数据通信体系结构与协议

第 7章 数据通信体系结构与协议 数据通信协议及 OSI通信体系结构 7.1 V.24 物理层接口标准 7.2 HDLC 数据链路控制协议 7.3 ITU-T X.25标准中的分组层协议 7.4 TCP/IP通信体系结构 7.5 IP 7.6 TCP 7.6 数据通信是依照一定的通信协议 ， 在两点或多点之间通过某种传输媒介 (例如电缆 、光缆 )以数字二进制信息单元形式交流信息的过程 。 目的是实现计算机与计算机 、 计算机与终端 、 终端与终端之间的数据信息交流 。 7.1.1 概述 7.1 数据通信协议及 OSI通信体系结构 通常把计算机、终端（如网络打印机）、其他数据终端处理设备统称为数据终端设备（ Data Terminal Equipment， DTE）。 协议 （ Protocol） 主要包括以下的全部或部分要素 。 语法 (syntax)：包括数据格式 、 编码 、信号级别等 。 语义 (sematics)：包括用于相互协调及差错处理的控制信息 。 定时关系 (timing)：包括速度匹配和时序关系 。 协议协调通信网的运转，负责网中信息传递的控制、管理、转换。所以，协议十分重要。国际标准化组织 (ISO)、国际电信联盟电信标准化组织 (ITU-T)、 Internet体系结构委员会（ IAB）在促进协议标准化方面做了许多工作，制定了一系列标准和建议。实际上协议就包含在这些标准和建议之中。 7.1.2 OSI通信体系结构 开放系统，是指允许两个不同系统独立于下层体系结构进行通信的一套协议。其目的就是在不需要改变系统的软硬件逻辑结构的条件下，使不同系统间的通信成为可能。允许不同厂商按照开放系统中的协议，设计自己的通信软件。而开放的另一个含义是该协议族的定义及其多种实现可以不用花钱或花很少的钱就可以公开地得到。 OSI模型由 7个功能层组成 ， 它们是：物理层 、 数据链路层 、 网络层 、 运输 （ 传输 ）层 、 会话层 、 表示层和应用层 。 图 7-1 DTE网络间相互通信以及对应的 OSI分层模型 1.应用层 (第 7层 ) 7.1.3 OSI模型各层的基本功能 应用层直接与用户和用户的应用程序进行通信。应用层提供的典型服务有：文件传送、电子邮件、远程计算机访问、分布式系统等。 2.表示层 (第 6层 ) 表示层的主要功能是把应用层提供的信息变为能共同理解的形式。 3.会话层 (第 5层 ) 会话层建立并保持用户进程之间的逻辑关系，以及处理进程之间的对话，并且保证每次会话都会正常结束。 会话层的主要功能有：确认双方身份；确定工作方式（是全双工还是半双工）；确认付费方；对传送的大文件设置断点（同步点）；并提供检查断点重传机制等。 4. 运输层 (第 4层 ) 运输层又称传输层，也称端到端层，它实现用户端到端或进程之间的信息控制和信息交换。 传输层的主要功能有：决定是否通过一条单独路径来传输所有的消息（是虚电路还是分组方式）；在发送端将消息分解成带序号的分组，在接收端将分组正确重组为消息；负责将报文从源 DTE的一个特定进程传递到目标 DTE的一个特定进程；在信源进程到信宿进程的层次上进行差错控制和流量控制。 5.网络层 (第 3层 ) 网络层又称通信子网层，负责将数据分组从源 DTE尽力传输到目的 DTE的过程。 网络层属于通信体系结构中的低层组，因此除了源 DTE、宿 DTE之外，中间的网络节点或网络设备也要参与对网络层的数据分组6.数据链路层 (第 2层 ) 数据链路层是在物理层基础上建立的，用于建立和拆除数据链路连接，实现无差错传输的控制层。 数据链路层的主要功能是分组的封装成帧；相邻节点链路层的错误检测、流量控制；在数据同步通信中负责时序同步。 7. 物理层 (第 1层 ) 物理层包含那些在物理媒介上传输比特流必须的功能。 7.1.4 层间通信 0SI参考模型基于下列简单的假设给出了不同类型计算机之间通信的框架 。 在每层运行一组规则或运行过程 。 这些规则或过程称为协议 。 运行在每层的协议只允许与 OSI的直接上层或直接下层进行通信。 图 7-2 层间数据单元关系 在标准 ISO X.210中使用了 4种类型的服务原语来定义分层体系结构中相邻层之间的请求原语： request 指示原语： indication 响应原语： response 证实原语： confirm 7.2 V.24 物理层接口标准 7.2.1 概述 物理层标准中最常用的就是物理层接口标准。而物理层接口一般指 DTE与 DCE的界面。DTE指数据电路终端设备。 DTE需要通过 DCE（如调制解调器）才能与网络相连。因此本节讨论物理层 DTE/DCE接口标准。通过讨论得到广泛应用的 V.24接口标准，从而更好地理 通常说的 V.24接口标准实际上包括了一机械的： ISO 2110 电气的： V.28 功能的： V.24 过程的： V.24 7.2.2 机械特性 7.2.3 电气特性 7.2.4 功能特性 7.2.5 过程特性 7.3 HDLC 数据链路控制协议 7.3.1 基本概念 HDLC定义了三种类型站点、两种链路设置以及三种数据传送操作模式。 主站：负责控制链路操作。发出命令帧，从站：在主站的控制下操作，发出应答帧，接收命令帧，并配合主站参与对链路的组合站：混合了主站和从站的特点，既能发出命令帧和应答帧，也能接收命令帧和应答帧。 7.3.2 帧结构 在 HDLC中，所有信息都由帧来承载，帧分为三类：信息帧 (I帧 )、监控帧 (S帧 )和无编号帧 (U帧 )。 I帧主要用于信息传送； S帧主要用于链路监控；而 U帧用来提供附加的链路控制功能。 图 7-4 HDLC的帧格式 1. 地址域 (A) 2. 控制域（ C） 3. 信息域（ I 4. 帧校验序列域 (FCS) 5.标志序列（ F 7.3.3 控制域（ C）格式和参数 7.3.4 操作过程 HDLC的操作涉及了三个阶段。首先，双方中有一方要初始化数据链路，使得帧能够以有序的方式进行交换。在这个阶段中，双方需要就各种选项的使用达成一致。初始化之后，双方交换用户数据和控制信息，并且实施流量和差错控制。最后，双方中有一方要发出信号来中止操作。 1. 初始化 2. 数据传送 3. 7.4 ITU-T X.25标准中的分组层协议 7.4.1 X.25的层次 图 7-5 X.25接口 X.25标准定义了物理层、链路层、分组层共 3层功能 1. 7.4.2 X.25的分组层协议 （ 1）为每个用户呼叫（包括虚呼叫和永久虚电路）指定数据终端和网内设备的逻辑信道号，从而建立和拆除虚电路？使用户（ 2 （ 3 2. （ 1）呼叫建立分组：用于在两个 DTE之间建立交换虚电路。 这类分组有：呼叫请求分组、呼入分组、呼叫接受分组和呼叫连（ 2）数据传输分组：用于在两个 DTE之间实现数据传输。这类分组有：数据分组、流量控制分组、中断分组和在线登记分组。 （ 3）恢复分组：实现分组层的差错恢复，包括复位分组、再启动分组和诊断分组。（ 4）呼叫释放分组：用于在两个 DTE之间断开虚电路。包括呼叫释放请求分组、释放指示分组释放接受分组和释放确认分组。3. 4. 表 7-8 呼叫请求分组格式 7.5 TCP/IP通信体系结构 TCP/IP的正式名称是 TCP/IP互联网协议族，一般称为 TCP/IP （ Transmission Control Protocol/Internet Protocol）。TCP/IP通信体系结构是开放的体系结构，多个不同厂家生产各种型号的计算机，它们运行着不同的操作系统， TCP/IP允计它们互相之间进行通信。使用 TCP/IP也可以在任何相互连接的一系列网络之间进行通信。 7.5.1 TCP/IP模型 TCP/IP模型一般认为由 5层构成：独立网络层、网络接口层、网际层、运输层和应用层。 图 7-10 TCP/IP 分层模型 1. 目前状况 7.5.2 TCP/IP模型与 OSI标准模型的比较 （ 1） TCP/IP在 OSI对相应协议进行标准化的 10年前就已经有了定义，之后被广泛应用。因此， 80年代的一些公司因急需使用某种标准而面临如下的选择，是继续等待具有光明前途但却从来没有真正完成的 OSI软件包，还是使用随时可以使用的 TCP/IP协议族。人们选择使用了 TCP/IP，一旦作出了这样的决定，那么要从现存的基础上进行移植就要在费用和技术方面冒险，这就抑制了 OSI的 （ 2） TCP/IP是随 UNIX操作系统配套发（ 3） Internet是在 TCP/IP的基础上建立的。 2. 主要差别 TCP/IP分层模型是在 OSI之前发展而来的。因此它的 5层分层模型中的层次概念与OSI模型中的层次概念并不完全匹配。 7.6 IP 在 TCP/IP中， IP是最主要的第 3层协议，它是网际协议（ Internet Protocol）英文首字母的缩写。 IP提供了三个重要的定义。第一， IP定义了在整个 TCP/IP互联网上数据传输所用的基本分组单元及其格式；第二， IP软件完成选择一个分组发送的最初路径；第三， IP还包括了一组体现不可靠和无连接的分组交付思路的规则：每个分组都将独立传输；它们可能通过不同的路径传输，因此有可能在到达目的地的时候次序发生颠倒； IP不追踪传输路径，因而也没有任何机制来进行重新排序；这些规则还指明了主机和路由器应该如何处理分组、何时及如何发出错误信息以及在什么情况下可以放弃分组；IP将尽最大的努力使传输能够到达目标，但并不提供任何保证。 7.6.1 IPv4分组格式 图 7-11 IPv4分组格式 7.6.2 IPv4寻址方式 IPv4的 32位地址简称为 IP地址。 IP地址类似于电话网中的电话号码， IP地址并不是直接与主机或网络设备一一对应的，它是与主机或网络设备上的网络接口一一对应的。 IP协议的寻址方式支持 5种不同的网络类型，地址格式的最左边的一个或多个二进制数用来指定网络类型。 1. A 2. B 3. C 4. D 5. E 6. IP 最初网络的形成，一般是由某组织或公司为了实现具体目的而设计的，组织或企业会选择适合通信需要和预算的硬件技术从而形成各自的物理网络。而互联网就是要把这些物理网络连接到一起实现信息共享。从上面 IP地址的划分来看， A类和 B类地址为主机分配了太多的空间，可分别容纳的主机数分别为 224-2和 216-2（全 0或全 1的主机号无效）。 事实上，在 1个物理网络中，一般最多有几千台主机。因此 1个 A类或 B类地址只安排给一个物理网络会浪费大量的网络地址。这样，子网编址技术就应时而生了。 表 7-14 子网编址举例 7.6.3 IPv4路由选择 路由器内存或者被配置为网关的主机内存中有路由表。当收到一份分组并进行发送时，它都要搜索该表一次。当分组来自某个网络接口时， IP首先检查目的 IP地址是否为本机的 IP地址之一或者 IP广播地址。如果是，分组就被传送到由 IP分组头协议字段所指定的协议模块进行处理。如果不是，那么如果IP层被设置为路由器的功能，就对分组进行转发；否则，分组被丢弃。 路由表中的每一表项都包含以下信息。目的 IP地址。它既可以是 1个完整的主机 IP地址、也可以是 1个网络 IP 下一跳 (或下一站 )路由器的 IP地址，或者有直接连接的网络 IP地址。下一跳路由器是指一个在直接相连网络上的路由器，通 标志。其中一个标志指明路由的 IP地址是网络地址还是主机地址，另一个标志指明下一跳路由器是否为真正的下一跳路由器 IP （ 1）搜索路由表，寻找能与目的 IP地址完全匹配的表项。如果找到，则把分组发送给该表项指定的下一跳路由器或直接连接的网络接口。 （ 2）搜索路由表，寻找能与目的网络地址相匹配的表项。如果找到，则把分组发送给该表项指定的下一跳路由器或直接连接的网络接口。目的网络上的所有主机都可以通过这个表项来处理。这种搜索网络的匹配方法必须运用子网掩码再定位到目的主机。 （ 3)搜索路由表，寻找标为“默认(default)” 的表项。如果找到，则把分组（ 4）都没有成功，则宣布选路错误。 7.6.4 IPv4分组的分片与重组 7.6.5 下一代互联网的网际协议 IPv6 互联网的网络规模及业务的剧增，暴露了现行的网际协议 IPv4存在很多不足，尤其是 IPv4地址短缺甚至地址空间将要耗尽的问题。 为了克服 IPv4的不足， IETF早在 1990年就开始了 IPv4升级协议的研究， 1995年 IETF从几个最有希望的方案中选择出最终方案并正式发布为 IPv6，作为新一代互联网的网际协议。近年来， IPv6协议基本框架已逐步成熟，并在广泛的范围内得到了实践和研究。1. IPv6 （ 1 IPv6分组的目的地址有如下三种基本类型。 单播 (Unicast)地址：标识结点的单个接口。发送给单播地址的分组将被传送到该地址指向的接口。 组播 (Multicast)地址：标识属于不同网络结点的一组接口。发送给组播地址的分任播 (Anycast)地址：标识属于不同网络结点的一组接口。发送给任播地址的分组将被传送到该地址所标识的某一最邻近的接（ 2 2. IPv6 图 7-12 1Pv6分组的一般格式 3. 从 IPv4向 IPv6过渡 下一代互联网的网际协议 IPv6解决了IPv4地址空间不足的问题；提高了网络的处理效率；能够更好的处理流媒体业务从而改善 QoS特性；同时在可扩展性、安全性等方面都明显优于目前的 IPv4 但 IPv6与 IPv4并不兼容。由于在目前互联网中对 IPv4设备进行了巨大投资，在短时期内将这些设备更换为 IPv6设备是不可能的。因此，从 IPv4发展到 IPv6是一个共存过渡、(1) (2) 7.7 TCP 传输控制协议（ Transmission Control Protocol， TCP） 提供了面向连接的数TCP是 TCP/IP互联网协议族的一部分，但它是一个独立的十分流行的通用协议，也适用于别的传输系统，例如它还可以在以太网之类的简单网络上运行。 7.7.1 TCP 数据段结构 图 7-16 TCP报文段与 IP分组的封装 图 7-17 TCP报文段格式 表 7-17 标志字段的比特含义 图 7-18 TCP伪首部格式 7.7.2 TCP 连接 TCP连接只与源 IP地址、源 TCP端口号、目的 IP地址和目的 TCP端口号这 4个参数有关，即它只与两个端点系统有关。这样， TCP连接与“虚电路”连接是完全不同的，其连接状态驻留在两个端点系统中，因此 TCP连接对传输分组的中间网络设备是毫无意义的。下面比较深入地讨论如何建立和关闭一个TCP连接。 第一步：源端 TCP首先向目的端 TCP发送一个特殊的 TCP报文段。该报文段不包含应用层数据，它将该报文段首部中的 SYN标志比特设置为 1，这个报文段也被称为 SYN 报文段。同时，源端 TCP会选择一个初始顺序号 BF (isn_s) BFQ ，并将这个编号放到初始的 SYN报文段的序号字段中。该报文段被封装到一个 IP分组中，并发送给目的主机。 第二步：一旦装有 SYN报文段的 IP分组到达了目的主机 (假设它能到达 )，目的主机将从该分组中提取出 SYN报文段，给该连接分配 TCP缓冲区和变量，并向源端 TCP返回发送一个允许连接的报文段。该报文段也不包含任何应用层数据，但它的首部中装载着 3个关键信息。首先， SYN被设置为 1；其次，TCP数据段首部的确认字段被设置为 isn_s+1；最后，服务器选择它自己的初始序号 (isn_d)并将该值放到 TCP报文段首部的序号字段中。 这个允许连接数据段有效地说明了“目的主机已经接收到了要求开始连接的带有初始序号为 isn_s的 SYN报文段并同意建立该连接，目的端 TCP报文段的初始序号为 isn_d” 。这个允许连接报文段有时被称为 SYNACK报文 第三步 :在接收到 SYNACK报文段之后，源端主机也会给连接分配