1、1网络基础讲议 第一部分 网络模型一、网络体系结构及 OSI 基本参考模型1。1 协议及体系结构通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的计算机系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则。1.网络协议(Protocol)为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合。网络协议的三个要素：1)语义（Semantics）。涉及用于协调与差错处理的控制信息。2）语法（Syntax）。涉及数据及控制信息的格式
2、、编码及信号电平等。3）定时（Timing）。涉及速度匹配和排序等。2.网络的体系结构及其划分所遵循的原则计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。分层就是系统分解的最好方法之一。在下图所示的一般分层结构中，n 层是 n-1 层的用户，又是 n+1 层的服务提供者。n+1 层虽然只直接使用了 n 层提供的服务，实际上它通过 n 层还间接地使用了 n-1 层以及以下所有各层的服务。 层次模型 2层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。分层结构还有利于交流、理解和标准化。所谓网络的体系结构(
3、Architecture)就是计算机网络各层次及其协议的集合。层次结构一般以垂直分层模型来表示(图 3.2)。 计算机网络的层次模型 层次结构的要点：1)除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。2)对等层的虚通信必须遵循该层的协议。3)n 层的虚通信是通过 n/n-1 层间接口处 n-1 层提供的服务以及 n-1 层的通信（通常也是虚通信）来实现的。层次结构划分的原则：1)每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响。2)层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。3)层数应适中。若层数太
4、少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。网络的体系结构的特点是：1)以功能作为划分层次的基础。2)第 n 层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第 n-1 层提供的服务。3)第 n 层在向第 n+1 层提供的服务时，此服务不仅包含第 n 层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。4)仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。1.2 OSI 基本参考模型1.开放系统互连(Open System Interconnection)基本参考模型是由国际标准化组织(ISO)制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型，又称 ISOs
5、 OSI 参考模型。“开3放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连。OSI 包括了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象。OSI 的体系结构定义了一个七层模型，用以进行进程间的通信，并作为一个框架来协调各层标准的制定；OSI 的服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语；OSI 各层的协议规范，精确地定义了应当发送何种控制信息及何种过程来解释该控制信息。需要强调的是，OSI 参考模型并非具体实现的描述，它只是一个为制定标准机而提供的概念性框架。在 OSI 中，只有各种协议是可以实现的，网络中的设备只有与OSI 和有关协议相一致时才能互连。如图
6、形所示,OSI 七层模型从下到上分别为物理层(Physical Layer,PH)、数据链路层(Data Link Layer,DL)、网络层(Network Layer,N)、运输层(Transport Layer,T)、会话层(Session Layer,S)、表示层(Presentation Layer,P)和应用层(Application Layer,A)。 ISOs OSI 参考模型 从图中可见，整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理媒体连接构成。这里的端开放系统和中继开放系统，都是国际标准OSI7498 中使用的术语。通俗地说，它们变相当于资源子网中
7、的主机和通信子网中的节点机(IMP)。只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能，而在通信子网中的 IMP一般只需要最低三层甚至只要最低两层的功能就可以了。2.层次结构模型中数据的实际传送过程如图所示。图中发送进程送给接收进程和数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体；通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。在发送方从上到下逐层传递的过程中，每层都要加上适当的控制信息，即图中和H7、H6、.、H1，统称为报头。到最底层成为由“0”或“1”组成和数据比特流，然后再转换为电信号在物理媒体上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加
8、上的控制信息。因接收方的某一层不会收到底下各层的控制信息，而高层的控制信息对于它来说4又只是透明的数据，所以它只阅读和去除本层的控制信息，并进行相应的协议操作。发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的，就好像这些信息通过虚通信直接给了对方一样。 数据的实际传递过程 各层功能简要介绍：(1)物理层-定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输。具体涉及接插件的规格、“0”、“1”信号的电平表示、收发双方的协调等内容。(2)数据链路层-比特流被组织成数据链路协议数据单元(通常称为帧)，并以其为单位进行传输，帧中包含地址、控
9、制、数据及校验码等信息。数据链路层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。(3)网络层-数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。网络层关心的是通信子网的运行控制，主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源传送到目的地的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。(4)
10、运输层-是第一个端-端，也即主机-主机的层次。运输层提供的端到端的透明数据运输服务，使高层用户不必关心通信子网的存在，由此用统一的运输原语书写的高层软件便可运行于任何通信子网上。运输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。(5)会话层-是进程-进程的层次，其主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信(也称为对话)。会话层负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。在半双工情况下，会话层提供一种数据权标来控制某一方何时有权发送数据。会话层还提供在数据流中插入同步点的机制，使得数据传输因网络故障而中断后，可以不必从头开始而仅重传最近一个同步点以后的数据。(6)表示层-为上层用户提供共
11、同的数据或信息的语法表示变换。为了让采用不同编码方法的计算机在通信中能相互理解数据的内容，可以采用抽象的标准方法来定义数据结构，并采用标准的编码表示形式。表示层管理这些抽象的数据结构，并将计5算机内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的表示变换功能。(7)应用层是开放系统互连环境的最高层。不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问 OSI 环境的手段。网络环境下不同主机间的文件传送访问和管理(FTAM)、传送标准电子邮件的文电处理系统(MHS)、使不同类型的终端和主机通过网络交互访问的虚拟终端(VT)协议等都属于应用层的范畴。 二 物理层2.1 物理层接
12、口与协议 物理层位于 OSI 参与模型的最低层，它直接面向实际承担数据传输的物理媒体(即信道)。物理层的传输单位为比特。物理层是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接。物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规和程性的特性。其作用是确保比特流能在物理信道上传输。 DTE-DCE 接口框图 ISO 对 OSI 模型的物理层所做的定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。比特流传输可以采用异步传输，也可以采用同步传输完成。2.2 物理层协议举例1.EIA RS
13、-232C 接口标准EIA RS-232C 是由美国电子工业协会 EIA(Electronic Industry Association)在1969 年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口 Recommended Standard)的意思是“推荐标准”，232 是标识号码，而后缀“C”则表示该推荐标准已被修改过的次数。RS-232 标准提供了一个利用公用电话网络作为传输媒体，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。远程电话网相连接时，通过调制解调器将数字转换成相应的模拟信号，以使其能与电话网相容；在通信线路的另一端，另一个调制解调器将模拟信号逆转换成相应的数字数据，从而实现比特流的传输
14、。图 3.8(a)给出了两台远程计算机通过电话网相连的结构图。从图中可看出，DTE 实际上是数据的信源或信宿，而 DCE 则完成数据由信源到信宿的传输任务。RS-232C 标准接口只控制 DTE 与 DCE 之间的通信，与连接在两个 DCE 之间的电话网没有直接的关系。 RS-232C 的机械特性规定使用一个 25 芯的标准连接器，并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置等都做了详细说明。 6RS-232C 功能特性引脚号 信号线 功能说明 信号线型 连接方向123456782022AABABBCACBBBABCFCDCE保护地线(GND)发送数据(TD)接收数据(RD)请求发送(RTS)清除发
15、送(CTS)数据设备就绪(DSR)信号地线(Sig.GND)载波检测(CD)数据终端就绪(DTR)振铃指示(RI)地线数据线数据线控制线控制线控制线地线控制线控制线控制线DCEDTEDCEDTEDTEDTEDCEDTERS-232C 的连接见图。 DTE DCE123456782022 AABABBCACBCCABCFCDCE123456782022RS-232C 的 DTE-DCE 连接若两台 DTE 设备，如两台计算机在近距离直接连接，则可采用图 3.11 的方法，图中(a)为完整型连接，(b)为简单型连接。 7RS-232C 的 DTE-DTE 连接 RS-232C 的工作过程是在各根控
16、制信号线有序的“ON”(逻辑“0”)和“OFF”(逻辑“1”)状态的配合下进行的。在 DTEDCE 连接的情况下，只有 CD(数据终端就绪)和 CC(数据设备就绪)均为“ON”状态时，才具备操作的基本条件：此后，若 DTE 要发送数据，则须先将 CA(请求发送)置为“ON”状态，等待 CB(清除发送)应答信号为“ON”状态后，才能在 BA(发送数据)上发送数据。 2.EIA RS-449 及 RS-422 与 RS-423 接口标准3.100 系列和 200 系列接口标准三 数据链路层数据链路层是 OSI 参考模型中的第二层,介乎于物理层和网络层提供的服务的基础上向网络层提供服务。数据链路层的
17、作用是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，即使之对网络层表现为一条无差错的链路。数据链路层的基本功能是想网络层提供透明的和可靠的数据传送服务。透明性是指该层上传输的数据的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释信息结构的意义；可靠的传输使用户免去对丢失信息、干扰信息及顺序不正确等的担心。3.1 数据链路层功能数据链路层最基本的服务是将源机网络层来的数据可靠的传输到相邻节点的目标机网络层。为达到这一目的，数据链路层必须具备一系列相应的功能，它们主要有：如何将数据组合成数据块，在数据链路层中将这种数据块称为帧，帧是数据链路层的传送单位
18、；如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使之与接收方相匹配；在两个网路实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放管理。1.帧同步功能为了使传输中发生差错后只将出错的有限数据进行重发,数据链路层将比特流组织成以帧为单位传送。帧的组织结构必须设计成使接收方法能够明确的从物理层收到比特流8中对其进行识别，也即能从比特流中区分出帧的起始与终止，这就是帧同步要解决的问题。由于网络传输中很难保证计时的正确和一致，所以不能采用依靠时间间隔关系来确定一帧的起始与终止的方法。2.差错控制功能通信系统必须具备发现(即检测)差错的能力，并采取措施纠正之，使差错控制在所能允许的尽可能小
19、的范围内，这就是差错控制过程，也是数据链路层的主要功能之一。接收方通过对差错编码(奇偶校验码或 CRC 码)的检查，可以判定一帧在传输过程中是否发生了差错。一旦发现差错，一般可以采用反馈重发的方法来纠正。这就要求接受方收完一帧后，向发送方反柜一个接收是否正确的信息，使发送方据此做出是否需要重新发送的决定。发送方仅当收到接收方以正确接收的反馈信号后才能认为该帧已经正确发送完毕，否则需要重发直至正确为止。物理信道的突发噪声可能完全“淹没”一帧，即使得整个数据帧或反馈信息帧丢失，这将导致发送方永远收不到接受方发来的信息，从而使传输过程停滞。为了避免出现这种情况，通常引入计时器(Timer)来限定接收
20、方发回方反柜消息的时间间隔，当发送方发送一帧的同时也启动计时器，若在限定时间间隔内未能收到接收方的反柜信息，即计时器超时(Timeout)，则可认为传出的帧以出错或丢失，就要重新发送。由于同一帧数据可能被重复发送多次，就可能引起接收方多次收到同一帧并将其递交给网络层的危险。为了防止防止发生这种危险，可以采用对发送的帧编号的方法，即赋予每帧一个序号，从而使接收方能从该序号来区分是新发送来的帧还是已经接受但又重发来的帧，以此来确定要不要将接收到的帧递交给网络层。数据链路层通过使用计数器和序号来保证每帧最终都能被正确地递交给目标网络层一次。有关差错控制的详细内容，将在本节稍后再做介绍。3.流量控制功
21、能首先需要说明一下，流量控制并不是数据链路层特有的功能，许多高层协议中也提供流量控制功能，只不过流量控制的对象不同而已。比如，对于数据链路层来说，控制的是相邻两节点这间数据链路上的流量，而对于运输层来说，控制的则是从源到最终目的之间端对端的流量。由于收发双方各自使用的设备工作速率和缓冲存储空间的差异，可能出现发送方发送能力大于接收方接收能力的现象，若此时不对发送方的发送速率（也即链路上的信息流量）做适当的限制，前面来不及接收的帧将被后面不断发送来的帧“淹没”，从而造成帧的丢失而出错。由此可见，流量控制实际上是对发送方数据流量的控制，使其发送速率不致超过接收方的速率。也即需要有一些规则使得发送方
22、知道在什么情9况下可以接着发送下一帧，而在什么情况下必须暂停发送，以等待收到某种反馈信息后再继续发送。本节稍后将要介绍的 XON/XOFF 方案和窗口机制就是两种常用的流量控制方法。4.链路管理功能链路管理功能主要用于面向连接的服务。在链路两端的节点要进行通信前，必须首先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接。在传输过程中则要维持该连接。如果出现差错，需要重新初始化，重新自动建立连接。传输完毕后则要释放连接。数据链路层连接的建立，维持和释放就称做链路管理。在多个站点共享同一物理信道的情况下（例如在局域网中），如何在要求通信的站点间分配和管理信道也属于数据
23、层链路管理的范畴。四 网络层网络层是 OSI 参考模型中的第三层,介于运输层和数据链中路层之间。它在数据路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。网络层关系到通信子网的运行控制，体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式，是 OSI 模型中面向数据通信的低三层(也即通信子网)中最为复杂、关键的一层。网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括路由选择、阻塞控制和网际互连等。4.1 通信子网的操作方式和网络层提供的服务端点之间的通信是依靠通信子网中的
24、节点间的通信来实现的，在 OSI 模型中，网络层是网络节点中的最高层，所以网络层将体现通信子网向端系统所提供的网络服务。在分组交换方式中，通信子网向端系统提供虚电路和数据报两种网络服务，而通信子网内部的操作也有虚电路的数据报两种方式。1.虚电路操作方式在虚电路操作方式中，为了进行数据传输，网络的源节点的目的节点之间先要建立一条逻辑通路，因为这条逻辑通路不是专用的，所以称之为“虚”电路。每个节点到其它任一节点之间可能有若干条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路径可能相同也可能不同。 3.4.2 路由选择 通信子网为网络源节
25、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后，要确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择。在数据报方式中，网络节点要为每个分组路由做出选择；而在虚电路方式中，只需在连接建立时确定路由。确定路由选择的策略称路由算法。设计路由算法时要考虑诸多技术要素。首先，考虑是选择最短路由还是选择最佳路由；其次，要考虑通信子网是采用虚电路的还是采用数据报的操作方式；其三，是采用分布式路由算法，即每节点均为到达的分组选择下一步的路由，还是采用集中式10路由算法，即由中央节点或始发节点来决定整个路由；其四，要考虑关于网络拓朴、流量和延迟等网络信息的来源；最后，确定是采用静态路由选择策略，还是动
26、态路由选择策略。1.静态路由选择策略静态路由选择策略不用测量也不需利用网络信息，这种策略按某种固定规则进行路由选择，其中还可分为泛射路由选择、固定路由选择和随机路由选择三种算法。(1)泛射路由选择法。这是一种最简单的路由算法。一个网络节点从某条线路收到一个分组后，再向除该线路外的所有线路重复发送收到分组。结果，最先到达目的的节点的一个或若干个分组肯定经过了最短的路径，而且所有可能的路径都被尝试过。这种方法用于诸如军事网络等强壮性要求很高的场合。即使有的网络节点遭到破坏，只要源、目间有一条信道存在，则泛射路由选择仍能保证数据的可靠传送。另外，这种方法也可用于将一个分组数据源传送到所有其它节点的广
27、播式数据交换中。它还可被用来进行网络的最短路径及最短传输延迟的测试。(2)固定路由选择。(3)随机路由选择。2.动态路由选择策略4.2 阻塞控制阻塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。这种现象跟公路网中经常所见的交通拥挤一样，当节假日公路网中车辆大量增加时，各种走向的车流相互干扰，使每辆车到达目的地的时间都相对增加(即延迟增加)，甚至有时在某段公路上车辆因堵塞而无法开动(即发生局部死锁)。网络的吞吐量与通信子网负荷(即通信子网中正在传输的分组数)有着密切的关系。当
28、通信子网负荷比较小时，网络的吞吐量(分组数/秒)随网络负荷(每个节点中分组的平均数)的增加而线性增加。当网络负荷增加到某一值后，若网络吞吐量反而下降，则表征网络中出现了阻塞现象。在一个出现阻塞现象的网络中，到达某个节点的分组将会遇到无缓冲区可用的情况，从而使这些分组不得不由前一节点重传，或者需要由源节点或源端系统重传，从而使通信子网的有效吞吐量下降。由此引起恶性循环，使通信子网的局部甚至全部处于死锁状态，最终导致网络有效吞吐量接近为零。43 网际互连1.网际互连原理网际互连的目的是使一个网络上的用户能访问其它网络上的资源，使不同网络上的用户互相通信和交换信息。这不仅有利于资源共享，也可以从整体上提高网络的可靠性。
