现场总线3-网络体系结构与协议

1,第三章网络体系结构与协议,(1)网络体系结构：各层和协议的集合叫做网路体系结构。分层设计：每层具有自己的功能和对上层的接口。协议：不同机器在同层以相同的协议对话。(2)各层设计遇到的问题：建立连接机制：目标多，与那个进程连接，需要寻址数据传送规则：单双向、一个连接是否对应多条逻辑通道差错控制流量控制报文长度路径选择,3.1网络体系结构,2,网络的体系结构主要指网络软件的分层结构及协议。网络设计是高度结构化的，这种结构化设计就是分层设计。每一层完成自己的功能。每层之间有清晰简单的接口，下级对上级提供服务。网络系统太复杂，不好分析、设计。为了减少设计的复杂性，多数网络都是按照分层或分级的方式来组织的，每一层都为它的上层提供服务。各层和协议的集合叫做网路体系结构。分层的好处：将网络通信分解成更小、更简单的模块以便于研发。将网络部件标准化，从而可以让许多供应商进行研发和提供支持。允许不同类型的网络硬件和软件相互通信。防止某一层的变更会影响到其它层，从而可以更快地发展。,解释上一页,3,3.2OSI参考模型（OpenSystemInterconnection）,根据功能需要分层每一层实现明确的功能，并易于制定网络协议的国际标准各层界面简单，减少流过接口的信息量层数应足够多，避免不同功能混杂；但也不能太多，导致体系结构过于庞杂。,3.2.1OSI模型分层原则,4,3.2.2OSI参考模型结构,ISO提出的开放式系统互联（OSI）参考模型,5,OSI参考模型的全称是开放系统互联参考模型，它是由国际标准化组织提出的。OSI参考模型共包括七个层次，它们分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。每一层次都用来实现一种相对独立的通信功能，每一层次又都包含若干重要的应用与通信协议来完成该层的对应相关服务。OSI参考模型的5、6、7层（较高层）主要处理应用方面的问题，第1-4层（较低层）主要处理数据传输方面的问题。,解释上一页,6,OSI模型的数据传输：,网络上所有通信都是从源端传送到目的端的，在网络上传输的信息被称为数据或数据分组。如果主机A想给另外一台主机B发送数据，数据必须首先要经历一个称为封装(encapsulation)的过程。在进行网络传输之前，封装过程会对数据附加上必要的协议信息。,7,3.2.3物理层协议,网络最底层，主要解决如何进行网络物理连接、信息以何种信号传送、如何传送。物理层有四个重要特性：机械特性（接插件型号）电气特性（电平、驱动器/接收器、阻抗、编码）功能特性：信号功能分配和确切定义。规程定义（发送时序、应答关系、操作过程）物理接口标准：RS-232、RS422、RS485、10BASE-T的曼彻斯特编码,物理层定义了网络间物理链路的电气或机械特性，以及激活、维护和关闭这条链路的各项操作。物理层特征参数包括：电压、数据传输率、最大传输距离、物理连接媒体等。该层上的设备包括集线器、收发器、电缆和连接器等。图中有集线器的符号，集线器的作用是再生信号并对信号进行重新定时。双向的箭头表示在集线器中所有的数据都可以在所有的路径上流动。,8,RS-232标准,DTE(DataTerminalEquipment):具有一定的数据处理能力以及发送和接受数据能力的设备，如计算机。DCE(DataCommunicationsEquipment):在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如MODEM。,RS-232标准：机械特性：25针D型插座电气特性：ASpace(logic0)willbeetween+3and+25Volts,AMark(Logic1)willbebetween-3and-25Volts.功能特性：规定每条信号线的定义。规程特性：协议，即事件发生的先后次序。,RS-232LogicWaveform,TTL/CMOSSerialLogicWaveform,DTR:dataterminalready,DSR:datasetready,RTS:requesttosend,CTS:cleartosend,CD:载波信号检测到RS232是非平衡传输方式，传输距离短，传输速率低。,9,DTE-DCE,DTE-DTE,D25PinNo.D9PinNo.AbbreviationFullNamePin2Pin3TDTransmitDataPin3Pin2RDReceiveDataPin4Pin7RTSRequestToSendPin5Pin8CTSClearToSendPin6Pin6DSRDataSetReadyPin7Pin5SGSignalGroundPin8Pin1CDCarrierDetectPin20Pin4DTRDataTerminalReadyPin22Pin9RIRingIndicator,10,TxD,RxD,非平衡传输方式,11,RS-422标准：,TxD,TxD,RxD,RxD,RS-485标准：,使能,使能,12,通常情况下，发送发送器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态；负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C。在RS-485器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。对于接收发送器，也作出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将A-A与B-B对应相连。当在接收端A-B之间有大于+200mV的电平时，输出为正逻辑电平；小于-200mV时，输出为负逻辑电平。在接收发送器的接收平衡线上，电平范围通常在200mV至6V之间。,13,3.2.4.1基本功能链路层：为网络层提供一个无差错的逻辑数据链路，即将一条原始的、有差错的物理链路层变为无差错的逻辑数据链路层。基本功能：访问控制；成帧；寻址；差错控制流量控制；透明传输；链路管理：面向连接的服务要建立和释放连接。数据链路层分为上下两层:LLC:逻辑链路控制层MAC:介质访问子层（完成访问控制）,3.2.4数据链路层协议,14,3月10日的课讲到此，物理层为传输媒介，数据链路层可以粗略地理解为数据通道。数据链路层提供数据在物理链路上的传输。媒体是长期的，连接是有生存的在连接生存期内，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程。这种建立起来的数据收发关系就叫作数据链路。而在物理媒体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错，为了弥补物理层上的不足，为上层提供无差错的数据传输，就要能对数据进行检错和纠错。数据链路的建立、拆除，对数据的检错、纠错是数据链路层的基本任务。交换机是第2层设备，交换机基于物理地址作出决定，把数据交换到与正确主机进行连接的端口。交换机的符号如图所示。顶部的箭头表示数据在交换机内部可以采用的独立路径。网卡也是第2层设备。全世界的每一块网卡都有一个独一无二的代码，被称为介质访问控制（MAC）地址，也就是我们所说的物理地址，该地址用于控制主机在网络上的数据通信。网卡同样具备物理层的一些功能。,15,3.2.4.2介质访问控制子层(上一章已介绍),（1）带有冲突检测的载波侦听多路存取方法CSMA/CD（IEEE802.3以太网=CSMA/CD+HDLC）（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）先听再讲，三种CSMA方法:非坚持型CSMA1-坚持型CSMA空闲时，立即发送数据，如冲突，等待一个随机时间，重新监听发送。P-坚持型CSMA（2）令牌总线TokenRing（IEEE802.4）这三种总线控制方法属于MAC子层。,16,（3）令牌环TokenBus（IEEE802.5）,17,3.2.4.3逻辑链路控制子层LLC,（1）为网络层提供的服务,无确认、无连接服务有确认、无连接服务面向连接的服务,（2）成帧,（3）差错控制,（4）流量控制,（5）链路管理,一、逻辑链路层设计问题,数据链路层要完成许多特定的功能，这些功能包括：为网络层提供良好的接口；确定如何把物理层的比特串组成帧；处理差错；调整帧的发送速度，以适合接收方的接收速度；以及通常的链路管理。链路管理：链路建立与拆除。,18,二、数据链路层实例-HDLC协议（Highdatalinkcontrol）,特点如下：802.3、802.4、802.5的上层都是使用HDLC协议面向比特的协议可进行任意位组合的传输可不等待接收端的应答，连续传输数据错误控制严密；适合于计算机间的通信起始标志要传输的数据块结束标志011111100011011000010110011011101111110,HDLC-高级数据链路控制协议,19,站点类型分类：主站和从站主站：能够主动完成命令的发送、链路管理、流量控制等工作；从站：能够接收主站的命令，并响应主站的命令。链路配置非平衡配置：由一个主站和一个或多个从站组成，适用于点-点、点-多点操作。支持正常响应模式和异步响应模式。平衡配置：由两个复合站组成，适用于点-点操作。只有异步平衡模式。通信方式正常响应（NRM）异步响应（ARM）异步平衡（ABM）,（1）HDLC的基本概念,20,正常响应模式：从站只在主站探询后才发送数据；异步响应方式从站可主动发送响应；正常响应模式其实不正常，因为它是非平衡的。为了使两个节点处于平等地位，增加平衡模式。异步响应模式：从站不需主站探寻就发送响应帧；异步平衡：每个复合站都可以平等发起数据传输，而不需要对方的允许。,解释上一页,21,说明：（1）F：标志字段，01111110，帧起始和终止符，帧同步；（2）A：地址字段：通信对方的地址，可扩展（8位的整数倍）（3）C：控制字段：用来表示帧类型（信息帧、监控帧、无编号帧）、帧编号、命令和控制信息；也可进行流量控制;（4）I：信息字段：携带高层用户数据，可以是任意的二进制位串；（5）FCS：CRC校验码由于帧中至少含有A（地址）、C（控制）和FCS（帧校验序列）字段，因此整个帧长度应大于32位。零位插入/删除,HDLC一般帧格式,（2）HDLC的帧结构,22,首先介绍HDLC帧由六个字段组成。较详细介绍每一个字段。有除标志字段外，其他字段采用0比特加入和删除技术，确保标志字段的唯一性。信息字段一般不超过256字节；地址字段：非平衡结构中，地址字段写入从站地址；平衡结构中，写入目的站地址。,23,（1）信息帧N(S)：当前帧序号；N(R)：下一次应接收帧序号（NEXT）（2）监控帧（协调双方通讯状态，差错和流量控制）监控帧不带序号，分四种类型：SS=00，表示接收准备好；SS=01，表示拒绝；指明发送出现差错，重发N（S）开始的全部帧。SS=10，表示接收未准备好；SS=11，表示选择拒绝,只要求重传指定帧。（3）无编号帧起链路控制作用。典型的无编号帧，由M（5位）表示不同的控制命令：M=00001置为正常响应模式M=11000置为异步响应模式M=11100置为异步平衡模式M=00010断开连接；,信息帧I,监控帧S,无编号帧U,（3）HDLC的帧类型,HDLC的帧类型分三种，由控制字段设定。,24,信息帧：N（S）、N（R）用于流量控制。N（S）：发送帧序号（本帧）；N（R）：下一个希望接收的帧，同时对N（R）-1起到确认作用。P/F探寻位，P/F必须成对出现，当主站发送一个P位后，从站一定在一个适当的时候回一个F位对应。无编号帧：没有发送帧或接受帧的编号，不传与信息有关的信息。只是发送对数据链路起控制作用的信息。无编号帧可由32种组合定义，只定义了15种无编号帧。,25,（4）正常响应模式下数据链路的工作过程,主站A,从站B,发送置正常响应命令，地址为从站B，探询为P为1,发送无编号确认帧，F=1,发送编号为0的信息帧,发送编号为1的信息帧,发送编号为2的信息帧，使用探询为P,发送U帧，释放连接,发送编号为0的I帧，标志中置为F，N（R）=3,发送无编号确认帧,用U帧发送置正常响应命令；从站发U帧，确认连接；主站发三帧数据帧，在最后一帧使用探寻位；从站发信息帧进行确认。主站发U帧，释放连接从站用信息帧确定结束。,26,3.2.5网络层,网络层关系到子网的运行控制，数据链路层是建立了点对点的数据连接。网络层主要功能包括：寻址、路由选择与中继、流量控制、网络连接建立与管理。,主机与通讯网络的接口寻址路由选择与中继、流量控制网络连接建立与管理,27,物理层是建立了网络的物理连接，数据链路层是建立了点对点的数据连接。还没有解决数据通过通信子网的多个转接节点的通信问题。设立网络层的目的是使报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的地，网络用户不必关心网络的拓扑结构及通信介质，通过网络层的控制作用，实现不同网络之间的数据交换。网络层的主要功能是：寻址、路由选择与中继、流量控制、网络连接建立与管理网络层。寻址：数据链路层寻址是本网络内的寻址，如果信源与信宿分属于不同的网络，就需要网络层来参与寻址；路由选择与中继：当传输的数据经过通信子网时，各个中继节点在存储转发数据过程中，采用合适的路由选择算法，保证数据单元以某些指标最优的方式通过子网，路由选择是网络层最主要的功能之一。流量控制：数据链路层的流量控制是点点之间的传输速度控制，网络层的流量控制是对进入分组交换网的流量进行控制，使网络稳定运行，防止通信量过大造成通信子网性能下降。网络连接建立与管理：在面向连接的通信中，网络连接是传输实体之间传递数据逻辑的、贯穿通信子网的端-端通信通道（可跨接多个数据链路层连接）。是复杂的一层。它将数据分成一定长度的分组，并在分组头中标识源和目的节点的逻辑地址，这些地址成为每个节点的标识；网络层的核心功能便是根据这些地址来获得从源到目的的路径，当有多条路径存在的情况下，还要负责进行路由选择。路由器就是工作在第3层的网络设备，它基于网络地址，也就是IP地址作出路由选择的决定。路由器的目的是检查进入的分组，为它们选择通过网络的最佳路径，然后将它们交换到合适的输出端口上。,28,网络层的服务分为两种类型：面向连接的网络服务，无连接的网络服务。无连接的网络服务包括：数据报：发送不要求应答；确认交付：每个报文分组要求确认；请求回答：每个报文需要应答。,（1）网络层服务,面向连接的服务,29,两个主机通过通信子网互连，通过网路层的功能实现端到端的连接，网络层的服务分为两种类型那个：面向连接的网络服务，无连接的网络服务。无连接的网络服务又三种：数据报、确认交付、请求回答。面向连接的服务开销大，可靠性高，对传输层的要求可降低，反之，如果在网络层采用的无连接的不太可靠的方式，则有些可靠性措施需要在传输层完成。OSI模型并未给出具体的路径选择和拥塞控制的规范（算法），这些算法随具体实现而定。虚电路和数据报的路由选择是不同的，虚电路需预先确定一条固定通信路由，而数据报则可能每一个分组的路径都是不同的。,解释上一页,30,（2）路径选择与中继,通信子网为网络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。网络节点在收到一个分组后，要确定向一下节点传送的路径，这就是路由选择。,虚电路和数据报的路由选择是不同的，虚电路需预先确定一条固定通信路由，而数据报则可能每一个分组的路径都是不同的。,31,静态路由算法（预先脱机计算出节点之间的路径，属于非自适应算法）：静态路由算法主要有洪泛法，随机走动法，最短路径法，基于流量的路由算法洪泛法（Flooding）：节点收到一个报文分组后，向所有可能的方向复制转发。随机分配法（RandomWalk）：节点收到分组后，向所有与之相邻的节点中为分组随机选择出一个节点转发出去；分组在网络中乱窜，总有可能到达。这种方法虽然简单，但不是最佳路由，通信效率低，分组传输延迟也不可预测，实用价值低。最短路径法（ShortestPath，SP）：由Dijkstra提出的，其基本思想是：将源节点到网络中所有节点的最短通路都找出来，作为这个节点的路由表，当网络的拓扑结构不变、通信量平稳时，该点到网络内任何其它节点的最佳路径都在它的路由表中。如果每一个节点都生成和保存这样一张路由表，则整个网络通信都在最佳路径下进行。每个节点收到分组后，查表决定向哪个后继节点转发。基于流量的路由算法(Flow-basedRouting，FR)：SP算法只考虑网络拓扑结构、寻找最短路径，FR算法就结合了网络拓扑结构和通信流量两方面的因素进行路由选择。FR算法需要知道网络拓扑结构、节点之间的平均流量、各条线路的容量，然后在此基础上采用适当的选择算法，从而找出最佳路由。,路径选择算法：确定路由选择的策略称路由算法。,32,（3）拥塞控制,阻塞控制（流量控制）方法1、缓冲区预分配法2、分组丢弃法：不保留资源，如无处存放，丢弃3、定额控制法：限制通信子网中分组的数量,静态路由算法是非自适应算法，动态路由算法是自适应算法,拥塞控制与路径选择有密切关系。没有流量控制可能造成死锁,33,（4）网络层实例,X.25协议（面向连接的服务）,规定了1，2，3层国际标准网络访问协议，X.25定义了逐级与通信公司通信设备之间的接口。第一层定义了DTE与DCE之间的物理层接口，即X.21协议。第二层确保了DTE与DCE之间的可靠通信。第三层负责管理DTE之间的连接。,分组层相当于OSI参考模型的网络层，是X.25交换协议的核心。规定了关于虚电路(VC)的建立、释放过程以及分组的格式、分组传输控制过程、流控和异常情况的处理与恢复等。,34,X.25属于接口规程，没有定义路由选择算法，这属于分组交换网网络内部控制功能，由各个厂家决定。X.25协议分为三层：物理层、数据链路层和分组层，各层在功能上相互独立，如图9-11所示。与OSI参考模型一样，对等层之间的通信通过对等层间的规程实现。物理层定义了X.25网络通信中DTE和DCE之间的电气接口，以及建立物理的信息传输通道的过程。在该层次上包括三种协议：（1）X.21接口运行于8个交换电路上；（2）X.21bis定义模拟接口，允许模拟电路访问数字电路交换网络；（3）V.24使得DTE能在租用模拟电路上运行以连接到包交换结点或集中器。,解释上一页,35,IP协议,数据报方式，无连接；传送层将报文分成若干数据报，传送过网际网，到达后传送层重组报文；可靠机制在传送层解决；由网络编号和主机号指明网络地址。有四种地址编制模式。,A1.0.0.1-126.255.255.254255.0.0.0B128.0.0.0-191.255.255.254255.255.0.0C192.0.0.1-223.255.255.254255.255.255.0,类IP地址范围子网掩码,36,1.0.0.0是网络地址（主机地址全0），1.255.255.255是广播地址（主机地址全1）32位IP地址空间的划分IP的分类1A类IP地址一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”，地址范围1.0.0.1-126.255.255.254（二进制表示为：00000001000000000000000000000001-01111110111111111111111111111110）。可用的A类网络有126个，每个网络能容纳16777214个主机。2B类IP地址一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围128.1.0.1-191.255.255.254（二进制表示为：10000000000000010000000000000001-10111111111111111111111111111110）。可用的B类网络有16384个，每个网络能容纳65534主机。,37,3C类IP地址一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围192.0.1.1-223.255.255.254（二进制表示为:11000000000000000000000100000001-11011111111111111111111111111110）。C类网络可达2097152个，每个网络能容纳254个主机。4D类地址用于多点广播（Multicast）。D类IP地址第一个字节以“1110”开始，它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（Multicast）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。地址范围224.0.0.1-239.255.255.2545E类IP地址以“1111”开始，为将来使用保留。E类地址保留，仅作实验和开发用。全零（“0000”）地址指任意网络。全“1”的IP地址（“255255255255”）是当前子网的广播地址。,38,OSI参考模型：传输层,传输层的作用：为用户提供有效、可靠的价格合理的服务。传输层也可提供两种服务：连接、无连接，与网络层类似，但为何还要设设立传输层？用户对通讯子网不可控！主要功能：连接管理、流量控制和可靠性。TCP协议：TCP可从用户进程接受任意长度报文，分成不超过64K的数据报分别传送。,3.2.6传输层,39,传输层提供对上层透明（不依赖于具体网络）的可靠的数据传输。如果说网络层关心的是“点到点”的逐点转递，那么可以说传输层关注的是“端到端”（源端到目的端）的最终效果。它的功能主要包括：流量控制和可靠性。确保按顺序无错地发送数据包，把来自会话层的大量消息分成易于管理的段以便向网络发送。流量控制：与数据链路层一样，传输层有时也需要缓存数据，有时网络层接收不了这么多的数据；可靠性：分组丢失，网络层复位，都需要传送层确认，重传；断点确认以重传。2.TCP（TransmissionControlProtocol）如果IP数据包中有已经封好的TCP数据包，那么IP将把它们向上传送到TCP层。TCP将包排序并进行错误检查，同时实现虚电路间的连接。TCP数据包中包括序号和确认，所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。应用程序将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层，设