網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三章

第3章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議3.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基本概念3.1.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

體系結(jié)構(gòu)是研究系統(tǒng)各部分組成及相互關(guān)系的技術(shù)科學(xué)。計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)采用分層配對結(jié)構(gòu)，定義和描述了一組用于計算機及其通信設(shè)施之間互連的標(biāo)準和規(guī)范的集合。遵循這組規(guī)范可以方便地實現(xiàn)計算機設(shè)備之間的通信。所謂網(wǎng)絡(luò)體系就是為了完成計算機間的通信合作，把每臺計算機互連的功能劃分成有明確定義的層次，并規(guī)定了同層次進程通信的協(xié)議及相鄰層之間的接口及服務(wù)，將這些同層進程通信的協(xié)議以及相鄰層的接口統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。1．協(xié)議2．實體3．接口3.1.3網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)我們將計算機網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合，稱為網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（Architecture）。計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)就是這個計算機網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義。協(xié)議層次化不同于程序設(shè)計中模塊化的概念。在程序設(shè)計中，各模塊可以相互獨立、任意拼裝或者并行。而層次則一定有上下之分，它是依數(shù)據(jù)流的流動而產(chǎn)生的。組成不同計算機同等層的實體稱為對等進程。對等進程功能必須完全一致，且采用相同的協(xié)議。3.2OSI參考模型3.2.1OSI參考模型的制定

1．OSI參考模型的提出2．OSI參考模型的結(jié)構(gòu)OSI/RM中的基本概念1．實體、協(xié)議、服務(wù)和服務(wù)訪問點2．ISO/OSI的工作過程3．面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)4．服務(wù)原語3.2.3OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的比較

1．TCP/IP體系結(jié)構(gòu)與OSI/RM層次之間的對應(yīng)關(guān)系TCP/IP體系結(jié)構(gòu)由一系列協(xié)議構(gòu)成，其中傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol，TCP）和因特網(wǎng)協(xié)議（InternetProtocol，IP）是最重要的兩個協(xié)議，因此就把該體系結(jié)構(gòu)稱為TCP/IP體系結(jié)構(gòu)。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)分為網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、運輸層和應(yīng)用層4層，它同樣遵循關(guān)于體系結(jié)構(gòu)的原理。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)與OSI/RM層次之間的對應(yīng)關(guān)系如圖3-8所示。TCP/IP模型和ISO/OSI模型有許多相似之處，兩種模型中都包含能提供可靠的進程之間端到端傳輸服務(wù)的傳輸層，而在傳輸層之上是面向用戶應(yīng)用的傳輸服務(wù)。2．TCP/IP協(xié)議集TCP是由一系列協(xié)議組成的，它是一套分層的通信協(xié)議模型及協(xié)議集內(nèi)部的依賴關(guān)系如圖3-9所示。3.3物理層的功能和特性在建立網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準以確保通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有統(tǒng)一的標(biāo)準方面，美國和許多國際組織發(fā)揮了重要的作用。這些組織包括：※美國國家標(biāo)準化協(xié)會（ANSI）?！鶉H通信聯(lián)盟（ITU）。※電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）?！鶉H標(biāo)準化組織（ISO）。※電子工業(yè)聯(lián)合會（EIA）和相關(guān)的通信工業(yè)聯(lián)合會（TIA）。※Internet協(xié)會（ISOC）和相關(guān)的Internet工程任務(wù)組（IETF）。1．物理層定義物理層是OSI分層結(jié)構(gòu)體系中最重要最基礎(chǔ)的一層。它是建立在通信媒體基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)備之間的物理接口。要指出的是，物理層并不是指連接計算機的具體物理設(shè)備或具體的傳輸媒體，而是指在物理媒體之上的為上一層提供一個傳輸原始比特流的物理連接。3.3.1物理層功能2．物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)物理層是為高層實現(xiàn)位流傳輸?shù)奈锢硗ǖ?，通道的組成包括連接兩個物理實體之間的傳輸介質(zhì)、傳輸位流（或碼元）所必需的設(shè)施、物理層中的中繼設(shè)備、互連數(shù)據(jù)電路等。物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供下列服務(wù)：（1）物理建立、連接與釋放（2）物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（3）通報故障與差錯3．物理層要解決的主要問題（1）數(shù)據(jù)信號傳輸（2）接口設(shè)計（3）實現(xiàn)位操作（4）信號傳輸規(guī)程3.3.2物理層特性物理層協(xié)議（面向通信的協(xié)議通常也稱為通信規(guī)程）與具體的物理設(shè)備、傳輸媒體和通信手段有關(guān)。物理層許多協(xié)議是在OSI模型公布之前制定的，并為眾多廠商接受和采納，這些物理層協(xié)議與OSI的嚴格要求相比有一定的差距。因為它們既沒有按照OSI那樣嚴格的分層來制定，也沒有像OSI那樣將服務(wù)定義和協(xié)議規(guī)范區(qū)分開來，因此對物理層協(xié)議就不便利用OSI術(shù)語加以闡述，只能將物理層實現(xiàn)的主要功能描述為與傳輸媒體接口有關(guān)的一些持性，物理層就是通過這4個特性作用，在數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（DataTerminalEquipment）和數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）之間實現(xiàn)物理通路連接。2．電氣特性3．功能特性4．規(guī)程特性標(biāo)準化的DTE/DCE接口包括以下4個方面的特性。1．機械特性3.3.3常用物理層標(biāo)準

1．EIARS-232-C和EIARS-232-D2．RS-449、RS-422-A和RS-423-A3．CCITTX.21數(shù)字接口3.4數(shù)據(jù)鏈路層3.4.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念前面已多次使用過“鏈路”和“數(shù)據(jù)鏈路”這兩個術(shù)語?！版溌贰焙汀皵?shù)據(jù)鏈路”并不是一回事。鏈路（1ink）就是一條無源的點到點的物理線路段。中問沒有任何其他的交換結(jié)點。在進行數(shù)據(jù)通信時，兩個計算機之間的通路往往是由許多的鏈路串接而成，可見一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。數(shù)據(jù)鏈路（datalink）則是另一個概念，這是因為當(dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時，除了必須有一條物理線路外還必須有一些必要的通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能如下：（1）幀定界（2）鏈路管理（3）流量控制（4）差錯控制（5）透明傳輸（6）區(qū)分數(shù)據(jù)和控制信息（7）尋址3.4.2停止等待協(xié)議1．完全理想化的數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)兩個主機進行通信時，應(yīng)用進程要將數(shù)據(jù)從應(yīng)用層逐層往下傳，經(jīng)物理層到達通信線路。通信線路將數(shù)據(jù)傳到遠端主機的物理層后再逐層向上傳。最后由應(yīng)用層交給遠程的應(yīng)用進程。但現(xiàn)在為了把主要精力放在數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議上，可以采用一個簡化的模型，如圖3-13）。即把數(shù)據(jù)鏈路層以上的各層用一個主機來代替，而物理層和通信線路則等效成一條簡單的數(shù)據(jù)鏈路。在發(fā)方和收方數(shù)據(jù)鏈路層分別有一個發(fā)送緩存和接收緩存，若進行全雙工通信，則在每一方都要同時設(shè)有發(fā)送緩存和接收緩存。緩存就是一個存儲空間，它是必不可少的。這是因為在通信線路上數(shù)據(jù)是以比特流形式串行傳輸?shù)模谟嬎銠C內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸則是以字節(jié)（或若干個字節(jié)）為單位并行傳輸?shù)摹?．具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議3．實用停止等待協(xié)議這就是說傳輸數(shù)據(jù)的信道不能保證使所傳的數(shù)據(jù)不產(chǎn)生差錯，并且還需要對數(shù)據(jù)的發(fā)送端進行流量控制。3.4.3連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理

用圖3-16所示的簡單例子來討論連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理，它的要點就是在發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀后，不是停下來等待確認幀，而是可以連續(xù)再發(fā)送若干個數(shù)據(jù)幀。如果這時收到了接收端發(fā)來的確認幀，那么還可以接著發(fā)送數(shù)據(jù)幀，由于減少了等待時間，整個通信的吞吐量就提高了。如圖3-16所示，結(jié)點A向結(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)幀，當(dāng)結(jié)點A發(fā)完0號幀后，不是停止等待，而是繼續(xù)發(fā)送后續(xù)的1號幀、2號幀等，A每發(fā)送完一幀就要為該幀設(shè)置超時計時器。由于連續(xù)發(fā)送了許多幀，所以確認幀必須要指明是對哪一幀進行確認。圖3-16中，ACKn表示對第（n-1）號幀的確認，這表示對發(fā)送方說，“我已正確收到了第（n-1）號幀，下一次我期望收到第n號幀”。1．HDLC協(xié)議概述計算機通信的早期人們就發(fā)現(xiàn)，對于經(jīng)常產(chǎn)生誤碼的實際鏈路，只要加上合適的控制規(guī)程，就可以使通信變?yōu)楸容^可靠。那時ARPANET和IBM公司分別使用了各自的控制規(guī)程，它們分別是IMP-IMP協(xié)議和BSC規(guī)程。這些規(guī)程都是數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。3.4.4面向比特的鏈路控制規(guī)程HDLC2．HDLC的幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送是以幀為單位。一個幀的結(jié)構(gòu)具有固定的格式，見圖3-17。從網(wǎng)絡(luò)層交下來的分組變成為數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)。這就是圖3-17中的信息字段，信息字段的長度沒有具體規(guī)定，數(shù)據(jù)鏈路層在信息字段的頭尾各加上24bit的控制信息，這樣就構(gòu)成了一個完整的幀。3.4.5點對點協(xié)議PPP

PPP主要由以下幾部分組成。封裝。網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP）。1．PPP的組成鏈路控制協(xié)議。2．PPP的幀格式3.5網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議3.5.1網(wǎng)絡(luò)層概述數(shù)據(jù)鏈路層研究和解決的問題是兩個相鄰的節(jié)點之間的通信問題。實現(xiàn)的任務(wù)是在兩個相鄰節(jié)點間透明的無差錯的幀級信息的傳送，數(shù)據(jù)鏈路層不能解決由多條鏈路組成的道路的數(shù)據(jù)傳輸問題。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)連接。為運輸層提供整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)兩個終端用戶之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。網(wǎng)絡(luò)層所研究和解決的問題如下。（1）為上一層提供服務(wù)。（2）路徑選擇又稱路由選擇。（3）流量控制。數(shù)據(jù)鏈路層的流量控制是針對數(shù)據(jù)鏈路相鄰節(jié)點進行的，網(wǎng)絡(luò)層的流量控制是對整個通信子網(wǎng)內(nèi)的流量進行控制，是對進入分組交換網(wǎng)的通信量進行控制。（4）連接的建立、保持和終止問題。3.5.2網(wǎng)絡(luò)層所提供的服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)層所提供的服務(wù)有兩個大類：面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和無連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。所謂連接是兩個對等實體為進行數(shù)據(jù)通信而進行的一種結(jié)合。面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在數(shù)據(jù)交換之前必須先建立連接，當(dāng)數(shù)據(jù)交換結(jié)束后斷開連接。無連接服務(wù)是兩個實體之間的通信，不需要先建立好一個連接，通信所需的資源無需事先預(yù)定保留，所需的資源是在數(shù)據(jù)傳輸時動態(tài)地進行分配的。3.5.3路徑選擇

1．路由算法的設(shè)計考慮2．靜態(tài)路由算法3．動態(tài)路由算法3.5.4流量控制與死鎖網(wǎng)絡(luò)層中的流量是指計算機網(wǎng)絡(luò)中的通信量。即計算機網(wǎng)絡(luò)中的報文流或分組流。網(wǎng)絡(luò)層流量控制的作用就是保證通信子網(wǎng)提供能使信息在節(jié)點之間暢通無阻，順利流通的通路。它的主要功能就是：（1）避免死鎖。（2）防止網(wǎng)絡(luò)過載而引起的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量下降和時延增加。（3）公平地在用戶之間分配資源。1．死鎖的產(chǎn)生及解決方法2．流量控制的實現(xiàn)①運輸級流量控制。②進網(wǎng)級流量控制。③入口出口級流量控制。④段級流量控制。3.5.5網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)范圍內(nèi)交換方式為線路交換和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換兩種。針對這兩種交換方式，CCITT制定了X.25建議和X.21建議。這兩個建議是為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的適用于線路交換方式協(xié)議和適用于存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式協(xié)議制訂的。X.21建議在物理層介紹過，這里不再重復(fù)。X.25建議是在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上，終端以分組形式進行操作的數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）之間接口標(biāo)準。以此接口構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)被稱為公用報文分組交換網(wǎng)。X.25建議包括：①DTE和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上鏈路控制級實體的同等協(xié)議。②DTE和DCE中的物理級實體之間的同等協(xié)議。③DTE和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上分組交換分組級實體之間的同等協(xié)議。X.25于1976年被CCITT采納成為國際標(biāo)準。X.25建議在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)上提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)有：①數(shù)據(jù)報；②永久虛電路；③轉(zhuǎn)接虛擬電路（也稱為虛呼叫）。3.6傳輸層協(xié)議從通信和信息處理角度看，運輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層。在通信子網(wǎng)中沒有運輸層，運輸層只存在于通信子網(wǎng)以外的主機中。嚴格地講兩個主機進行通信實際上就是兩個主機中的應(yīng)用進程互相通信。IP協(xié)議雖能把分組送到目的主機，但是這個分組還停留在主機的網(wǎng)絡(luò)層而沒有交付給主機的應(yīng)用進程。3.6.1傳輸層概述1．傳輸層的功能（1）彌補了各個通信子網(wǎng)提供服務(wù)的差異和不足。（2）復(fù)用是指當(dāng)通信子網(wǎng)提供的服務(wù)不能滿足高層要求時運輸層能把一個運輸連接復(fù)用到多個網(wǎng)絡(luò)連接上傳送，即向下多路復(fù)用（分流）。（3）提高服務(wù)質(zhì)量。（4）網(wǎng)絡(luò)層所傳送的分組的大小是有限的。2．運輸層與上下層的關(guān)系OSI使用了簡潔的象方法將運輸層與其上下層之間的關(guān)系歸納如圖3-23所示。3．端口的概念UDP和TCP都使用了與應(yīng)用層接口處的端口（port）與上層的應(yīng)用進程進行通信。應(yīng)用層各種進程是通過相應(yīng)的端口與運輸實體進行交互。因此，在運輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元首部中都要寫入源端口號和目的端口號。當(dāng)運輸層收到IP層交上來的數(shù)據(jù)就要根據(jù)其目的端口號來決定應(yīng)當(dāng)通過哪一個端口上交給目的應(yīng)用進程。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP，只在IP的數(shù)據(jù)報服務(wù)之上增加了很少一點功能。這就是端口的功能（有了端口，運輸層就能進行復(fù)用和分用）和差錯檢測的功能。雖然UDP用戶數(shù)據(jù)報只能提供不可靠的交付，但UDP在某些方面有其特殊的優(yōu)點。例如：(1)發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接，因此減少了開銷和發(fā)送數(shù)據(jù)之前的時延。(2)UDP用戶數(shù)據(jù)報只有8個字節(jié)的首部開銷，比TCP的20個字節(jié)的首部要短。3.6.2用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP(3)UDP不使用擁塞控制也不保證可靠交付，因此主機不需要維持具有許多參數(shù)的、復(fù)雜的連接狀態(tài)表。(4)由于UDP沒有擁塞控制。因此網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞不會使源主機的發(fā)送速率降低，這對某些實時應(yīng)用是很重要的。很多的實時應(yīng)用（如IP電話、實時視頻會議等）要求源主機以恒定速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并且允許在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時丟失一些數(shù)據(jù)，但卻不允許數(shù)據(jù)有太大的時延，UDP正好適合這種要求。3.6.3傳輸控制協(xié)議TCP

1．TCP概述TCP是TCP/IP體系中面向連接的運輸層協(xié)議，它提供全雙工和可靠交付的服務(wù)。TCP與UDP最大的區(qū)別就是：TCP是面向連接的，而UDP是無連接的。圖3-26是TCP發(fā)送報文段的過程示意圖，為了突出示意圖的要點，只畫出了一個方向的數(shù)據(jù)流，實際上，只要建立了TCP連接，就能支持同時雙向通信的數(shù)據(jù)流。2．TCP報文段的首部一個TCP報文段分為首部和數(shù)據(jù)兩部分，如圖3-27。TCP的全部功能都體現(xiàn)在它首部中各字段的作用，因此只有弄清TCP首部各字段的作用才能掌握TCP的工作原理。TCP報文段首部的前20個字節(jié)是固定的，后面有4N字節(jié)是根據(jù)需要而增加的選項（N必須是整數(shù)），因此TCP首部的最小長度是20字節(jié)。3.7會話層、表示層和應(yīng)用層會話層是建立在運輸層之上的。其基本功能就是向表示層提供建立和使用連接的方法。1．基本概念會話層服務(wù)就如同兩個人進行對話，考察兩個人之間的對話包括如下幾個方面：（1）會話協(xié)調(diào)：通過會話雙方的表情、手勢、語調(diào)等進行發(fā)言權(quán)交替等協(xié)調(diào)工作，使會話能夠順利進行。（2）會話方式：一般兩個人面對面的交談采用的是一人講另一個人聽的方式進行，這叫半雙工交互。3.7.1會話層（3）會話隔離：說話方要讓聽話方能分清所說不同內(nèi)容的界限，這就是會話隔離。（4）會話同步：會話雙方進展必須是一致的，如果一方說的話另一方?jīng)]有聽懂，或沒有聽清楚，聽話一方需要說話方重說一遍，這就是會話同步，否則會話就會出現(xiàn)混亂。2．會話層的特點（2）會話連接的釋放（3）會話層管理（1）會話連接到傳輸連接的映射3．會話層服務(wù)（1）交互管理。（2）隔離服務(wù)。（3）會話連接同步。（4）異常報告。3.7.2表示層

1．表示層為應(yīng)用層提供的服務(wù)（1）語法轉(zhuǎn)換。（2）語法選擇。（3）連接管理。2．抽象語法和傳送語法3．表示層的功能（1）表示連接的建立與釋放。（2）數(shù)據(jù)傳送。（3）語法變換。（4）語法協(xié)商。3.7.3應(yīng)用層1．應(yīng)用層的作用2．應(yīng)用層的客戶一服務(wù)器方式

習(xí)題一．填空題1．體系結(jié)構(gòu)是研究()及()的技術(shù)科學(xué)。2．協(xié)議是用來描述()之間()的一個術(shù)語。3．一般來說，協(xié)議由()、()和()3部分組成。4．整個網(wǎng)絡(luò)