第3章

計算機網絡體系結構3.1網絡體系結構及協議

計算機網絡作為一個復雜系統，有一個核心問題是：如何從整體上描述其框架，形成各方共同遵守的參照標準，盡可能為用戶提供通信和資源共享服務，同時，又使不同廠商各自開發和生產的產品相互兼容。網絡體系結構就是研究如何構建網絡的結構？以及如何根據網絡結構來制定網絡通信的規范和標準等問題。網絡體系結構是分析、研究和實現當代計算機網絡的基礎，具有一般地指導性和原則性，也是貫穿計算機網絡整個學科的一根主線。

3.1.1問題的提出

網絡的規模越來越大，增值應用不斷增多，網絡也因此變得更加復雜。面對復雜的計算機網絡系統。關鍵問題是：（1）如何將計算機網絡系統合理地分層；（2）如何構建網絡體系結構（抽象化描述）；（3）如何將其模型化。美國ARPA網（Internet的前身）就是采用了分層結構構建的，它確立了通信子網和資源子網兩層邏輯網絡和網絡層次結構等概念。

隨著各種廣域網和公用分組交換網的出現，各計算機系統產商紛紛設計和開發出自已的網絡體系結構和計算機網絡產品，但隨之而來的是網絡系統結構與網絡協議的標準化問題，即不同網絡產品如何實現互聯（或如何兼容問題）。國際標準化組織ISO在1984年頒布了“開放系統互聯基本參考模型”(OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel，簡稱OSI)。

OSI模型統一了各種網絡體系結構的功能標準，為網絡理論體系的形成與網絡技術的發展做出了重大貢獻。

3.1.2體系結構及網絡協議的概念

計算機網絡系統要完成復雜的各種功能，不可能只制定一個規則就能描述所有問題，應分層來制定規則。關鍵問題：如何分層次的問題。

1.分層(層次)結構

分層結構使每一層實現一個獨立的功能，層與層之間是獨立的。通過劃分多個層次，使每一層只關注和解決本層通信中的規則問題，低層不影響高層所執行的功能。圖3-1分層結構示意圖分層結構易于實現和維護，并利于交流、理解和標準化。2.分層的原則（1)每層的功能應當明確，并且是相互獨立的;（2)同一節點相鄰層之間，可通過接口通信；（3)層數應適中。（4）每一層都使用其下一層的服務，并為上一層提供服務。（5）網中各節點都有相同的層次，不同節點的同等層按照協議實現對等層之間的通信。3.網絡的協議

節點間通信（數據交換）的規則、標準或約定的集合統稱為網絡協議（NetworkProtocol），它是同等層實體之間通信的規則。網絡協議的三要素：（1）語義--需要發出何種控制信息、完成何種動作及得到的響應等。（2）語法--數據與控制信息的格式、結構、編碼及信號電平等。（3）交換規則（也稱時序關系)--通信事件的執行順序、速度匹配及對事件實現順序的說明。

協議實質上是網絡通信時的一種語言。不同結構的網絡，不同廠家的網絡產品，所使用的協議可能不一樣。但都遵循一些協議標準，使不同廠家的網絡產品能夠互聯。4.網絡的體系結構

網絡體系結構（NetworkArchitecture）是指計算機網絡各層次及其協議的集合。兩個網絡的體系結構不完全相同稱為“異構網絡”，異構網絡之間的通信需要特殊連接設備進行協議轉換。網絡體系結構規定了每一層須完成的功能。可見，網絡體系結構是關于計算機網絡設幾層？有哪些層次？以及每層應提供哪些功能的精確定義。但注意，它只是從功能上描述計算機網絡的結構，而不涉及每層硬件和軟件的組成，也不涉及這些硬件或軟件的實現問題。因此，網絡體系結構是抽象的。圖3-2層次結構模型圖

3.1.3接口、實體與服務1.接口(Interface)

層次化網絡體系結構中，每一層中活動的元素被稱為實體(Entity)。實體可以是軟件實體，如一個進程或子程序；也可以是硬件實體，如智能I/O芯片等。服務通過各相鄰層之間的接口完成，接口是上層實體和下層實體交換數據的地方，也稱為服務訪問點SAP，它定義了較低層向較高層提供的原始操作和服務。每一個SAP都有一個惟一的標識，稱為端口（Port）或套接字（Socket），相鄰層之間通過它們的接口交換信息。2.協議和服務的關系協議和服務是兩個不同的概念。協議是“水平”的，即協議是不同系統對等層實體之間的通信規則。服務則是“垂直”的，即服務由同一系統中下層實體向上層實體通過層間的接口提供。n層實體向n+1層實體提供的服務，包括三部分：（1）n層實體的某些功能與服務。（2）從n-1層及以下各層實體及本地系統得到的服務。（3）通過與對等的n層實體的通信得到的服務。3.2OSI參考模型

開放系統互聯（OpenSystemInterconnection）參考模型（簡稱OSI/RM），是1983年正式批準的、標準化、開放式的網絡體系結構模型。“開放”表示任何兩個遵守OSI的系統都可以互聯，當一個系統能按OSI與另一個系統通信時，就稱該系統為“開放系統”。3.2.1OSI/RM的結構OSI是不同制造廠商的設備和應用軟件，在網絡中進行通信的標準，是計算機網絡的主要結構模型。目前使用的大多數網絡通信協議的結構都是基于OSI模型的。OSI包括：體系結構、服務定義和協議規范三級抽象。OSI的體系結構定義了一個七層模型。

1.OSI/RM的結構OSI/RM采用七層的體系結構，即將網絡通信過程定義為七層。每一層都是獨立存在的，分配到各層的任務獨立執行，這樣，變更其中某層提供的方案時不影響其他層。OSI/RM七層體系結構，從下到上依次為：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。在實際當中，只有在主機中才可能需要包含所有七層的功能，而在通信子網中的節點機，一般只需要低三層甚至低二層的功能即可。圖3-3OSI參考模型

2.OSI/RM層次間數據的傳遞

發送進程送給接收進程和數據，實際上是經過發送方各層,從上到下傳遞到物理介質；通過物理介質傳輸到接收方后，再經過從下到上各層的傳遞，最后到達接收進程。在發送方從上到下逐層傳遞的過程中，每層都要加上適當的控制信息，H7、H6、…、H1統稱為報頭（Head）。報頭的內容和格式就是該層協議的表達、功能和控制方式的表述,這個過程稱為報頭封裝過程。

到最底層成為由“0”或“1”組成的數據比特流，然后,再轉換為電信號在物理介質上傳輸至接收方。接收方在向上傳遞時過程正好相反，要逐層剝去發送方相應層加上的控制信息，此過程稱為報頭剝離過程。因接收方的某一層只閱讀和去除本層的控制信息，并進行相應的協議操作。發送方和接收方的對等實體看到的信息是相同的，就好像這些信息“直接”傳給對方一樣。圖3-4層間數據傳遞過程

3.2.2OSI/RM各層的基本功能

1.物理層物理層是OSI參考模型的最低層，任務是為它的上一層（數據鏈路層）提供一個物理連接，以便傳送比特（bit）流。物理層的數據傳輸單位：比特bit。

（1）物理層的基本功能

CCITT(國際電報電話咨詢委員會)，現為國際電信聯盟（ITU）對物理層做了如下定義：利用物理(機械)的、電氣的、功能的和規程的特性在DTE(數據終端設備)和DCE(數據通信設備)之間,實現對物理信道的建立、保持和拆除功能。①機械特性規定了物理連接時,對插頭和插座的幾何尺寸、插針或插孔芯數及排列方式、鎖定裝置形式等。圖3-5DCE連接器機械特性

電氣特性--規定了在物理連接上導線的電氣連接及有關電路特性。包括接收器和發送器電路特性的說明、表示信號狀態的電壓/電流電平的識別、最大傳輸速率的說明以及與互連電纜相關的規則等。此外，還規定了DTE-DCE接口線的信號電平、發送器的輸出阻抗、接收器的輸入阻抗等參數。

功能特性--規定了接口信號的來源、作用以及與其他信號間的關系。

④規程特性--規定了使用交換電路進行數據交換的控制步驟，這些控制步驟的應用，使比特流傳輸得以完成。

（2）物理層的基本協議

物理層的基本協議規定了接口的機械連接特性、電氣信號特性、信號功能特性以及交換電路的規程特性，使不同的制造廠家，能夠根據公認的標準各自制造設備，但產品都能相互兼容。

物理層的基本協議：美國EIA的RS-232C協議、RS-499協議和CCITT的X.21協議等。圖3-6DTE-DCE接口框圖

例如：RS-232C標準是EIA在1969年頒布的一種串行物理接口，RS-232C的機械特性規定使用一個25芯的標準連接器，并對該連接器的尺寸及針或孔芯的排列位置等做了詳細說明。圖3-7RS-232C的遠程連接和近地連接2.數據鏈路層在OSI參考模型中，數據鏈路層位于第二層。數據鏈路是指傳輸數據的鏈路，表示一種邏輯連接。數據鏈路層數據傳輸單位是“幀”（Frame）。（1）數據鏈路層的基本功能數據鏈路層負責幀在計算機之間無差錯地傳遞。為了將一條原始的、有差錯的物理連接，變為對網絡層無差錯的數據鏈路，數據鏈路層應具有如下功能：

①數據鏈路建立、維護與釋放的管理工作；

②數據鏈路層服務數據單元“幀”的傳輸；

③差錯檢測與控制；

④流量控制；

⑤幀接收順序的控制。（2）數據鏈路層的協議

數據鏈路層可分為兩個子層：邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質訪問控制子層（MAC）。

LLC子層的基本協議有：ISO的高級數據鏈路控制協議HDLC。

MAC子層的基本協議有：IEEE（美國電氣電子工程師協會）802.3、IEEE802.4、IEEE802.5等多種協議。

3.網絡層

網絡層是OSI參考模型中的第三層，它傳送的數據單元是數據“分組”或稱數據“包”（Packet）。它在數據鏈路層提供數據幀傳送基礎上，選擇合適的路由和交換節點，使從源節點傳輸層得到的數據能準確、高效到達目的節點。

（1）網絡層的基本功能

1）通信子網的運行控制。

2）數據分組跨越通信子網，從源端傳送到目的端。（需通過路由算法進行數據分組傳輸路徑的選擇）

3）網際互聯的問題。網絡層主要功能是：路由選擇、阻塞控制和網際互聯。

在網絡層因為要涉及不同網絡之間的數據傳送，所以，如何表示和確定網絡地址和主機地址，也是網絡層協議的重要內容之一。

（2）網絡層的基本協議網絡層的協議：CCITT的X.25協議、IP網際協議。（3）網絡層提供的服務1）虛電路服務--所謂虛電路是指端到端間的一種邏輯連接，故稱“虛”電路。虛電路服務是網絡層向傳輸層提供的，是使所有分組按順序到達目的端的數據傳送方式。虛電路服務是網絡層向傳輸層提供的服務，虛電路服務是一種面向連接的服務。

2）數據報服務

數據報服務由數據報交換網提供。端系統的網絡層同網絡節點的網絡層之間，按照數據報方式交換數據。當端系統要發送數據時，網絡層給該數據附加上地址、序號等信息，然后，作為數據報發送給網絡節點。如：在ARPANET、DNA等網絡中，都提供數據報服務。數據報服務是一種面向無連接的服務，它類似于郵政系統的郵件傳遞過程。4.傳輸層

在OSI七層模型中，物理層、數據鏈路層和網絡層通常稱為面向通信子網的低三層。傳輸層是面向通信的低三層和面向信息處理的高三層之間的中間層，其上各層面向應用，是屬于資源子網的問題；其下各層面向通信，主要解決通信子網的問題。傳輸層是一個中間過渡層，起承上啟下的作用，負責端到端的可靠傳輸。傳輸層數據傳輸的單位：報文（Message）。當報文較長時，先分成幾個分組，然后再交給下一層（網絡層）進行傳輸。傳輸層利用網絡層提供給它的服務，開發本層的功能，并向它的上一層即會話層提供服務。（1）傳輸層的基本功能

①尋址。傳輸層確定網絡的目標地址。

②完成連接的多路復用和解復用。為了利用網絡連接，傳輸層必須執行多路復用和解復用的操作。

③建立和釋放傳輸連接。

④對端對端的差錯檢測及對服務特性的監督。

⑤端對端的分段、分組和接續。

⑥單一連接上的端對端的流量控制。（2）傳輸層的基本協議傳輸層的主要協議：面向連接的傳輸服務定義--ISO8072和面向連接的傳輸協議規范--ISO8073及TCP協議。5.會話層會話層負責在網絡中的兩節點之間，建立和維持通信。“會話”指在兩個實體之間建立數據交換的連接，常用于終端與主機之間的通信。會話層的功能：建立通信鏈接和保持會話過程通信鏈接的暢通，同步兩個節點之間的對話，決定通信是否被中斷以及通信中斷時，從何處重新發送等。

6.表示層

表示層負責對數據進行格式轉化，管理數據的解密與加密，此外，還對圖片和文件格式信息進行解碼和編碼等。表示層的功能：通過編碼規則，定義在通信中傳送這些信息，所需要的傳送語法。

表示層提供兩類服務：相互通信的應用進程之間交換信息的表示方法，以及表示連接服務。7.應用層應用層是OSI模型的最高層，它負責對軟件提供接口，使程序能享用網絡服務。應用層為用戶的應用進程訪問OSI環境提供服務。應用層提供的服務：文件傳輸、文件管理以及電子郵件的信息處理等。應用層的基本協議：文件傳輸協議FTP、超文本傳輸協議HTTP、簡單郵件傳輸協議SMTP，域名服務協議DNS，遠程過程調用協議RPC，簡單網絡管理協議SNMP等。

需要注意的是：

1）OSI參考模型只是一個為制定標準而設計的概念性框架，僅僅是功能參考模型。在OSI中，只有各種協議是可以實現的，網絡中的設備只有與OSI和有關協議相一致時，才能互聯。

2）在各種終端設備之間、計算機網絡之間以及操作系統進程之間交換信息的過程中，參照OSI模型進行網絡標準化的結果，就是使得各個系統之間都是“開放”的，而不是封閉的。凡是遵守這一標準的系統之間都可以實現互聯。

3.2.3HDLC協議

高級數據鏈路控制（High-levelDataLinkControl，簡稱HDLC）協議是一個典型的數據鏈路層協議，廣泛應用于X.25網及許多網絡的數據鏈路層，數據單位為“數據幀”。

HDLC協議是一個面向位的協議，支持半雙工和全雙工通信。面向位的含義是：協議把幀當作位（bit）流，而不區分字節的值。所有幀均采用CRC校驗，對信息幀進行順序編號，防止漏接收或重復，傳輸可靠性較高。網絡設計常采用HDLC協議。

1.HDLC定義的工作站

HDLC定義了三種類型的工作站：主站、從站和組合站。（1）主站鏈路上用于控制的站稱為主站，主機一般是主站。（2）從站其他受主站控制的站稱為從站，也稱客戶站。它不發送命令給其他站，但它能發送數據給其他站。由主站發往從站的幀稱為命令幀，而由從站返回主站的幀稱為響應幀。（3）組合站兼有主站和從站的功能，這種站稱為組合站。圖3-8三種工作站

2.HDLC的幀格式

在HDLC中，數據和控制信息均以幀的標準格式傳送，命令和響應以統一的格式按幀傳送。一個完整的HDLC幀由標志字段(F)、地址字段(A)、控制字段(C)、信息字段(I)及幀校驗碼字段(FCS)等組成。表3-1HDLC的幀格式（1）標志字段（F）---標志字段是01111110，用以標志幀的起始和前一幀的終止。在不傳送幀的時刻，標志字段可作為幀與幀之間的填充字符。此狀態下，發送方不斷地發送標志字段，接收方則檢測每一個收到的標志字段，一旦發現某個標志字段后面不再是一個標志字段，便認為是一個新的幀傳送開始。（2）地址字段（A）---在操作方式中，有主站、從站和組合站之分，每一個從站和組合站都分配有一個唯一的地址。命令幀中地址字段的地址是對方站的地址，響應幀中地址字段的地址是本站的地址。

全“1”地址表示包含所有站的地址，稱為廣播地址，含有廣播地址的幀將傳送給鏈路上所有站。（3）控制字段（C）---控制字段用于構成各種命令和響應，以便對鏈路進行監視和控制。發送方主站用控制字段通知被尋址的從站執行約定的操作；相反，從站用該字段作為對命令的響應，報告已完成的操作，該字段是HDLC的關鍵字段。控制字段中的第1位或第1、2位表示傳送幀的類型，第7位是P/K位，即輪詢/終止位。為了進行連續傳輸，需要對幀進行編號，所以，控制字段中通常還包括幀的編號。（4）信息字段（I）---信息字段可以是任意的二進制比特串，長度未做嚴格限定，其上限由FCS字段或站點的緩沖容量確定。用得較多的是1000b～2000b；而下限可以為0（即沒有信息字段）。（5）幀校驗碼字段（FCS）---幀校驗碼字段可以使用16位CRC，對兩個標志字段之間整個幀的內容進行校驗。根據CCITTV.41建議，FCS的生成多項式規定為：X16+X12+X5+1。3.3基于OSI/RM體系結構的實例

OSI參考模型只是定義了分層結構中每一層，向其高層所提供的服務和功能，并沒有為互聯結構的服務和協議提供詳細的細節。即OSI參考模型并非是具體實現的協議的描述，它只是一個為制定標準而設計的概念性框架或功能參考模型。對于實際的網絡，其體系結構并不一定是七層，也許是四層或兩層。也就是說，實際的網絡體系結構并非具有OSI模型的全部七層功能。3.3.1Internet體系結構—TCP/IP參考模型

TCP（TransmissionControlProtocol，傳輸控制協議）/IP（InternetProtocol，互聯網協議）協議是一簇網絡互聯標準協議。眾多廠家的網絡產品都支持TCP/IP協議，并被廣泛用于Internet連接的所有計算機上，實際上，TCP/IP已成為事實上的工業標準。

1.TCP/IP參考模型

TCP/IP模型采用四層的分層體系結構，將協議由下向上依次分成：網絡-接口層、網際層、傳輸層和應用層。圖3-9TCP/IP與OSI各層的對比關系圖3-10TCP/IP協議集2.TCP/IP各層次的協議（協議簇）

3.3.2局域網體系結構―LAN參考模型

由于局域網只是一個計算機通信網，而且局域網不存在路由選擇問題，因此，它不需要網絡層，而只需最低的兩個層次：物理層和數據鏈路層即可。1.物理層主要功能：（1）信號的編碼和譯碼；（2）為進行同步，進行前同步碼的產生與去除；（3）比特的傳輸與接收。2.數據鏈路層包括邏輯鏈路控制(LLC)和介質訪問控制（MAC）二個子層。其中LLC子層執行OSI數據鏈路協議的大部分功能和網絡層的部分功能，并具有幀順序控制、差錯控制、流量控制等功能。MAC子層（介質訪問控制）提供CSMA/CD等訪問控制協議。