计算机网络与工程实践教程讲座(3)主讲内容网络拓扑与分层体系结构

1、 计算机网络与工程实践教程讲座教材计算机网络与工程实践教程讲座教材 计算机网络与工程实践教程计算机网络与工程实践教程 第第 1 1 版版 科学出版社科学出版社 ( 2007.12 ) 计算机网络是一个十分复杂的系统工程，如果能计算机网络是一个十分复杂的系统工程，如果能找到一种较好的计算机网络结构，对于增强网络找到一种较好的计算机网络结构，对于增强网络功能和提高效率，更好地利用网络的软件、硬件功能和提高效率，更好地利用网络的软件、硬件资源，都具有重要意义。资源，都具有重要意义。 本章重点讨论以下内容：本章重点讨论以下内容： 网络的两级结构。网络的两级结构。 网络拓扑结构。网络拓扑结构。 OSI分

2、层体系结构。分层体系结构。 TCP/IP体系结构。体系结构。 其他的网络体系结构。其他的网络体系结构。 计算机网络的组成形式主要包含资源子网和通计算机网络的组成形式主要包含资源子网和通信子网两级结构。两级结构的计算机网络以资信子网两级结构。两级结构的计算机网络以资源共享为目的，与初期一级结构的网络相比，源共享为目的，与初期一级结构的网络相比，具有以下优点：具有以下优点： 简化了网络设计。把纯通信用的子网与应用部简化了网络设计。把纯通信用的子网与应用部分的主机分离，从而使这两部分可以单独设计，分的主机分离，从而使这两部分可以单独设计，这样就简化了整个网络的设计。这样就简化了整个网络的设计。 节约

3、了投资。采用两级结构使得在构造网络时节约了投资。采用两级结构使得在构造网络时可利用邮电部门的公用数字通信网，只要遵循可利用邮电部门的公用数字通信网，只要遵循公用数字通信网所要求的接口标准，提出申请公用数字通信网所要求的接口标准，提出申请并交纳一定的租金，就可以接入该通信子网。并交纳一定的租金，就可以接入该通信子网。 计算机网络的两级结构请参见科学出版社计算机网络的两级结构请参见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-1。 关于图关于图3-1说明如下：说明如下：通信子网。通信子网。通信子网为资源子网提供传输通道和交换用户信息，其通信子网为资源

4、子网提供传输通道和交换用户信息，其中节点计算机（中节点计算机（NC）可以是一台小型机或微型机，它的任务是进行）可以是一台小型机或微型机，它的任务是进行网络的通信处理工作，可连接一台或多台主机（网络的通信处理工作，可连接一台或多台主机（Host）。它和通信）。它和通信线路组成独立的数据通信系统，承担全网的数据传输、连接、加工线路组成独立的数据通信系统，承担全网的数据传输、连接、加工和变换等通信处理工作。建立广域网的通信子网通常采用电话线或和变换等通信处理工作。建立广域网的通信子网通常采用电话线或铺设专线。这些设备通常使用邮电部门的公用数字通信网，作为各铺设专线。这些设备通常使用邮电部门的公用数字

5、通信网，作为各种计算机网络的公用通信子网。种计算机网络的公用通信子网。资源子网。资源子网。资源子网为用户设备提供访问网络的能力，包括网络中资源子网为用户设备提供访问网络的能力，包括网络中所有的主机和外设，所有的软件资源和数据资源；它还负责网络的所有的主机和外设，所有的软件资源和数据资源；它还负责网络的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。通信子网的有关类型问题。通信子网的有关类型问题。根据通信信道的类型，可将通信子网分为两类：点对点线路的通信根据通信信道的类型，可将通信子网分为两类：点对点线路的通信子网与广播信道的通信子网。在采

6、用点对点线路的通信子网中，每子网与广播信道的通信子网。在采用点对点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对节点，如没有直接线路则要通过其他节点转接。条物理线路连接一对节点，如没有直接线路则要通过其他节点转接。基本类型有星形、环形、树形和网状等。在采用广播信道的通信子基本类型有星形、环形、树形和网状等。在采用广播信道的通信子网中，一个公共的通信信道被多个网络节点共享。任一时间内只允网中，一个公共的通信信道被多个网络节点共享。任一时间内只允许一个节点使用公用通信信道，一个节点利用公用通信信道发送数许一个节点使用公用通信信道，一个节点利用公用通信信道发送数据时，其他网络节点都能收到发送数据。基本类型有

7、总线式、无线据时，其他网络节点都能收到发送数据。基本类型有总线式、无线与卫星通信与卫星通信3种。种。 计算机网络中要考虑各计算机的位置，同时在保证一定响计算机网络中要考虑各计算机的位置，同时在保证一定响应时间和吞吐量的条件下，选择适当的线路、线路容量、应时间和吞吐量的条件下，选择适当的线路、线路容量、连接方式与流量分配，使整个网络安全可靠。连接方式与流量分配，使整个网络安全可靠。 网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系来表网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系来表示网中各实体间的结构关系。网络的拓扑设计是建设计算示网中各实体间的结构关系。网络的拓扑设计是建设计算机网络的第一步，

8、也是实现各种网络协议的基础，它对网机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信量都有重大影响。络性能、系统可靠性与通信量都有重大影响。 网络的拓扑结构是抛开网络电缆的物理连接来讨论网络系网络的拓扑结构是抛开网络电缆的物理连接来讨论网络系统的连接形式，网络中各站点相互连接的方法和形式称为统的连接形式，网络中各站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和网络拓扑。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，其形式主要有总线结构、星形结构、环形相互间的连接，其形式主要有总线结构、星形结构、环形结构、树形结构、网状结构和分布式结

9、构等。下面将简要结构、树形结构、网状结构和分布式结构等。下面将简要介绍。介绍。 3.2.1 总线结构网络总线结构网络 总线（总线（Bus）结构网络的各个节点都通过一条公共总线相连，）结构网络的各个节点都通过一条公共总线相连，各节点地位平等，无中央节点控制，各节点地位平等，无中央节点控制，请参见科学出版社请参见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-2。这条总线是任意两节点之间通信的公用通道，其传输这条总线是任意两节点之间通信的公用通道，其传输介质通常是具有足够带宽的双绞线、同轴电缆或光缆。总介质通常是具有足够带宽的双绞线、同轴电缆或光缆。总

10、线可以分为几段，在两段之间通过中继器连接。线可以分为几段，在两段之间通过中继器连接。 这种结构的公用总线大都采用同轴电缆，在需要分支的地这种结构的公用总线大都采用同轴电缆，在需要分支的地方，电缆线上配有特殊的插口，工作站上也装有特殊的插方，电缆线上配有特殊的插口，工作站上也装有特殊的插头。总线上分支插口之间的距离一般有一定限制，否则会头。总线上分支插口之间的距离一般有一定限制，否则会影响总线的电气性能。公用总线上的信息多以基带形式串影响总线的电气性能。公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电

11、台发送的信息一样，因此又称广播式网络。散，如同广播电台发送的信息一样，因此又称广播式网络。各节点在接收信息时都进行地址检查，看是否与自己的工各节点在接收信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息。当总线超载时还作站地址相符，相符则接收网上的信息。当总线超载时还可以扩充总线。总线结构网络的特点如下：可以扩充总线。总线结构网络的特点如下： 结构简单，可扩充性好。当需要增结构简单，可扩充性好。当需要增加节点时，只需在总线上增加一个加节点时，只需在总线上增加一个分支插口便可与分支节点相连。总分支插口便可与分支节点相连。总线超载时还可以扩充总线。线超载时还可以扩充总线。 使

12、用的电缆少，且安装容易。使用的电缆少，且安装容易。 设备简单，可靠性好。设备简单，可靠性好。 维护难，分支节点故障定位难。维护难，分支节点故障定位难。3.2.2星形网络星形网络 星形（星形（Star）网络有一个中央节点）网络有一个中央节点NC，它是通，它是通信子网中唯一的转折点。资源子网中的分支节点信子网中唯一的转折点。资源子网中的分支节点都有各自的专用线路连接中央节点，形成辐射网都有各自的专用线路连接中央节点，形成辐射网络结构。这样的结构使任何两个分支节点之间都络结构。这样的结构使任何两个分支节点之间都不构成回路，它们之间的通信都要通过中央节点，不构成回路，它们之间的通信都要通过中央节点，由

13、中央节点对所有用户之间的通信进行集中管理。由中央节点对所有用户之间的通信进行集中管理。因此，星形网络通常都要求采用一个功能强大并因此，星形网络通常都要求采用一个功能强大并且性能可靠的中心机器（集线器、服务器）。且性能可靠的中心机器（集线器、服务器）。 星形结构是指各工作站以星形方式连接成网。网星形结构是指各工作站以星形方式连接成网。网络中有中央节点和分支节点，分支节点都与中央络中有中央节点和分支节点，分支节点都与中央节点直接连接，节点直接连接，其形式请参见科学出版社其形式请参见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-3 。 这种结构的网络以

14、中央节点为中心，因此这种结构的网络以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。又称为集中式网络。它具有如下特点：它具有如下特点： 结构简单，便于管理。结构简单，便于管理。 控制简单，便于建网。控制简单，便于建网。 网络时延小，传输误差低。网络时延小，传输误差低。 但缺点也很明显：成本高（通信线路但缺点也很明显：成本高（通信线路总长度较长）；全网的控制权集中在总长度较长）；全网的控制权集中在中央节点，一旦中央节点发生故障则中央节点，一旦中央节点发生故障则会导致全网瘫痪。会导致全网瘫痪。3.2.3环形网络环形网络 环形（环形（Ring）网络的物理布局是一个连续的电缆）网络的物理布局是一个连续的电缆环，

15、它本身形成一个闭合回路，环将信号从一个环，它本身形成一个闭合回路，环将信号从一个节点传输到另一个节点。单条环路只支持单一方节点传输到另一个节点。单条环路只支持单一方向的通信，传输速率比较慢。为了提高通信速率，向的通信，传输速率比较慢。为了提高通信速率，环形网络可以采用双环结构来实现双向通信，即环形网络可以采用双环结构来实现双向通信，即每一个节点可以选择最近的通信距离，沿着不同每一个节点可以选择最近的通信距离，沿着不同的方向将信息传给对方。的方向将信息传给对方。 环形网络是节点和节点通过点到点环形网络是节点和节点通过点到点的链路首尾相连，形成一个闭合的的链路首尾相连，形成一个闭合的环，其形式请参

16、见科学出版社环，其形式请参见科学出版社计计算机网络与工程实践算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-4 。 环形结构具有如下特点：环形结构具有如下特点： 信息流在网上是沿着固定方向流动的，两个节点信息流在网上是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制。仅有一条道路，故简化了路径选择的控制。 由于信息源在环路上串行通过各节点，当环中节由于信息源在环路上串行通过各节点，当环中节点过多时，势必影响传输速率，使网络的响应时点过多时，势必影响传输速率，使网络的响应时间较长。间较长。 环路是封闭的，不便于扩充，因为增加节点将打环路是封闭的，不便于扩充，因为增加

17、节点将打断环路，网络将不能运行。断环路，网络将不能运行。 可靠性低，一个节点故障将导致全网瘫痪。可靠性低，一个节点故障将导致全网瘫痪。 维护难，对故障节点定位难。维护难，对故障节点定位难。3.2.4 树形网络树形网络 树形网络是分级的集中控制式网络，树形网络是分级的集中控制式网络，与星形网络相比，它的通信线路总长与星形网络相比，它的通信线路总长度短，成本低，容易扩充，寻找路径度短，成本低，容易扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。树形结构网障都会使系统受到影响。树形结构

18、网络请参见科学出版社络请参见科学出版社计算机网络与计算机网络与工程实践工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-5。3.2.5网状结构网络网状结构网络 网状结构又称无规则结构，它是最一般化的网络网状结构又称无规则结构，它是最一般化的网络结构。网络中的节点至少有两条线路相连，它既结构。网络中的节点至少有两条线路相连，它既没有一个自然的没有一个自然的“中心中心”，信息的流向也没有固，信息的流向也没有固定的方向，请参见科学出版社定的方向，请参见科学出版社计算机网络与工计算机网络与工程实践程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-6。网状结构网。网状结构网络的控制是分布式的，所以又称

19、为分布式网络，络的控制是分布式的，所以又称为分布式网络，这种拓扑结构一般用于广域网。这种拓扑结构一般用于广域网。 网状结构网络的主要优点是系统可靠性高、容错网状结构网络的主要优点是系统可靠性高、容错能力强，但是结构复杂，必须采用路由选择算法能力强，但是结构复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法。目前实际存在和使用的远程计与流量控制方法。目前实际存在和使用的远程计算机网络和算机网络和Internet均采用了网状结构。均采用了网状结构。3.2.6分布式网络分布式网络 分布式结构的网络是将分布在不同地点的计算机分布式结构的网络是将分布在不同地点的计算机通过线路互相连接起来的一种网络，其形式请参通过

20、线路互相连接起来的一种网络，其形式请参见科学出版社见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-7 。 分布式结构的网络具有如下特点：分布式结构的网络具有如下特点： 由于采用分散控制，即使整个网络的某一局部出由于采用分散控制，即使整个网络的某一局部出现故障，也不会影响全网的运行，因而有很高的现故障，也不会影响全网的运行，因而有很高的可靠性。可靠性。 网中的路径选择最短路径算法，故网上时延小，网中的路径选择最短路径算法，故网上时延小，传输速率高，但控制复杂。传输速率高，但控制复杂。 各节点间均可以建立直接数据链路，信息流最短。各节点间均可以建立直

21、接数据链路，信息流最短。 除了以上介绍的几种网络拓扑结构外，在除了以上介绍的几种网络拓扑结构外，在实际应用中还有一些混合形式的拓扑结构，实际应用中还有一些混合形式的拓扑结构，它集中了几种拓扑结构的优点。例如，在它集中了几种拓扑结构的优点。例如，在网络的主干线采用总线拓扑结构，而在某网络的主干线采用总线拓扑结构，而在某一局部采用星形拓扑结构。混合形式网络一局部采用星形拓扑结构。混合形式网络的结构请参见科学出版社的结构请参见科学出版社计算机网络与计算机网络与工程实践工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-8。 为了完成计算机间的通信合作，人们把每个计算为了完成计算机间的通信合作，人们把

22、每个计算机互联的功能划分成定义明确的层次，规定了同机互联的功能划分成定义明确的层次，规定了同层进程通信的协议及相邻层之间的接口和服务，层进程通信的协议及相邻层之间的接口和服务，将这些层、同层进程通信的协议以及相邻层之间将这些层、同层进程通信的协议以及相邻层之间的接口统称为网络体系结构。的接口统称为网络体系结构。 所谓网络体系结构是指网络的基本设计思想及方所谓网络体系结构是指网络的基本设计思想及方案，并要定义各个组成部分的功能，从而达到用案，并要定义各个组成部分的功能，从而达到用户要求。而层次结构是描述体系的基本方法，它户要求。而层次结构是描述体系的基本方法，它的特点是每一层都建立在前一层基础之

23、上，低层的特点是每一层都建立在前一层基础之上，低层为高层提供服务。层次结构简化了对复杂的计算为高层提供服务。层次结构简化了对复杂的计算机网络的研究工作。机网络的研究工作。3.3.1 网络通信协议网络通信协议1. 网络通信协议的定义网络通信协议的定义 网络通信协议是两个通信对象在进行通信时，网络通信协议是两个通信对象在进行通信时，须遵从相互接受的一组约定和规则，这些约须遵从相互接受的一组约定和规则，这些约定和规则使它们在通信内容、怎样通信以及定和规则使它们在通信内容、怎样通信以及何时通信等方面相互配合。简单地说，协议何时通信等方面相互配合。简单地说，协议是指通信双方必须遵循的控制信息交换的规是指

24、通信双方必须遵循的控制信息交换的规则的集合。则的集合。2. 网络通信协议的组成网络通信协议的组成 网络协议主要由语法、语义和同步网络协议主要由语法、语义和同步3个要素个要素组成。组成。 语法指数据与控制信息的结构或格式。语法指数据与控制信息的结构或格式。 语义由通信过程的说明构成。语义由通信过程的说明构成。 同步是对事件实现顺序的详细说明，指出同步是对事件实现顺序的详细说明，指出事件的顺序以及速度匹配。事件的顺序以及速度匹配。3. 协议的特点协议的特点 网络体系结构是有层次的，通信协议也被分为多网络体系结构是有层次的，通信协议也被分为多个层次，在每个层次内又可分成若干子层次，协个层次，在每个层

25、次内又可分成若干子层次，协议各层次有高低之分。议各层次有高低之分。 现代计算机网络采用高度结构化的设计和实现技现代计算机网络采用高度结构化的设计和实现技术，是用分层或协议分层来组织的。每一层和相术，是用分层或协议分层来组织的。每一层和相邻层有接口，较低层通过接口向它的上一层提供邻层有接口，较低层通过接口向它的上一层提供服务，但这一服务的实现细节对上层是屏蔽的。服务，但这一服务的实现细节对上层是屏蔽的。较高层又是在较低层提供的低级服务的基础上实较高层又是在较低层提供的低级服务的基础上实现更高级的服务。现更高级的服务。 在设计和选择协议时，不仅要考虑网络系统的拓在设计和选择协议时，不仅要考虑网络系

26、统的拓扑结构、信息的传输量、所采用的传输技术、数扑结构、信息的传输量、所采用的传输技术、数据存取方式，还要考虑到其效率、价格和适应性据存取方式，还要考虑到其效率、价格和适应性等问题。等问题。 3.3.2OSI参考模型参考模型 OSI是以综合开发通信协议体系为目的，从是以综合开发通信协议体系为目的，从系统转移数据直至对各系统中的文件、数据系统转移数据直至对各系统中的文件、数据库及程序资源的访问以及各种通信功能都作库及程序资源的访问以及各种通信功能都作为它的标准化对象。它追求系统间互联时宽为它的标准化对象。它追求系统间互联时宽广的开放性，并且确保在导入新的通信业务广的开放性，并且确保在导入新的通信

27、业务时能够很容易地追加新的功能。时能够很容易地追加新的功能。 OSI参考模型（参考模型（OSI/RM）请参见）请参见科学出版社科学出版社计算机网络与工程实计算机网络与工程实践践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-9 。 OSI参考模型是分层结构，它通过分层把参考模型是分层结构，它通过分层把复杂的通信过程分成了多个独立的、比较复杂的通信过程分成了多个独立的、比较容易解决的子问题。在容易解决的子问题。在OSI参考模型中，下参考模型中，下一层为上一层提供服务，而各层内部的工一层为上一层提供服务，而各层内部的工作与相邻层无关。作与相邻层无关。 OSI参考模型是公认的分层体系，许多新的参考模型是

28、公认的分层体系，许多新的协议都是依据它定义出来的，它是由国际协议都是依据它定义出来的，它是由国际标准化组织于标准化组织于1979年提出的网络体系结构。年提出的网络体系结构。OSI参考模型主要遵循了下述原则：参考模型主要遵循了下述原则：（1）以现存的非）以现存的非ISO/OSI标准为基础，吸取它们成功的经验，标准为基础，吸取它们成功的经验，并尽可能地与之兼容。并尽可能地与之兼容。（2）尽可能地保持各层功能的相对独立性，但又要使各邻）尽可能地保持各层功能的相对独立性，但又要使各邻接层的功能便于衔接，以构成功能上的单向依赖关系，保接层的功能便于衔接，以构成功能上的单向依赖关系，保证只在相邻层之间建立

29、接口。证只在相邻层之间建立接口。（3）尽可能地把近似的功能集中在一起构成同一层，以便）尽可能地把近似的功能集中在一起构成同一层，以便于局部化，但对那些在进程执行过程中所涉及的执行方法于局部化，但对那些在进程执行过程中所涉及的执行方法显然不同的功能应建立独立的层次，以便进行特殊处理。显然不同的功能应建立独立的层次，以便进行特殊处理。（4）当某一层的功能或协议需要扩充、修改甚至重新设计）当某一层的功能或协议需要扩充、修改甚至重新设计时，不能影响整个模型主体结构的变化，只限于某个局部时，不能影响整个模型主体结构的变化，只限于某个局部改动。改动。（5）在需要不同的通信服务时，可在一个层次内再形成子）在

30、需要不同的通信服务时，可在一个层次内再形成子层次；而不需要该服务时，也可以绕过这些子层次。层次；而不需要该服务时，也可以绕过这些子层次。（6）应该把层次分成理论上需要的不同等级，每一层都能）应该把层次分成理论上需要的不同等级，每一层都能很好地履行其特定的功能。很好地履行其特定的功能。 OSI参考模型共分参考模型共分7层，它们分别是物理层、数层，它们分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层（也称为运输层）、据链路层、网络层、传输层（也称为运输层）、会话层、表示层和应用层。会话层、表示层和应用层。OSI规定了每层的功规定了每层的功能以及同层内如何协调。每个层次完成特定的功能以及同层内如何协调。每个

31、层次完成特定的功能，同层进程之间进行相互通信，这种通信是通能，同层进程之间进行相互通信，这种通信是通过调用下层功能来实现的。过调用下层功能来实现的。 OSI各层分别负责网络通信中的部分特定工作。各层分别负责网络通信中的部分特定工作。在在OSI的的7层中，只有物理层是信号实际的传输层，层中，只有物理层是信号实际的传输层，其余各层只能说是逻辑上的虚拟对应传输。由于其余各层只能说是逻辑上的虚拟对应传输。由于只有物理层是实际的传输信道，因此各层除了自只有物理层是实际的传输信道，因此各层除了自己相对应层级的工作外，也必须负责上下层间的己相对应层级的工作外，也必须负责上下层间的联系，这些层与层间的工作关系

32、称为联系，这些层与层间的工作关系称为“接口接口”。 OSI参考模型的数据传送过程中，各层会参考模型的数据传送过程中，各层会在数据前端进行通信标头（在数据前端进行通信标头（Header）的包）的包装与拆装工作，并在数据链路层执行数据装与拆装工作，并在数据链路层执行数据信号标尾（信号标尾（Trailer）的拆装与组装工作。）的拆装与组装工作。标头标尾内包含各层在网络传输上的重要标头标尾内包含各层在网络传输上的重要信息，以便节点各层协议可以根据相关信信息，以便节点各层协议可以根据相关信息进行各种必要处理。息进行各种必要处理。OSI参考模型的参考模型的数据传输请参见科学出版社数据传输请参见科学出版社计

33、算机计算机网络与工程实践网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的版的图图3-10。 由图由图3-10知，发送进程中有数据要发送给知，发送进程中有数据要发送给接收进程时，它把数据交给了应用层，应接收进程时，它把数据交给了应用层，应用程序在数据前面加上应用报头，即用程序在数据前面加上应用报头，即AH（也可以是空的），再把结果交给表示层。（也可以是空的），再把结果交给表示层。表示层及以下各层均如上述过程一样对数表示层及以下各层均如上述过程一样对数据作相应处理，直至到达物理层。据作相应处理，直至到达物理层。3.3.3物理层物理层 OSI参考模型的第一层称为物理层参考模型的第一层称为物理层（Phy

34、sical Layer），它位于），它位于OSI的最低的最低层。层。 物理层为建立、维护和释放数据链路实体物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间二进制比特传输的物理连接提供机械之间二进制比特传输的物理连接提供机械的、电气的和功能的规程特性。它的作用的、电气的和功能的规程特性。它的作用是利用物理传输介质为数据链路层提供物是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以透明地传送比特流。理连接，以透明地传送比特流。1. 物理层接口物理层接口 物理层接口主要涉及各种传输介质或传输设备的接口。由于传输介质和传输物理层接口主要涉及各种传输介质或传输设备的接口。由于传输介质和传输设备种类很多，因此物理层接

35、口的标准也非常多。下面重点介绍设备种类很多，因此物理层接口的标准也非常多。下面重点介绍RS-232-C接接口、基本速率接口和一次群速率接口。口、基本速率接口和一次群速率接口。RS-232-C接口接口 RS-232-C是用于数据终端设备（是用于数据终端设备（DTE）与数据通信设备（）与数据通信设备（DCE）之间的接口）之间的接口标准。标准。RS-232-C接口具有如下接口具有如下4个重要特性。个重要特性。（1）机械特性。）机械特性。RS-232-C的机械接口分为的机械接口分为9针、针、15针和针和25针针3种类型。标准的种类型。标准的RS-232-C接口使用接口使用25针的针的DB连接器。连接器

36、。RS-232-C在在DTE（例如计算机）上用（例如计算机）上用作接口时，一般采用作接口时，一般采用DB25M插头（针式）结构；而在插头（针式）结构；而在DCE（例如（例如Modem）上用作接口时，采用上用作接口时，采用DB25F插座结构。插座结构。（2）电气特性。电气特性是指对信息信号的具体规定，例如，什么样的电压幅）电气特性。电气特性是指对信息信号的具体规定，例如，什么样的电压幅值表示值表示“1”，什么样的电压幅值表示，什么样的电压幅值表示“0”。（3）功能特性。功能特性就是对信号执行的功能加以说明，指出哪种信号应连）功能特性。功能特性就是对信号执行的功能加以说明，指出哪种信号应连接到哪个

37、引脚上。接到哪个引脚上。RS-232-C接口的功能特性主要是对接口各引脚的功能和连接口的功能特性主要是对接口各引脚的功能和连接关系作出定义。接关系作出定义。RS-232-C接口规定了接口规定了21条信号线和条信号线和25芯的连接器，其中最芯的连接器，其中最常用的是引脚号为常用的是引脚号为18和和20的这的这9条信号线。条信号线。（4）过程特性。过程特性则是对在传送数据时所发生的事件序列进行说明。例）过程特性。过程特性则是对在传送数据时所发生的事件序列进行说明。例如，两台计算机通过公用电话网进行数据交换的工作过程所描述的如，两台计算机通过公用电话网进行数据交换的工作过程所描述的RS-232-C各

38、信号线的动作，即各信号线的动作，即RS-232-C接口的过程特性。接口的过程特性。计算机通过公用计算机通过公用电话网进行通信的连接方式请参见科学出版社电话网进行通信的连接方式请参见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-11。 基本速率接口和一次群速率接口基本速率接口和一次群速率接口 物理层的主要功能是如何将用户的终端设物理层的主要功能是如何将用户的终端设备接入网络。有关基本速率接口和一次群备接入网络。有关基本速率接口和一次群速率接口的物理层协议请分别查阅速率接口的物理层协议请分别查阅ITU-T描述的描述的I.430建议和建议和I.431建

39、议。建议。 基本速率接口和一次群速率接口基本速率接口和一次群速率接口请参见科学出版社请参见科学出版社计算机网络计算机网络与工程实践与工程实践( 2007.12 )第第1版的版的图图3-12。（1）基本速率接口（）基本速率接口（BRI，Basic Rate Interface）。其线路与普通电话线路是一样的，）。其线路与普通电话线路是一样的，使用一对传统的铜质双绞线。所谓基本速率接使用一对传统的铜质双绞线。所谓基本速率接口就是指它只能提供最小单位的信号带宽。基口就是指它只能提供最小单位的信号带宽。基本速率接口将会在本速率接口将会在Internet中得到广泛使用。中得到广泛使用。（2）一次群速率接

40、口（）一次群速率接口（PRI，Primary Rate Interface）。它通常是）。它通常是32个个64kbit/s的信道：的信道：其中一个信道用以满足某些物理需要，例如帧其中一个信道用以满足某些物理需要，例如帧定位和同步；还有一个信道通常是为信令准备定位和同步；还有一个信道通常是为信令准备的，作为的，作为D信道；余下的信道；余下的30个信道给用户作为个信道给用户作为B信道使用。信道使用。2. 物理层原语物理层原语 OSI结构中的每一层与其他层进行通信时，结构中的每一层与其他层进行通信时，都需要层间通信的原语。科学出版社都需要层间通信的原语。科学出版社计计算机网络与工程实践算机网络与工程

41、实践( 2007.12 )第第1版的版的图图3-13所示为第所示为第N1层在和低层通信时所层在和低层通信时所采用的采用的4种原语，通过服务访问接入点种原语，通过服务访问接入点SAP出入第出入第N层。层。 物理层与数据链路层有了交叉层实体，交物理层与数据链路层有了交叉层实体，交叉层实体也叫管理实体。请参见科学出版叉层实体也叫管理实体。请参见科学出版社社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表3-1列出了物理层和数据链路层列出了物理层和数据链路层以及管理实体之间的原语。以及管理实体之间的原语。 管理实体用来监督系统的状态，管理实体用来监督系统的状态，使用的原

42、语主要与状态信息有关，使用的原语主要与状态信息有关，所以常常只有指示原语。它与物所以常常只有指示原语。它与物理层之间共有理层之间共有4条指示原语和条指示原语和1条条请求原语。请求原语。 在使用物理层设备时，了解这些在使用物理层设备时，了解这些原语有助于弄清楚各层之间是怎原语有助于弄清楚各层之间是怎样相互通信的。样相互通信的。3.3.4数据链路层数据链路层 数据链路层利用物理层提供的服务，与对等层进行以信元数据链路层利用物理层提供的服务，与对等层进行以信元为信息单位的通信，并为其上的网络层提供服务。为信息单位的通信，并为其上的网络层提供服务。 1. 数据链路层的功能数据链路层的功能 在物理层提供

43、比特流传输服务的基础上，在通信的实体之在物理层提供比特流传输服务的基础上，在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，通过差错间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，通过差错控制和流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的控制和流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。数据链路。 两个直连的站点之间进行有效数据通信所必需的条件有两个直连的站点之间进行有效数据通信所必需的条件有6个：个：（1）帧同步；）帧同步；（2）流量控制；）流量控制；（3）差错控制；）差错控制；（4）寻址；）寻址；（5）在链路上同时传输控制信息和数据信息；）在链路上同时传输控制信息和数据信息；（6

44、）连接管理。）连接管理。 ISDN数据链路层位于数据链路层位于OSI模型的第二层，该层对连接相邻模型的第二层，该层对连接相邻开放系统的信道进行差错控制，保证将比特序列构成的数开放系统的信道进行差错控制，保证将比特序列构成的数据块（帧）正确无误地转移到邻接的开放系统。据块（帧）正确无误地转移到邻接的开放系统。 ISDN传输介质上传送的信息有连续的和传输介质上传送的信息有连续的和间断的两种类型。连续传送是指不间断间断的两种类型。连续传送是指不间断地进行信息传送，例如电视、广播等。地进行信息传送，例如电视、广播等。间断传送是指不连续地传送信息。对于间断传送是指不连续地传送信息。对于这些信息的传送，需

45、要有协议来为它们这些信息的传送，需要有协议来为它们定界。数据链路层协议中的高级数据链定界。数据链路层协议中的高级数据链路控制路控制HDLC（High-Level Data Link Control）经常用于数据链路层的数据链）经常用于数据链路层的数据链接过程。接过程。2. 数据链路控制数据链路控制 在数据链路层上控制的是相邻节点间数据链路上的流量，在传输层上控在数据链路层上控制的是相邻节点间数据链路上的流量，在传输层上控制的是端到端的流量。制的是端到端的流量。 停停-等协议等协议 这是最简单的单工流量控制策略。操作过程如下：这是最简单的单工流量控制策略。操作过程如下：（1）初始时，双方的帧编号

46、都为）初始时，双方的帧编号都为0。发送端维护的帧编号表明。发送端维护的帧编号表明当前所发帧的序号，接收端维护的帧编号表明当前期望接收当前所发帧的序号，接收端维护的帧编号表明当前期望接收的帧序号。的帧序号。（2）发送端从缓冲区中取出一个帧，加上帧编号发送。）发送端从缓冲区中取出一个帧，加上帧编号发送。（3）接收端接收帧并校验。如果帧校验正确且帧编号同期望）接收端接收帧并校验。如果帧校验正确且帧编号同期望接收的帧序号相同，则将该帧存入缓冲区，将接收端维护的接收的帧序号相同，则将该帧存入缓冲区，将接收端维护的帧编号取反，放入应答帧；如果帧校验出错或帧编号不是当帧编号取反，放入应答帧；如果帧校验出错或

47、帧编号不是当前期望接收的帧序号，则维持帧编号不变，并发回应答帧，前期望接收的帧序号，则维持帧编号不变，并发回应答帧，要求重发指定的帧。要求重发指定的帧。（4）发送端收到应答帧后，如果帧编号与当前维护的帧编号）发送端收到应答帧后，如果帧编号与当前维护的帧编号不同，则表明当前帧已被正确接收，将发送端维护的帧编号不同，则表明当前帧已被正确接收，将发送端维护的帧编号取反，从缓冲区中取出一个新的帧，加上帧编号发送；如果取反，从缓冲区中取出一个新的帧，加上帧编号发送；如果应答帧中的帧编号与当前维护的帧编号相同或超时（超时时应答帧中的帧编号与当前维护的帧编号相同或超时（超时时间间信号从发送端到接收端传输时间

48、信号从发送端到接收端传输时间2接收端处理时间）接收端处理时间）未收到应答，则重发当前编号的帧。未收到应答，则重发当前编号的帧。 滑动窗口协议滑动窗口协议 用于异步双工传输模式。用于异步双工传输模式。 “发送窗口发送窗口”在发送端保存一张允许连续发送的帧序号在发送端保存一张允许连续发送的帧序号表。即将发送的帧序号称为表。即将发送的帧序号称为“发送窗口前沿发送窗口前沿”。最早发送。最早发送但还未收到应答的帧的序号称为但还未收到应答的帧的序号称为“发送窗口后沿发送窗口后沿”。只有。只有其序号处于发送窗口内的帧才能继续发送出去。发送端可其序号处于发送窗口内的帧才能继续发送出去。发送端可以不等待应答而连

49、续发送的最大帧数称为以不等待应答而连续发送的最大帧数称为“发送窗口的尺发送窗口的尺寸寸”。如果用。如果用n bit表示帧的序号，则帧序号的取值范围从表示帧的序号，则帧序号的取值范围从0到到2n-1。“接收窗口接收窗口”在接收端保存一张允许接收的帧在接收端保存一张允许接收的帧序号表，凡在接收窗口内的帧，接收端都必须处理，在接序号表，凡在接收窗口内的帧，接收端都必须处理，在接收窗口外的帧被丢弃。不管接收窗口大小如何，接收端送收窗口外的帧被丢弃。不管接收窗口大小如何，接收端送给上层的数据总是有序的。在通信中，通信双方在数据帧给上层的数据总是有序的。在通信中，通信双方在数据帧中增加一个字段，专门用来携

50、带给对方的应答信息，这种中增加一个字段，专门用来携带给对方的应答信息，这种机制称为机制称为“捎带应答捎带应答”，通常用对某一个帧的应答来代替，通常用对某一个帧的应答来代替对该帧之前所有帧的应答。当发送窗口和接收窗口的尺寸对该帧之前所有帧的应答。当发送窗口和接收窗口的尺寸都为都为1时，则蜕变为停时，则蜕变为停-等协议；当发送窗口大于等协议；当发送窗口大于1而接收而接收窗口等于窗口等于1（发送窗口的尺寸不能超过（发送窗口的尺寸不能超过2n-1）时，则采用）时，则采用出错全部重发协议；当发送窗口和接收窗口都大于出错全部重发协议；当发送窗口和接收窗口都大于1（接（接收窗口的尺寸不能超过收窗口的尺寸不能

51、超过2n-1）时，则采用选择重发协议。）时，则采用选择重发协议。 3. 高级数据链路控制（高级数据链路控制（HDLC） 数据链路层的数据传输以帧为单位。数据链路层的数据传输以帧为单位。在在OSI中，帧被称为数据链路层协议中，帧被称为数据链路层协议数据单元。其格式请参见科学出版社数据单元。其格式请参见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的图版的图3-14。 帧格式有关说明请参见科学出版社帧格式有关说明请参见科学出版社计算机网络与工程实践计算机网络与工程实践( 2007.12 )第第1版的表版的表3-2。 由表由表3-2可知，一个有效的帧的首部是一串标志

52、码，共由可知，一个有效的帧的首部是一串标志码，共由8bit组成，头尾是组成，头尾是0，中间是，中间是6个个1，即，即01111110。当接收端。当接收端识别到这样的标志后，便认为是一帧的开始。识别到这样的标志后，便认为是一帧的开始。 标志段（标志段（Flag）后面是正式的数据内容，例如地址、控制、）后面是正式的数据内容，例如地址、控制、信息、校验。每个标志段是一帧的开始，也是一帧的结束。信息、校验。每个标志段是一帧的开始，也是一帧的结束。如果两个标志段之间没有任何数据，即一个标志段之后紧如果两个标志段之间没有任何数据，即一个标志段之后紧接着另一个标志段，这种状态就叫做空闲。在接着另一个标志段，

53、这种状态就叫做空闲。在ISDN的的LAPD（Link Access Procedure for Dchannel，D信道的信道的链路接入规程）中，采用的就是链路接入规程）中，采用的就是01111110这种标志。这种标志。 标志段后面是地址段。在标志段后面是地址段。在HDLC帧内，数据以字节为单位，帧内，数据以字节为单位，开头一个或多个字节是地址段，用以标识开头一个或多个字节是地址段，用以标识D信道上的多个数信道上的多个数据链路。据链路。 地址段后面是控制段，它的作用是规范帧接收时的一些行地址段后面是控制段，它的作用是规范帧接收时的一些行为。为。 控制段后面是信息段，信息段中包含了用户数据；如果

54、不控制段后面是信息段，信息段中包含了用户数据；如果不存在用户数据，则该字段为可选。存在用户数据，则该字段为可选。 HDLC帧的最后是帧校验序列（帧的最后是帧校验序列（FCS，Frame Check Sequence），对），对LAPD而言，而言，FCS是是16位循环冗余校验位循环冗余校验（CRC-16）码。）码。4. 数据链路层原语数据链路层原语 数据链路层与其他层进行通信时，需要用到数据链路层数据链路层与其他层进行通信时，需要用到数据链路层原语。所有层之间的原语都分为请求、证实、指示和响原语。所有层之间的原语都分为请求、证实、指示和响应应4类。类。 数据链路层与网络层之间使用的原语有以下几种

55、：数据链路层与网络层之间使用的原语有以下几种： DL-ESTABLISH-RQ：用于引起向多帧操作已建立状态：用于引起向多帧操作已建立状态的转移。的转移。 DL-RELEASE-RQ：其用法与：其用法与DL-ESTABLISH-RQ的基的基本相同，只是传送信息时数据链路不再处于多帧操作已本相同，只是传送信息时数据链路不再处于多帧操作已建立的状态了。建立的状态了。 DL-RELEASE-RQ：用于与网络之间收发证实信息。：用于与网络之间收发证实信息。 DL-UNIT-DATA-RQ：用来进行非证实信息的传送。：用来进行非证实信息的传送。 LAPD和相邻层及管理实体之间的通信原和相邻层及管理实体之

56、间的通信原语请参见科学出版社语请参见科学出版社计算机网络与工程计算机网络与工程实践实践( 2007.12 )第第1版的表版的表3-3。3.3.5 网络层网络层1. 网络层的功能网络层的功能 网络层利用了数据链路层的功能，通过一个或数网络层利用了数据链路层的功能，通过一个或数个通信网（数据网、电话网等）在计算机及其他个通信网（数据网、电话网等）在计算机及其他终端等系统之间实现透明的数据转移。网络层向终端等系统之间实现透明的数据转移。网络层向上一层（传输层）提供了开放系统间末端节点到上一层（传输层）提供了开放系统间末端节点到末端节点（末端节点（End to End）的信道，即网络连接）的信道，即网

57、络连接（Network Connection），而物理层及数据链），而物理层及数据链路层提供的是相邻开放系统间链路到链路（路层提供的是相邻开放系统间链路到链路（Link by Link）的连接。路径选择、连接建立、保持及）的连接。路径选择、连接建立、保持及释放等功能都包括在网络层的协议中。释放等功能都包括在网络层的协议中。 网络层协议规定了网络层协议规定了B信道连接的建立过程以及信道连接的建立过程以及D信道上用户之间信令业务的过程。网络层协议通信道上用户之间信令业务的过程。网络层协议通过过DL原语在网络层和数据链路层之间传送。原语在网络层和数据链路层之间传送。 数据链路层仅处理同一网络范围内两

58、点间的运作，数据链路层仅处理同一网络范围内两点间的运作，然而真正的网络传输范围相当大，节点也总是成然而真正的网络传输范围相当大，节点也总是成千上万地相连在一起，因此对于不同网络范围两千上万地相连在一起，因此对于不同网络范围两个节点间的通信机制必须依赖网络层进行处理。个节点间的通信机制必须依赖网络层进行处理。 网络层提供不同网络系统间传输所需的规范，以网络层提供不同网络系统间传输所需的规范，以便在众多网络节点间进行寻址（便在众多网络节点间进行寻址（Addressing）和）和路径选择（路径选择（Routing）等工作，否则数据在茫茫）等工作，否则数据在茫茫网海中便无法通过众多的网络节点到达正确的

59、地网海中便无法通过众多的网络节点到达正确的地点，这些工作一般都通过路由器（点，这些工作一般都通过路由器（Router）来完）来完成。在对不同层级工作的区分上，常将数据链路成。在对不同层级工作的区分上，常将数据链路层定义为主机对主机（层定义为主机对主机（Host to Host）或点对点）或点对点（Point to Point）间的工作，而网络层则执行末）间的工作，而网络层则执行末端节点对末端节点（端节点对末端节点（End to End）间的工作。常）间的工作。常见的网络层协议有互联网上所运用的见的网络层协议有互联网上所运用的IP（Internet Protocol）协议与）协议与NetWare

60、系统中的系统中的IPX（Internet Packet Exchange）协议等。）协议等。2. 路由选择算法路由选择算法 路由选择算法应满足的要求是：正确性、简单性、路由选择算法应满足的要求是：正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性和最优化。健壮性、稳定性、公平性和最优化。 路由选择算法是通信子网中中继节点在收到一个报路由选择算法是通信子网中中继节点在收到一个报文分组后，决定下一个转发的中继节点是谁，通过文分组后，决定下一个转发的中继节点是谁，通过哪一条输出链路传送所使用的策略。哪一条输出链路传送所使用的策略。 路由选择算法分为静态路由算法和动态路由算法两路由选择算法分为静态路由算法和动态路