第3章 计算机网络体系结构及协议

1第3章计算机网络体系结构及协议3.1OSI参考模型3.2物理层与物理接口协议3.3数据链路层3.4网络层3.5传输层3.6高层协议3.7网络互连3.8现场总线的网络通信模型2第3章计算机网络体系结构及协议协议是为了进行网络数据交换而建立的规则、约定或标准。包括语法、语义和时序三个要素。语义，需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应。语法，是用户数据与控制信息的结构和格式。时序，对事件实现顺序的详细说明。3体系结构是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合，也就是计算机网络及其部件所应完成的功能的定义和抽象。早期典型的体系结构是IBM于1974年提出的——SNA（系统网络结构），网络体系结构一般都采用了层次结构的模型。采用分层结构的优点在于：1）各层之间保持独立。2）灵活性好。3）利于协议的标准化。4国际标准化组织ISO于1977年成立了专门的机构来研究网络体系机构和网络协议的国际标准化问题。不久，ISO就提出了开放系统互连参考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel）。1984年，ISO与IEC联合成立的技术委员会ISO/IECJTC及原国际电报电话咨询委员会CCITT发布了开放系统互连参考模型的国际标准ISO/IEC7498，又称X.200建议。这一标准定义了网络互连的七层框架，ISO开放系统互连模型实现了系统间的互连性（interconnection）、互操作性（interoperation）和可移植性（portability）。53.1OSI参考模型网络开放系统或开放系统互连模型是一个抽象的概念，在OSI参考模型中，采用了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象。OSI体系结构也就是OSI参考模型OSI服务定义了每一层提供的服务，层间的服务通过定义好的层间抽象接口完成。OSI协议规范说明控制信息的内容。OSI参考模型OSI服务定义OSI协议规范63.1.1模型层次划分的原则层次划分原则：既不能太多，也不能太少，层次太多会造成整个系统结构的繁冗，层次太少又会使不同的功能集中在一个层内，不便于层次的描述，造成层次不清。在层次划分中，还具有下列特点：网络各结点都有相同的层次，相同层次具有同样的功能；同一结点内相邻层次间通过接口通信；每一层使用下层提供的服务，并向上层提供服务；不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。73.1.2OSI参考模型的结构ISO’sOSIRM的七层依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。层次越靠上，其与信息处理的关系越密切，层次越靠下，其与通信的关系越密切。资源子网的结点（端结点）具有七层的全部功能，通信子网中结点（交换结点）可以简化为只有下面的三层。同层次间“透明”通信。数据包在不同的层次中名称也不相同，物理层数据单元是比特；数据链路层的数据单元称为帧；网络层的数据单元称为数据报文分组；传输层的数据单元称为报文；会话层、表示层、应用层的数据都统称为数据包。8应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层层次端系统A7123456应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层端系统B网络层链路层物理层网络层链路层物理层端节点端节点交换节点交换节点通信子网物理层协议网络层协议数据链路层协议传输层协议应用层协议表示层协议会话层协议传输介质传输介质传输介质976541237654123APAAPB传输介质AP数据AP数据数据单元数据单元数据单元数据单元数据单元比特流帧分组报文103.1.3OSI参考模型中的基本概念任何一层都可称为（N）层，意为“第N层”，与其相邻的上层和下层分别称为（N+1）层和（N-1）层，在一些概念如（N+1）协议、（N）实体、（N-1）服务中也都沿用了这种叫法。实体是指任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程，每一层都可以包含多个实体，不同开放系统中对等层相交互的实体成为对等实体。不同系统对等实体之间没有直接通信的能力，要通过下邻对等实体的通信来完成，（N）层中能被上（N+1）层直接使用的功能称为（N）服务，接受（N）服务的相邻上一层实体称为（N）用户。11两个对等（N）实体通信规则的集合称为（N）协议，（N+1）层可以看到（N）服务，却看不到（N）协议。同一系统中（N）实体向（N+1）实体提供服务时两层的实体进行交互的地方，通常称为（N）服务访问点。一个（N+1）实体可以连接到一个或多个（N）服务访问点上，这些（N）服务访问点又可连接到一个或多个（N）实体上。在上层实体通过服务访问点使用下层服务时与下层交换的命令称为服务原语。OSI规定了每一层均可使用的服务原语有四类：12请求：由（N+1）层即服务接受者发往（N）层的一个服务原语，请求（N）层即服务提供者提供指定的服务，如请求建立连接、请求数据传送等。指示：由（N）层发往（N+1）层的服务原语，指（N）实体发生了某些事件，如接受到一个远地对等实体发来的数据。响应：由（N+1）层发往（N）层的服务原语，用来作为对于服务提供者指示的应答。证实：由（N）层发往（N+1）层的服务原语，表示该（N+1）实体所请求的服务已经完成，予以确认。13服务的过程分为有证实的和无证实的证实第N＋1层第N＋1层第N层第N层PDU系统A系统B请求响应指示第N＋1层第N＋1层第N层第N层PDU系统A系统B请求指示143.1.4OSI参考模型各层功能的划分1）物理层物理层并不是物理媒体本身，它是开放系统利用物理传输介质实现物理连接的功能描述和执行连接的规程。物理层提供用于建立、保持、和断开物理连接的机械的、电气的、功能的和规程的条件。简而言之，物理层为数据链络层提供物理连接，透明地传送比特流。152）数据链路层数据链路是在物理层提供的比特流传输服务的基础上，在通信的实体间建立起来的具有自己数据格式和传输控制功能的节点─节点间的逻辑连接。为了检测传输差错及增加传输控制功能，数据链路层把比特流组成帧，并规定了差错控制、流量控制方法以及如何建立链路和拆除链路等。数据链路层使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。163）网络层也称通信子网层，用于控制通信子网，为进入通信子网的报文分组提供逻辑信道，控制子网有效地运行。网络层通过执行路选算法和网络流量控制，为报文分组通过通信子网选择最合适的路径，解决路径选择、拥挤控制和网络互连。4）传输层又称端─端层，用于向用户提供可靠的端到端（endtoend）服务，透明地传送报文。在传输层，弥补了各种通信网络的质量差异，对经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢复，进一步提高可靠性。175）会话层又称会晤层，它为应用实体建立、维持、终结会话关系，按照应用进程之间的约定，进行各种形式的对话。在这一层中，为了实现接收处理和发送处理的逐次交替变换，需要交替改变发信端的传输控制，设置某一时刻只有一端发送数据。另外，会话层还在传送数据的过程中给数据打上标记。出现意外时，可以由打标记处重发。186）表示层表示层用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。表示层可以改变应用层信息内容的形式，但不改变其内容本身。7）应用层应用层确立进程之间通信的性质，提供应用进程所需的信息交换和远程操作；作为应用进程的用户代理，完成一些为进行信息交换所必需的功能。193.2物理层与物理接口协议3.2.1物理层概述1）物理层定义设立物理层的目的是实现两个网络物理设备之间的透明二进制比特流的传输，对链路层以上屏蔽传输介质的特性。是与有关物理设备以及传输介质连接的描述与规定。物理层涉及具体物理设备、传输介质，通信手段复杂；不便采用OSI的术语加以描述，而是描述出DTE与DCE接口的一些特性。202）DTE与DCE数据终端设备DTE，指具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据能力的设备；数据电路端接设备DCE，提供信号交换和编码功能，负责建立、维护和释放物理连接，Modem就是典型的DCE。DTEDTEDCEDCE传输线路数据线路213）物理接口协议DTE与DCE接口的一些特性。包括：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。因此，目前所说的物理层协议实际上是物理接口协议，也就是DTE与DCE之间的一组约定。223.2.2物理接口的四个特性1）机械特性物理接口的机械特性规定了DTE/DCE接口界面的物理结构，DTE、DCE通常采用接插件组成的连接器相连，机械特性详细规定了插头和插座的形状和尺寸，插针或插孔的数目及其排列，固定或锁定装置等。2）电气特性物理接口的电气特性规定了在物理连接传输二进制比特流时线路上信号电平高低，驱动器与接收器的阻抗及阻抗匹配、传输速率与接口线距离限制。23非平衡方式，发送器和接收器是单端输出、输入的，收发两端共用一根信号地线，当两端的逻辑地之间存在电位差时，容易造成接收误差。驱动电路接收电路信号线信号地线24差动接收的非平衡方式，发送器仍采用非平衡方式，接收器采用差动输入方式，减小了逻辑地电位差及外界干扰信号的影响。驱动电路接收电路信号线DTE公共回路25平衡方式，发送器、接收器均采用差动方式，两者用对称平衡电缆连接，进一步减小了逻辑地电位差及外界干扰信号的影响。驱动电路接收电路信号线对263）信号的功能特性物理接口的功能特性规定了DTE/DCE间各条接口信号线的功能分配和确切定义，信号线按功能一般分为：数据线、控制线、定时线和地线等几类。在完成规程特性的前提下，尽可能地减少接口线。4）规程特性定义了利用信号线进行了二进制比特流传输的一组操作过程，也就是在建立、维持物理连接、交换信息及连接释放时DTE/DCE接口信号线的工作规则和动作时序。273.2.3常用的物理接口标准1）EIARS—232C标准接口RS-232是美国电子工业协会EIA1962年制定的物理接口标准，RS是“推荐标准”的英文缩写。后来，虽有改动，但改动不大，一般统称为RS-232标准。28图3-2RS-232的D型连接器1131425（1）机械特性RS-232标准中共有25条线，接口的两端采用DB25的插头和插座连接，规定在DTE一方使用插头，DCE一方使用插座。25根线并没有全部定义，定义的信号线在一些连接中又可以简化，实际中也常采用DB-9的插头和插座。29（2）电气特性RS-232采用非平衡驱动、非平衡接收的电路连接方式，即每个信号用一根导线，所有的信号回路共用一根地线。负逻辑电平工作。30（2）电气特性RS-232出现在TTL电路之前，所以它的电平不是+5V和地，它使用负逻辑。输入：逻辑“0”用3~15V的电平表示，逻辑“1”用-3~-15V的电平表示；输出：逻辑“0”驱动器输出5~15V逻辑“1”驱动器输出-5~-15V驱动器的输出阻抗小于300欧姆。DTE与DCE之间连接电缆最长15米，传输速度最大不超过20Kbps。31（3）功能特性RS-232的功能特性中定义了20条线的功能，包括数据线（4根）、控制线（11根）、定时线（3根）和信号地线（2根），20条线中常用的有9条。3233引脚信号名称缩写方向功能说明3发送数据TXD→DCE终端发送串行数据2接收数据RXD→DTE终端接收串行数据7请求发送RTS→DCEDTE请求DCE切换到发送状态8清除发送CTS→DTEDCE已经切换到发送状态6数据设备就绪DSR→DTEDCE已经准备好接收数据5信号地线GND信号地线1载波检测DCD→DTEDCE已检测到远程载波4数据终端就绪DTR→DCEDTE已准备好，可以接收9振铃指示RI→DTEDCE通知DTE线路已接通（4）规程特性35（5）DTE与DTE的直接连接在实际通信应用中，如果双方距离小于15米，DTE之间也可以不通过DCE直接通信，这种连接也叫做空调制解调器。3637更简化的连接方法。382.2EIA-232-D的接口标准（6）接口电平转换及其集成器件RS-232C所采用的单端电气接口，其电源电压