第3章上 计算机网络体系结构与协议

本章学习要求：掌握：网络体系结构的层次化研究方法掌握：协议、层次、接口与网络体系结构的基本概念掌握：OSI参考模型及各层的基本服务功能掌握：TCP/IP参考模型的层次划分、各层的基本服务功能与协议族了解：OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较掌握：RS-232C标准的特性及应用，RS-232，RS422，RS485的区别第三章计算机网络的体系结构与协议计算机网络的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实现的功能的定义和抽象。网络协议是为了进行网络数据交换而建立的规则、约定或标准，是计算机网络中不可缺少的组成部分。它包括语法、语义和时序三个要素。1)语法是指用户数据与控制信息的结构和格式；2)语义是指需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应；用于解释比特流的每一部分的意义；3)时序是对事件实现顺序的详细说明。以甲打电话给乙举例说明语法、语义和时序的概念网络的体系结构发展过程：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。1984年提出了“开放系统互联基本参考模型”，即ISO/OSI-RM正式国际标准（ISO7498）在制定计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（CCITT）国际标准化组织（ISO）CCITT与ISO的工作领域不同：CCITT主要是考虑通信标准的制定；ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。社会上存在的邮政系统说明层次结构及协议通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信者收信者运输部门的邮件运输业务书写信件贴邮票送邮箱收集信件盖邮戳信件分拣信件打包送运输部门路由选择运输转送邮局接收邮包分发邮件邮件拆包信件投递信件分拣阅读信件通信者活动邮局服务业务邮局转送业务3.1OSI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，OSI标准中，采用的是三级抽象：体系结构（architecture）服务定义（servicedefinition）协议说明（protocolspecification）OSI参考模型OSI服务定义OSI协议规范OSI体系结构是网络系统在功能和概念上的抽象，是协调各层标准制定的概念性框架；OSI服务定义了每一层提供的服务，某一层的服务是指该层及其以下各层提供给上一层的服务，层间的服务通过定义好的层间抽象接口完成，交互时使用服务原语，各种服务不考虑服务的具体实现；OSI协议规范说明控制信息的内容。OSI参考模型划分七层结构的基本原则：网中各结点都具有相同的层次；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层之间通过接口通信；每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。3.1.2OSI/RM参考模型的结构(Opensystemsinterconnectionreferencemodel)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数据在计算机网络各层中的传递应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用进程A应用进程B比特序列帧分组报文数据单元数据单元数据数据传输介质主机A主机B3.1.3OSI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，要通过相邻实体的通信来完成，对等实体之间是“虚拟通信。”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，是两层间的逻辑接口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：服务原语有四类: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，指示（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。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请求指示有证实(面向连接的服务)无证实(无连接的服务)数据单元是网络中信息传递的单位，相邻层间传送信息的数据单元称为服务数据单元；不同系统中的对等实体间传送信息的数据单元称为协议数据单元PDU；相邻层实体间通过服务访问点一次交互信息的数据单元称为接口数据单元3.1.4OSI参考模型各层的功能物理层的主要功能：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。利用传输介质,为通信的网络结点之间建立、管理和释放物理连接；实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务；物理层的数据传输单元是比特。数据链路层的主要功能：数据链路是构成逻辑信道的一段点-点式的数据通路，它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与节点间的逻辑连接。传输的数据格式以“帧”为单位的PDU；传输控制功能采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。网络层的主要功能：通过路由选择算法为报文分组通过通信子网时选择最适当的路径；为数据在结点之间传输创建逻辑链路；实现拥塞控制、网络互连等功能。传输层的主要功能：向用户提供可靠端到端（end-to-end）服务；处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题；传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，是计算机通信体系结构中关键的一层。会话层的主要功能：负责维护两个结点之间的传输链接，以便确保点-点传输不中断；管理数据交换。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。表示层的主要功能：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式；数据格式变换；数据加密与解密；数据压缩与恢复。应用层的主要功能:为应用程序提供了网络服务;应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步;建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。3.2物理层与物理接口协议3.2.1物理层概述1）物理层定义是OSIRM的最低层，向下是物理设备，物理设备的接口直接与物理传输介质相连接，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。物理层并不是指物理设备或物理传输介质，而是与有关物理设备以及传输介质连接的描述与规定。物理层的功能主要包括：物理连接的建立与拆除，当数据链路层实体提出建立连接的请求时，物理层使用有关的协议完成连接的建立过程，在数据信号传输过程中维持这个连接，传输结束后拆除这个连接；物理层数据单元的传送，物理层定义了编码的类型、位同步方式、数据传输速率，采用的单工、半双工、全双工传输方式也要在物理层说明。2）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，可以是一台计算机，也可以是一个I/O设备；数据电路端接设备DCE，介于传输介质与DTE之间的设备，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3）物理接口协议物理层涉及具体物理设备、传输介质，通信手段复杂；另外物理层的许多模型和协议在OSIRM公布以前已经提出并广为使用，这些协议并没有按照OSI那样严格的分层来制定，也没有将服务与规范区分开来，所以物理层协议不便采用OSI的术语加以描述，而是描述出DTE与DCE接口的一些特性。这些特性包括：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。3.2.2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。3）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。在具体应用环境中，不一定需要用到所有的接口线，可以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。DTE与DCE接口三种电气电气特性(连接方式)１）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２）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３）平衡方式，发送器、接收器均采用差动式，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3.2.3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EIA（ElectronicIndustriesAssociation）1962年制定的串行物理接口标准，RS是英文RecornmendedStandard“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200比特。采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于15m以内的通信。RS-232C主要用于使用模拟信道传输数字信号的场合作接口，是DTE与DCE之间的接口标准。DTE(DataTerminalEquipment)是数据终端设备。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是数据电路端接设备。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。DTE通过DCE与通信传输线路相连。（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，逻辑“0”输入用3~15V的电平表示，逻辑“1”输入用-3~-15V的电平表示；输出时，逻辑“0”需要驱动器输出5~15V的电平，逻辑“1”需要驱动器输出-5~-15V的电平，驱动器的输出阻抗小于300欧姆。DTE与DCE之间连接电缆长度15米，传输速度最大不超过20Kbps。（3）功能特性RS-232的功能特性中定义了20条