计算机网络体系结构与协议.ppt

l讲解：周 猛 2.1 2.1 网络体系结构网络体系结构 2.2 2.2 物理层物理层 2.3 2.3 数据链路层数据链路层 2.4 2.4 网络层网络层 2.5 2.5 运输层运输层 2.6 2.6 高层协议高层协议 体系结构的层次化 开放系统的互联参考模型 OSI/RM中的基本概念 TCP/IP网络体系结构简介 TCP/IP与OSI 体系结构的比较 从OSI 体系结构到原理体系结构 一、计算机网络体系结构的形成 计算机网络是由多种计算机和各类终端通过通信线路连 接起来的复杂系统。在这个系统中，由于计算机型号不一， 终端类型各异，加之线路类型、连接方式、同步方式、通信 方式的不同，给网络中各结点的通信带来许多不便。由于在 不同计算机系统之间，真正以协同方式进行通信的任务是十 分复杂的。为了设计这样复杂的计算机网络，早在最初的 ARPANET设计时即提出了分层的方法。“分层”可将庞大而 复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局 部总是比较易于研究和处理。 计算机网络是一个复杂的系统。例如 ，在网络上的两台计算机之间相互传输文 件需要具备的条件有： 发起通信的计算机必须激活线路， 获取发送和接受数据的权限； 使网络能够识别接收数据的计算机 ； 能够知道接收数据的计算机是否已 经准备好接受数据； 必须清楚接收方的计算机中的文件管理 程序是否已经做好准备； 文件格式不同，能够在不同的文件格式 之间进行转换； 能够进行差错控制等； 其他 一般采用分层分层的方法来简化处理的问题 ，各个层次负责不同的问题的处理 1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统 网络体系结构SNA (System Network Architecture)。现在它是世界上使用得相当广 泛的一种网络体系结构。 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连， 国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研 究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计 算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名 的开放系统互连参考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。 二、协议与划分层次 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或 约定即称为网络协议。一个网络协议主要由以下三个 要素组成： （1）语法，即数据与控制信息的结构或格式； （2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种 动作以及做出何种响应； （3）同步，即事件实现顺序的详细说明。 两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层(如 图所示)。 分层可以带来如下好处： （1）各层之间是独立的。 （2）灵活性好。 （3）结构上可分割开。 （4）易于实现和维护。 （5）能促进标准化工作。 分层的缺点： 分层时应注意使每一层的功能 非常明确。若层次太少，就会使每一层的 协议太复杂。但层数太多又会在描述和综 合各层功能的系统工程任务时遇到较多的 困难。 多层通信的实质 : 对等实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务 实际通信在最底层完成 见图 计算机网络的各层及其协议的集合称为网 络的体系结构(architecture)，也就是说，计 算机网络的体系结构就是这个计算机网络及 其部件所应完成的功能的精确定义。体系结 构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在 运行的计算机硬件和软件。 OSI开放系统互连参考模型将整个网 络的通信功能划分成七个层次，每个层次 完成不同的功能。这七层由低层至高层分 别是物理层、数据链路层、网络层、运输 层、会话层、表示层和应用层。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 传输介质 系统A系统B 用户数据用户数据 ISO/OSI七层协议模型 （13层通过通信子网链接，47层是“端到端”的链接） 返回 PDU SDU PCI 应用层：提供网络与最终用户之间的界面。 表示层：转化特定设备的数据和格式，使通信与设备无关。 会话层：在应用程序之间建立连接和会话，并验证用户身份。 传输层：提供节点之间可靠的数据传输,负责数据格式的转换。 网络层：实现节点间数据包的传输,处理通信堵塞和介质传输速率等问题。 链路层：保证在数据节点之间可靠地传输数据帧 物理层：规定物理线路的机械特性、电气特性、功能特性、过程特性 ISO/OSI七层协议模型功能 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 开放系统A开放系统B 应用层协议 表示层协议 会话层协议 传输层协议 中继开放系统 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 物理介质 返回 实体:指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 对等实体:位于不同系统内同一层次的两个实体。 协议:控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 服务:某一层及其以下各层的一种能力。通过接口提供给其相 邻上层。 服务访问点:在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方。 网络体系结构: 计算机网络的层次及其协议的集合，是对网 络及其组成部分的功能的精确定义。 协议栈:某一系统的各层协议集。 服务原语:上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一 些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。 服务数据单元:OSI将层与层之间交换的数据的单位称为服务 数据单元SDU。 网络体系结构的概念 一、 TCP/IP分层模式（DOD模型） TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)是70年代中期美国国防部 (DOD)为ARPANET广域网制定的网络体系结构 和体系标准。以TCP/IP 为基础的Internet成为了 目前国际上规模最大的互联网。TCP/IP已经成为 目前最重要的互联网络协议。TCP/IP是一组通信 协议的代名词，其准确的名称应该是Internet协议 族。 TCP/IP的起源可以追溯到1969年，当时它是作 为一个关于网络互连的分组交换研究项目而开始的 ，该网络被称为ARPANET，是由美国国防部的国防高 级研究项目署创建的。ARPANET在国家科学基金会的 帮助下成长为Interent。ARPANET开始使用的是一种 称为网络控制协议(NCP)的协议。随着Interent的发 展，需要更复杂的协议。1973年，引进了传输控制 协议(TCP),接着，在1981年，引进了网际协议(IP)。 1982年，TCP和IP被标准化成为TCP/IP协议组，并 在1983年，取代了ARPANET上的NCP。 TCP/IP历史 1983年，自由的电子通信和信息共享与其 他一些内容被加入了广为接受的TCP/IP,使其成 为大学和政府部门的标准。TCP/IP作为一个标 准组件被包含到柏克利标准发行中心UNIX的实 现中，从那时起，TCP/IP就与UNIX操作系统关 系密切了，最近几年，用户促使供应商也把 TCP/IP加入其他操作系统中，现在，已有的每 个计算机平台上都有TCP/IP。 Internet协议族中重要的协议族是传 送控制协议(TCP)和网际协议(IP)。 TCPIP的核心思想是把干差万别的 低层协议(网络层和数据链路层)硬件连结 为网络，在传输层网络层建立一个统一 的虚拟的“逻辑网络”，屏蔽或隔离所有物 理网络的硬件差异。 TCP/IP层次结构 TELNETTFTPFTP SMTP TCPUDP IP ARP RARP EthernetToken RingOthers TCPIP参考模型与协议族之间的关系 DNSSNMP 如上图所示，在TCPIP的主机-网 络层中，包括各种物理网协议，如局域 网的Ethernet、TokenRing、X.25的分组 交换网等。一旦这种物理网被用作传送 IP数据包的通道，就可以认为是这一层 的内容。这正体现出TCPIP协议的兼容 性与适应性，它也为TCPIP的成功奠定 了基础。 如上图所示，地址解析协议ARP/RARP并不属于单独 的一层，它介于物理地址与IP地址间，起着屏蔽物理地址 细节的作用。IP可以建立在ARP/RARP上，也可以直接建 立在网络硬件接口协议上。IP协议横跨整个层次，TCP、 UDP协议都要通过IP协议来发送、接收数据。TCP协议提 供可靠的面向连接服务，而UDP协议则提供简单的无连接 服务。 应用层协议可以分为以下三类：一类依赖于面向连接 的TCP协议，一类依赖于无连接的UDP协议，而另一类则 既可依赖于TCP协议，也可依赖于UDP协议。依赖TCP协 议的主要有网络终端协议TELNET、电子邮件协议SMTP 、文件传送协议FTP，依赖UDP协议的主要有简单网络管 理协议SNMP、简单文件传输协议TFTP，既依赖TCP又依 赖UDP协议的是域名服务DNS等。 一、两种体系结构的比较 OSI参考模型中采用了七个层次的体系 结构，将原理体系结构中的应用层再划分为 应用层应用层、表示层表示层和会话层会话层。 下图给出了TCP/IP与OSI这两种体系结 构的对比。 在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是很不 相同的。 C TCP/IP一开始就考虑到多种异构网异构网的互连问题 。 A TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并 重。 B TCP/IP有较好的网络管理功能。 二、TCP/IP体系结构的优点 E 还有一种方法，就是用按层次高低的一些协议来 表示TCP/IP协议族，如图所示。 一定要弄清楚，协议和服务在概念上是很不一样 的。 首先，协议的实现保证了能够向上一层提供服务。 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议 。下面的协议对上面的服务用户是透明的。下面的协议对上面的服务用户是透明的。 其次，协议是协议是“水平的水平的”，即协议是控制对等实体 之间通信的规则。但服务是服务是“垂直的垂直的”，即服务是由 下层向上层通过层间接口提供的。上层使用下层所提 供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在 OSI中称为服务原语服务原语。 在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方，通 常称为服务访问点服务访问点SAP (Service Access Point)。 在OSI中，把（N）层对等实体之间所传送的数据称为（N）协议数据单元 （N）PDU,它由两部分组成： （1）第（N）层协议控制信息（N）PCI，它是按第N层协议的规定加上 的协调两个对等实体间通信的控制信息 （2）OSI将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元服务数据单元SDU (Service Data Unit)。 在任何相邻两层之间的关系可概括为下图所示的那样。在服务提 供者的上一层的实体，也就是“服务用户服务用户”，它使用服务提供者所提 供的服务。 服务用户服务用户 服 务 提 供 者 协议 交换原语 SAP 提供服务 交换原语 SAP 相邻两层之间的关系 见图 物理层的基本概念 数据通信的基础知识 物理层下面的传输媒体 模拟传输与数字传输 物理层标准举例 网络拓扑结构 一、物理层的作用 尽可能屏蔽传输媒体的差 异，透明传送和接收比特流。 如果用OSI的术语来讲，那么物理 层的作用就是给其服务用户（即数据链 路层或数据链路层实体）提供在一条物 理的传输媒体上传送和接收比特流的能 力。 确定与传输媒体接口的一些特性: （1）机械特性。 （2）电气特性。 （3）功能特性。 （4）规程特性。 用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。 二、物理层的主要任务 （1）机械特性 说明接口所用接线器的形状和尺寸 、引线数目和排列、固定和锁定 装置等 等。例如对各种规格的电源插头的尺寸 都有严格的规定。 （2）电气特性 说明在接口电缆的哪条线上出 现的电压应为什么范围，即什么样 的电压表示1或0 （3）功能特性 说明某条线上出现的某一电平 的电压表示何种意义，即规定接口 信号所具有的特定功能； （4）规程特性 说明对于不同功能的各种可能 事件的出现顺序。即规定在数据终 端设备和数据通信设备之间完成物 理层功能的动作序列和动作规则。 在物理连接上的传输方式一般都是 串行传输，即一个比特一个比特地按照 时间顺序传输。但是，有时也可以采用 多个比特的并行传输方式（短距离）。 但是并行传输存在比特同步的问题，而 且开销大，处于经济方面的考虑，在远 程通信中都采用串行传输。 三、物理层向数据链路层提供的服务 物理连接 物理服务数据单元 (PSDU) (串行传 输方式1位，并行传输方式8位) 顺序化 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数 据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传 输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输 媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒 体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由 空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线 传输。 一、 导向传输媒体 双绞线 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后 用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。 采用这种绞起来的结构是为了防止电磁干扰。差 不多所有的电话都是用双绞线连接到电话交换机 上的，这段线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。 模拟传输和数字传输都可以使用双 绞线，其通信距离一般为几到十几公里 。导线越粗，其通信距离就越远，但导 线的价格也越高 。由于双绞线的价格 便宜且性能也不错，因此使用十分广泛 。 下图是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线 的示意图。 为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可在双 绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层 ，这就是屏蔽双绞线。它的价格当然比没有屏蔽 的双绞线要贵。如图所示。 组建局域网络所用的双绞线是一种由4对线（即8根线）组成的 ，其中每根线的材质有铜线和铜包的钢线两类。 一般来说，双绞线电缆中的8根线是成对使用的，而且每一对 都相互绞合在一起，绞合的目的是为了减少对相邻线的电磁干扰。 双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。 目前，在局域网中常用到的双绞线是非屏蔽双绞线（UTP）， 它又分：3类、4类、5类、超5类、6类和7类。双绞线的这8根线的 引脚定义如下： 线路线 号 12345678 线路色 标 白橙橙白绿蓝白蓝绿白褐褐 引脚定 义 Tx+Tx-Rx+ Rx- 在局域网，双绞线主要是用来连接计算机网卡到 集线器或通过集线器之间级联口的级联，有时也可直 接用于两个网卡之间的连接或不通过集线器级联口之 间的级联，但它们的接线方式各有不同。 常规双绞线接法错线双绞线接法 同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或 多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏 蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组 成(如图所示)。 内导体铜芯线 绝缘层外导体屏蔽层（线） 绝缘保护外层（塑料） 同轴电缆的结构 通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆 分为两类： 50同轴电缆 这是为数据通信用的，用于传送基带数字 信号，50 同轴电缆。因此，50 同轴电缆又 称为基带同轴电缆。它完全可以将数据为 10Mb/s的速率传送1公里。广泛用于符合 IEEE802.3标准的以太网环境中。 75同轴电缆 75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆，用于频分多 路复用FDM的模拟信号发送。它是公用天线电视系统 CATV中的标准传输电缆。在计算机通信中，“宽带系 统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆 网络。宽带同轴电缆用于传送模拟信号时其频率可高 达300- 400MHz，支持150 Mb/s的速率，而传输距离 可长达100公里。但在传送数字信号时必须先转换成 模拟信号，在接收端再还原为数字信号。 光缆 光纤通信是利用光导纤维（简称光纤 ）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当 于1，没有相当于0。由于可见光的频率非 常高，因此光纤通信 系统的传输带宽远远 大于目前其他各种传输媒体的带宽。 光纤是一种细小、柔韧并能传输光信号的介 质，一根光缆中包含有多条光纤。光纤通常由非 常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层 构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 100 m，正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤 芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射 向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角(如 图所示)。如果入射角足够大，就会出现全反射， 即光线碰到包层时就会折回纤芯。这个过程不断 重复，光也就沿着光纤传输下去。 光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光 传播的玻璃芯。光纤分为单模光纤和多模光纤两类（所谓“ 模”是指以一定的角度进入光纤的一束光） 光纤通信系统是由光端机、光纤（光缆）和光纤 中继器组成。光端机又分成光发送机和光接收机。而 光中继器用来延伸光纤或光缆的长度，防止光信号衰 减。光纤是光纤通信的传输媒体，在发送端采用发光 二极管或半导体激光器，在电脉冲的作用下产生出光 脉冲，就将电信号调制成了光信号，利用光发送机内 的光源将调制好的光波导入光纤，经光纤传送到光接 收机。光接收机利用光电二极管做成光检测器，在检 测到光脉冲时可还原出电脉冲。经放大、均衡等处理 后送给接收方。 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射 角大于某一个临界角度，就可产生全反射。 因此，可以存在许多条不同角度入射的光线 在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光 纤(如图 (a)所示)。若光纤的直径减小到只有 一个光的波长，则光纤就像一根波导那样， 它可使光线一直向前传播，而不会产生多次 反射。这样的光纤就称为单模光纤(图 (b)。 光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而 且还具有其他的一些特点： （1）传输频带非常宽，通信容量大。 （2）传输损耗小，中继距离长，对远距离传 输特别经济。且抗化学腐蚀能力强。 （3）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电 流脉冲干扰的环境下尤为重要。 （4）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听 或截取数据。 （5）体积小，重量轻。 正是由于光纤的数据传输率高（目前已达到 1Gb/s），传输距离远（无中继传输距离达几十至 上百公里）的特点，所以在计算机网络布线中得到 了广泛地应用。目前光缆主要是用于交换机之间、 集线器之间的连接，但随着千兆位局域网络应用的 不断普及和光纤产品及其设备价格的不断下降，光 纤连接到桌面也将成为网络发展的一个趋势。 但是光纤也存在一些缺点。这就是光纤的切断和将 两根光纤精确地连接所需要的技术要求较高。 表 常用电缆特性比较 电缆类型费 用安装 能力距离抗电磁干扰性 同轴细缆 (Thinnet) STP UTP WT ，没有意 义 。 例：接收窗口大小WR 1，接收窗 口的工作原理如下图。 (a)准备接收0号帧 (b)准备接收1号帧 (c)准备接收4号帧 接收窗口的规则很简单，归纳如下： l只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该 帧。否则，就丢弃它。 l每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前(即向右方 )滑动一个帧的位置。同时向发送端发送对该帧的确认 。 图(a)表明一开始接收窗口处于0号帧处，接收端准备接收 0号帧。一旦收到0号帧，接收窗口即向前滑动一个帧的位置 (图(b)，准备接收1号帧，同时向发送端发送对0号帧的确认 信息。当陆续收到1号至3号帧后，接收窗口的位置应如图(c) 所示。 继续研究接收窗口处于上图 (b)时的接收策略。显 然，若收到1号帧， 则接收窗口将顺时针（P52）旋转 1个号，并发出对1号帧的确认。但若收到的不是1号帧 ，情况就稍复杂些。如果收到的帧号落在接收窗口之 前（顺时针方向），例 如收到了2号帧，这时接收端 就必须丢弃它，并发出对2号帧的否认信息。但若 收 到的帧号落在接收窗口的后面，例如收到了0号帧（注 意：0号帧已收到过，并对它发送过确认信息），这就 表明已发出的对0号帧的确认帧并没有被发方收到。因 此现在还要再发一次对0号帧的确认，不过这时不能再 把0号帧送交主机（否则就重复了）。在这两种情况下 ，接收窗口都不得向前旋转。 为了减少开销，连续ARQ协议还规定接收端 不一定每收到一个正确的数据帧就必须发回一个 确认帧，而是可以在连续收到好几个正确的数据 帧以后，才对最后一个数据帧发确认信息。即接 收方可以对最后收到的帧确认，从而表明这个帧 及以前的所有帧都正确地收到了，从而提高了效 率。 从以上讨论可以看出，当接收窗口保持不动 时，发送窗口无论如何也不会旋转（滑动），因 此这种协议又称为滑动窗口协议。 问题：当数据帧的发送序号（SeqNum）所 用的比特数一定时，发送窗口的最大值WT是多 少? 初看起来，这个问题好象很简单。例如，用 3个比特可编出8个不同的序号，因而发送窗口 的最大值似乎应当是8。 其实不然，下图可以很清楚地说明这一点。 图 发送窗口WT =8时的两种情况 (a)无差错的传送 (b)应答帧全部丢失 假设SeqNum=8， WT =8， WR 1 ， 发送端发送07号帧，并都被接收端确认， 接收端发送ACK0ACK7。 让我们考虑下面两种情况： lACK0ACK7都被发送端收到，发送端发送新的 07号帧； lACK0ACK7出错，发送端超时重发原来的07 号帧； 发端所发送的数据虽然都能正确传送到收端， 但收端所发出的全部确认帧却都传丢了（上图(b)） 。由于发端没有收到确认帧，因此经过一段超时时 间后，发端就重发原来已经发送过的0号帧、1号帧 等等。显然，收端在收到这些重发的数据帧时 ，应将它们丢弃。现在的问题是：对于发端所发送 的第9和第10个 帧（即上图中最后的0号帧和1号帧 ），收端已经无法判断它们是新的数据帧（这时应 当送交主机）还是重发的数据帧（这时应当丢弃） 。由此可见，使发送窗口WT=8将导致协议失败。 可以证明，当用n个比特进行编号时，只有在 发送窗口的大小WT2n-1时，连续ARQ协议才能 正确运行。 可以证明发送窗口和接收窗口有如 下公式： WT+WR2n 这里n是发送序号所占的比特数， 在连续ARQ协议中，接收窗口 WR =1， 所以最后得出： WT2n-1 这表明序号是用3比特编码时，发送窗口 的最大值是7。这对一般的陆地链路已经足够 大了。但对于卫星链路，由于其传输时延很 大，发送窗口也必须适当增大才能使信道利 用率不致太低。这时常取编码n=7, 因而发送 窗口可达127。在这种情况下，所有已发送出 去的但尚未被确认的数据帧都必须保存在发 送端缓冲区中，以便在出差错时重发。 上述的这种对已发送过的数据帧的保存，相当 于一个先进先出的队列（下图）。发送端每发完一 个新的数据帧就将该帧存入这个队列。当队列长度 达到发送窗 口大小WT 时，即停止再发送新的数据 帧。当按照协议进行重发时，队列并不发生变化， 只有当收到对应于队首的帧的确认时，才将队首的 数据帧清除。若队列变空，则表明全部已发出的数 据帧均已得到了确认。 图 用FIFO队列暂时保存发送过的数据帧 前提：在连续ARQ协议中，应当将已发送出去 但未被确认的帧数加以限制。 原则：循环重复使用有限的帧序号。 流量控制 : 在发送窗口，其大小WT表示在收 到对方确认的信息之前，可以连续发出的最多 数据帧数；在接收窗口：其大小WR表示可以连 续接收的最多数据帧数。 接收窗口驱动发送窗口的移动。 发送窗口的最大值： WT +WR 2n ,WT 2n 1 (n为序号的位数) 滑 动 窗 口 协 议 为进一步提高信道的利用率，可设法只重 传出现差错的数据帧或者是计时器超时的数据 帧。但这必须加大接收窗口，以便先收下去发 送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据 帧。等到所缺序号的数据帧收到后一并送交主 机。 WR =1 接收方不能缓存失序到达的帧；加 大WR ，可以缓存失序到达的帧，仅对出错或者 超时的帧重传。 对于选择重传协议，若用n比特进行编号， 发送窗口WT 与接收窗口WR 之和必须满足下式 ： WT +WR 2n 因为接收窗口不应大于发送窗口，接收窗 口的最大值受下式的约束： WR 2n-1。当接收 窗口WR为最大值时， WR = WT = 2n-1 。 图 选择重传ARQ协议的工作原理 设接收窗口 WR=4，再假定6号数据帧 在传送时丢失，按照选择重传ARQ协议， 接着传送的7-8号数据帧在接收端不是被 丢弃，而是先暂存一下。等到6号数据帧 由于超时定时器时间到而重传并到达接收 端时，接收端再按数据帧的序号顺序交付 给主机。可以避免重复传送那些本来已经 正确到达接收端的数据帧。 为此付出的代价是在接收端要设置 具有一定容量的缓存空间，这在很多情 况下是不够经济的。正因如此，选择重 传ARQ协议在目前还远没有连续ARQ协 议使用的那么广泛。今后随着存储器芯 片价格的下降，选择重传ARQ协议还是 有可能得到重视的。 基本原理：出错时，只重传出错的数据帧或定 时器超时的数据帧。 实现：WR1,暂存接收窗口中序号在出错数据 帧之后的数据帧。 优点：可以避免重复传送已经正确到达接收端 的数据帧，提高了信道的利用率。 缺点：在接收端要设置具有相当容量的缓存空间。 接收窗口的最大值：WR 2n-1 (n为序号的位数) 选择重传ARQ协议 一、HDLC概述 早期的计算机通信并没有7层协议的概念。但 那时就发现，对于经常产生误码的实际链路，只 要加上合适的控制规程，就可以使通信变的比较 可靠。ARPANET和IBM公司 分别使用了各自的 控制规程：IMP-IMP协议和BSC规程。这些规程 都是数据链路层的协议，而且都是面向字符的。 所谓面向字符就是说在链路上所传送的 数据必须是由规定字符集（例如ASCII码）中 的字符所组成。不仅如此，在链路上传送的 控制信息也必须由同一个字符集中的若干指 定的控制字符构成。随着计算机通信的发展 ，这种 面向字符的链路控制规程已不能满足 实际的需要，于是，1974年，IBM公司在推 出著名的体系结构SNA时，其数据链路层采 用了面向比特的规程SDLC。 后来，ISO对SDLC进行了修改，称为 HDLC(High-level Data Link Control)，译为 高级数据链路规程。 CCITT则将HDLC再修改 后称为链路接入规程LAP，并做为建议书X.25 的一部分。不久， HDLC的新版本又把LAP修 改为LAPB（平衡型链路接入规程）。 现以HDLC为实例介绍面向比特的链 路控制规程。在此之前，应先弄清两种链 路配置和三种数据传送方式。 图 非平衡配置(a) 与 平衡配置(b) 返回 非平衡配置又分点到点工作和多点工作两 种。其特点是由一个主站控制整个链路的工作 ，主站发出的帧叫做命令，受控的各站叫做次 站或者从站，次站发出的帧叫做响应。在多点 链路 中，主站与每一个次站之间都有一个分开 的逻辑链路。平衡配置只能是点到点工作。其 特点是链路两端的两个站都是复合站，复合站 同时具有主站与次站的功能，因此每个复合站 都可以发出命令和响应。 工作方式 对于非平衡配置，可以有两种数据传送方式。最 常用的是正常响应方式，其特点是只有主站才能发起 向次站的数据传输，而次站只有在主站向它发送命令 帧进行轮询时，才能以响应帧的形式回答主站。另一 种用的较少的是异步响应方式。该方式允许次站主动 发起向主站的数据传输，即次站不需要等待主站发过 来的命令就可以向主站发送响应帧。但是，主站仍负 责全线的初始化、链路的建立和释放以及差错恢复等 。对于平衡配置，则只有异步平衡方式，其特点是每 个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到 对方复合站的允许。 数据传送方式 HDLC可适用于链路的两种基 本配置，即非平衡配置与平衡配 置。 二、 HDLC 的帧结构 数据链路层的数据传送是以帧为单位的。 一个帧的结构具有固定的格式。从网络层下 来的分组，变成数据链路层的数据，这就是 图中的信息字段。信息字段的长度没有具体 规定，数据链路层在信息字段的头尾各加上 24比特的控制信息，就构成了一个完整的帧 ，如图所示。 检验区间 透明传输区间 下面分别介绍控制信息中各字段的意义。 各字段的意义 标志字段F 为了从收到的比特流中正确无误地判断出一个帧 从哪个比特开始、到哪个比特结束，数据链路层必须 解决帧同步的问题。为此，HDLC规定了在一个帧的 开头（即首部的第一个字节）和结尾（即尾部的最后 一个字节）各放入一个特 殊的标记，作为一个帧的边 界，这个标记就叫做标志字段F(Flag)。标志字段F 有8 个比特：01111110。在接收端，只要找到两个标志字 段，则在这两个标志字段之间的比特流就一定是一个 帧。 如果在两个标志字段之间的比特串中碰 巧出现了和标志字段F一样的组合，那么 就会误认为是帧的边界。为了避免出现这 种错误，HDLC规定采用零比特填充法。 零比特填充法（如图所示)：在发送端，当一 串比特流数据尚未加上标志字段时，先用硬件扫描 整个帧(用软件也能实现，但要慢些)，只要发现5 个连续1后，立即插入一个0，就可以保证不会出现 6个连续的1。在接收一个帧时，先找到F字段以确 定一个HDLC帧的边界，接着用硬件对其中的比特流 进行扫描，每当发现5个连续1时就将这5个连续1后 面的一个0删除，以还原成原来的比特流。 这样就保证了在所传送的比特流中， 不 管出现什么样的比特组合，都不会引起帧边 界的判断错误，从而可以传送任意组合的比 特流，或者说，就可以实现链路层的透明传 输。(所谓透明传输就是不出现歧义的传输） 在上图中两个F字段之间注明的“透明区间” 就是这个意思 当连续传送两个帧时，前一个帧的 结束标志字段F可以兼做后一帧的起始 标志字段。当暂时没有信息传送时，可 以连续发送标志字段，使收端可以一直 和发端保持同步。 地址字段8个比特。非平衡方式时，地址 字段写入次站的地址。平衡方式时，地址字 段写入应答站的地址。前面的非平衡配置与 平衡配置图中在链路上传送的“命令”和“ 响应”的后面，都各有一个括弧，里面的字 母就表示地址字段应填入哪一个站的地址。 地址字段A 见图 全为1的地址为广播地址，全为0为无效地址 。 帧校验序列FCS 帧校验序列FCS为16比特。采用的生成 多项式为x16+x12+x5+1(CRCCCITT)。校验 的范围为地址字段的第一个比特到信息字段 的最后一个比特。 控制字段共8比特，是最复杂的字段。HDLC的 许多重要功能都要靠控制字段来实现。根据控制 字段的前两比特的不同，HDLC帧可以划分为三大 类，即信息帧、监督帧和无编号帧，其简称分别 是I (Information)、S (Supervisory)和U (Unnumbered)。下图是对应于这3种帧的控制字段 以及控制字段中的各比特的作用。 控制字段C 信息帧 若控制字段的第1比特为0，则该帧为信息 帧。比特2 4为发送序号N(S)，而比特6 8 为接收序号N(R)。N(S)表示当前发送的信息 帧的序号，而N(R)表示这个站所期望收到的 帧的发送序号（该序号是由对方填入的）。 在全双工通信中，双方各有一个N(S)和N(R) 。 N(R) 带有确认的意思。表示序号为N(R)-1(mod 8)的帧 以及在这以前的各帧都已经正确收到了。 那么在全双工通信的过程中，双发必须设立V(S)和V(R)两 个状态变量，由这两个状态变量的值来确定N(S)和N(R)的值 。N(R)可以用来进行捎带确认。 第5比特是P/F字段（询问/终止字段）。主站或复合站要 询问从站或者复合站时，将P比特置为1表示询问，要求对方 立即发送响应；当从站/复合站发送最后一帧信息帧时将F比特 置1，以表示终止，即表示要发送的数据已经发送完毕。 监督帧 若控制字段的第1 2比特为1 0，则对应 的帧即为监督帧S。监督帧共有四种，取决于 第3 4比特的值(即上图中标有S的二比特)。 下表是这四种监督帧的名称和功能。 前三种用于连续ARQ协议中，最后一种 用于选择重传ARQ协议中。 所有监督帧中都没有信息字段，所以总 的长度只有48比特。不需要有发送序号N(S) 。前两种相当于确认帧ACK。REJ相当于 NAK。 RR帧和RNR帧还具有流量控制的作用 。 无编号帧 若控制字段的第1 2比特都是1时，这个帧就是无编号帧U。 不存在N(S)和N(R)。主要用于链路管理（包括数据链路的建立、 释放、恢复的命令和响应），它可以在需要时随时发出，不影响 信息帧的交换顺序。它用标有M的第3，4，6，7，8比特表示不同 的无编号帧，共有32种组合，但目前只定义了15种无编号帧。 注意：某些无编号帧会有信息字段。 面向比特的链路控制规程HDLC小结 HDLC的两种配置和三种方式: 主站: 发送命令帧、数据信息帧和响应帧 ，并控制整个链路的工作。 次站: 接收命令帧，向主站发送响应帧， 并配合主站进行链路控制。 复合站:同时具有主站与次站的功能，每 个复合站都可以发送命令和响应。 两种基本配置: 非平衡配置(点-点，点- 多点)和平衡配置(点-点) 三种方式: 正常响应方式NRM: 数据传输 由主站发起，次站响应主站的轮询 异步响应方式ARM: 从站可主 动向主站发送响应帧 异步平衡方式ABM: 每个复合站 都可以平等地发起数据传输 HDLC的帧结构 帧同步：标志F“0111,1110“,标记帧的首尾边界。 透明传输：采用零比特填充法 可传送任意组合 的比特流。 地址字段A：非平衡方式(写入从站地址);平衡方 式(写入应答站的地址)。 帧校验序列FCS：采用CRC-CCITT。 控制字段C：标记帧类型，并附加控制信息。 数据链路层思考题 2-7 在计算机通信中，采用何种差错控制方 法？（参考答案） 2-8 数据链路层的链路控制包括哪些功能？ （参考答案） 2-9 在停止等待协议中，应答帧为什么不需 要序号？（参考答案） 2-10 在连续ARQ协议中，若发送窗口大小等 于5，其含义是什么？（参考答案） 练习题： 采用CRC校验信息，取 G(x)=x4+x3+1,信息为11100110 ， 试求校验后发送端发送的信息 ？ 网络层提供的服务 路由选择 流量控制 X.25 建议书 把源计算机发出的信息分组经过适 当的路径送到目的地计算机。 网络层的任务 网络层是通信子网的边界，是通信子网与资源子网 的接口。它决定接口的主要特征。网络层的功能属于通 信子网，用于控制通信子网的操作。它通过网络连接交 换传输实体发出的数据，把上层来的数据组织成分组， 在通信子网的节点之间交换传输。网络层的主要功能是 实现整个网络系统内的连接，为传输层提供全网范围内 两个终端用户之间数据传输的通路，包括交换方式、路 由选择，以及与之相关的流量控制和拥塞控制。对于由 广播信道构成的通信子网，路由选择问题很简单，因此 这种子网的网络层非常简单，甚至可以没有。对于一个 通信子网来说，最多只有到网络层为止的最低三层。网 络层传输的数据单元是分组。 网络层的功能 l网络互连 l路由选择 l拥塞控制 l流量控制 l差错控制 l记账功能 网络层向运输层提供面向连 接的虚电路服务和无连接的数据 报服务。 三、分组的管理 l当一个站要发送一个报文，其长度比最 大分组长度还要长，他把该报文分成组 而且把这些分组发送到结点上。问题是 网络将如何管理这些分组流呢？有两种 方法：数据报和虚电路。 数据报 在数据报方式中，每个分组独立地处理 ，就像在报文交换网络中每个报文独立地处 理那样。现在我们来考虑这种方法的实现过 程。 数据报方法的优点 l避免了呼叫建立状态，如果一个站只希望发送 一个或很少几个分组的话，数据报传递是较快 的。 l原始较灵活常用数据报方法进行网际互连。 l数据报传递特别可靠。如果一个节点失败，通 过该结点的所有虚电路均丢失了，若用数据报 传递，一个结点失效，分组还能找到替代路径 。 虚电路 在虚电路分组交换中，第1个分组决定随后所有分组都要 遵从的路由。为了进行数据传输，网络的源节点与目的节点 之间先建立一条逻辑通路，源端系统先向源节点发出呼叫请 求，要求与目的端系统建立连接。源节点将该请求借助路由 选择经过通信子网的中间节点送往目的地节点，目的地节点 最后将请求送给目的地端系统。该呼叫请求是作为一个特殊 的分组从源节点传送到目的地节点的。在虚电路建立起来之 后，源端系统就可以向目的地端系统发送若干个数据分组。 最后由源或目的地端系统发出折除连接的请求分组，这样整 个连接就一段一段断开了。呼叫请求和拆除连接请求可能需 要对方发回应答分组。 上述传输数据的逻辑通路称虚电路。它之 所以是虚的，是因为这条电路不是专用的，每 个节点到其它节点之间可能同时有若干条虚电 路通过，也可能同时与多个节点之间具有虚电 路。每条虚电路支持特 定的两个端系统之间的 数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电 路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路由 可能相同也可能不同。 一个端系统每次建立虚电路时，选择一个没用 过的虚电路号分配给该虚电路，以便区别于本系统 中的其它虚电路。在传送数据时，每个数据分组上 不仅要有分组号、检验和等控制信息，还要有它要 通过的虚电路的号码，以区别于其它虚电路上的分 组。在每个节点上都维持一张虚电路表，它的每一 项记录了一个打开的虚电路的信息，包括虚电路号 、前一节点和下一节点的标识。数据的传输是双向 进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的 。 由于各个端系统各自独立地选取虚电路号，不可避免地会 造成虚电路号的重复。如果两条号码相同的虚电路经过了同一 节点，那么就会产生二义性。解决的办法是使用“动态”的虚电 路号。当A所连的端系统发出呼叫请求时，请求分组中已经包 含由端系统所选取的(最低的)未用过的虚电路号N。A接收到请 求分组后并不直接把它送给下一节点C，而是，从在A和C之间 所有正在使用的虚电路号之外选取一个最低号码NA，并将请 求分组中的虚电路号N替换成NA，然后再把分组送到下一节点 C。以后的节点亦依次逐个替换分组中的虚电路号，直到目的 地节点D，把从C送来的请求分组中的虚电路号NC替换成与目 的端系统之间的虚电路号ND，再把请求分组发送给端系统。 这样，在虚电路所跨越的每段连接上的虚电路号就是唯一的了 。 虚电路技术的主要特点 l在数据传送前建立站与站之间的一条路径 。注意：这样做并不是说他象线路交换那 样有一条专用通路，分组在每个站点上仍 然需要缓冲，并在线路上进行输出排队。 他与数据报方法之间的差别在于，各结点 不需要为每个分组做路径选择判定。 l比较适合于长时间的数据传输。 l网络层的任务：把源计算机发出的信息分组经过适当的路径送 到目的地计算机。 l路由选择算法和他们使用的数据结构是网络层设计的一个主要 领域。路由选择算法是网络层软件的一部分，负责确定所受到 的分组应传送的外出线路。 l如果子网内部采用数据报方式，对收到的每一个分组都必须重 新作一次路由选择，因为对于每个分组来说，上次到达的最佳 路由有可能已被改变。然而如果子网内部采用虚电路方式，则 只需要在建立虚电路时作一次路由选择，以后分组就在这条线 前建立的路由上传送。 一、理想路由算法的基本特性 l正确性 (correctness) l简单性 (simplicity) l健壮性 (robustness) l稳定性 (stability) l公平性(fairness) l最优性(optimality) l高效性(efficiency) 理想路由算法的基本特性 l正确性：指路由选择算法不仅本身是正确的 ，而且应该达到数据通信所要求的目标，以 满足用户的业务需要。 l简单性：要求路由选择算法不能太复杂。路 由算法不能给各个节点带来过重的负担，算 法处理和传输上的开销会影响网络的通信效 率。同时过于复杂或过于网络状态变化敏感 的算法都不是很好的算法。 理想路由算法的基本特性 l健壮性：在出现硬件或软件故障时网络拓扑结构可能要 多次发生改变，或者网络中流量过大而发生过载现象时 ，要求路由算法能够适应拓扑结构和通信量等网络状态 的变化，尽可能使网络正常运行，把被中断的数据传输 继续进行下去。避免重启网络。 l稳定性：有些算法对网络状态变化反应过于敏感或迟钝 ，使得路由算法不管运行多长时间，都一直不能趋于稳 定，网络内部流量的分布总是不平衡，甚至数据会在网 络中来回传递。这就要求算法对网络状态变化的反映做 到恰到好处。 理想路由算法的基本特性 l公平性： l最优性：公平性和最优性二者互相矛盾 l高效性： l不管是用什么路由算法，每个节点都会有一些处 理开销，而且同时会带来传输的开销，这些都会 影响网络的效率。为了满足某些特性（增强健壮 性或公平性），路由算法可能会带来一些而外开 销，这些特性带来的好处应该抵的过额外开销带 来的坏处。 二、静态路由选择和动态路由选择 l路由选择算法按路由算法能否随网络通信 量或拓扑的变化自适应的进行调整可以分 为两大类：非自适应的和自适应的（静态 路由选择和动态路由选择）； 见课本P63图2.28 l非自适应算法：不根据实测或估计的网络的当前通信量 和拓扑结构来作路由选择，而是按照某种固定的规则来进行 路由选择，每个IMP(接口报文处理机或者叫结点交换机)存 储一张表格，每项记录对应某个目的地节点的下一节点或链 路，并不记录到达目的地节点的所有中间节点。当一个分组 到达某节点时，节点只要根据分组上的地址信息从固定路由 表中找出对应的目的地节点及应选择的下一节点，并将分组 转发给该下一节点。一般地，网络中有一个中心节点，它按 照最佳路由算法求得每对节点间的最佳路由，然后为每个节 点构造一个固定路由表，最多在网络拓扑改变时才有可能重 新计算和重新装入路由表，或者由操作员在各个路由相关的 节点上手工地修改路由表。 l自适应算法：根据拓扑结构，通信量的变化来改变其路由 选择。在自适应路由选择中，关于当前可提供的路由的信息 需要在网络节点之间传送，所有 IMP 根据收到的路由选择 信息定期地更新它们的路由表格。因此，新的路由、改变了 的路由或不可再用的路由都能自动在它们的路由表中反映出 来。为了实现自适应路由选择，需要有一个路由选择协议， 以定义交换路由选择信息的方式和计算最短路径的方法，因 为仅最短路径才被加到路由表格中。当前流行的路由选择协 议基于两个重要的算法类型，即距离向量路由选择和链路状 态路由选择。 非自适应算法 l洪泛法 l固定路由选择算法 洪泛法（flooding） 一个网络节点从某条输入线路收到一个分组 之后，把这个分组从除了分组到来的线路外的所 有其他输出线路上发出。结果最先到达目的节点 的一个或多个分组肯定是走过了最短路径，并且 所有可能的路径都尝试过了。显然扩散法产生大 量的重复分组，如果不采取某些措施来抑制这种 过程，产生的分组数可能是无穷大。 常采用三种措施： 让每个分组头部包含一个站点计数