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第2章计算机网络的协议体系结构 2 1网络体系结构概述2 2开放系统互连参考模型2 3OSI RM各层主要功能概述2 4OSI RM的基本概念2 5物理层2 6数据链路层2 7网络层2 8运输层2 9高层协议 1 2 1网络体系结构概述 网络体系结构的概念网络体系结构的定义计算机网络系统是一个十分复杂的系统 将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统 然后 分而治之 这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段 分层就是系统分解的最好方法之一 2 计算机网络体系结构的形成 1 网络上两台计算机间数据传输的基本过程2 建立统一网络体系结构的必要性 3 2 1网络体系结构概述 所谓网络体系结构就是为了完成计算机间的通信合作 把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次 规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务 将这些同层进程通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构 4 层次结构一般以垂直分层模型来表示 5 网络协议与接口 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题 同步含有时序的意思 为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定即网络协议 networkprotocol 简称为协议 标准化 6 举例 寄包裹 封装 购物 邮寄 捆扎 运输 拆封 使用 取物 拆包 运输 运输 运输 拆包 运输 捆扎 运输 发信人 收信人 协议 协议 协议 协议 协议 空运 陆运 7 网络协议的组成要素 语法 Syntax 数据与控制信息的结构或格式 规定通信双方 如何讲 语义 Semantics 需要发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种响应 即协议元素的含义规定通信双方 讲什么 同步 Timing 又称时序或定时 事件实现顺序的详细说明 解决何时进行通信的问题 定时规定通信双方 讲的顺序 或 应答关系 8 分层原理 划分层次的必要性相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行 而这种 协调 是相当复杂的 分层 可将庞大而复杂的问题 转化为若干较小的局部问题 而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理 9 为简化问题 减少协议设计的复杂性 大多数网络都采用类似于外交官的层次结构 按层或级的方式来组织 因此协议也是分层次的 协议分层 10 文件传送模块 通信服务模块 网络接入模块 计算机1 文件传送模块 通信服务模块 网络接入模块 文件及文件传送命令 与通信有关的报文命令 网络接口 网络接口 通信网络 计算机2 划分层次举例 网络通信中的分层概念 11 各层设计问题 为什么要采用分层次的结构分层所要实现的功能网络体系结构 计算机网络的各层及其协议的集合网络分层基本规则 根据不同层次的抽象分层 每层应当实现一个定义明确的功能 每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准 各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量 层数应足够多 以避免不同的功能混杂在同一层中 但也不能太多 否则体系结构会过于庞大 并将增加各层服务的开销 12 分层的好处 层之间是独立的灵活性强结构上可分割易于实现和推广能促进标准化工作 13 2 2OSI RM 开放系统在人们的日常使用当中 不同年代 不同厂家 不同型号的计算机系统千差万别 将这些系统互连起来就要彼此开放 所谓开放系统就是遵守互连标准协议的实系统 实系统是由一台或多台计算机 有关软件 终端 操作员 物理过程和信息处理手段等的集合 对实系统的研究 就会涉及到具体的计算机和技术细节 采用抽取实系统中涉及互连的公共特性构成模型系统 然后研究这些模型系统即开放系统互连的标准 这样就避免涉及具体机型和技术上实现细节 也避免技术的进步对互连标准的影响 所谓模型化的方法是用功能上等价的开放系统模型代替实开放系统 凡是符合抽象开放系统互连的特性的实系统都可视为一个开放系统 14 网络体系结构的提出与发展 1969ARPANet1974IBM推出SNA1975DEC推出DNA1977ISO推出HDLC1980CCITT推出X 251982Internet采用TCP IP1984ISO推出OSI RM 15 网络体系结构的分层原理 16 协议层次结构 17 划分层次的概念举例 计算机1向计算机2通过网络发送文件 可以将要做的工作进行如下的划分 第一类工作与传送文件直接有关 确信对方已做好接收和存储文件的准备 双方协调好一致的文件格式 两个计算机将文件传送模块作为最高的一层 剩下的工作由下面的模块负责 18 两个计算机交换文件 文件传送模块 计算机1 计算机2 文件传送模块 只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的 把文件交给下层模块进行发送 把收到的文件交给上层模块 19 再设计一个通信服务模块 文件传送模块 计算机1 计算机2 文件传送模块 只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方 把文件交给下层模块进行发送 把收到的文件交给上层模块 通信服务模块 通信服务模块 20 再设计一个网络接入模块 文件传送模块 计算机1 计算机2 文件传送模块 通信服务模块 通信服务模块 网络接入模块 网络接入模块 通信网络 网络接口 网络接口 网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如 规定传输的帧格式 帧的最大长度等 21 网络体系结构 开放系统互联基本参考模型OSI RM开放 能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行连接 系统 指在现实系统中与互联有关的各部分 ISO7498国际标准 1983年 即七层协议标准网络体系结构事实上的国际标准TCP IP 22 OSI RM的分层原则 层次数目适中层次界面清晰相似的功能确定在同一层层次独立层次关联层次分合层次对等层次协议层次接口 23 OSI模型 24 2 3OSI RM各层主要功能概述 25 ISO OSI模型 OSImnemonicsAllPeopleSeemToNeedDataProcessingPleaseDoNotThrowSausagePizzaAway 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 国际标准化组织 InternationalStandardOrganization 开放系统互连 OpenSystemInterconnection 定于1983年 1995年修订 每一层都根据本层协议对数据单元进行封装 26 ISO OSI模型 PDU ProtocolDataUnit协议数据单元 帧 分组 物理层 缆线 信号的编码 网络接插件的电 机械接口 数据链路层 成帧 差错控制 流量控制 物理寻址 媒体访问控制 网络层 路由 转发 拥塞控制 传输层 为会话层提供与下面网络无关的可靠消息传送机制 会话层 负责建立 或清除 在两个通信的表示层之间的通信通道 包括交互管理 同步 异常报告 表示层 在两个应用层之间的传输过程中负责数据的表示语法 应用层 处理应用进程之间所发送和接收的数据中包含的信息内容 27 物理层 在数据链路层的两个实体之间建立 维持和释放物理连接 规定在物理层传送0 1数据的电参数 波形 频率 电平 规定所用的连接器机械 电气 功能特性和规程特性 传送二进制位 bit 流 ISO OSIRM中各层的主要功能 28 数据链路层 数据链路的建立 维持和释放 帧的分界和同步 差错检测与控制 流量控制 传送帧 29 网络层 路径选择 网络中拥塞控制 传送分组IP数据报 30 传输层 提供两个端系统之间可靠 透明的数据传送 具有复用和分用 顺序控制 流量控制 传送报文 TCP UDP 31 会话层 传送报文 为通信的两个进程建立会话连接 进行交换 会话管理 令牌管理 同步管理 32 表示层 信息格式的转换 数据编码 数据的加密和解密 OSI内部语法 33 应用层 为用户使用网络提供接口 34 OSI网络参考模型功能表示 35 OSI模型的数据流向OSI模型的数据流向 36 OSI模型 物理层透明地传送原始的比特流 单位 bit 比特 数据链路层在两个相邻结点间的线路上无差错地传送数据 单位 帧网络层选择合适的路由 使发送站的传输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站 并交付给目的站的运输层 单位 分组或包传输层据通信子网的特性最佳地利用网络资源 并以可靠和经济的方式 为源站和目的站主机的进程间建立一条运输连接 以透明地传送报文 单位 报文 37 会话层负责通讯双方在正式开始传输前的沟通 建立传输时所遵循的规则 使传输更顺畅 高效 表示层负责内码转换 压缩与解压缩 加密与解密 应用层最高层 确定进程间通信的性质以满足用户的需要 注意 应用层协议并不是解决用户各种具体应用的协议 OSI模型 38 2 4OSI RM的基本概念 服务与协议实系统与系统实体 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程 协议 控制两个对等实体进行通信的规则集合 服务 服务描述两层之间的接口 定义了该层能够代表它的调用者所完成的操作 服务访问站点 SAP 相邻两层的实体进行交互的地方 协议数据单元 PDU OSI中对等层次上传送数据 服务数据单元 SDU OSI层与层之间交换的数据单位 39 网络体系结构主要概念 协议体系 protocolarchitecture 网络协议 是指通信双方 或多方 关于如何进行通信的一种约定 1 协议分层 为了降低设计的复杂度 增加网络的可扩展性 具有概念化 结构化的优点 有利于新业务的导入 协议栈 protocolstack 一个特定的系统所使用的一组协议 每一层一个或几个协议 40 网络体系结构主要概念 层 layer 协议 protocol 服务 service或业务 接口 interface 原语 primitive 41 网络体系结构主要概念 层 layer 协议 protocol 服务 service或业务 接口 interface 原语 primitive 42 网络体系结构主要概念 层 layer 协议 protocol 服务 service或业务 接口 interface 原语 primitive 第n层的通信规则和功能由该层的协议描述 43 网络体系结构主要概念 层 layer 协议 protocol 服务 service或业务 接口 interface 原语 primitive 相邻上下层之间都有接口 接口定义下层向上层提供的服务 44 N 服务 N 实体在 N 协议的控制下可以向 N十l 实体提供服务 实现某种 N十l 层所需要的功能 只有能为 N十l 层所使用的功能才称为 N 服务 N 实体自己提供的某些功能从 N 1 层及其以下各层和本地处理得到的服务与对等 N 实体的通信而得到的服务 45 网络体系结构主要概念 层 layer 协议 protocol 服务 service或业务 接口 interface 原语 primitive 服务由一组原语描述 如果协议位于操作系统中 则这些服务原语通常是一些系统调用 46 数据单元的名称与关系 业务接入点SAP 协议数据单元PDU N层的PDU N层PCI N层SDUN层的SDU N 1层的PDU 协议控制信息PCI PCI PCI PDU 业务数据单元SDU 47 服务原语 primitive 服务原语分为4种类型 请求 request 一个实体请求做某项服务指示 indication 一个实体被告知做某项服务响应 response 一个实体发出响应证实 confirm 请求得到响应原语一般都携带参数 48 服务原语 primitive 空间表示法 49 服务原语时间表示法 N 1层 N 1层 N层 request indication response confirm 计算机A 计算机B 50 服务原语 证实型 confirmed 和非证实型 unconfirmed 服务的区别 证实型服务包含所有4种服务原语 非证实型服务只包含请求和指示2种服务原语 51 服务原语的格式 原语名字 原语类型 原语参数 例 T CONNECT request 10 10 10 10 10 10 10 20 52 服务原语工作示例1COENNCT requestdial2CONNECT indicationring3CONNECT responsepickup4CONNECT confirmringingstops5DATA requestsaysomething6DATA indicationhearsvoice7DISCONNECT requestcallerhangsup8DISCONNECT indicationbusytone 53 服务 service 面向连接的服务首先要在信源与信宿之间建立连接 然后在此连接上通信 最后拆除连接 特点 占用一定的资源 可靠 按序传送非连接服务传送数据不需要建立连接 即有即送 将每个数据单元打包 在包头添加地址信息 特点 每个数据包独自寻路 重复劳动 同一数据流的包可能经由不同的路径到达目的地 到达的顺序也可能颠倒 54 2 5物理层 物理层位于OSI参考模型的最低层 它直接面向实际承担数据传输的物理媒体 即信道 物理层的传输单位为比特 物理层是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接 物理层协议规定了与建立 维持及断开物理信道所需的机械的 电气的 功能的和规程的特性 其作用是确保比特流能在物理信道上传输 55 物理层 ISO对OSI模型的物理层所做的定义为 在物理信道实体之间合理地通过中间系统 为比特传输所需的物理连接的激活 保持和去除提供机械的 电气的 功能性和规程性的手段 比特流传输可以采用异步传输 也可以采用同步传输完成 另外 CCITT在X 25建议书第一级 物理级 中也做了类似的定义 利用物理的 电气的 功能的和规程的特性在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立 保持和拆除功能 这里的DTE DateTerminalEquipment 指的是数据终端设备 是对属于用户所有的连网设备或工作站的统称 它们是通信的信源或信宿 如计算机 终端等 DCE DateCircuitTerminatingEquipment或DateCommunicationsEquipment 指的是数据电路终接设备或数据通信设备 是对为用户提供入接点的网络设备的统称 如自动呼叫应答设备 调制解调器等 物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其它通信设备之间的一组约定 主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题 物理层协议规定了标准接口的机械连接特性 电气信号特性 信号功能特性以及交换电路的规程特性 这样做的主要目的 是为了便于不同的制造厂家能够根据公认的标准各自独立地制造设备 使各个厂家的产品都能够相互兼容 56 物理层的接口特性 机械特性规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸 插针或插孔芯数及排列方式 锁定装置形式等 一般来说 DTE的连接器常用插针形式 其几何尺寸与DCE连接器相配合 插针芯数和排列方式与DCE连接器成镜像对称 57 物理层的接口特性 电气特性规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电路的特性 一般包括 接收器和发送器电路特性的说明 表示信号状态的电压 电流电平的识别 最大传输速率的说明以及与互连电缆相关的规则等 物理层的电气特性还规定了DTE DCE接口线的信号电平 发送器的输出阻抗 接收器的输入阻抗等电器参数 58 物理层的接口特性 电气特性DTE与DCE接口的电路的电气连接方式有非平衡方式 采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种 1 非平衡方式 采用分立元件技术设计的非平衡接口 每个电路使用一根导线 收发两个方向共用一根信号地线 信号速率 20kbps 传输距离 15m 由于使用共用信号地线 所以会产生比较大的串扰 CCITTV 28建议采用这种电气连接方式 EIARS 232C标准基本与之兼容 2 采用差动接收器的非平衡方式 这类采用集成电路技术的非平衡接口 与前一种方式相比 发送器仍使用非平衡式 但接收器使用差动接收器 每个电路使用一根导线 但每个方向都使用独立的信号地线 使串扰信号较小 这种方式的信号速率可达300kbps 传输距离为10m 300kbps时 1000m 3kbps时 CCITTV 10 X 26建议采用这种电气连接方式 EIARS 423标准与之兼容 3 平衡方式 采用集成集成电路技术设计的平衡接口 使用平衡式发送器和差动式接收器 每个电路采用两根导线 构成各自完全独立的信号回路 使得串扰信号减至最小 这种方式的信号速率 10Mbps 传输距离为10m 10Mbps时 1000m 100kbps时 CCITTV 11 X 27建议采用这种电气连接方式 EIARS 423标准与之兼容 59 物理层的接口特性 电气特性 a 非平衡发送器接收器 b 非平衡发送器差动接收器 c 平衡发送器差动接收器 60 物理层的接口特性 功能特性规定了接口信号的来源 作用以及其它信号之间的关系 EIA 232的功能特性与CCITT的V 24建议书一致 它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚信号线的作用 最常用的是10根信号线 其余的一些引脚可以空着不用 在某些情况下 可以只用图中的9根引脚 振铃指示RI信号线不用 这就是常见的9针COM1串行鼠标接口 61 物理层的接口特性 62 物理层的接口特性 规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤 这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成 63 物理层的功能 物理连接的激活和撤除物理服务数据单元的传输物理层的管理 64 物理层的服务 物理连接点对点连接多点连接物理服务数据单元串行并行数据电路标识排序故障状态通知服务质量指标 65 传输媒体DataTransmissionMedium WireLineMedium双绞线 TwistedPaired 同轴电缆 CoaxialCable 光纤 Opticalfibre 1 TwistedPaired双绞线是以螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成的 物理特性 双绞线一般是铜质的 能提供良好的传导率 传输特性 双绞线既可用于传输模拟信号 也可以用于传输数字信号 66 TwistedPaired 连通性 双绞线既可以用于点到点的连接 也可以用于多点的连接 地理范围 双绞线可以很容易地在15km或更大范围内提供数据传输 抗干扰性 在低频传输时 双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆 但在超过10KHz时 同轴电缆就比双绞线明显优越 价格 以每米的价格计算 双绞线比同轴电缆或光纤都要便宜得多 67 TwistedPaired 分类 非屏蔽 UnshieldedTwistedPaired UTP 和屏蔽 ShieldedTwistedPaired UTP电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成 易受外部干扰 包括来自环境噪音与附近的双绞线 但由于其价格低廉且易于安装和使用 所以应用非常广泛 UTP电缆的最大长度一般限制在100米之内 STP以铝箔屏蔽以减少干扰和串音 1991年 美国电子工业协会 EIA 颁布了EIA 568标准 即商业大楼的通信布线标准 EIA 568 A有三种UTP电缆 68 TwistedPaired 3类 UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为16MHz 4类 UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为20MHz 5类 UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为100MHz 3类UTP电缆对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆 在有限的距离内 经过适当的设计 数据速率可以达到16Mbps 5类是数字级电缆 现正成为新建大楼的预装设施 在一定的范围内 经过适当的设计 5类电缆可以达到100 155Mbps速率 69 TwistedPaired 3类和5类UTP的关键差别在于 单位距离上的螺旋的数目 5类旋得较紧 一般为每英寸3 4转 而3类则一般是每英尺3 4转 旋得越紧 价格越贵 但性能也好得多 超5类双绞线 与 类双绞线结构基本相同 与普通 类UTP相比 其衰减更小 串扰更少 同时具有更高的信噪比 更小的延时误差 性能得到了提高 双绞线的质量鉴别 有无标识 绞合紧密程度 韧性好 颜色清晰 阻燃性良好 用测试仪进行测量双绞线质量参数 70 TwistedPaired 屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线UTP 71 TwistedPaired RJ 11接口RJ 45接口 72 2 CoaxialCable 同轴电缆也像双绞线那样由一对导体组成 但它们是按 同轴 形式构成线对 同轴电缆又分为基带同轴电缆 阻抗为50欧姆 和宽带同轴电缆 阻抗为75欧姆 基带同轴电缆用来直接传输数字信号 宽带同轴电缆用于频分多路复用 FDM 的模拟信号发送 73 CoaxialCable 物理特性 单根同轴电缆直径约为1 02cm 2 45cm 可在较宽的频率范围内工作 传输特性 50欧姆同轴电线仅仅用于数字信号的传输 它又分为粗电缆和细电线两种 粗电缆抗干扰性能好 传输距离远 细电线便宜 传输距离较近 数据传输率最高可达10Mbps 连通性 同轴电缆适用于点到点和多点连接 基带50欧姆电缆每段可支持几百台设备 在大系统中还可以用中继器把各段连接起来 宽带75欧姆电缆可支持数千台设备 74 CoaxialCable 地理范围 典型基带电缆的最大距离限制在几千米 宽带电线可以达到几十千米 这取决于传输的是模拟信号还是数字信号 抗干扰性 同轴电缆的抗干扰性能比双绞线强 价格 安装同轴电缆的费用比双绞线贵 但比光纤便宜 75 关于细缆 76 细缆一般以总线型结构在网络中出现 连网时 应注意以下几点 网卡要带有BNC接口 每个用户通过BNC T型连接器接入网络 在干线的两端必须安装50欧姆的终端电阻 如要拓宽网络范围 需使用中继器 细缆网络的每段干线长度最大为185米 每段干线最多接入30个用户 且相邻两用户之间的连线距离不能小于0 5米 可采用4个中继器连接5个网段 使网络最大距离达到925米 细缆安装较容易 而且造价较低 但因受网络布线结构的限制 其日常维护不甚方便 一旦一个用户出故障 便会影响其他用户的正常工作 77 BNC桶型接头 用于连接两段细同轴电缆 BNC连接器及插头 终端匹配器 78 关于粗缆 79 粗缆适用于比较大的局域网的布线 它的布线距离较长 可靠性较好 安装时采用特殊的装置 不需切断电缆 两端头装有终端器 用粗缆组网时在硬件的设置上必须注意以下几点 若要直接与网卡相连 网卡必须带有AUI接口 AttachmentUnitInterface 连接单元接口 一种15针D型接口 用户采用外部收发器与网络干线连接 用AUI电缆连接工作站和外部收发器 粗缆局域网中每段长度可达500米 采用4个中继器连接5个网段后最大可达2500米 用粗缆组建局域网虽然各项性能较高 具有较大的传输距离 但是网络安装 维护等方面比较困难 而且造价太高 同时细缆近年来的发展较快 所以计算机局域网中一般如无特殊要求都使用细缆组网 80 选则粗缆细缆的原则 为了降低系统的造价 在保证一条混合干线段所能达到的最大长度的情况下 应尽可能使用细缆 可以用公式计算在一条混合干线段中能够使用的细缆最大长度 t 500 m l 3 28l为干线段长度 t为可使用的细缆最大长度 81 3 OpticalFiber 光纤是光导纤维的简称 它由能传导光波的石英玻璃纤维 外加保护层构成 82 多模光纤 MultimodeFiber 多模光纤使用的材料是发光二极管 发光二极管是一种固态器件 电流通过时就发光 价格较便宜 它产生的是可见光 但定向性较差 是通过在光纤石英玻璃媒体内不断反射而向前传播的 单模光纤 SingleModeFiber 单模光纤使用的材料是注入型二极管 注入型二极管也是一种固态器件 产生的是激光 由于激光的定向性好 减少了折射和损耗 效率更高 传播距离更长 但价格贵得多 83 物理特性 光纤在计算机网络中均采用两根光纤 一来一去 组成传输系统 按波长范围可分为三种 0 85 m 波长区 0 8 m 0 9 m 1 3 m 波长区 1 25 m 1 35 m 和1 55 m 波长区 1 53 m l 58 m 不同波长的光纤损耗特性不同 传输特性 光纤通过内部的全反射传输一束经过编码的光信号 光纤的数据传输率可达几千Mbps 传输距离达几十千米 连通性 光纤普遍用于点到点的链路 由于光纤功率损失小 衰减少 带宽较大 因此一段光纤能够支持的分接头数比双绞线或同轴电缆多得多 光纤的特性 84 地理范围 从目前的技术来看 可以在6km 8km的距离内不用中继器传输 因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络 抗干扰性 光纤具有不受电磁干扰或噪声影响的独有特征 适宜在长距离内保持高数据传输率 而且能够提供很好的安全性 价格 以每米的价格和所需附属设备部件 发送器 接收器 连接器等 比双绞线和同轴电缆要贵 但光纤的价格将随着工程技术的进步会大大下降 并与同轴电缆的价格相竞争 光纤的特性 85 4 WirelessMedium 信号频率划分 86 1 微波 Microwave 微波通信是在对流层视线距离范围内利用无线电波进行传输的一种通信方式 频率范围为2GHz 40GHz 工作频率很高 与通常的无线电波不同 沿直线传播 由于地球表面是曲面 因此传播距离有限 直接传播距离与天线高度有关 天线越高距离越远 超过一定距离后要用中继站 两微波站的通信距离一般为30km 50km 长途通信时必须建立多个中继站 中继站的功能是变频和放大 进行功率补偿 87 微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两种 模拟微波通信主要采用调频制 每个射频波道可开通300 3600个话路 数字微波通信大都采用相移键控 PSK 目前国内长途干线使用的数字微波主要有4GHz的960路系统和1800路系统 微波通信的传输质量比较稳定 影响质量的主要因素是雨雪天气对微波产生的吸收损耗 不利地形或环境对微波所造成的衰减现象 88 2 卫星通信卫星通信是以人造卫星为微波中继站 它是微波通信的特殊形式 卫星通信的优点是容量大 距离远 缺点是传播延迟时间长 从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间要花270ms 这相对于地面电缆约6 s km的传播延迟时间来说 要相差几个数量级 89 传输媒体小结 90 常用的物理层接口 EIARS 232 C接口RS 232 V 24接口标准EIA 232遵循ISO2110关于插头座的标准 使用25根引脚的DB 25插头座 它的两个固定螺丝中心之间的距离为47 04017mm 其他方面的尺寸也都有详细的规定 DTE上安装带插针的公共接头连接器 DCE上安装带插孔的母接头连接器 其引脚编号如图所示 引脚分为上 下两排 分别有13根和12根引脚 当引脚指向人的方向时 从左到右其编号分别为1 13和14 25 91 常用的物理层接口 EIARS 232 C接口电气特性RS 232 C电气信号的表示RS 232 C电平可高达15伏 对TTL电平来说具有更强的抗干扰能力 但是 既使使用这样高的电平 若两设备利用RS 232 C接口直接相连 即不使用调制解调器 它们的最大的距离也仅约15m 而且由于电平较高 通信速率反而受影响 RS 232 C接口的通信速率小于等于20KBPS 标准速率有50 75 110 150 300 600 1200 2400 4800 9600直至19200BPS几档 92 常用的物理层接口 EIARS 232 C接口功能特性 93 常用的物理层接口 EIARS 232 C接口功能特性RS 232C的DTE DCE连接同名端连接Nullmodem 94 常用的物理层接口 EIARS 232 C接口规程特性满足V 24 描述接口事件发生的顺序 95 常用的物理层接口 EIARS 449接口机械特性37针连接器 基本接口 9针连接器电气特性RS 423 非平衡 RS 422 平衡 96 常用的物理层接口 ITU TX 21协议X 21建议是ITU T于1976年制定的一个用户计算机的DTE如何与数字化的DCE交换信号的数字接口标准 机械特性 15针连接器电气特性DCE X 27DTE X 27orX 26 97 常用的物理层接口 ITU TX 21协议工作过程空闲阶段 呼叫建立阶段 数据传输阶段 拆线阶段 98 2 6数据链路层 数据线路与数据链路数据链路层功能l 数据链路的建立和拆除2 帧传输和帧同步3 差错与流量控制4 数据链路管理 99 数据链路层 数据链路层的服务链路管理帧同步差错控制与检测流量控制寻址对数据和控制信息的标识透明传输 100 数据链路层的协议 停止 等待协议 最基本 最简单的协议理想的数据传输简单的流量控制出错解决超时重发发送序号 101 数据链路层的协议 ARQ协议 102 数据链路层的协议 选择重传ARQ协议 103 数据链路层的协议 滑动窗口协议 104 数据链路层 数据链路控制规程面向字符的同步协议面向比特的同步协议 105 HDLC 七十年代初 IBM公司率先提出了面向比特的同步数据链路控制规程SDLC SynchronousDataLinkControl 随后 ANSI和ISO均采纳并发展了SDLC 并分别提出了自己的标准 ANSI的高级通信控制过程ADCCP AdvancedDataControlProcedure ISO的高级数据链路控制规程HDLC High levelData inkControl 链路控制协议着重于对分段成物理块或包的数据的逻辑传输 块或包由起始标志引导并由终止标志结束 也称为帧 帧是每个控制 每个响应以及用协议传输的所有信息的媒体的工具 所有面向比特的数据链路控制协议均采用统一的帧格式 不论是数据还是单独的控制信息均以帧为单位传送 106 HDLC 3种类型的站主站 从站 复合站2种链路配置非平衡配置 平衡配置 107 HDLC 3种数据传输形式 正常响应方式NRM 这是一非平衡数据链路方式 有时也称非平衡正常响应方式 该操作方式适用于面向终端的点 点或一点与多点的链路 在这种操作方式中 传输过程由主站启动 从站只有收到主站某个命令帧后 才能作出响应向主站传输信息 响应信息可以由一个或多个帧组成 若信息由多个帧组成 则应指出哪一个是最后一帧 主站负责整个链路 且具有轮询 选择从站及向从站发送命令的权利 同时也负责对超时 重发及各类恢复操作的控制 异步响应方式ARM 这也是一种非平衡数据链路操作方式 与NRM不同的是 ARM下的传输过程由从站启动 从站主的动发送给主站的一个或一组帧中可包含有信息 也可以是仅以控制为目的而发的帧 在这种操作方式 与NRM不同的是 ARM下的传输过程由从站启动 从站主的动发送给主站的一个或一组帧中可包含有信息 也可以是仅以控制为目的而发的帧 在这种操作方式下 由从站来控制超时和重发 该方式对采用轮询方式的多站链路来说是必不可少的 异步平衡方式ABM 这是一种允许任何节点来启动传输的操作方式 为了提高链路传输效率 节点之间在两个方向上都需要有较高的信息传输量 在这种操作方式下 任何时候任何站点都能启动传输操作 每个站点既可作为主站又可作为从站 即每个站都是组合站 各站都有相同的一组协议 任何站点都可以发送或接收命令 也可以给出应答 并且各站对差错恢复过程都负有相同的责任 108 HDLC的帧格式 109 HDLC的帧格式 标志字段 F 标志字段01111110的比特模式 用以标志帧的起始和前一帧的终止 通常 在不进行帧传送的时刻 信道仍处于激活状态 标志字段也可以作为帧与帧之间的填充字符 在这种状态下 发送方不断地发送标志字段 而接收方则检测每一个收到的标志字段 一旦发现某个标志字段后面不再是一个标志字段 便可认为一个新的帧传送已经开始 采用 0比特插入法 可以实现数据的透明传输 该法在发送端检测除标志码以外的所有字段 若发现连续5个 1 出现时 便在其后添插1个 0 然后继续发送后面的比特流 在接收端同样检测除标志码以外所有字段 若发现连续5个 1 后是 0 则将其删除 110 HDLC的帧格式 地址字段 A 地址字段的内容取决于所采用的操作方式 在操作方式中 有主站 从站 组合站之分 每一个从站和组合站都被分配一个惟一的地址 命令帧中的地址字段携带的地址是对方站的地址 而响应帧中的地址字段所携带的地址是本站的地址 某一地址也可分配给不止一个站 这种地址称为组地址 利用一个组地址传输的帧能被组内所有拥有该组地址的站接收 但当一个从站或组合站发送响应时 它仍应当用它惟一的地址 还可以用全 1 地址来表示包含所有站的地址 这种地址称为广播地址 含有广播地址的帧传送给链路上所有的站 另外 还规定全 1 地址为无站地址 这种地址不分配给任何站 仅用做测试 111 HDLC的帧格式 控制字段 C 控制字段用于构成各种命令和响应 以便对链路进行监视和控制 发送方主站或组合站利用控制字段来通知被寻址的从站或组合站执行约定的操作 相反 从站用该字段作为对命令的响应 报告已完成的操作或状态的变化 该字段是HDLC的关键 下面还将详细介绍 112 HDLC的帧格式 信息字段 I 信息字段可以是任意的二进制比特串 比特串长度未做严格限定 其上限由FCS字段或站点的缓冲器容量来确定 目前用得最较多的是1000 2000比特 而下限可以为0 即无信息字段 但是 监控帧 S帧 中规定不可有信息字段 113 HDLC的帧格式 帧校验序列字段 FCS 帧校验序列字段可以使用16位CRC 对两个标志字段之间的整个帧的内容进行校验 FCS的生成多项式由CCITTV 41建议规定为X16 X12 X5 1 114 HDLC的帧类型 HDLC有信息帧 I帧 监控帧 S帧 和无编号帧 U帧 三种不同类型的帧 控制字段中的第1位或第1 第2位表示传送帧的类型 第七位是P K位 即轮询 终止 Poll Final 位 当P F位用于命令帧 由主站发出 时 起轮询的作用 即当该位为 1 时 要求被轮询的从站给出响应 所以此时P F位可称轮询位 或P 当P F位用于响应帧 由从站发出 时 称为终止位 或F位 当其为 1 时 表示接收方确认的结束 为了进行连续传输 需要对帧进行编号 所以控制字段中包括了帧的编号 115 HDLC的帧类型 信息帧 I帧 信息帧用于传送有效信息或数据 通常简称I帧 I帧以控制字段第三者位为 0 来标志 信息帧控制字段宫的N S 用于存放发送帧序号 以使发送方不必等待确认而连续发送多帧 N R 用于存放接收方下一个预期要接收的帧的序号 如N R 5 即表示接收方下一帧要接收5号帧 换言之 5号帧前的各帧接收方都已正确接收到 N S 和N R 均为3位二进制编码 可取值0 7 116 HDLC的帧类型 临控帧 S帧 监控帧用于差错控制和流量控制 通常简称S帧 S帧以控制字段第1 2位为 10 来标志 S帧不带信息字段 帧长只有6个字节即使8个比特 S帧的控制字段的第3 4位为S帧类型编码 共有四种不同组合 分别表示 00 接收就绪 RR 由主站可以使用RR型S帧来轮询从站 即希望从站传输编号为N R 的I帧 若存在这样的帧 便进行传输 从站也可用RR型S帧来做响应 表示从站期望接收的下一帧的编号是N S 01 拒绝 REJ 由主站或从站发送 用以要求发送方对从编号为N R 开始的帧及其以后所有的帧进行重发 这也暗示N R 以前的I帧已被正确接收 10 接收未就绪 RNR 表示编号小于N R 的I帧已被收到 但目前正处于忙状态 尚未准备好接收编号为N R 的I帧 这可用来对链路流量进行控制 11 选择拒绝 SREJ 它要求发送方发送编号为N R 的单个I帧 并暗示其它编号的I帧已全部确认 可以看出 接收就绪RR型S帧和接收未就绪RNR型S帧有有两个主要功能 首先 这两种类型的S帧用来表示从站已准备好或未就准备好接收信息 其次 确认编号小于N R 的所有接收到的I帧 拒绝REJ和选择拒绝SREJ型S帧 用于向对方站反指出发生了差错 REJ帧对应Go back N策略 用以请求重发N R 起始的所有帧 而N R 以前的帧已被确认 当收到一个N S 等于REJ型S帧的N R 的I帧后 REJ状态即可清除 SREJ帧对应选择重发策略 当收到一个N S 等于SREJ帧的N R 的I帧时 SREJ状态即应消除 117 HDLC的帧类型 无编号帧 U帧 无编号帧因其控制字段中不包含编号N S 和N R 而得名 简称U帧 U帧用于提供对链路的建立 拆除以及多种控制功能 这些控制功能用于个M位 M1 M5 也称修正位 来定义 可以定义气32种附加的命令或应答功能 118 HDLC的帧类型 119 数据链路服务原语 建立阶段DL CONNECT requestDL CONNECT indicationDL CONNECT responseDL CONNECT confirm数据传送阶段DL DATA requestDL DATA Indication释放连接DL DISCONNECT requestDL DISCONNECT indication 120 数据链路连接与物理连接的关系 121 2 7网络层 网络层是OSI参考模型中的第三层 介于运输层和数据链中路层之间 它在数据路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上 进一步管理网络中的数据通信 将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端 从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务 网络层关系到通信子网的运行控制 体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式 是OSI模型中面向数据通信的低三层 也即通信子网 中最为复杂 关键的一层 网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送 具体功能包括路由选择 阻塞控制和网际互连等 122 网络层的基本功能 建立 维持和释放网络连接路由选择数据分组与合并流量控制 123 网络层的服务 面向连接的网络服务无连接的网络服务 124 面向连接的网络服务 虚电路操作方式虚电路服务是网络层向运输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式 125 无连接的网络服务 数据报操作方式在数据报操作方式中 每个分组被称为一个数据报 若干个数据报构成一次要传送的报文或数据块 每个数据报自身携带有足够的信息 它的传送是被单独处理的 一个节点接收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息 找出一个合适的出路 把数据报原样地发送到下一个节点 当端系统要发送一个报文时 将报文拆成若干个带有序号和地址信息的数据报 依次发给网络节点 此后 各个数据报所走的路径就可能不同了 因为各个节点在随时根据网络的流量 故障等情况选择路由 由于名行其道 各数据报不能保证按顺序到达目的节点 有些数据报甚至还可能在途中丢失 在整个数据报传送过程中 不需要建立虚电路 但网络节点要为每个数据报做路由选择 126 路由选择 理想的路由算法正确性简单性健壮性 能适应通信量和网络拓扑的变化稳定性公平性最优化 127 路由选择算法 最短通路路由选择算法扩散式路由选择算法选择扩散式路由选择算法固定路由选择算法随机路由选择算法查表路由选择算法孤立路由选择算法分布式路由选择算法集中式路由选择算法混合式路由选择算法 128 流量控制 对资源的需求 可用资源 129 流量控制 130 网络层的服务原语 网络连接建立和释放N CONNECT repuest 主叫地址 被叫地址 确认 加速数据 QoS 用户数据 N CONNECT indication 主叫地址 被叫地址 确认 加速数据 QoS 用户数据 N CONNECT reponse 响应地址 确认 加速数据 QoS 用户数据 N CONNECT confirm 响应地址 确认 加速数据 QoS 用户数据 N DISCONNECT repuest 发起者 发起者地址 原因 用户数据 N DISCONNECT indication 发起者 发起者地址 原因 用户数据 131 网络层的服务原语 数据传送N DATA request 用户数据 N DATA indication 用户数据 N DATA ACKNOWLEDGE requestN DATA ACKNOWLEDGE indicationN EXPEDITED DATA request 用户数据 N EXPEDITED DATA indication 用户数据 132 网络层的服务原语 重建网络连接N RESET repuest 发起者 原因 N RESET indication 发起者 原因 N RESET reponseN RESET confirm 133 网络层的服务原语 其他服务原语N UNITDATA repuest 主叫地址 被叫地址 QoS 用户数据 N UNITDATA indication 主叫地址 被叫地址 QoS 用户数据 N FACILITY reponse QoS N FACILITY confirm 目的地址 QoS 原因 N REPORT indication 目的地址 QoS 原因 134 2 8运输层 运输层在OSI中的地位和作用OSI七层模型中的物理层 数据链路层和网络层是面向网络通信的低三层协议 运输层负责端到端的通信 既是七层模型中负责数据通信的最高层 又是面向网络通信的低三层和面向信息处里的高三层之间的中间层 运输层位于网络层之上 会话层之下 它利用网络层子系统提供给它的服务区开发本层的功能 并实现本层对会话层的服务 135 运输层在OSI中的地位和作用 运输层是OSI七层模型中最重要 最关键的一层 是唯一负责总体数据传输和控制的一层 运输层的两个主要目的是 第一 提供可靠的端到端的通信 第二 向会话层提供独立于网络的运输服务 在讨论为实现这两个目标所应具有的功能之前 先考察一下运输层所处的地位 首先 运输层之上的会话层 表示层及应用层局部包含任何数据传输的功能 而网络层又不一定需要保证发送站的数据可靠地送至目的站会话层不必考虑实际网络的结构属性连接方式等实现的细节 根据运输层在七层模型中的目的和单位 它的主要功能是 对一个进行的对话或连接提供可靠的运输服务 在通向网络的单一物理连接上实现该连接的复用 在单一连接上提供端到端的序号与流量控制端到端的差错控制及恢复等服务 运输层反映并扩展了网络层子系统的服务功能 并通过运输层地址提供给高层用户传输数据的通信端口 是系统间高层资源的共享不必考虑数据通信方面的问题 136 运输层协议与网络层协议的关系 运输层协议 运输层服务要求 通信子网所提供的服务 137 运输协议 运输协议其所以复杂是因为支持运输层的网络服务的多种多样 而网络服务的好坏直接影响传输协议的实现 ISO定义了三种类型的网络服务 A型 网络连接具有可接受的差错率和可接受的故障率 B型 网络连接具有可接受的差错率和不可接受的故障率 C型 网络连接具有不可接受的差错率 138 运输层协议等级 运输层的功能是要弥补从网络层获得的服务和拟向运输服务用户提供的服务之间的差距 它所担心的是提高服务质量 包括优化成本 运输层的功能按级别划分 OSI定义了五种协议级别级别TP0 简单级 级别TP1 基本差错恢复级 级别TP2 多路复用级 级别TP3 差错恢复和多路复用级 级别TP4 差错检