网络技术第三章.docx
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网络技术第三章
第3章计算机网络体系结构
本章学习目标
3.1网络体系结构概述
3.2物理层
3.3数据链路层
3.4网络层
3.5传输层
3.6高层
3.7思考题
本章学习目标
本章主要介绍计算机网络体系结构。
通过本章的学习，读者应能够：
了解开放系统互联参考模型中的若干重要概念
熟悉和掌握OSI/RM各层协议的功能及基本原理
3.7思考题
1．网络中分层体系结构模型的含义是什么？
2．说明协议和服务的区别及联系。
3．根据控制字段的不同，HDLC数据帧可分为几类？
各类帧的作用是什么？
4．比较虚电路服务与数据报服务的异同。
5．流量控制与路由选择有何异同？
6．简述防止拥塞的几种方法。
7．简述计算机通信中异步传输和同步传输的区别。
3.1网络体系结构概述
计算机网络的体系结构（Architecture）是指这个计算机网络及其部件所应完成功能的一组抽象定义，是描述计算机网络通信方法的抽象模型结构，一般是指计算机网络的各层及其协议的集合。
1．OSI基本参考模型
2．OSI层次结构模型中的数据流动过程
1．OSI基本参考模型
1977年3月，国际标准化组织ISO的技术委员会TC97成立了一个新的技术分委会SC16专门研究“开放系统互联”，并于1983年提出了开放系统互联参考模型，即著名的ISO7498国际标准（我国相应的国家标准是GB9387），记为OSI/RM。
1．OSI基本参考模型
在OSI中采用了三级抽象：
参考模型（即体系结构）、服务定义和协议规范（即协议规格说明），自上而下逐步求精。
1．OSI基本参考模型
2．OSI层次结构模型中
的数据流动过程
OSI层次结构模型中数据的实际传送过程如图3-2所示。
图中发送进程送给接收进程的数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体；通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。
2．OSI层次结构模型中
的数据流动过程
3.2物理层
3.2.1物理层的功能
3.2.2DTE和DCE
3.2.3物理层接口标准
3.2.1物理层的功能
物理层协议是各种网络设备进行互联时的最低层协议。
它的目的是在两个网络物理设备之间提供透明的二进制位流传输，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。
需要注意的是，物理层并不是指连接计算机的具体物理设备或传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等。
3.2.2DTE和DCE
DTE（DataTerminalEquipment，数据终端设备），是具有一定数据处理能力及发送和接收数据能力的设备。
DTE可以是一台计算机或终端，也可以是各种I/O设备。
大多数数据处理终端设备的数据传输能力有限，如果将相距很远的两个DTE设备直接连接起来，往往不能进行通信，必须在DTE和传输线路之间加上一个称为数据电路端接设备（DCE，DataCircuit-terminatingEquipment）的中间设备。
3.2.2DTE和DCE
DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。
典型的DCE是与模拟电话线路相连接的调制解调器。
如图3-1所示为DTE通过DCE相连的典型情况。
3.2.2DTE和DCE
图3-1DTE通过DCE与通信传输线路相连
3.2.3物理层接口标准
1．EIA-232-E/V.24接口标准
EIA-232-E是美国电子工业协会制定的著名的DTE和DCE之间的物理层接口标准，它的前身是1969年EIA制定的RS-232-C标准接口。
1987年1月，RS-232-C经修改后，正式改名为EIA-232-D，1991又修订为EIA-232-E。
EIA-232-E接口标准的数据传输速率最高为20kbps，连接电缆的最大长度不超过15m。
3.2.3物理层接口标准
物理层标准EIA-232-E的一些主要特点。
（1）机械特性。
EIA-232-E遵循ISO2110关于插头座的标准，使用25根引脚的DB-25插头座。
3.2.3物理层接口标准
（2）电气特性。
EIA-232-E与CCITT的V.28建议书一致，采用负逻辑，此时逻辑0相当于对信号地线有+5～+15V的电压，而逻辑1相当于对信号地线有-5～-15V的电压。
逻辑“0”相当于数据“0”（空号）或控制线的“接通”状态；逻辑“1”相当于数据“1”（传号）或控制线的“断开”状态。
当连接电缆线的长度不超过15m时，允许数据传输速率不超过20kbps。
3.2.3物理层接口标准
（3）功能特性。
EIA-232-E的功能特性与CCITT的V.24建议书一致。
它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚信号线的作用。
3.2.3物理层接口标准
（4）规程特性。
EIA-232-E的规程特性主要规定了控制信号在不同情况下有效（接通状态）和无效（断开状态）的顺序和相互的关系。
3.2.3物理层接口标准
2．EIARS-449接口标准
由于EIA-232-E标准信号电平过高、采用非平衡发送和接收方式，所以存在传输速率低、传输距离短、串扰信号较大等缺点。
1977年底，EIA颁布了一个新标准RS-449，这些标准在保持与EIA-232-E兼容的前提下重新定义了信号电平，并改进了电路方式，以达到较高的传输速率和较大的传输距离。
3.3数据链路层
3.3.1数据链路层的功能
3.3.2差错控制
3.3.3流量控制
3.3.4高级数据链路控制HDLC
3.3.1数据链路层的功能
数据链路层的主要作用是：
通过一些数据链路层协议和链路控制规程，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。
“线路”、“链路”和“数据链路”是不同的概念。
线路中间没有任何交换节点，而链路是一条无源的端到端的物理线路段，在进行数据通信时，两台计算机之间的通信链路往往是由许多线路串接而成。
把实现控制数据传输的一些规程的硬件和软件加到链路上就构成了像数据管道一样的数据链路。
3.3.2差错控制
在数据链路层，差错控制主要指错误检测和重传方法。
传送帧时可能出现的差错有：
位出错，帧丢失，帧重复，帧顺序错。
位出错的分布规律及出错位的数量很难限制在预定的简单模式中，一般采用漏检率及其微小的CRC检错码再加上反馈重传的方法来解决。
通常采用反馈检测和自动重发请求（ARQ）两种基本方法来实现。
1．反馈检测法
2．自动重发请求法（ARQ法）
1．反馈检测法
反馈检测法也称回送校检法或“回声”法，主要用于面向字符的异步传输中，如终端与远程计算机间的通信。
这是一种无须使用任何特殊代码的差错检测法。
双方进行数据传输时，接收方将接收到的数据（可以是一个字符，也可以是一帧）重新发回发送方，由发送方检查是否与原始数据完全相符。
若不相符，则发送方发送一个控制字符（如DEL）通知接收方删去出错的数据，并重新发送该数据；若相符，则发送下一个数据。
2．自动重发请求法（ARQ法）
实用的差错控制方法应该是既要求传输可靠性高，又要求信道利用率高。
为此可使发送方将要发送的数据帧附加一定的冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据帧进行差错检测，若发现错误，就返回请求重发的应答，发送方收到请求重发的应答后，便重新传送该数据帧。
这种差错控制方法就称为自动重发请求法，简称ARQ法。
ARQ法有几种实现方案，停止等待协议和连续ARQ协议是其中最基本的两种方案。
（1）停止等待协议
该方案规定发送方每发送一帧后就要停下来等待接收方的确认返回，仅当接收方确认已正确接收后，发送方再继续发送下一帧。
当发生帧出错或帧丢失时，接收方不会向发送方发送任何确认帧。
为防止发送方无限等待接收方的确认帧，该协议设置了计时器，若到了计时器所设置的重传时间时还未收到接收方的确认帧，发送方就重传前面所发送的这一数据帧。
同时采用对发送的帧编号的方法，即赋予每帧一个序号，从而使接收方能从该序号来区分是新发送来的帧还是已经接收但又重发来的帧。
（1）停止等待协议
停止等待协议方案的实现过程如下：
①发送方每次仅将当前信息帧作为待确认帧保留在缓冲存储器中；
②当发送方开始发送信息帧时，随即启动计时器；
③当接收方收到无差错信息帧后，即向发送方返回一个确认帧；
④当接收方检测到一个含有差错的信息帧时，便舍弃该帧；
⑤若发送方在规定时间内收到确认帧，即将计时器清零，继而开始下一帧的发送；
⑥若发送方在规定时间内未收到确认帧（即计时器超时），则应重发存于缓冲器中的待确认信息帧。
（2）连续ARQ协议
连续ARQ协议方案是指发送方可以连续发送一系列信息帧，即不用等前一帧被确认便可发送下一帧。
这就需要在发送方设置一个较大的缓冲存储空间（称做重发表），用以存放若干待确认的信息帧。
当发送方收到对某信息帧的确认帧后便可从重发表中将该信息帧删除。
所以，连续ARQ方案的链路传输效率大大提高，但相应地需要更大的缓冲存储空间。
（2）连续ARQ协议
连续ARQ方案的实现过程描述如下：
①发送方连续发送信息帧而不必等待确认帧的返回；
②发送方在重发表中保存所发送的每个帧的备份；
③重发表按先进先出（FIFO）队列规则操作；
④接收方对每一个正确收到的信息帧返回一个确认帧；
⑤每一个确认帧包含一个惟一的序号，随相应的确认帧返回；
⑥接收方保存一个接收次序表，它包含最后正确收到的信息帧的序号；
⑦当发送方收到相应信息帧的确认后，从重发表中删除该信息帧的备份；
⑧当发送方检测出失序的确认帧后，便重发未被确认的信息帧。
（2）连续ARQ协议
上面连续ARQ过程是假定在不发生传输差错的情况下描述的，如果差错出现，如何进一步处理还可以有两种策略，即GO-DACK-N策略和选择重发策略。
3.3.3流量控制
1．停止—等待协议
2．滑动窗口协议
1．停止—等待协议
为了使收方的接收缓冲区在任何情况下都不会溢出，最简单的方法是发方从主机每取一个数据块，就将其送到数据链路层的发送缓冲区中发送出去，然后等待；收方收到数据帧后，将其放入数据链路层的接收缓冲区并交付给主机，同时回应一信息给发送节点，表示数据帧已经上交给主机，接收任务已经完成；发方收到由接收站点发过来的双方事先商定好的信息，则从主机取下一个新的数据帧再发送。
这就是最简单最基本的停止—等待协议。
2．滑动窗口协议
在发送端和接收端分别设定所谓的发送窗口和接收窗口。
发送窗口用来对发送端进行流量控制，而发送窗口的大小WS就代表了在还没有收到对方确认的条件下发送端最多可以发送的数据帧数。
发送窗口的概念最好用图形来说明，设发送序号用3个bit来编码，从0号至7号。
在未收到对方确认信息的情况下，允许发送端最多发出5个数据帧，此时发送窗口大小WS=5。
2．滑动窗口协议
2．滑动窗口协议
图3-7（a）画出了刚开始发送时的情况。
这时，在扇形的发送窗口内共有5个序号，从0号到4号，具有这些序号的数据帧就是发送端现在可以发送的帧。
若发送端发完了这5个帧仍未收到确认信息，由于发送窗口已填满，就必须停止发送而进入等待状态。
当0号帧的确认信息ACK收到后，发送窗口就沿顺时针方向旋转1个号，使窗口后沿再次与一个未被确认的帧号相邻（如图3-7（b）所示）。
2．滑动窗口协议
由于这时5号帧的位置已经落入发送窗口之内，因此，发送端现在就可以发送这个5号帧。
设以后又有1至3号帧的确认帧到达发送端，于是发送窗口再沿顺时针方向向前旋转3个号（如图3-7（c）所示），相应地发送端可以继续发送的数据帧的发送序号是6号、7号和0号。
3.3.4高级数据链路控制HDLC
HDLC的全称是高级数据链路控制协议（HighlevelDataLinkControl），HDLC是面向比特的传送协议，采用“0”插入技术实现数据的透明传送，它使用滑动窗口，可以全双工传送。
HDLC用统一结构的帧进行同步传送，所有的数据链路层的传输都是以帧为单位进行的，而所有的数据和控制信息的交换也都采用帧的格式。
HDLC的帧格式如表3-2所示。
3.4网络层
3.4.1网络层的功能
3.4.2虚电路服务与数据报服务
3.4.3路由选择算法
3.4.4拥塞控制技术
3.4.1网络层的功能
网络层的任务是分组传送、路由选择和流量控制，最主要的功能是实现端到端通信系统中中间节点的路由选择。
从OSI/RM的通信角度来看，网络层所提供的服务主要有两大类，即面向连接的网络服务和无连接的网络服务。
这两种网络服务的具体实现就是所谓的虚电路服务和数据报服务。
1．面向连接服务
2．无连接服务
1．面向连接服务
连接是指两个对等实体之间为进行数据通信而进行的一种结合。
面向连接服务就是在数据交换之前，必须先建立连接，当数据交换结束后，则应该终止这个连接。
通常面向连接服务是一种可靠的报文序列服务，在建立连接之后，每个用户都可以发送可变长度的报文，这些报文按顺序发送给远端的用户，报文的接收也是按顺序的。
有时用户可以发送一个很短（1～2字节长）的报文，但希望这个报文可以不按序号而优先发送，这就是“加速数据”，它常用来传送中断控制命令。
1．面向连接服务
由于面向连接服务和线路交换的许多特性相似，因此面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。
“虚”表示：
在两个服务用户的通信过程中虽然没有自始至终都占用一条端到端的完整物理电路，但却好像占用了一条这样的电路。
面向连接服务比较适合于在一定期间内要向同一目的地连续发送许多报文的情况。
若两个用户经常进行频繁通信，则可建立永久虚电路，这样可免除每次通信时连接建立和连接释放这两个过程。
2．无连接服务
在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留，这些资源是在数据传输时动态地进行分配的。
无连接服务不需要通信的两个实体同时处于激活状态，当发送端的实体正在进行发送时，它必须是激活的，但这时接收端的实体并不一定要激活，只有当接收端的实体正在进行接收时，它才必须是激活的。
无连接服务的优点是灵活方便和比较迅速，但无连接服务不能防止报文的丢失、重复或失序。
采用无连接服务时由于每个报文都必须提供完整的目的站地址，因此其开销也较大。
2．无连接服务
无连接服务大致有以下三种类型：
（1）数据报（Datagram）：
特点是发完了就算，而不需要接收端做任何响应。
（2）证实交付（ConfirmedDelivery）：
是一种可靠的数据报服务。
（3）请求回答（RequestReply）：
这种类型的数据报服务是收端用户每收到一个报文，就向发端用户发送一个应答报文。
3.4.2虚电路服务与数据报服务
虚电路与存储转发这一概念相联系。
当我们在采用线路交换的电话网上打电话时，在通话期间，我们自始至终地占用一条端到端的物理线路。
但我们占用一条虚电路进行计算机通信时，由于采用的是存储转发分组交换，所以只是断续地占用一段又一段的链路，感觉好像是占用了一条端到端的物理线路。
使用虚电路服务，对网络用户来说，在呼叫建立后，整个网络就好像有两条连接两个网络用户的数字管道，所有发送到网络中的分组，都按发送的先后顺序进入管道，然后按“先进先出”的原则沿着管道传送到目的站主机。
在全双工通信中，每一条管道只沿一个方向传送分组，这些分组在到达目的站时的顺序与发送时的顺序一样。
3.4.2虚电路服务与数据报服务
数据报服务则不同，由于数据报服务没有建立虚电路的过程，而每一个发出的分组都携带了完整的目的站的地址信息，因而每一个分组都可以独立地选择路由。
在此情况下，没有呼叫建立过程，对于网络用户来说，整个网络好像有许多条不确定的数字管道，所发送出去的每一个分组都可独立地选择一条管道来传送。
这样，先发送出去的分组不一定先到达目的站主机。
因此，数据报不能保证按发送顺序交付目的站。
由于通常的数据传送都要求按发送顺序交付给目的站主机，所以在目的站必须采取一定的措施。
例如，在目的站节点开辟缓冲区，把收到的分组缓存一下，等到可以按顺序交付主机时再进行交付。
3.4.2虚电路服务与数据报服务
3.4.3路由选择算法
通信子网为网络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。
网络节点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择。
在数据报方式中，网络节点要为每个分组路由做出选择；而在虚电路方式中，只需在连接建立时确定路由。
确定路由选择的策略称为路由算法。
1．静态路由选择策略
2．动态路由选择策略
1．静态路由选择策略
静态路由选择策略不用测量也不需利用网络信息，这种策略按某种固定规则进行路由选择，其中还可分为洪泛路由选择、固定路由选择和随机路由选择三种算法。
（1）洪泛路由选择法
（2）固定路由选择
（3）随机路由选择
2．动态路由选择策略
节点的路由选择要依靠网络当前的状态信息来决定的策略，称为动态路由选择策略。
这种策略能较好地适应网络流量、拓扑结构的变化，有利于改善网络的性能。
但由于算法复杂，会增加网络的负担。
有三种动态路由选择策略的具体算法：
独立路由选择、集中式路由选择和分布式路由选择。
3.4.4拥塞控制技术
拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。
这种现象跟公路网中常见的交通拥挤一样，当节假日公路网中车辆大量增加时，各种走向的车流相互干扰，使每辆车到达目的地的时间都相对增加（即延迟增加），甚至有时在某段公路上车辆因堵塞而无法开动（即发生局部死锁）。
3.4.4拥塞控制技术
网络的吞吐量与通信子网负荷有着密切的关系。
当通信子网负荷比较小时，网络的吞吐量随网络负荷的增加而线性增加。
当网络负荷增加到某一值后，若网络吞吐量反而下降，则表明网络中出现了拥塞现象。
在一个出现拥塞现象的网络中，到达某个节点的分组将会遇到无缓冲区可用的情况，从而使这些分组不得不由前一节点重传，或者需要由源节点或源端系统重传，从而使通信子网的有效吞吐量下降。
由此引起恶性循环，使通信子网的局部甚至全部处于死锁状态，最终导致网络有效吞吐量接近为零。
3.5传输层
3.5.1传输层的功能
3.5.2传输协议的分类
3.5.3传输层协议的要素
3.5.1传输层的功能
传输层的作用是从端到端经网络透明地传送报文，完成端到端通信链路的建立、维护和管理。
传输层向高层用户屏蔽了下面通信子网的细节，使高层用户看不见实现通信功能的物理链路是什么，看不见数据链路采用什么控制规程，也看不见下面到底有几个子网以及这些子网是怎样互连起来的。
传输层让高层用户看见的就好像是在两个传输层实体之间有一条端到端的可靠通信通路。
3.5.1传输层的功能
传输层协议与数据链路层协议相比较，其主要区别为：
数据链路层的环境是两个分组交换节点PSN直接通过一条物理信道进行通信，而传输层的环境则是两个主机以整个子网为通信信道进行通信。
这样就使传输层的环境比数据链路层的环境复杂得多，因而其流量控制也较为复杂。
3.5.2传输协议的分类
网络的服务质量大致有三种类型：
A型：
网络连接具有可接受的低差错率和可接受的低故障通知率。
A型网络服务是一个完善的、理想的、可靠的网络服务。
然而实际的网络很少达到这个水平。
B型：
网络连接具有可接受的低差错率和不可接受的高故障通知率。
多数X.25公用分组交换网络提供的是B型网络服务。
C型：
网络连接对传输层服务用户来说具有不可接受的高差错率。
大多数无线分组网属于这种类型。
3.5.2传输协议的分类
为了能够在各种不同的网络上进行不同类型的数据传送，ISO定义了5类传输协议，即第0～4类传输协议，它们都是面向连接的。
⏹第0类传输协议
⏹第1类传输协议
⏹第2类传输协议
⏹第3类传输协议
⏹第4类传输协议
第0类传输协议
第0类传输协议最简单，它的功能就是建立一个简单的端到端的传输连接，并可以在数据传送阶段将长数据报文分段传送，没有差错恢复功能，也没有将多条传输连接复用到一条网络连接上的能力，主要是面向A型网络服务。
第1类传输协议
第1类传输协议也较简单，只是增加了基本的差错恢复功能，主要是面向B型网络服务。
第2类传输协议
第2类传输协议具有连接复用功能，但没有对网络连接出现故障的恢复功能，这类协议还具有相应的流量控制功能，主要是面向A型网络服务。
第3类传输协议
第3类传输协议包含了第1类和第2类传输协议的功能，既有差错恢复又有复用功能，主要是面向B型网络服务。
第4类传输协议
第4类传输协议是最复杂的，功能较齐全，具有差错检测、控制、恢复以及复用等功能，可以在质量较差的网络上保证高可靠的数据传输，主要是面向C型网络服务。
3.5.3传输层协议的要素
传输层协议的实现取决于它赖以运行的网络环境以及它提供的服务类型。
下面假定传输层必须满足不可靠的网络服务，传输层协议必须要解决如下5个问题：
1．寻址
2．建立连接、数据传送和连接拆除
3．流量控制
4．多路复用
5．崩溃恢复
3.6高层
3.6.1会话层
3.6.2表示层
3.6.3应用层
3.6.1会话层
会话层的任务主要是在传输连接的基础上提供增值服务，对端用户之间的对话进行协调和管理。
所谓一次会话，就是两个用户进程之间为完成一次完整的通信而建立会话连接。
应用进程之间为完成某项处理任务而需进行一系列内容相关的信息交换，会话层就是为有序地、方便地控制这种信息交换提供控制机制。
3.6.1会话层
会话层完成的主要功能有：
1．会话连接到传输连接的映射
2．数据传送
3．同步
4．活动管理
3.6.2表示层
表示层向应用提供资料的表示，要解决不同系统的数据表示问题，解释所交换数据的意义，进行正文压缩及各种变换，如代码转换、格式变换等，以便用户使用，使采用不同表示方法的各开放系统之间能相互通信。
此外，利用密码对正文进行加密、解密也是该层的任务。
3.6.3应用层
应用层是OSI的最高层，也是用户访问网络的接口层，是直接面向用户的。
在OSI环境下，为用户提供各种网络服务。
例如电子邮件、文件传输、虚拟终端、远程登录等。
应用层包含了若干独立的、用户通用的服务模型，其主要目的是为用户提供一个窗口，用户通过这个窗口互相交换信息。
4.1TCP/IP协议概述
TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，传输控制协议/互联网协议）是Internet的基本协议。
TCP/IP于20世纪70年代开始被研究和开发，经过不断的应用和发展，目前已被广泛用于各种网络中TCP/IP是个协议族，是由一系列支持网络通信的协议组成的集合。
4.1.1TCP/IP模型
4.1.2TCP/IP与OSI参考模型的比较
4.1.1TCP/IP模型
TCP/IP模型由四个层次组成。
其各层的功能如下：
1．网络接口层
2．网际层
3．传输层
4．应用层
1．网络接口层
网络接口层又称数据链路层，处于网际层之下，负责接收IP数据报，并把数据报通过选定的网络发送出去，或者从网络口接收物理帧，装配成IP数据报上交给网际层。
该层包含操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。
它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。
目前基于以太网技术的局域网使用最普遍。
2．网际层
网际层又称IP层，主要处理机器之间的通信问题。
该层行使寻址、数据的封
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