通信网的体系结构

第二章通信网的体系结构现代通信网技术2通信网的体系结构是从功能出发把通信网划分成若干个层次，每一层完成特定的功能，层与层之间通过标准的协议和接口交换信息而完成通信过程，它是一种用抽象的方法观察网络内部功能的一种分层化结构，是一种高度结构化的网络描述与设计技术，可见，建立通信网的体系结构的目的是为了实现通信设备的制造和通信网络建设的标准化，为此，国际标准化组织ISO和ITU-T制订了一系列用于开放系统互联的协议标准。在通信网中协议是通信双方必须要遵守的规则，网络的协议是设计和开发通信设备和通信系统的基础，首先，讨论协议、协议的功能和协议的结构，将按照分层的观点来分析和考察网络协议，讨论作为分层基础的OSI参考模型和网络体系结构，OSI模型在通信网中的应用，同时讨论另一类常用的ICP/IP协议模型，并讨论新一代的通信网的网络体系结构——现代通信网技术3§2.1网络协议及其功能2.1.1网络协议概述通信双方的两个实体之间一组管理数据交换的规则称为通信协议。它是通信双方必须遵守的共同的约定，例如双方必须使用相同的格式，采所谓实体是包含在通信系统中的能够发送和接收信息的某个部分，例如，用户的应用程序、文件的转移包、数据库管理系统、电子邮件系统通信协议是双方实体共同遵守的规则，它的主要内容有：语法——语义——包括数据的内容和含义以及用于协调的控制信息和差错控制。定时——包括速率匹配和排序。2.1.2网络协议的功能网络协议具有以下主要功能：•分段和重组现代通信网技术4§2.1网络协议及其功能.•••••••这些功能通过网络的各层实现，网络的每一层不一定具有上述全部功能，可以完成其中一部分功能，但不同层可以具有相同的功能。下面对上述功能分别予以介绍。1.在应用层转移数据的逻辑单元称为消息，应用实体之间以消息的形式或者以连接数据流的形式发送数据，较低层的协议需要把数据分为较小的，长度受限的数据块，这个过程称之为分段，通常把在这两个实体之间按照协议交换的数据块称为协议数据单元(PDU)，在接收侧重新把现代通信网技术5(1)通信子网只能接收一定长度的数据块，例如ATM网络的数据单元的长度固定为53个字节，以太网传送的数据单元最大长度为1526字节，为了有效地实现数据通过网络传送，必须对数据流进行分段，便于(2)对长度较小的协议数据单元进行差错控制可以更加有效，利用较小的数据单元，当需要重传时，只需重传较少的比特数。(3)对于共享信道的传输系统，对数据流进行分段可以使各个终端得到(4)对数据进行分段，只要求接收实体分配较小的缓冲区。当然对数据流进行分段也会带来不利的一面，主要有：(1)数据单元长度越小，控制信息在整个单元中占的比例则越大，会降低传输的效率。(2)数据单元越小，处理机中断的次数越多，且处理时间越长，会增加网络的时延。§2.1网络协议及其功能现代通信网技术6§2.1网络协议及其功能2.在分段形成的数据块上增加控制信息的过程称为封装，这是协议要完成的主要功能之一，当网络存在多层协议时，需要按层次进行封装(1)地址码——(2)错误检测码——包含某种校验序列，对收到的一段信息进行校验。(3)协议控制——对流量和差错进行控制的信息。3.连接控制数据通信分为无连接和面向连接两种通信方式。在无连接的方式中，每个协议数据单元传送的过程中进行独立处理：在面向连接的方式中要在两个实体之间建立一个逻辑关系，然后对PDU通过建立的连接进行有序的传送。面向连接的通信过程可以分为三个阶段：现代通信网技术7§2.1网络协议及其功能（1）连接建立：协议实体一方发生建立连接请求，在简单协议中接收实体或者同意建立连接请求，或者拒绝该请求，如果同意建立连接，则连接继续进行下去，否则终止连接的建立过程。在复杂的协议中，可以允许双方进行协商。（2）数据传送：连接建点后，请求方发送数据，接受方发送确认，完成数(3)连接拆除：数据传送结束后，请求方发送终止连接请求，接收方发送接受终止连接。面向连接的数据传送的一个重要特征是序号的利用，对于PUD的发送均按照预定的序号进行，发送和接收实体根据传送的序号可以支持以下三项功能：流量控制、差错控制和数据单元的重组。4.流量控制是指接收实体对发送实体送出的数据单元的数量或速率进行限制。被广泛采用的流量控制方式之一是滑动窗口控制，它的方法是向发送实体设置一个发送单元的限制值，这个数值规定了没有收到确认信息之前，允许控制协议可以设置在协议不同的层次上。现代通信网技术8§2.1网络协议及其功能5.差错控制技术是用来对协议数据单元中的数据和控制信息进行保护的。包括两方面的内容，一方面是对收到的数据进行校验，在出错的情况下对整个PDU重新进行传输，另一方面，利用定时器进行控制，当超出规定的时间没有收到确认信号则重新传输。和流量控制一样，差错控制分布在系统的各个部分。6.在通信系统中，寻址是一个复杂的过程，涉及的因素较多，主要有以下(1)寻址的级别：是指寻址和通信协议的层次有关，在不同的层次上，有(2)寻址范围：在面向连接的通信系统中，利用连接识别符进行寻址，识(3)连接识别符：在进行连接时，采用一次特定的符号(码字)来标识已建立的连接，这有利于减小比特开销、选路、复用和状态信息的利用。现代通信网技术9§2.1网络协议及其功能(4)寻址模式：寻址模式是寻址中采用的方式，一般可分为单播、组播和广播模式。显然，它是规定了一个地址和端口或系统之间的关系。即一个地址是与单个端口或系统有关，还是和一部分端口或系统有关，还是和全部的端口或系统有关。7.复用复用是指在一个系统上支持多个连接。例如在X.25协议中多条虚电路可以终接在一个端系统中。它可以利用端口号来实现，显然它与地8.协议可以对通信实体提供各种服务，例如优先权、服务等级及安全通信协议的基本功能的实现在通信网的设计和开发中具有举足轻重的作用。现代通信网技术10§2.2OSI2.2.1OSI参考模型的层次和功能通信网的协议十分繁杂，涉及面很广，因此在制定协议时经常采用的方法是分层次法：即把整个协议分成若干个层次，这些层次之间既是互相独立的，又是互相联系的。独立是指各层协议各自完成自己的功能，当其中的一层协议发生变化时，对其它层次不发生影响。联系是指下一层为上一层提供服务，上一层对下一层存在依赖关系。整个协议划分为多少层由协议的制定者来确定，确定层次的数量时（1）对协议分的层次应当足够多，从而使得为每一层确定的详细协议不（2）层次的数量不能太多，以防止对层次的描述和综合变得十分困难。（3）选择合适的界面使得相关的功能条件在同一层内，而将不同的功能分配给不同的层次。（4）希望分层结构各层之间的互相作用比较少，使得某一层次的改变对所造成的影响比较小。现代通信网技术11§2.2OSI参考模型层次和协议的集合称为网络体系结构，体系结构应当具有足够的信息，以使软件设计人员编写该层协议有关的程序。网络的体系结构和每层的协议的确定是通信网设计的基本课题之一。协议的分层是通信网设计中一个带有全局性和根本性的问题，因而引起了广泛的重视。网络的设计者和用户都希望能有一个统一的标准，以实现各个网络之间的互通国际标准组组织(ISO)已经制定了开放系统互连参考模型，即OSI参考模型。ISO是成立于1947年的国际标准化组织，在ISO中，TC97(技术委员会97)负责制订计算机和信息处理方面的技术标准，TC97中的SC6负责制订数据通信方面的技术标准，SC6于1977年开始开发OSI网络体系结构，制订有关OSI参考模型的技术标准，其中关于OSI参考模型的文件是ISO7498。在提出OSI/RM以后TC97又分别制订了OSI的各层协议，使得OSI的体系结构更加完善。现代通信网技术12§2.2OSI参考模型TIU-T同时也公布了关于OSI体系结构的技术文件，在X.200～X.290中公布了关于OSI/RM和OSI各层的协议。这两个标准化组织公布的技术文件虽然编号不同，但内容是完全一致的。OSI是一个开放系统互连模型，所谓开放系统互连，是指按照这个标准设计和建成的计算机网络系统可以互相连接。OSI模型规定了一个网络协议的框架结构，它把网络协议从逻辑上分为：物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，其中下面三层为低层协议，提供网络服务，上面的四层为高层协议提供末端用户功能。OSI参考模型如图2.1所示。现代通信网技术13§2.2OSI参考模型.计算机A计算机B应用程序应用程序通信子网网络层链路层物理层7654321节点应用层表示层会话层运输层网络层链路层物理层应用层表示层会话层运输层网络层链路层物理层7654321图2.1OSI参考模型现代通信网技术14§2.2OSI参考模型OSI1.物理层(PhysicalLayer)在物理层主要讨论在通信线路上比特流的传输问题，这一层协议描述传输的电气的、机械的、功能的和过程的特性。其典型的设计问题有：信号的发送电平、码元的宽度、线路码型、网络连接插脚的数量、插2.数据链路层(DataLinkLayer)在数据链路层主要讨论在数据链路中帧流的传输问题。这一层协议的内容包括：帧的格式、帧的类型、比特填充技术、数据链路的建立和终止、信息流控制、差错控制，向网路层报告一个不可恢复的错误。这一层协议的目的是保证在相邻的站与节点或节点与节点之间正确地、有次序和有节奏地传输数据帧。数据帧典型的例子是HDLC。3.网络层(NetworkLayer)网络层主要处理分组在网络中的传输。这一层协议的功能是：路由选择、数据交换、网络连接的建立和终止，在一个给定的数据链路上网络连接的复用，根据从数据链路层来的错误报告而进行的错误检测和恢复，分组的排序和信息流的控制等。网络层典型的例子是X.25现代通信网技术15§2.2OSI参考模型4.传送层(TransportLayer)传送层协议处理报文从信息源到目的地之间的传输。这一层的主要功能是：把传送层的地址变换为网络层的地址，传送连接的建立和终止，在网络连接上对传送连接进行多路复用，端一端的顺序控制，信息流控制，错误的检测和恢复。传送层复杂程度与第3层密切有关。对于可靠的、功能齐全的第3层，所要求的将是较小的第4层。第1层到第3层是连接的，而第4层到第7层端点对端点的。5.会话层(SessionLayer)会话层主要控制用户间的会话。会话是指用户与用户的连接，会话可以使一个用户登录到一个远程分时系统或者在两台机器之间传送文件。这一层的功能是：把会话地址变成它的传送地址，会话连接的建立和终止，会话连接的控制，会话连接的同步。6.表示层(PresentationLayer)表示层主要处理应用实体间交换数据的语法，其目的是解决格式和现代通信网技术16§2.2OSI参考模型码的转换，如把ASCII(美国信息交换标准码)变换成EBCPIC(扩充的二一十进制码)。表示层的协议，使计算机的文件格式能够经过变换而得以兼容。7.应用层(ApplicationLayer)应用层为应用进程提供访问OSI环境的方法。这一层的例子有：虚拟终端协议、虚拟文件协议、文件传送协议、公共管理信息协议。虚拟终端服务是用来提供给终端使它能访问远程系统中的用户进程。虚拟文件服务提供对文件的远程访问、管理和传送，文件传送是两个终端之间提供文件传送服务。公共管理信息服务通过提供的七项基本服务支持对网络的性能管理、故障管理和配置管理服务。2.2.2OSI的协议数据单元在协议的分层结构中，一个特定层为上一层提供一组服务，上一层称为服务用户，下一层是服务提供者。一般地讲，分层结构中的N层为位于上面的N+1层提供一种服务。现代通信网技术17§2.2OSI参考模型如图2.3所示。图中示出(N-1)、N和(N+1)层之间的关系。N层对N+1层的N服务通服务访问点(SAP)提供。服务访问点实际上是N层和N+1层之间的逻辑接口。在每一层中有多个活跃的实体(Entity)。实体的例子如多道处理系统中的一个进程，或者可以是一个子程序，同一层中有多个同级实体，它们可能存在于同一系统中，这时不能从外部观察到它们。它们也