计算机网络3网络体系结构

网络体系结构学习要点网络协议概念及体系组成OSI互联参考模型及各层的功能TCP/IP协议体系结构协议数据、协议地址及协议服务传输误差及检测4.1网络协议(1)定义

为了在计算机网络中实现资源共享以及进行信息交换，各个通信节点必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换数据的格式及同步问题，对通信实体间交流什么、怎样交流及何时交流等细节作出了说明。这些规则的集合称为协议。

(2)协议的组成

协议的关键成分是：语法、语义和文法。

协议的语法定义了如何通信，关系到报文的组织形式，如采用ASCII编码或EBCDIC字符编码等。

协议的语义定义了通信的内容，哪些是控制信息，哪些是真正通信的数据。

协议的文法关系到通信的执行顺序，比如是同步传输还是异步传输。

(2)协议的组成

通信环境提供的服务定义协议所传输信息及其意义的词汇表词汇表所规定的每个数据分组的编码格式保证所交换信息和用户要求一致的各种时序、规则和过程(3)协议的功能

分割和重新组合：将较大的数据单元分成较小的数据包，相反的过程则称为重新组合。

寻址：有关设备的彼此识别。

封装：增加一定的控制信息，将数据封装在数据包中进行传送。

排序：保证数据递交的正确顺序。最简单的方法是将数据按发送顺序进行编号，到达终点后按编号进行排序。

(3)协议的功能

信息流控制：防止发送方发送数据的速度大于接收方接收数据的速度。

错误控制：发现传输中的错误并采取相应的处理方法。

同步：保持收、发双方对数据传输单元的一致性。

多路传输：多路信息共享信道，以提高信道的利用率及降低网络的通信费用。

连接控制：控制通信实体之间建立和拆除连接的过程。

(4)协议分层

计算机网络功能强、规模庞大，通常采用高度结构化的分层设计方法，将网络的通信子系统划分成一组功能分明、相对独立和易于操作的层次。上层调用下层提供的服务功能，下层为上层提供服务，而把如何实现这一服务的细节对上层加以屏蔽。协议分层可以带来很多好处，如使复杂的通信控制结构便于管理，因为每一个控制层的功能，都是在它的下一层提供的服务上增加一部分新的相对来说较少的功能，整个系统的正确性建立在每一控制层的正确性基础上；由于每一层的功能都是独立的，所以对其修改和增加不会影响其它的层次。

(4)协议分层

分层的基本原则是：⑴网络中的每一节点都具有相同的分层结构，在相邻层间有一个定义清晰的接口，该接口定义了下层向上层提供的原语操作和服务。⑵每一层完成一组特定的有明确含义的协议功能，并尽可能地减少在相邻层间传递信息的数量。⑶同一节点中的每一层能够同相邻层通信，但是不能跨层通信。两个节点间的通信，除物理层（最低层）为水平通信外，其它各层都是垂直通信，即网络中各个节点之间的直接接口，只能是物理层。

(4)协议分层

服务和协议是区别很大的概念。在分层结构中，协议是水平的，而服务是垂直的，本层的服务用户只能看见服务却无法看见下面的协议，即下面的协议对上面的服务用户来说是透明的。在一个网络中，所有层次及其协议的集合称为网络体系结构。

N+1层N+1层N层N层N+1层服务N层服务N层协议接口调用服务服务访问点(4)协议分层

当第N+1层实体向第N层实体请求服务时，通过服务访问点进行交互作用，通过发送或接收服务原语来进行。服务原语是实体请求服务所使用的形式规范语句。常用四种类型的服务原语：请求原语（Request）—使服务用户能从服务提供者那里请求一定的服务，如建立连接、发送数据、拆除连接、报告状态等。指示原语（Indication）—服务提供者向服务用户提示某种状态，如连接指示、数据到达、拆除连接等。响应原语（Response）—服务用户响应先前的指示原语，如接受连接等。证实原语（Confirm）—服务提供者报告服务用户对先前请求的答复。(4)协议分层

服务用户A服务用户B服务层RequestIndicationResponseConfirmRequest服务原语：原语名称+原语类型+参数T-connect.request(被叫地址、主叫地址、……)Indication(5)网络体系结构的发展

在1974年，美国的IBM公司公布了系统网络体系结构SNA（SystemNetworkArchitecture）。不久之后其它一些公司相继推出本公司的体系结构。如DEC公司在1975年发布了DEC数字网络体系结构DNA(DistributedNetworkArchitecture)

。为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国标标准化组织ISO在1977年成立了一个新的分技术委员会ISO/TC97/SC16，由它来解决该问题。不久该组织形成开放系统互连基本参考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel）的正式文件，即ISO7498国际标准。

4.2OSI参考模型(1)体系结构

(2)通信过程数据的组装与分解(2)通信过程数据的流动过程(4)各层次功能

物理层与物理传输媒体直接相关，它定义了设备间的物理接口以及数字比特的传送规则。物理层有四个主要特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。其中，前两种特性为传输媒体提供物理接口，并定义比特流在物理链路上的传输特性，例如，信号电压幅度和比特宽度；后两种特性定义了物理链路建立、维持、和拆除的方法。

(4)各层次功能

数据链路层提供了在相邻两节点之间的线路上无差错地传送数据帧的功能。每一帧除了数据信息外，还包括地址、同步、差错控制、流量控制等信息。

链路管理数据帧的组装和分解以及同步传输流量控制差错控制透明传输(4)各层次功能

网络层将数据分成一定长度的分组，使之穿过通信子网传送。网络层提供的服务使上层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。

路由选择数据报和虚电路服务平衡网络负载路由选择算法非自适应算法自适应算法洪泛法选择洪泛法固定路由孤立式路由集中式路由分布式路由孤立式路由选择算法这种方法是节点决定分组路由时，仅依据节点本身拥有的信息而不和其它节点交换信息。热土豆算法（HotPotato）每收到一个分组，不管其目的地址是什么，都将它放在该节点最短的输出队列中。虽然选择的不是最佳路由，但减少了分组在各节点的排队等候时间。最短队列加偏置的方法（SQ+B）

这种方法考虑到最短队列的方向不一定为正确的转发路由，因此在每个队列长度（SQ）的基础上再增加一个对于某个目的地址的偏移值（B），以二者之和最小的队列作为转发的方向。反向学习法（BackwardLearning）这种算法是根据进入分组中的路由信息来判断自己已有的路由信息是否要修改。如果进入分组中指出的路由比原来已有的路由好，则进入的路由代替原来的路由。这样经过反复的学习比较，就能得到最佳的路由选择表。集中式路由选择算法

采用这种方法必须设立一个路由选择控制中心RCC(RoutingControlCenter)，每个节点定期地向RCC发送自已的状态信息，如当前处于运行状态的相邻节点名、队列长度、上次报告状态信息后每条链路处理的通信信息量等。RCC负责收集所有节点报告的状态信息，并根据它对整个网络的了解，采用某种算法为每个节点计算出一张新的路由表，然后发送到各个节点，更新节点中已经存在的路由表。由于RCC拥有整个网络的全局性信息，因而一般能作出较完美的决策，同时也减轻了节点各自计算路由的负担。但也存在着较严重的缺点：离RCC较近的地方通信信息量过于集中，易造成拥挤；RCC计算路由所花的时间长，负担过重；一旦RCC出现故障，对网络影响太大。

分布式路由选择算法

分布式路由选择算法的思想是，网络中的每个节点定期地与相邻节点交换信息，每个节点存储一张路由选择表，并不断根据所获得的信息更新其路由表。最基本的算法有两个：距离向量路由算法链路状态算法。

(4)各层次功能

传输层是第一个端—端（主机—主机）层。它利用底三层所提供的服务向高层提供可靠的端到端的透明数据传送。传输层中信息的传送单位是报文，当报文较长时先把它分成若干个分组，然后交给网络层进行传输。消除下层服务的差异提供运输服务寻找用户运输地址复用运输连接传输协议类型

传输层协议和网络层提供的服务有关。ISO定义了三种类型的网络服务：⑴A型：提供完善的服务，分组的丢失、重复和错序等情况可忽略不计。⑵B型：分组不会丢失、出错、重复，但网络层因为内部拥塞、硬件故障或软件错误而时常发出网络复位（N—RESET）原语，需要传输层建立新的网络连接和重新同步，使传输用户感觉不到网络复位的存在。⑶C型：网络提供的数据传送服务是完全不可靠的，分组可能丢失、重复、错序，还可能有网络复位（N—RESET）等情况。

传输协议类型

根据网络层提供的服务质量，ISO定义了5类传输层协议

协议类

网络类

传输协议的名字

0A简单类

1B基本错误恢复类

2A多路复用类

3B错误恢复和多路复用类

4C错误检测和恢复类

协议机制

基本的协议机制包括三部分：传输连接建立、数据传输、传输连接拆除。

ACK(4)各层次功能

会话层负责在两个进程之间建立、组织和同步会话，解决进程之间会话的具体问题，如会话活动管理等。对于长时间的数据传输，会话层允许在数据流中插入若干同步点，一旦数据传输因故中断，可从最近的一个同步点继续进行。在运输连接上提供会话联系提供同步服务提供活动管理功能活动同步管理会话……会话单元主同步点次同步点确认方面：在主同步点确认后才可以开始下一个主同步点，次同步点可以在未确认前连续设置同步恢复：可以退回到最近一个确认过的主同步点，次同步点可以退回多个会话层协议

会话层协议在传输层所提供服务的基础上，利用会话服务原语提供会话服务，以满足会话用户的要求。会话服务原语可分成连接建立、连接释放、数据传送、令牌管理、同步、活动管理和例外报告7个组。

①会话连接建立阶段在这个阶段建立两个会话服务用户之间的会话连接。一方的会话用户先发出S-CONNECT.request(会话层-连接请求)原语，该请求送到对方时，用S-CONNECT.indication(会话层-连接指示)原语通知会话服务用户。若被呼方同意此次会话连接，就回送S-CONNECT.response（会话层-连接响应）原语。最后通过S-CONNECT.confirm（会话层-连接证实）原语通知主呼方。会话层协议

②数据传送阶段这个阶段在两个会话服务用户之间实现有组织的、同步的数据传送。可在会话连接上传输普通、加速、能力、特权数据以及令牌控制、数据流中插入主/次同步点的同步控制、废弃出错数据时的再同步控制和活动控制等信息。③会话连接释放阶段在这个阶段实现会话连接的释放。可以用S-RELEASE.request（会话层-释放请求）原语来发起有序释放，涉及到请求、指示、响应、证实四个原语，只有在双方都同意时才释放连接，因而不会丢失数据；也可以通过S-U-ABORT（会话层—用户—强制释放）来突然释放会话。

(4)各层次功能

表示层负责定义信息的表示方法，并向上层提供一系列的信息转换，使两个系统使用共同的语言进行通信。表示层的主要服务有：信息压缩、数据转换、数据加解密等。提供描述负载数据结构的方法管理当前所需的数据结构集完成数据的内外格式间的转换抽象语法表示法（ASN.1AbstractSyntaxNotation-1）

为了解决不同计算机之间数据结构表示形式上的差异，ISO给出一种抽象语法表示法ASN.1（ISO8824），并在此基础上制定了对应的传送语法，即ASN.1基本编码规则（ISO8825）。ASN.1定义的数据类型分为两类，一类是基本数据类型，有BOOLEAN、INTEGER、BITSTRING、OCTET

STRING、NULL等；另一类是构造数据类型，有SEQUENCE、SEQUENCEOF、SET、SETOF、CHOICE等。每个ASN.1定义的类型都有一个标记。在ASN.1中，共定义了四种标记类：通用类（UNIVERSAL）、应用类（APPLICATION）、专用类（PRIVATE）、上下文特定类（CONTEXT—SPECIFIC）。ANS.1的编码规则指出了如何将ASN.1描述的数据结构表示为8位位组序列，即给出了一种ASN.1的传送语法。

(4)各层次功能

应用层是OSI参考模型的最高层，直接为用户（用户进程）访问OSI环境提供一种手段。应用层包括了各种公共应用程序，如电子邮件、文件传输、远程登录等，并提供网络管理功能。应用服务应用实体服务AE用户元素UE应用服务元素ASE联系控制服务元素ACSE可靠传送服务元素RTSE远地操作服务元素ROSE托付、并发和恢复CCR用户进程用户元素ROSERTSEACSE表示层CCR对方应用实体本地应用实体4.3Internet网络体系结构(1)Internet连接标准

网络中的每台计算机或可被访问的共享设备具有唯一的IP地址网络、主机或设备属于一个网络运营管理中心NOC所管理的直治域网网络、主机或设备上的各种应用遵循RFC标准(2)TCP/IP网络体系结构TCP/IP体系共分成四个层次。它们分别是：通信子网层、网络层、运输层和应用层。高三层运输层网络层底两层应用软件系统软件IP地址物理地址(3)TCP/IP体系各层次功能通信子网层网络层运输层应用层

通信子网层与OSI参考模型的数据链路层和物理层相对应，该层负责接收IP数据报并通过网络发送出去，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。该层不是TCP/IP协议的一部分，但它是TCP/IP赖以存在的与各种通信网之间的接口，所以，TCP/IP对网络接口层并没有给出具体的规定。这层和物理网络的具体实现有关，各物理网络可使用自己的数据链路层协议和物理层协议。这也是TCP/IP协议可以运行于当前几乎所有物理网络之上的原因。(3)TCP/IP体系各层次功能通信子网层网络层运输层应用层

网络层的核心协议为IP协议，其基本任务是通过互联网传送数据报，其它协议提供IP协议的辅助功能，协助IP协议更好地完成数据报的传送。其中地址转换协议ARP用于将IP地址转换成物理地址；逆向地址转换协议RARP将物理地址转换成IP地址；网际控制报文协议ICMP用于报告差错和传送控制信息。Internet全网地址识别与管理IP数据包的路由选择IP数据包的收发、组装和分解(3)TCP/IP体系各层次功能通信子网层网络层运输层应用层

传输层的作用是提供应用程序间（端到端）的通信服务。该层提供两个协议：

传输控制协议TCP提供高可靠的数据传送服务，主要用于一次传送大量报文

用户数据报协议UDP提供高效率的数据传送服务，用于一次传送少量的报文，其可靠性由应用程序提供。因为一次传送的数据不多，即使发生传输错误，重新传送也不会付出太大的代价。UDP的价值在于它的高效率，且UDP比TCP要简单得多。(3)TCP/IP体系各层次功能通信子网层网络层运输层应用层

TCP/IP的最高层是应用层，为用户提供访问Internet的一组高层协议。在这一层有许多应用协议，如文件传输协议FTP(FileTran