第3章下 计算机网络体系结构与协议

1、现场总线的网络通信模型,2,3.4网络层,3.4.1网络层网络层的基本功能数据链路层解决了相邻两直接连接结点之间的通信协议，不涉及数据经过通信子网中多个转接结点的通信问题。设立网络层的目的要使报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的主机，网络用户不必关心网络拓扑构型与所使用的通信介质，由于网络层的控制作用，实现了不同网络之间的数据交换。,3,网络层的主要功能有：,（1）寻址网络层参与解决传输信息的信源和信宿分属于与不同的网络时的寻址问题。（2）路由选择与中继在存储转发数据的过程中，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。路由选择是网络层的最主要功能之一.（3）流量控制对

2、进入分组交换网的通信量加以控制，使通信子网稳定运行，尽量防止通信量过大造成通信子网性能下降。（4）网络连接建立与管理针对面向连接的服务而言,建立传输数据逻辑的、贯通通信子网的端-端通信通道。,4,3.4.2网络层服务,面向连接的网络服务和无连接网络服务。1）面向连接的网络服务又称虚电路（VirtualCircuit）服务，是可靠的报文分组按顺序传输的方式，适用于定对象、长报文、会话型传输要求。2）无连接网络服务的两个实体之间的通信不需要事先建立好一个连接。无连接服务有三种类型：数据报、确认交付与请求回答。数据报不要求接收应答，开销少，但可靠性无法保证，类似于邮寄信函。确认交付又称可靠数据报，要

3、求对每个报文分组产生一个确认，类似于挂号信。请求回答服务要求每个报文均发一个应答报文。,5,3.4.3路由选择算法,路由选择就是根据适当的路由选择策略来选择最佳路由。在虚电路方式中，只需在虚电路建立时进行路由选择；而在无连接网络服务中，要为每个分组转发启动路选算法。一个理想的路由选择算法应具有以下特点：（1）算法必须正确（2）尽量简单（3）算法应能适应通信与拓扑的变化（4）算法应有稳定性（5）算法对用户应是公平的（6）对某一特点是最佳的,6,1）静态路由选择策略,静态策略是一种不测量、不利用网络状态信息仅按某种固定规律进行决策的简单路选算法。下面简要介绍3种静态策略：（1）固定路选算法每个中继

4、结点上保存一张由此结点到其它相邻结点的输出路径选择表，表上标明了每一个目的地址应选择的转发路径。,7,（2）分散通信量法,这种方法也是事先在每个结点的内存中根据不同的数据来源链路各设置一张路由表，每条链路赋予一个概率，每个节点除数据来源链路外，各链路的概率和为1。,8,（3）扩散算法（洪泛法）,将进入结点的信息包从所有输出链路（除输入链路外）上发送出去，这种算法的优点是可靠性高，缺点是转发中存在很大的盲目性，在网络中出现大量的报文或报文分组重复。改进措施：可以采取限制分组到达目的结点所经历的最大站数，采用选择扩散法，在转发时只选择靠近目的结点的那些输出链路输出。,9,2）动态路由选择策略,路由

5、选择算法的动态策略又叫适应型路由选择算法，它是依靠当前网络的状态信息进行决策。下面简要介绍4种动态路由选择策略：（1）孤立自适应路径算法这种算法只考虑本结点不同输出线上等待输出的分组排队队列长短，将报文或报文分组发往选择排队队列最短（某一指标最优）的链路。改进措施：考虑到每一链路处理报文或报文分组的能力不同，不同的链路根据处理能力赋予不同的权值，队列的长度通过加权计算得出。,10,（2）反向感知法反向感知法是利用接收分组所带的信息来反向推算从本结点发往这些结点时可能具有的传输时延，根据推算的结果修改当前的路由选择表。（3）分布式路选法分布式路由选择算法是通过与相邻的结点定期或不定期地交换路由选

6、择信息修改路由选择表。（4）集中式路选法这种方法是在网络中设立一个结点专门收集各结点定期发送来的信息，动态计算路由选择表，再发往网中的各个结点。,11,3.4.4流量控制,在网络层讨论问题时，需要了解下面的概念：流量（flow）：这里说到的流量（flow）是指网络中的信息通信量。吞吐量（throughput）：表示单位时间从网络输出的分组数量。拥挤（Congestion）：网络吞吐量随输入负荷的增大而下降的现象称做网络的拥挤；死锁（deadlock）：当输入负荷继续增大到一定程度，网络的吞吐量下降为零，网络完全不能工作，叫死锁（deadlock）。流量控制：动态有效地分配通信子网中的网络资源的

7、过程是网络层的流量控制。包括通信信道、结点处理机和缓冲区等动态分配。目的达到：1）防止网络因过载而造成吞吐量下降和网络延时增大；2）避免死锁；3）在竞争的多用户中公平分配资源。,12,流量控制控制的作用及基本概念：,13,3.5传输层,3.5.1传输层在OSI中的地位和作用,14,传输层在OSI中的作用,设置传输层的目的是通过补充和完善下层网络通信服务质量的差异和不足，向上一层提供统一服务质量（QOS）的透明的数据传输服务，简言之，传输层为主机进程之间提供可靠的端端通信。要提供两个进程间的可靠通信，传输层就要在网络层及其以下两层服务的基础上，完成两个主机进程之间数据通信的差错控制、流量控制以及

8、数据包的正确排序等功能，就这些功能而言，传输层与数据链路层有些相象，但是数据链路层解决的是相邻连接两点间的数据传输可靠问题，而传输层解决的是通信子网之上的两个主机进程之间的数据可靠传输问题。高层用户对传输层服务质量要求是确定的，所以传输层协议的复杂程度与网络层提供的服务有关，协议内容取决于网络层所提供的服务质量。,15,3.5.2传输层协议的分类,面向连接的传输服务，如TCP协议提供的服务；面向非连接的传输服务，如UDP协议提供的服务。网络层的服务质量可分为三种：A型：网络连接具有可接受的差错率和可接受的故障通知率。如：虚电路B型：网络连接具有可接受的差错率，不具有可接受的故障通知率。C型：网

9、络连接不具有可接受的差错率。如：数据报,16,针对三种服务定义了五类协议：,TP0：简单类，依靠网络层的流量控制，连接释放仅靠网络连接释放，最简单端端连接，支持A型网络。TP1：基本差错恢复类，提供基本的差错恢复，出现网络断开或连接失败时建立另一条连接，支持B型网络。TP2：复用类，没有对网络连接故障的恢复功能，具有复用功能和复用的流量控制能力，支持A型网络。TP3：差错控制复用类，具有TP1+TP2的能力，支持B类网络。TP4：差错检测与复用类，具有差错检测，差错恢复与复用等功能，支持C型网络。,17,3.6高层协议,3.6.1会话层当两个应用进程进行相互通信时，希望有第三者组织它们的会话，

10、为它们之间的交互过程创建一个十分协调的环境，设定会话层就是这个目的。组织会话的内容主要包括：提供会话双方之间的会话连接建立、数据传送和释放功能；管理会话双方的对话活动，主要是对令牌管理及单工、半双工或全双工数据传送方式的设立；在数据传送中插入适当的同步点，发生差错时，会话可以在双方同意的同步点重新开始；适当中断一个对话，在预定好的同步点重新开始等。,18,会话层的服务主要可以归纳为：,（1）会话连接管理这是会话层的服务中的核心功能，这部分功能使一个应用进程在一个完整的活动或事物处理中通过传输层提供的服务与远端的另一个对等进程建立和维持一条畅通的通信信道，为两个通信的应用进程利用信道交换会话单元

11、提供手段。,19,（2）数据交换管理数据交换管理包括交互管理和对话同步，交互管理是指对话双方使用单工方式、半双工方式或全双工方式的控制过程。对话同步是指为使对话过程能按顺序可靠地进行所采取的同步措施。对话单元是会话的基本交换单位，为了在连续数据流中分出对话单元，会话设立了主同步点，表示一个对话单元的结束和下一个对话单元的开始，为了在一个对话单元内组织数据交换，还设立了次同步点。交互管理和对话同步都是通过使用“令牌”完成，所谓令牌就是某种服务的权限，这些令牌包括：数据令牌，指在单工或半双工方式下，服务用户拥有数据发送的权利；释放令牌，是服务用户拥有释放会话连接的权利；次同步令牌，是服务用户具有在

12、对话单元中插入次同步点的权利；主同步/活动令牌，是服务用户具有控制活动的开始与结束以及在活动中插入主同步点的权利。,20,（3）活动管理,活动管理是同步概念的一个扩展，它为会话用户提供了可以将整个对话分解成若干离散活动的方法。,21,（4）异常情况报告在会话实体内出现不可预测的差错时，会话实体会向会话服务用户发出会话服务提供者异常报告；在会话服务用户发现一些异常情况时，会话服务用户也会向会话实体发出会话服务用户异常报告。,22,3.6.2表示层,OSI下面的五层提供了透明的数据传输，表示层要处理通信中的语法，解决通信双方之间的数据表示问题，使描述的数据结构与机器无关，通过一些编码规则定义在通信

13、中传送这些信息所需要的传递方法。表示层的服务有：（1）连接管理包括利用会话层服务建立表示连接，管理在这个连接之上的数据传输和同步控制，以及正常或异常地终止这个连接。,23,（2）语法转换,网络中不同计算机可能有各自的数据描述方法，即语法不同，每种具体计算机采用的语法称为“局部语法”，发送方将符合自己局部的比特序列转换成符合传送语法的比特序列，接收方再把转换成局部语法的比特序列。数据的压缩与解压缩、出于安全和保密考虑而进行的数据加密和解密服务也在表示层完成。（3）语法协商表示层要为应用层提供服务。应用层采用相互承认的抽象语法，抽象语法是对数据一般结构的描述。表示层使用传输语法，描述抽象的语法（数

14、据结构）与传输语法之间的映像关系称为表示上下文。语法协商，就是根据应用层的要求选用合适的表示上下文。,24,3.6.3应用层,应用层在OSI/RM中是最高的一个功能层，是直接面向用户的一层，是计算机网络与本地操作环境和应用系统间的界面。它为应用进程访问OSI环境提供手段，同时为应用进程提供服务，它向应用进程提供的服务是OSI的所有层所提供服务的总和。应用层不包括应用系统，是直接为用户的应用进程提供服务的一个OSI功能层，但在一些计算机网络中，有时将应用层与应用系统融合在一起，这时的应用层协议就是具体的应用程序。,25,OSI标准将应用进程中与OSI有关的进程称为应用实体，应用实体实现与其它应用

15、进程的交互，一个应用进程可以包含一个或多个不同类型的应用实体。一个应用实体由一个用户元素和多个应用服务元素组成。应用服务元素中可提供某一特定方面应用服务的元素称为特定应用元素，如文件传送、访问与管理，报文处理系统，虚拟终端协议等；另一类应用服务元素为其它应用服务提供共同需要的一些常用服务，如联系控制服务元素、可靠传送服务元素、远程操作服务元素以及托付，并发和恢复等，这部分元素称为公共服务应用元素。,26,3.7网络互连,3.7.1网络互连的基本概念网络互连，指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，以构成更大规模的互连网络系统，实现互连网络资源的共享。实现互连的网络和设备可以是同种类型的网络、

16、异构网络，以及运行不同网络协议的设备和系统。,27,要实现网络互连必须做到：（1）在互连的网络之间提供链路，至少有物理线路和数据线路；（2）在不同网络结点的进程之间提供适当的路由来交换数据；（3）提供网络记帐服务，记录网络资源使用情况；（4）提供各种互连服务的同时应尽可能不改变互连网的结构。网络互连类型主要有：局域网-局域网互连、局域网-广域网互连、局域网通过广域网与局域网的互连，以及广域网与广域网的互连等。,28,3.7.2网络互连设备,网络互连设备主要有中继器、网桥、路由器与网络协议变换器等，分别用于不同层次上的网络互连。4种网络互连设备简介：1）中继器（REPEATOR）用于实现物理层干

17、线段之间的连接，通过信号的放大和整形延长网络。中继器又分单口中继器和多口中继器。中继器之间也可串接起来。,29,2）网桥（BRIDGE）在数据链路层上实现不同网络的互连，两个网络数据链路层的协议、传输介质、传输速率都可不同。网桥是一种存储转发设备，从一个局域网接收到一信息帧后，对帧头进行校验修改，然后转发到另一个局域网或丢弃该帧。网桥一般实现相同类型局域网和不同类型局域网的连接，可以分隔两个网络之间的通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。,30,3）路由器（ROUTER）,路由器在网络层上能实现多个网络之间的互连。路由器的基本特征从以下3点介绍：（*）路由器为两个或两个以上网络之间的数据传

18、输解决最佳路径选择；（*）路由器与网桥的主要区别是：网桥独立于高层协议，向用户提供一个大的逻辑网络。路由器则是从路径选择角度为不同的逻辑上独立的子网用户之间的数据传输提供传输的路线，并且比网桥有更大的流量控制、阻塞控制和更强的异种网互连能力。（*）路由器要求结点网络层以上的各层使用相同或兼容的协议。,31,（4）网间协议变换器（Gateway）也叫网关，是比网桥与路由器更复杂的网络互连设备，它可以实现不同协议的网络之间的互连，包括不同网络操作系统的网络之间互连，也可以实现局域网与主机、局域网与广域网之间的互连。,32,3.8现场总线的网络通信模型,在现场总线控制系统中，参与通信的网络结点是传感器、控制器、执行器等，网络的功能并不复杂，传输的数据量也不大，但是，却要求网络具有较高的实时性和可靠性，因此，大多数现场总线的网络通信模型对ISO/OSIRM的七层模型进行了简化，一般只包括物理层、数据链路层和应用层，有的还针对具体应用在应用层上