第2章 计算机网络体系结构

第2章计算机网络体系结构1．网络体系结构计算机网络系统是一个十分复杂的系统，将其分解为若干个容易处理的层次，然后“分而治之”，这种结构化的设计方法是工程设计中常见的手段。在计算机网络中，结构复杂的网络协议就是按照层次结构模型来组织的。网络体系结构(computernetworkarchitecture)：将计算机网络各层次及其协议的集合定义为网络体系结构，它精确定义了计算机网络所应该实现的功能。2.网络协议计算机网络是由许多互连的结点组成的，各个结点之间需要不断地进行信息传输。为了正确而有序地交换数据，网络中的每个结点都必须遵守一些事先约定好的规则。协议（protocol）就是一组控制数据通信的规则。这些规则明确规定了所交换的数据格式和时序。网络协议:这些为进行网络数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议。网络协议包括以下3个要素。①语法(Syntax)：包括数据格式、编码和信号电平等。②语义(semantics):包括用于协调和差错处理的控制信息。③定时(timing）：用于对事件实现顺序的详细说明。3网络体系结构计算机网络中采用层次结构，有以下好处。①各层之间相互独立。每一层只实现一种相对独立的功能，层与层之间通过层间接口提供和获取服务。②灵活性好。只要层间接口关系没有发生变化，那么某一层内实现技术等因素的改变就不会影响其他各层。③易于实现与维护。这种结构使整个系统可以被分成若干相对独立的子系统，便于分别实现与维护。④有利于促进标准化。2．1。计算机网络体系结构早在20世纪60年代，计算机系统设计者就已提出了计算机系统结构的概念。体系结构一词来源于英文Architecture，原意是指建筑风格和建筑设计。计算机体系结构指的是从整个计算机系统的角度来研究计算机的结构特征。这个术语被计算机网络工作者所采用，提出了计算机网络体系结构的概念。计算机网络体系结构的出现，迅速推动了计算机网络的发展。特别是在ARPANet建成以后，世界上许多计算机大公司都先后推出了自己的计算机网络体系结构，如IBM公司的系统网络结构SNA、DEC公司的分布式网络结构DNA等。当前，使用最广泛的网络体系结构是Internet体系结构及其TCP/IP协议。2．1．1．研究制定计算机网络体系结构的科学方法在初期的自由竞争中，计算机网络体系结构在短时间内得到了迅速发展，但是伴随着计算机网络形式的多样化、复杂性，也出现了许多问题。例如，用户的资源和数据存储在采用不同操作系统的主机中，这些主机分布在网络的不同地方，需要在不同的传输媒体上实现采用不同操作系统的主机之间的通信；如何解决异种机和异种网络互连问题；特别是系统的互连成为一个大问题。这些问题引起了国际标准化组织ISO的重视，其技术委员会之一TC97在1977年3月召开的第九次全会上决定成立一个新的分支委员会ISO/TC97／SCl6，来解决所面临的新问题。1983年ISO/TC97／SC16提出了著名的“开放系统互连参考模型”，即ISO7498国际标准，简记为ISO/OSI-RM。它奠定了网络体系结构的基础。ISO/OSI-RM是计算机网络体系结构的最新成就，引入了抽象化、虚拟化、分层化研究制定计算机网络体系结构的科学方法，奠定了网络体系结构的基础。1．抽象化方法在ISO/OSI—RM体系结构中，对复杂问题的处理采用了如图2．1所示的三级抽象的方法，即参考模型、服务定义、网络协议。它们采用自上而下逐步求精的办法：最高一级。ISO/OSI—RM考查抽象，这一级的约束较少，描述较粗略；中间级OSI服务定义较抽象，有较多的约束。最低一级为OSI协议，对它要精确描述，约束最多。(1).OSI参考模型ISO/OSI体系结构也就是ISO／OSI-RM，是建立网络体系、功能和概念的最高一级抽象模型。如果用形式化的语言来说，体系结构相当于一个客体的类型，而具体的网络结构则相当于客体的一个实例。ISO／OSI-RM定义了一个开放系统所用的客体类型以及客体类型之间的关系，给出了它们之间的约束。ISO／OSI-RM定义了一个开放系统所用的客体类型以及客体类型之间的关系，给出了它们之间的约束。同时也给出了由这些客体、关系以及要素构制的七层模型，ISO／OSI-RM也是一个标准，是一个为制定通信标准而采用的概念性、抽象性的框架。(2).OSI服务定义所谓服务是指层间交换数据时必须遵守的规则。OSI服务定义是较低一级的抽象概念，比较详细地定义了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其以下所有层提供的服务，通过该层与上层边界上的接口为上一层提供服务。各层给相邻的上一层提供的服务与服务是怎样实现的无关。因此，OSI服务只不过是层间抽象的接口(Interface)，(3).OSI协议定义OSI协议定义是最低一级的抽象概念。在层次结构计算机网络所具有的功能中，最重要的功能是通信功能。计算机网络中的通信是指在不同系统中实体之间的通信。实体是指能发送和接收数据的任何实体，而系统是物理上明显的实体，它包含一个或多个实体。两个实体之间要想实现通信，则必须使用相同的语言以及遵从双方都能接受的规则，以解决彼此之间交流什么、如何交流以及何时交流等问题。这就是计算机网络协议所应具有的功能。2．虚拟化方法在OSI体系结构中，网络协议研究的出发点和协议实现的归结点多数是虚拟的。虚拟是在现实计算机网络中不完全存在的，然而又是实际网络的高度概括与理想化。遵从虚拟化方法，不仅方便开放系统互连参考模型的研究，而且也为研究网络体系结构找到了目标和对象。网络体系结构中所研究的具体对象大多数是建立在虚拟基础上的，并不具体到某一个器件、装置、组件、程序等。比如在网络协议中，逻辑信道、虚拟电路、虚拟主机、虚拟内存、虚拟终端等均是高度概括与理想化的产物，它们为建立网络体系结构发挥着重要作用。3．分层化方法网络体系结构通常采用层次化结构定义计算机网络系统的组成和系统功能。它将一个网络系统分成若干层次，规定每个层次应实现的功能和向上层提供的服务，以及两个系统各个层次实体之间进行通信应遵守的协议。计算机网络体系结构指的就是网络的基本设计思想及方案，以及各个组成部分的功能和定义。层次结构是描述体系的基本方法，其特点是每一层都建立在低一层的基础上，低层为高层提供服务。各层协议互相协作，构成一个整体，称为协议集或协议族。计算机网络体系结构就是对构成计算机网络的各个组成部分，包括网络本身，所应具备功能和协议的一组精确定义。简单地讲，开放系统互连参考模型、协议、服务等统称为计算机网络体系结构。2.2.计算机网络与通信标准的制定国际标准化组织的ISO／OSI—RM、国际电信联合会ITU的X系列、V系列以及I系列建议书、美国电气电子工程师学会(IEEE)的IEEE802LAN协议标准以及美国电子工业协会(EIA)的RS系列标准等都是著名的国际标准。1.国际标准化组织国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization)简称ISO，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。1946年，当时来自25个国家的代表在伦敦召开会议，决定成立一个新的国际组织，以促进国际间的合作和工业标准的统一。总部设在瑞士的日内瓦。ISO的主要活动是制定国际标准，协调世界范围内的标准化工作，组织各成员国和技术委员会进行情报交流，以及与其他国际性组织合作，共同研究有关标准化问题。2.国际电信联盟国际电信联盟(InternationalTelecommunicationunion，ITU)是联合国的一个专门机构，原名为国际电报电话咨询委员会CCITT，也是联合国中历史最长的专门机构之一，简称“国际电联”、“电联”或“ITU。国际电信联盟现有189个会员国，包括各大电信运营商、设备制造商、金融团体、电信研发机构以及国际性和区域性电信组织在内的646个民间会员，92个合作会员。该组织始成立于1865年5月17日，是由法、德、俄等20个国家为顺利实现国际间的电报通信在巴黎成立的国际组织，当时定名“国际电报联盟”。总部由瑞士伯尔尼迁至日内瓦。ITU是世界各国政府的电信主管部门之间协调电信事务的一个国际组织，研究制定有关电信业务的规章制度，通过决议提出推荐标准，收集有关情报。3Internet体系结构委员会IABInternet是一个包含成千上万相互协作的组织及网络的集合体。它不受政府或某个中心的管理和控制，看起来像是处于无政府状态，因为没有一个办公室或组织对整个Internet具有控制权。但是，Internet的巨大成功与其标准研究管理机构的工作是分不开的，如Internet工程特别任务组(InternetEngineeringTaskForce，IETF)等。网络国际标准化组织的另一重要成员是电气电子工程师学会IEEE下属的IEEE802委员会，主要负责制定局域网标准。近年又出现了一些新的国际性标准化团体，主要是工业界人士组成的论坛(Forum)，如ATM论坛、帧中继论坛、光互连网论坛等。这些论坛主要在传统标准化组织工作的基础4．美国电气电子工程师学会美国电气电子工程师学会(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)于1963年由美国电气工程师学会(AIEE)和美国无线电工程师学会(IRE)合并而成，是美国规模最大的制定标准的专业学会。IEEE由大约17万名从事电气工程、电子和有关领域的专业人员组成，分设1O个地区和206个地方分会，设有31个技术委员会。IEEE制定的标准内容有：电气与电子设备、试验方法、元器件、符号、定义以及测试方法等。IEEE最引人注目的成就之一是通过802方案对LAN和城域网MAN进行的标准化。802方案含局域网和城域网各方面上百个单独的规范，符合IEEE的LAN包括以太网(IEEE802．3)和令牌环网(802，5)，802系列标准和所有规范限于物理层和／或数据链路层。5．美国电子工业协会美国电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation，EIA)创建于1924年，当时名为无线电制造商协会(RadioManufacturersAssociation，RMA)，总部设在弗吉尼亚的阿灵顿。EIA制定了许多有名的标准，主要涉及ISO／OSI-RM的物理层标准。例如，EIARS-232C(非平衡型接口标准)、EIARS-449、EIARS-425(平衡型接口标准)、EIARS-422A等。EIA广泛代表了设计生产电子元件、部件、通信系统和设备的制造商以及工业界、政府和用户的利益，在提高美国制造商的竞争力方面起到了重要作用。6．美国国家标准协会美国国家标准协会(AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI)是非营利性的民间标准化团体，实际上已成为美国国家标准化中心，美国各界标准化活动都围绕它在进行。ANSI协调并指导全美国的标准化活动，给标准制定、研究和使用单位以帮助，提供国内外标准化情报。同时，又起着行政管理机关的作用。通过ANSI，使政府有关系统和民间系统相互配合，起到了政府和民间标准化系统之间的桥梁作用。该组织是美国参加ISO的投票成员，研究的标准范围与ISO一致。另外，还有许多国际化标准组织，如欧洲计算机制造商协会(ECMA)等。专门开发有关计算机技术标准。ECMA是ISO和CCITT的无表决权成员，所制定的标准对ISO的工作也有较大影响。7．中国国家标准局中国国家标准局是中国有关工程与技术标准的权威机构，所颁布的标准具有法律效力。目前，国家标准局的主要工作是采纳有关国际标准为国家标准。1983年全国计算机与信息处理标准化技术委员会成立，负责ISO/TC97对应的标准化工作。该技术委员会下设13个分技术委员会，其中，于1984年7月组建的开放系统互连分技术委员会的主要任务与IS