第2章-网络的体系结构-课件

第2章网络体系结构引言物理层数据链路层网络层传输层应用层内容提要

●网络体系结构通常采用层次化结构定义计算机网络系统的组成方法和系统功能，规定了每个层次应实现的功能、向上层提供的服务以及两个系统各个层次实体之间进行通信应遵守的协议。●一个系统的通信协议是各个层次通信协议的集合。●由于不同系统之间的相互通信是建立在各个层次引言计算机网络中，将计算机系统的分层、各层协议和层间接口的集合称为网络体系结构。

特点

网络体系结构实体之间互通的基础上，因此网络体系结构应当是开放的，任何两个系统只要按照一种被公认的网络体系结构来构造其系统通信功能，并采用标准化的通信协议，它们之间就能够实现互通。

一种被广泛公认的网络体系结构是国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)参考模型，它采用了层次化的网络体系结构，将一个网络系统分成七层定义：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，并定义了每层实体应提供的功能和服务。引言

层次划分

层次划分的好处

引言●各层之间是独立的；●灵活性好；●结构上可分割开；●易于实现和维护。

分层原则●若层次过少，各层的任务就多，实现困难；●若层次过多，总的服务开销也就增大；●类似的功能尽可能集中在一个层内实现；●各层的功能要独立。

网络协议引言进行层次划分之后，对应层实体之间(水平)进行通信而建立的规则、标准或约定称为网络协议，一个网络协议主要由以下三个要素组成：

层间接口层与层之间的接口定义了下层向上层提供的服务。第N层使用第N-1层提供的服务，并同时向第N+1层提供服务。如图2-1所示。●语法：数据与控制信息的结构或格式—“讲什么”；●语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种反应——“如何讲”；

●时序(也称语序、定时或同步)：通信中各事件实现顺序的详细说明——“讲的速度、顺序”。引言N-1层N层N＋1层提供服务N服务用户开放系统A开放系统BN＋1实体N＋1实体N+1协议N实体N实体提供服务提供N服务N协议提供N-1服务N服务提供者通过N-1连接进行通信交换服务原语交换服务原语图2-1引言

OSI参考模型层次主要功能7.应用层提供各种用户服务和应用6.表示层转换数据格式、数据加密和解密5.会话层会话组织和同步，数据传送控制和管理4.传输层提供数据传输服务，如差错、流量控制3.网络层路由选择2.数据链路层错误检测和校正，组帧1.物理层网络的物理、电气、逻辑接口

2种参考模型引言应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层资源子网通信子网资源子网通信子网主机1主机2传输介质传输介质传输介质逐层加上控制信息逐层去掉控制信息OSI中数据的流动过程引言

TCP/IP参考模型引言

说明●OSI首先提出了分层、接口和服务分离的思想，是网络系统设计的基本指导原则，具有通用性●TCP/IP是事实上的标准，但TCP/IP模型没有区分物理层和数据链路层，而这两层是完全不同的。●在学习计算机网络体系结构时往往采取折衷的办法，采用一种原理体系结构，有五层，如下图所示。引言

ISO(国际标准化组织)开放系统互联OSI参考模型。

IETF(因特网工程任务组)TCP/IP协议族。

IEEE(电气与电子工程师协会)局域网标准：IEEE802系列。

ITU-T(国际电信联盟)广域网标准。

主要的标准化组织物理层

利用机械的、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、维持和拆除功能。

DTE

DCE

物理层的功能具有一定数据处理能力及发送和接收数据能力的设备。如计算机或终端，I/O设备等。连接DTE和传输线路。如交换机，调制解调器等。DTE和DCE的接口标准就是所谓的物理层协议。图2-1所示为DTE通过DCE与通信传输线路相连。物理层

DTE数据终端设备DCE数据电路端接设备M信号线与控制线用户环境DTE数据终端设备DCE数据电路端接设备M信号线与控制线用户环境串行比特传输通信环境用户设施通信设施用户设施图2-1DTE通过DCE与通信传输线路相连

机械特性机械特性详细说明了物理接口连接器的尺寸、插针数目、排列方式、插头尺寸、插座尺寸以及电缆长度和电缆所含导线的数目等。物理层

●ISO-2110：数据通信用25针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。EIARS-232C和EIARS-366A等均是与ISO-2110相兼容的标准，可用于音频调制解调器、公用数据网络的接口中。●ISO-2593：数据通信用34针的DTE/DCE接口连接器与插针分配，可用于ITUV.35建议的宽带调制解调器中。●ISO-4902：数据通信用37针和9针DTE/DCE接口连接器，可用于音频和宽带调制解调器中，与EIARS-常用的机械特性标准有五种：ISO2110(25针)、ISO2593(34针)、ISO4902(37针/9针)、ISO4903(15针)和RJ-45(8针)。449相兼容。

●ISO-4903：数据通信用15针DTE/DCE接口连接器，可用于由ITUX.20、X.21及X.22建议中所指定的公用数据网络的接口中。

●RJ-45：数据通信用8针DTE/DCE接口连接器，可用于IEEE802局域网中的10/100BASE-T网络接口中。物理层

电气特性考虑了信号波形和参数。如信号电平、调制方式、脉冲宽度等。ITU定义的几种物理接口电路的电气特性分别是：

●V.10/X.26：新型非平衡式电气性能。与之相兼容的标准有EIARS-423A等。

●V.11/X.26：新型平衡式电气特性。与之相兼容的标准有EIARS-422A等。

●V.28：非平衡式电气特性。与之相兼容的标准有E-IARS-232C。

如图2-2所示。物理层

功能特性考虑每一条线路的作用和操作要求。接口信号线按其功能一般可分为接地线、数据线、控制线和定时线等几类。图2-2几种电气特性(a)非平衡式电气特性；(b)新型非平衡式电气特性；(c)新型平衡式电气特性

物理层

ITU建议在物理层使用的规程有V.24、V.54、V.25、V22等V系列标准和X.20、X.21、X.20bis、X.21bis等X系列标准。两个系列的不同标准分别适用于各种不同的交换电路中。物理层

规程特性传输比特流的整个过程和执行先后顺序。如怎样建立和拆除物理线路的连接、全双工还是半双工操作等。

物理层接口标准举例

EIARS-232CEIARS-232C是美国电子工业协会

(ElectronicIn-dustryAssociationEIA)制定的物理接口标准。RS(Rec-ommendedStandard)的意思是推荐标准，232是一个标识号码，C表示该标准已被修改过的次数。用DTE/DCE之间的串行二进制通信，数据传输速率为0~20kbps，电缆长度限制在30m内。物理层

●机械特性：使用25针的连接器。如下图所示；●电气特性：用+5V~+15V的电压表示逻辑“0”(有信号)，-5V~-15V的电压表示逻辑“1”(无信号)。所允许的线路电压降为2V；物理层

●功能特性：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，如图2-3所示。定义了两个信道：主信道和辅助信道。辅助信道可用于在连接的两个设备之间传送一些辅助的控制信息，且传输速率要比主信道低得多，一般很少使用；●规程特性：规定各信号线在建立、维持和拆除物理连接及传输比特信号时的时序要求。

调制解调器技术

利用现有的模拟信道进行远程数据通信或网络连接时，必须使用调制解调器(Modem)。

采用调制器的原因物理层

图2-3最常用的10根引脚信号线的作用DTE计算机或终端DCE调制解调器20保护地(ProtectiveGround)①②③④⑤⑥⑦⑧22发送(TXD)接收(RXD)请求发送(RTS)允许发送(CTS)DCE就绪(DSR)信号地(SignalGround)载波检测(DCD)DTE就绪(DTR)振铃指示(RI)物理层

●现有的模拟信道(如载波信道)是针对话音通话而设计的，在性能上侧重于幅度—频率特性，而对相位—频率特性考虑得较少；●在数据通信时，由于信道存在着频带限制及受线路上噪声和干扰的影响，将导致“色散”现象而使误码上升；●在利用模拟信道传输数字数据时，预先要进行数/模转换，把脉冲序列转换成适应模拟信道传输要求的模拟信号，这一过程称为调制；

●在接收端再把模拟信号转换成脉冲序列，称为解调。将调制和解调功能结合在一起，就构成了调制解调器；物理层

●数据通信系统中，调制解调器与差错控制以及呼叫自动应答设备等共同构成了数据电路端接设备(DCE)。

调制器的功能●在发送端，调制解调器将来自信源的脉冲信号序列变换成与信道频带相匹配的模拟信号，以适应模拟信道传输的要求。在接收端，完成与发送端相反的变换，并对带有畸变和干扰噪声的混合波形进行处理，以恢复原来的脉冲信号序列；

●在同步传输系统中，调制解调器发送的数据流中携带有同步信息，在接收端则将发送来的同步信息进行同步提取并锁相，以产生与发送端同步、同相的载波，供接收端产生定时和取样使用，以确保发送与接收两端的同步；●减小有害因素对传输质量的影响，提高数据在传输过程中的抗干扰能力；

●实现信道的复用。传输信号的参数小于信道允许的范围，是实现信道复用可能性的前提条件，而调制技术则是信道复用的基本途径。物理层

数字用户线路技术通常，DSL系统由局端设备和用户端设备组成，见图2-4。局端设备有DSL接入服务器、DSL网卡、语音分离器(Splitter)等，位于电信局的电话交换机前端，由DSL物理层

服务提供商配置和管理。电话线上的输入信号首先经过语音分离器将语音信号和高频数字调制信号分离开，语音信号送入电话交换机，高频数字调制信号送入DSL接入服务器，为用户提供高速网络接入服务。DSL接入服务器上至少插入两种网卡：一是DSL网卡，用于连接语音分离器，对信号进行调制和解调；二是WAN网卡，用于连接WAN。用户端局端图2-4DSL系统的组成

HDSL是DSL技术中较成熟的一种，其技术特点是：

●利用两对双绞线进行传输；

●支持n×64kb/s各种速率，最高速率可T1(1.544Mb/s)或E1(2.048Mb/s)；

●以全双工方式通信，可以替代T1/E1传输系统。物理层

对称数字用户线

HDSL

SDSLSDSL是HDSL的单线版本，其技术特点是：●利用一对双绞线进行传输；

●支持n×64kb/s各种速率，最高速率可达T1(1.544Mb/s)或E1(2.048Mb/s)；

●用户可根据需求选择最合适的传输速率，并且比HDSL少用一对线；

●在双绞线上的最大传输距离可达3km。物理层

MVL是一种低成本的DSL技术，其技术特点是：

●利用一对双绞线进行传输；

●使用与ISDN相同的频率段，对其他信号干扰较小；

MVLISDL是一种基于ISDN的DSL技术，其传输速率可达128kb/s。物理层

●在同一线路上最多可连接8个MVL用户设备，动态分配带宽；●上行和下行共享速率可达768kb/s；●最大传输距离可达7km。

ISDL非对称数字用户线(AsymmetricDigitalSubscriberLine，ADSL)是指下行和上行信道的传输速率是不对称

非对称数字用户线的，通常下行信道速率要远大于上行信道速率。

采用正交调幅(QAM)技术，在电话线上实现高速传输；

●G.dmt标准(标准号为ITUG.992.2)：称为完全ADSL(Full-ADSL，F-ADSL)，也称标准的ADSL；

●G.Lite标准(标准号为G.992.2)：称为通用ADSL(Universal-ADSL,U-ADSL)。U-ADSL的速率低于F-ADSL，上行信道速率可达512kb/s，下行信道速率可达1.5Mb/s。U-ADSL比较实用，U-ADSLModem可直接与计算机的USB接口连接，不需要再安装语音分离器，价格便宜，能够满足一般用户快速访问Internet的需要。物理层

数据链路层

●组帧：把从网络层收到的封装成帧；●物理编址：明确帧的发送端和接收端；●流量控制；●差错控制；●接入控制：当多个设备连接在同一条链路时，如何控制设备对共享链路的访问。将不可靠的物理链路变成可靠的数据链路。

主要功能

通信控制规程的分类数据链路层

面向字符型的控制规程●IBM的二进制同步通信规程(BSC)；●ISO的IS1745；●PPP。

面向比特型的控制规程●IBM的SNA使用的数据链路协议SDLC；●ANSI修改SDLC，提出ADCCP；●ISO修改SDLC，提出HDLC；●CCITT修改HDLC，提出LAP作为X.25网络接口标准的一部分，后来改为LAPB。数据链路层

HDLC协议不依赖于任何一种字符编码集而是面向比特链路控制规程，有较高的数据链路传输效率，传输可靠性高。它涉及三种类型的站、两种数据链路结构和三种操作模式。

高级数据链路控制(HDLC)规程

三种类型站●主站：发送命令(包括数据)，接收响应，负责整个链路的控制(如系统的初始、流控、差错恢复等)；●次站：接收命令，发送响应，配合主站完成链路的控制；●复合站：同时具有主、次站功能，既发送又接收命令和响应，并负责整个链路的控制。所谓数据链路是指从发送端经过通信线路到接收端之间物理上的传送路径和逻辑上的传输信道的总称。两个端点设备之间可以有一条或多条数据链路。

数据链路层

两种数据链路结构●平衡方式：由两个复合站以点到点方式连接而成；可以是双向交替或双向同时、交换或非交换的。两个复合站点都具有数据传送和链路控制能力。●非平衡方式：由一个主站和多个次站通过一条链路连接而成。可以是点到点或点到多点、双向交替或双向同时、交换或非交换的。主站负责对链路实施控制，次站响应主站的命令，执行相应的操作，并向主站回送应答帧作为响应。如图2-5所示。数据链路层

HDLC的基本操作模式●正规响应模式NRM非平衡构型。只有当主站向次站发出探询后，次站才能获得传输帧的许可。

●异步响应模式ARM非平衡构型。次站可以随时传输帧，不必等待主站的探询。

●异步平衡模式ABM平衡构型，也采用异步响应，双方具有同等能力。

HDLC帧的结构图2-5数据链路结构(a)非平衡式；(b)平衡式

数据链路层

在HDLC中，不论传送数据还是传送控制或状态信息，都是以帧(Frame)为基本单位的。HDLC帧的基本格式如图2-6所示。数据链路层

●标志(F)：表示一个帧的开始和结束，其位模式为01111110。标志序列是用于帧同步的。在一个帧的中间不允许出现与标志相同的位模式，通常采用位插入的方法来实现透明性传输；●地址(A)：对于命令帧，该字段为对方的（次站）地址；对于响应帧，则该字段指出的是本站地址；●控制(C)：用于定义帧类型。HDLC定义了三种帧；即信息帧I、监督帧S和无编号帧U。参见表2-1。

各个字段的含义图2-6HDLC帧的基本格式数据链路层

数据链路层

信息帧(I帧)●信息帧中包括信息字段，是用来传输用户数据的；●N(S)为发送的帧序号，N(R)为希望接收的帧号；●N(S)和N(R)段均为3位，因此发送和接收的帧序号为0~7。B/F位为轮询/结束位，对于主站，P=“1”时，表示主站请求从站响应，从站可传输信息帧；对于从站，F=“1”时，表示这是最后响应帧。

监控帧(S帧)用于面向连接的数据传输过程，监视链路上的常规操作。S帧可告知发送方有关接收方的接收情况。S字段(2位)定义了四种不同的S帧：表2-1HDLC帧类型数据链路层

数据链路层

●00—接收准备好(RR),期待接收第N(R)帧，并表示已正确接收第N(R)-1号帧以前的所有帧；●01—接收未准备好(RNR),表示暂时不能接收第N(R)帧，但第N(R)-1号帧及以前各帧均已正确接收；●10—拒绝接收(REJ)：请对方将第N(R)帧及以后各帧重新发送，并表示第N(R)-1号帧及以前各帧均已正确接收；●11—选择拒绝(SREJ)：请对方只将第N(R)帧重新发送，并表示第N(R)-1号帧及以前各帧均已正确接收。

无编号帧(U帧)提供无连接的数据传输和链路控制功能，如设置工数据链路层

作方式、拆除链路等。U帧本身不带编号，即无N(S)和N(R)，它是用5个位表示不同的U帧。

●发送速率>接收速率，会造成数据帧的丢失(同步失调)；●发送速率<<接收速率，又会造成介质空闲。

为何要对流量进行控制？数据链路层的流量控制就是要控制相邻两节点之间的数据链路上的信息流量，使发送端发送数据的能力不

流量进行控制

流量控制算法数据链路层

大于接收端接收数据的能力，以使接收端在接收前有足够的缓冲存储空间来接收数据。一般以每秒发送的帧数为速率单位。

停止—等待协议接收站的缓冲区中只能存放一帧。发送方每发一个帧就暂停下来，等待接收方接收完毕并传来确认帧(ACK)后再发送下一帧。如下图2-7所示。图2-7数据链路层

其工作流程如图2-8所示。图2-8停止—等待协议工作流程(a)发送流程；(b)接收流程

数据链路层

其特点是不能充分利用介质带宽，通信效率低！

滑动窗口协议●滑动窗口协议采用多帧一应答的方式。接收站的缓冲区中可以存放n帧；因此发送方可以连续发送n帧后等待收端回送确认，再继续发送；●为了有效地进行多帧应答，要对每个帧顺序地进行编号。帧序号一般用n个二进制位表示，取值范围0~2n–1；●发送端和接收端分别设置发送窗口和接收窗口。

发送端数据链路层

●发送窗口尺寸：允许连续发送未应答的帧数目；●发送窗口上界表示要发送的下一个帧的序号，下界表示未得到确认的帧的最小编号；●每发送一帧，窗口上界+1，当(上界-下界=发送窗口尺寸)时，发送端必须停下来等待接收对方的应答。收到应答后，窗口下界相应的向前滑动，如图。数据链路层

接收端●接收窗口尺寸：允许连续接收的帧数目；●接收端只处理接收窗口中的数据帧；●接收窗口下界表示希望接收的帧；当接收窗口内的数据帧都被处理完之后，才发送应答帧。并按接收窗口尺寸m向前滑动m个窗口，如图。数据链路层

示例发送窗口尺寸取值为2。接收窗口尺寸为1。与停等协议相比，滑动窗口协议提高了介质利用率，被广泛的应用于面向连接通信协议中的。图2.8停止—等待协议工作流程(a)发送流程；(b)接收流程

数据链路层

差错检测机制的基本思想是对所传输的数据实施抗干扰编码。具体地说，就是在数据帧中设有一个帧校验码字段，并规定它所采用的帧校验码编码方法。在传输时，发送站对数据帧中的数据码元进行帧校验编码，并随数据帧一起传送给接收站。接收站接收到数据帧后，采用相同的编码方法对数据帧中的数据码元进行编码并与帧校验码字段上的校验码进行比较，以检验它们之间的一致性。数据链路层

差错控制包括差错检测和差错纠正。

差错检测

差错控制算法校验码主要有奇偶校验码、循环冗余校验(CycleRedundancyCheck，CRC)码等。很多通信规程和网络协议都采用CRC码。数据链路层

奇偶校验码在原始数据后增加一个附加比特位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。增加的位称为奇偶校验位。

示例原始数据=1110001，采用偶校验。则增加校验位后的数据为11100010；数据链路层

若采用偶校验，而接收到的数据中1的个数为奇数个，就说明传输中出现了错误。奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。

冗余循环码循环冗余码校验是目前在计算机网络通信及存储器中应用最广泛的一种校验编码方法；检错思想：收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在帧的末尾加上冗余码，使带冗余码的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。

示例数据链路层

待校验数据：1101,0110,11G(x)=x4+x+1,即10011

110101101100001001111000010101001110011100110000101101001110100100111110余数故传送序列T(x)=1101,0110,1111,10。数据链路层

差错纠正目前都采用反馈重发纠错法。其工作原理是：接收端收到数据后，经校验没有错误，则发送一个肯定应答ACK，通知发送端发送下一个数据帧。发送端在发送一个数据帧后启动定时器，如果在规定时间内没有收到ACK，则认为传输出错，或数据帧丢失，并重新发送该数据帧；接收端也可以用否定应答NAK来通知发端重发该帧，而不用等到超时重传。

带差错控制的停等协议其工作原理和工作流程图如图2-10所示。数据链路层

数据链路层

数据链路层

图2-10带有差错控制的停止—等待协议的工作流程(a)发送流程；(b)接收流程

数据链路层

带差错控制的滑动窗口协议在滑动窗口协议中，允许发送端可以连续发送多个数据帧后再停下来等待接收端发来的应答，如果在这些帧的只有某一个数据帧出现了错误，发送端在进行重发时可采用两种策略来纠正差错。(a)后退n帧：重发从出错帧开始的所有帧，而不论后续的帧是否出错；(b)选择重传：只重发出错帧，由接收节点缓存后续正确的帧。在后退n帧协议中，通信双方采用下列策略实施差错控制：①发送站的发送窗口尺寸可以大于或等于1。发送站按照发送窗口尺寸连续发送各个编号帧，每发送一个帧，窗口上限向前滑动一格，直至最大的发送窗口尺寸，然后停下来等待接收站的应答帧。每当接收到一个应答帧，窗口下限向前滑动一格，发送站再按发送窗口尺寸发送后续的帧。如果窗口下限指示帧超时，没有接收到应答帧，则重发窗口内自超时帧起(由窗口下限指示)的后续各个编号帧。②接收站的接收窗口尺寸为1。接收站依次处理和校验接收到的各个数据帧。如果帧的编号与接收窗口的序号一致，并且帧校验正确，则发送应答帧，同时接收窗口向前滑动一个窗口；如果帧的编号与接收窗口数据链路层

的序号不一致，或者帧校验错误，则不发送应答帧，并且丢弃出错帧及其后续各个编号帧。

例如，在图2-11(a)中，发送站的发送窗口尺寸为7，发送站连续发送各个编号帧至最大窗口尺寸，然后停下来等待接收站的应答帧。如果窗口下限指示的第2号帧超时没有收到应答帧，则重发窗口内第2号帧及后续各个编号帧。接收站的接收窗口尺寸为1，如果发现第2号帧出错，则不发送应答帧，并且丢弃第2号帧及其后续各个编号帧。后退n帧协议的信道有效利率比较低，在高差错率的情况下，信道带宽因传输大量重复的帧而被白白地浪费。数据链路层

在选择重发协议中，通信双方约定：发送站只重发出错帧，而不重发出错帧及其后续各个编号帧；接收站只丢弃出错帧，而保留出错帧以后各个正确的帧。如在图2-11(b)中，发送站只重发超时没有收到应答帧的第2号帧；接收站只丢弃出错的第2号帧，而保留第2号以后各个正确的帧。选择重传看起来要比回退n帧的效率更高，因为它尽量减少了重传的量。但是，接收端必须维持一个足够大的缓存以便存出错帧发过之后收到的各帧，直到出错的帧被重传，而且它必须具有将收到的重传帧插入到正确位置的逻辑功能。发送端也要求更复杂的逻辑功能以便能够不按顺序发送一个帧。由于有这样的复杂性，选择重传策略远不如回退n帧策略用得广泛。数据链路层

数据链路层

图2-11基于滑动窗口协议的差错控制工作流程(a)后退n帧协议工作流程；(b)选择重发协议工作流程

网络层网络层负责将数据分组从源节点转发到目的节点，网络层的主要功能：●逻辑编址：数据链路层负责在同一个网络上的两个系统之间分组的交付，而当两个系统连接在不同的网络上时，则需要网络层来完成从源点到终点的交付。这就需要逻辑编址来识别源系统和目的系统；●路由选择；●拥塞控制。

网络层提供的服务网络层可以提供面向连接的网络服务或无连接的网络服务，其具体的实现分别是虚电路服务和数据报服务。网络层Internet提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

尽最大努力交付的好处●由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉(与电信网的交换机相比较)；●如果主机(即端系统)中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的传输层负责(包括差错处理、流量控制等)；●采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用；●采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降网络层低，运行方式灵活，能够适应多种应用。

数据传输服务

网络层的数据传输单位是分组(Packet)，每个分组由分组头和分组数据两部分组成：分组头中包含了寻址信息和说明信息等，寻址信息指出了通信双方的网络层服务访问点(NSAP)地址，定义了通信双方的通信子网地址和子网中的节点地址；说明信息描述了数据传输时的某些特性，如服务类型、生存期等。网络层分组将封装在数据链路层的数据帧中，作为数据帧的数据部分进行传输，参见图2-12。

端节点是一个具有通信功能的计算机系统，也称主机(Host)。一次数据传输是从源端节点发送数据开始到图2-12网络层数据分组的封装网络层数据被目的端节点全部正确接收而结束。源端节点主要完成下列功能：(1)数据分段。将上层协议传送下来的较长数据报分解成若干个较短的分组；

(2)地址解析。将NSAP地址转换成物理地址，并提交给数据链路层，以便数据链路层协议构造数据帧，实现数据帧在物理网络上的传输。NSAP地址转换成物理地址是由地址解析协议实现的，这一过程称为地址解析。

目的端节点主要完成数据组装功能，重新组装成一个完整的数据报，然后提交给上层协议。中间节点是路由器或交换机，为端到端的数据通信提供数据转发和路由选择服务。网络层

网络层概念是建立在互连网基础上的，所谓互连网，是指各种通信子网通过网络层互连设备(如路由器)和协议相互连接，形成一个很大的逻辑网络，以实现端到端的数据通信。互连网模型如图2-13所示。网络层图2-13互连网模型

路由选择算法静态路由选择算法是指采用某种路由选择算法预先计算出每个路由器的路由表，再在路由器加电启动时加载到路由器中。在路由器工作过程中，路由表内容保持不变，也称为固定路由选择算法；有最短路径选择(ShortestPath，SP)算法和基于流量的路由选择(Flow-basedRou-ting，FR)算法等；其特点是算法简单，适应性差。网络层

静态路由选择算法

最短路径选择算法●最短路径算法是根据线路的加权值寻找出最短的路径。网络层●权值可以用线路长度、信道带宽、平均通信量、通信费用、队列长度、线路延时等来计算。●最短路径算法是一种搜索算法，其过程是：(1)设在第m步已经搜索到一个最短路径，该路径上有n个距离源节点最近的节点，它们构成了一个节点集合N；(2)在第m＋1步，继续搜索不属于N的距离源节点最近的节点，并将搜索到的节点加入到N中；(3)继续搜索，直至到达目的节点，N中的节点集合便是从源节点到目的节点的最短路径。其搜索过程如表2-3所示，在最短路径选择算法中，根据网络拓扑结构将一个通信网络表示成一个加权无向网络层图，参见图2-14(a)。求出的最短路径如图2-14(b)所示。SP算法最初是由Dijkstra提出的，故也称Dijkstra算法。图2-14加权无向图以及求出的最短路径(a)加权无向图；(b)最短路径表2-3最短路径的搜索过程网络层2表示当前节点B到源节点的距离，A表示上游节点。

标记B(2，A)的含义SP算法没有考虑通信流量或负载。FR算法则考虑网络拓扑结构和通信流量两方面的因素进行路由选择。FR算法的基本条件是：

●必须知道网络拓扑结构；

●必须知道节点之间平均通信流量；

●必须知道各条线路的容量。网络层

基于流量的路由选择算法

基本原理对于一个给定的线路，如果已知该线路的负荷量和平均流量，则可以用队列理论计算出该线路的平均分组网络层延迟。由所有的线路平均延迟可直接计算出流量加权平均值，从而得到整个网络的平均分组延迟。于是，路由选择问题就可归结为如何找出产生网络最小延迟的路由选择算法。

动态路由选择算法根据网络当前的拓扑结构和流量特点更新路由表；又分为距离矢量路由选择算法和链路状态路由选择算法。●适应性强，算法复杂，实现难度大；

特点

网络层●路由器之间通过交换路由信息来更新和维护路由表，交换信息使用的所使用的协议就是路由协议；●Internet中的路由信息协议RIP基于距离矢量路由算法开发；而开放最短路径优先协议OSPF使用的是链路状态路由算法。

距离矢量路由选择算法距离矢量路由选择(DistanceVectorRouting)算法的基本原理是每个路由器都维护一张路由表，表中记录有通向目的节点的最佳“距离”和线路，每隔一段时间，路由器就与相邻路由器相互交换信息来不断更新路由表。“距离”可以用跳数(节点数)、时间延迟估算值、该路由的队列长度等来度量。

网络层

基本思想图解图2-15(a)正常情况

网络层图2-15(b)慢收敛的产生●选择路由时不考虑线路带宽，而线路带宽随着网络技术的发展在不断地提高；●在获取路由信息时需要耗费很多的时间。网络层

链路状态路由选择算法

两个缺陷路由器发送hello分组来发现与其相邻的路由器；每个路由器都要测量自己到相邻路由器的延迟或链路开销，创建链路状态LS分组，并将其扩散到其他路由器。LS分组可以周期性地发送，也可以在网络发生重大事件时发送(如链路断掉或某一个节点停机时)；由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息，因此网络层所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库，这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图。利用拓扑结构图和最短路径优先算法，每个路由器用接收到的LS分组来建立和更新其路由表，并计算自己到达各个网络的最短路径。

基本思想图解

网络层图2-16互联网上每个路由器向其他路

由器广播自己与相邻路由器的关系网络层

ISO路由协议为了使路由器之间能够以标准方式交换路由信息，ISO定义了一种路由框架结构。在这个框架结构中，定义了两种节点，即端系统(EndSystem，ES)和中间系统(IntermediateSystem，IS)，通过它们之间的路由信息交换来实现网络路由信息的动态更新和维护。这是一个三层路由结构：

●低层。通过“端系统到中间系统(ES—IS)的路由信息交换”协议实现子网内部的路由信息交换；

●中层。通过“中间系统到中间系统(IS—IS)的路由

路由协议网络层信息交换”协议实现同一个路由域内的路由信息交换；

●高层。通过更复杂的交互过程实现不同路由域路由器之间的路由信息交换，以相互发现对方。

Internet路由协议Internet由大量的自治系统AS互连而成；AS内部的路由选择算法称为内部网关协议IGP。OSPF被作为内部网关协议的标准。AS之间的路由选择算法称为外部网关协议EGP。常用的是边界网关协议BGP。如图2-17所示。

OSPF特性●为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域；网络层●每个AS都有一个主干区域，标识符规定为0。其他区域都要与主干区域相连，并通过主干区域交换信息；●划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量；●在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑的情况;●OSPF支持三种网络和连接：两个路由器之间的点到点线路；具有广播传输特性的多路访问网络，如大多数的LAN；没有广播传输特性的多路访问网络，如大多数基于分组交换的WAN;●路由操作分成三种情况：区域内、区域间和AS间;网络层●OSPF要区分四种路由器：区域内部路由器、区域边界路由器、主干路由器和AS边界路由器。如图2-18所示。

OSPF的5种消息●问候(Hello)分组：当一个路由器启动后，要向它的所有连接线路发送Hello消息，相邻路由器要对Hello消息进行应答，用于邻居发现；●链路状态更新(LinkStateUpdate)分组：每个路由器定期地向相邻路由器发布Linkstateupdate消息，当网络拓扑结构或权值发生变化时，路由器也都要发布Linkstateupdate消息，即用洪泛法对全网更新链路状态；OSPF定义了5种消息用于路由器交换路由信息。网络层图2-17图2-18区域内部路由器:R1，R2等;区域边界路由器:R3，R4等;主干路由器:R3，R4，R5等;AS边界路由器:R6。网络层●链路状态确认(LinkStateAcknowledgment)分组：当路由器接收到Linkstateupdate消息后，要使用Linkstateack消息进行确认；●链路状态请求(LinkStateRequest)分组：相邻路由器之间相互发送Linkstaterequest消息，以获取相应的链路状态信息。当路由器接收到Linkstaterequest消息后，使用Databasedescription消息进行应答。这样，新的链路状态信息便可以在一个区域扩散开来。●数据库描述(DatabaseDescription)分组：它是对Linkstaterequest消息的应答，给出发送者所拥有的所有链路状态序号；

外部网关协议网络层

外部网关协议与内部网关协议的侧重点不同：内部网关协议侧重如何高效选择路由来转发分组；外部网关协议侧重路由策略问题，即从政治、安全和经济等方面因素来考虑来决策路由的选择。外部网关协议中常用的是边界网关协议(BorderGatewayProtocol，BGP)。

边界网关协议●边界网关协议BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议；

●BGP基于路径向量

(距离矢量)路由算法，即在BGP路由器中，要给出到目的路由器的完整路径并定期地向相邻BGP路由器广播；这条路径指出了分组到达目的路由器所必须经过的AS序列。网络层●全球网络是由BGP路由器互连而成的，BGP路由器之间基于面向连接的传输层协议(如TCP协议)进行通信，既保证了通信的可靠性，又隐藏了所经网络的拓扑结构和细节。

拥塞控制算法

拥塞及造成拥塞的原因●计算机网络设备的通信能力都有一定的范围，当大量的主机向网络发送数据的总量接近网络通信容量的上限时，数据会在网络中积聚，导致网络性能下降。这种情况称为拥塞；●造成拥塞的原因：存储空间不足，处理器速度慢等。网络层

拥塞控制与流量控制●拥塞控制针对通信子网，它要确保进入网络的数据量不超出网络的处理能力；●流量控制针对发送方和接收方之间点到点的流量，流量控制所要做的就是抑制发送端发送数据的速率，以便使接收端来得及接收；

●两者的相似之处是都需要控制源节点的数据发送。

拥塞控制方法通过对系统进行精心设计来确保拥塞不会出现，实际操作起来比较困难。

开环(openloop)方法网络层

闭环(closedloop)方法建立在反馈环路的基础上，通过实时监测并在拥塞出现时采取积极的应对措施来减少拥塞，要点：(1)实时监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生；(2)将拥塞信息从检查点反馈给控制点：●显示反馈：检查点向控制点反馈警告分组；

●隐式反馈：控制点通过观察应答分组的返回时间进行推断。(3)调整网络系统的运行以解决出现的问题：

●控制点降低分组的发送速率；

●检查点丢弃一些分组(负载脱落)。网络层

面向虚电路的拥塞控制算法

基本思想●在虚电路子网中，一旦出现拥塞的信号，就不再建立任何虚电路，直到拥塞解除。●允许建立新的虚电路，但通过仔细选择路由，以便所有新的虚电路会绕过有问题的区域；●在建立虚电路时进行资源的预约。在建立连接时，发送者、路由器和接收者协商该连接的流量传输模式，在数据传输过程中，路由器将根据该模式对流量进行调整，即流量(交通)整形。其基本的拥塞控制方法有漏桶算法和令牌桶算法。网络层

漏桶算法漏桶算法相当于在路由器内部实现一个有限长度队列，路由器将以恒定速率从队列中取出分组发送出去，如果队列中还有空间的话，进入路由器的分组被排到队列的尾部，否则，该分组被丢弃。这种算法实际上是一种具有恒定服务时间的单服务器排队系统。主机系统也可采用该算法来整形分组的发送，即将上层应用进程中不均匀的数据流整形成均匀的分组流向网络发送，从而平滑了突发的数据流，大大减少了发生拥塞的机会。漏桶模型如图2-19所示。

令牌桶算法算法以恒定速率产生一个个令牌并放入桶中，每发送网络层一个分组都要获得和消耗一个令牌，如果令牌消耗完，则新来的分组就要等待生成新令牌或被丢弃。图2-19漏桶模型在令牌桶算法中，使用一个令牌计数器来计数令牌数量。令牌计数器每隔时间t加1，表示新增加一个令牌；每发送一个分组，令牌计数器减1，表示已消耗一个令牌。当计数器减至0时，表示令牌已消耗完，不能再发送分组了。其模型如图2-20所示。网络层

面向数据报的拥塞控制算法数据报是一种无连接的传输方式。当路由器发现拥塞时，它向源主机发送抑制分组。源主机收到抑制分组后减少发送给特定目的地的通信量。经过一定的时间，如果再收到抑制分组，主机再减少通信量。一定时间以后，主机没收到抑制分组时，就认为拥塞解除，再逐步恢复发送速率。网络层图2-20传输层

传输层提供的数据传输服务可以是面向连接的或无连接的。应用较广泛的是面向连接的传输层协议TCP协议等。传输层的数据传输单位是分组(Packet)，每个分组由分组头和分组数据两部分组成，分组头中包含了寻址信息、控制信息和说明信息等。寻址信息指出了通信双方传输层服务访问点(TSAP)地址，定义了使用传输层协议进行通信的用户进程。控制信息规定了某种传输协议的控制操作，如建立连接、拆除连接等操作。说明信息描述了数据传输时的某些特性，如服务质

传输层提供的服务传输层

量(QoS)、窗口尺寸等。传输层分组封装在网络层分组中，作为网络层分组的数据部分，参见图2-21。传输层的流量控制和差错控制是在端到端意义上实现的。

连接控制●面向连接的服务：提供可靠、有序的数据传输服务，一次通信需要历经建立连接、数据传输和