存或者被配置為網(wǎng)關(guān)的主機(jī)內(nèi)存中有路由表。當(dāng)收到一份分組并進(jìn)行發(fā)送時，它都要搜索該表一次。當(dāng)分組來自某個網(wǎng)絡(luò)接口時， IP首先檢查目的 IP地址是否為本機(jī)的 IP地址之一或者 IP廣播地址。如果是，分組就被傳送到由 IP分組頭協(xié)議字段所指定的協(xié)議模塊進(jìn)行處理。如果不是，那么如果IP層被設(shè)置為路由器的功能，就對分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；否則，分組被丟棄。 路由表中的每一表項(xiàng)都包含以下信息。目的 IP地址。它既可以是 1個完整的主機(jī) IP地址、也可以是 1個網(wǎng)絡(luò) IP 下一跳 (或下一站 )路由器的 IP地址，或者有直接連接的網(wǎng)絡(luò) IP地址。下一跳路由器是指一個在直接相連網(wǎng)絡(luò)上的路由器，通 標(biāo)志。其中一個標(biāo)志指明路由的 IP地址是網(wǎng)絡(luò)地址還是主機(jī)地址，另一個標(biāo)志指明下一跳路由器是否為真正的下一跳路由器 IP （ 1）搜索路由表，尋找能與目的 IP地址完全匹配的表項(xiàng)。如果找到，則把分組發(fā)送給該表項(xiàng)指定的下一跳路由器或直接連接的網(wǎng)絡(luò)接口。 （ 2）搜索路由表，尋找能與目的網(wǎng)絡(luò)地址相匹配的表項(xiàng)。如果找到，則把分組發(fā)送給該表項(xiàng)指定的下一跳路由器或直接連接的網(wǎng)絡(luò)接口。目的網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)都可以通過這個表項(xiàng)來處理。這種搜索網(wǎng)絡(luò)的匹配方法必須運(yùn)用子網(wǎng)掩碼再定位到目的主機(jī)。 （ 3)搜索路由表，尋找標(biāo)為“默認(rèn)(default)” 的表項(xiàng)。如果找到，則把分組（ 4）都沒有成功，則宣布選路錯誤。 7.6.4 IPv4分組的分片與重組 7.6.5 下一代互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)際協(xié)議 IPv6 互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及業(yè)務(wù)的劇增，暴露了現(xiàn)行的網(wǎng)際協(xié)議 IPv4存在很多不足，尤其是 IPv4地址短缺甚至地址空間將要耗盡的問題。 為了克服 IPv4的不足， IETF早在 1990年就開始了 IPv4升級協(xié)議的研究， 1995年 IETF從幾個最有希望的方案中選擇出最終方案并正式發(fā)布為 IPv6，作為新一代互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)際協(xié)議。近年來， IPv6協(xié)議基本框架已逐步成熟，并在廣泛的范圍內(nèi)得到了實(shí)踐和研究。1. IPv6 （ 1 IPv6分組的目的地址有如下三種基本類型。 單播 (Unicast)地址：標(biāo)識結(jié)點(diǎn)的單個接口。發(fā)送給單播地址的分組將被傳送到該地址指向的接口。 組播 (Multicast)地址：標(biāo)識屬于不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的一組接口。發(fā)送給組播地址的分任播 (Anycast)地址：標(biāo)識屬于不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的一組接口。發(fā)送給任播地址的分組將被傳送到該地址所標(biāo)識的某一最鄰近的接（ 2 2. IPv6 圖 7-12 1Pv6分組的一般格式 3. 從 IPv4向 IPv6過渡 下一代互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)際協(xié)議 IPv6解決了IPv4地址空間不足的問題；提高了網(wǎng)絡(luò)的處理效率；能夠更好的處理流媒體業(yè)務(wù)從而改善 QoS特性；同時在可擴(kuò)展性、安全性等方面都明顯優(yōu)于目前的 IPv4 但 IPv6與 IPv4并不兼容。由于在目前互聯(lián)網(wǎng)中對 IPv4設(shè)備進(jìn)行了巨大投資，在短時期內(nèi)將這些設(shè)備更換為 IPv6設(shè)備是不可能的。因此，從 IPv4發(fā)展到 IPv6是一個共存過渡、(1) (2) 7.7 TCP 傳輸控制協(xié)議（ Transmission Control Protocol， TCP） 提供了面向連接的數(shù)TCP是 TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族的一部分，但它是一個獨(dú)立的十分流行的通用協(xié)議，也適用于別的傳輸系統(tǒng)，例如它還可以在以太網(wǎng)之類的簡單網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。 7.7.1 TCP 數(shù)據(jù)段結(jié)構(gòu) 圖 7-16 TCP報(bào)文段與 IP分組的封裝 圖 7-17 TCP報(bào)文段格式 表 7-17 標(biāo)志字段的比特含義 圖 7-18 TCP偽首部格式 7.7.2 TCP 連接 TCP連接只與源 IP地址、源 TCP端口號、目的 IP地址和目的 TCP端口號這 4個參數(shù)有關(guān)，即它只與兩個端點(diǎn)系統(tǒng)有關(guān)。這樣， TCP連接與“虛電路”連接是完全不同的，其連接狀態(tài)駐留在兩個端點(diǎn)系統(tǒng)中，因此 TCP連接對傳輸分組的中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是毫無意義的。下面比較深入地討論如何建立和關(guān)閉一個TCP連接。 第一步：源端 TCP首先向目的端 TCP發(fā)送一個特殊的 TCP報(bào)文段。該報(bào)文段不包含應(yīng)用層數(shù)據(jù)，它將該報(bào)文段首部中的 SYN標(biāo)志比特設(shè)置為 1，這個報(bào)文段也被稱為 SYN 報(bào)文段。同時，源端 TCP會選擇一個初始順序號 BF (isn_s) BFQ ，并將這個編號放到初始的 SYN報(bào)文段的序號字段中。該報(bào)文段被封裝到一個 IP分組中，并發(fā)送給目的主機(jī)。 第二步：一旦裝有 SYN報(bào)文段的 IP分組到達(dá)了目的主機(jī) (假設(shè)它能到達(dá) )，目的主機(jī)將從該分組中提取出 SYN報(bào)文段，給該連接分配 TCP緩沖區(qū)和變量，并向源端 TCP返回發(fā)送一個允許連接的報(bào)文段。該報(bào)文段也不包含任何應(yīng)用層數(shù)據(jù)，但它的首部中裝載著 3個關(guān)鍵信息。首先， SYN被設(shè)置為 1；其次，TCP數(shù)據(jù)段首部的確認(rèn)字段被設(shè)置為 isn_s+1；最后，服務(wù)器選擇它自己的初始序號 (isn_d)并將該值放到 TCP報(bào)文段首部的序號字段中。 這個允許連接數(shù)據(jù)段有效地說明了“目的主機(jī)已經(jīng)接收到了要求開始連接的帶有初始序號為 isn_s的 SYN報(bào)文段并同意建立該連接，目的端 TCP報(bào)文段的初始序號為 isn_d” 。這個允許連接報(bào)文段有時被稱為 SYNACK報(bào)文 第三步 :在接收到 SYNACK報(bào)文段之后，源端主機(jī)也會給連接分配