中南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用課件第3章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議

OSI將整個通信功能劃分為七個層次，劃分層次的原則是：I．網(wǎng)中各結(jié)點都有相同的層次II．不同結(jié)點的同等層具有相同的功能III．同一結(jié)點內(nèi)相鄰層之間通過接口通信IV．每一層使用高層提供的服務(wù)，并向其下層提供服務(wù)A）I、II與IVB）I、II與IIIC）II、III與IVD）I、III與IVOSI將整個通信功能劃分為七個層次，劃分層次的原則是：1第3章

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議第3章

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議3.3物理層的功能和特性3.3.1物理層功能物理層定義實現(xiàn)在物理媒體上透明地傳送原始比特流。定義了激活、維護和關(guān)閉終端用戶之間機械的、電氣的、過程的和功能的特性。DTE——數(shù)據(jù)終端設(shè)備,用于處理用戶數(shù)據(jù)的設(shè)備。如計算機、路由器。DCE——數(shù)據(jù)通信設(shè)備,用于把DTE發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合于在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男问健Ｈ鏜ODEM。3.3物理層的功能和特性3.3.1物理層功能32.物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)(1)建立、維持和釋放物理連接(2)物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(3)通報故障與差錯物理層要解決的主要問題（1）數(shù)據(jù)信號傳輸（2）接口設(shè)計（3）實現(xiàn)位操作（4）信號傳輸規(guī)程2.物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)43.3.2物理層特性（1）機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。（2）電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。（3）功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。（4）規(guī)程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

3.3.2物理層特性（1）機械特性：指明接口所用接線器53.3.3常用物理層標準1.EIA-232-DRS-232-C標準（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232-C標準RS-232-C標準廣泛應(yīng)用于30m內(nèi)的計算系統(tǒng)間的信息傳送，以及用作計算機通信中數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DEC）之間的物理接口。DTE通過DCE連接到通信傳輸線路3.3.3常用物理層標準1.EIA-232-D63.4數(shù)據(jù)鏈路層在相鄰節(jié)點之間建立鏈路，傳送以幀(Frame)為單位的數(shù)據(jù)信息，并且對傳輸中可能出現(xiàn)的差錯進行檢錯和糾錯，向網(wǎng)絡(luò)層提供無差錯的透明傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層是將一條原始的、有差錯的物理線路變?yōu)閷W(wǎng)絡(luò)層無差錯的數(shù)據(jù)鏈路；3.4.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念線路—鏈路物理線路—數(shù)據(jù)鏈路3.4數(shù)據(jù)鏈路層在相鄰節(jié)點之間建立鏈路，傳送以幀(Fr7鏈路管理幀同步流量控制差錯控制幀的透明傳輸尋址

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議—為實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能而制定的規(guī)程或協(xié)議。鏈路管理8停止等待協(xié)議（stopandwait）是最基本的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。3.4.2停止等待協(xié)議停止等待協(xié)議（stopandwait）是最基本的數(shù)據(jù)鏈路9實用的停止等待協(xié)議1、實用的停止等待協(xié)議需解決兩個問題：數(shù)據(jù)傳送的差錯控制數(shù)據(jù)傳送的流量控制2、解決辦法接收方收到正確數(shù)據(jù)，向發(fā)送方發(fā)送ACK幀接收方發(fā)現(xiàn)循環(huán)冗余檢驗出錯，向發(fā)送方發(fā)送NCK幀，并由發(fā)送方重發(fā)。用超時記時器設(shè)置重傳時間tout采用發(fā)送序號處理重復(fù)幀。實用的停止等待協(xié)議1、實用的停止等待協(xié)議需解決兩個問題：103.4.3連續(xù)ARQ協(xié)議接收方從出錯幀起丟棄所有后繼幀；發(fā)送方仃止數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，并從出錯幀開始重發(fā)N個幀。對于出錯率較高的信道，浪費帶寬。3.4.3連續(xù)ARQ協(xié)議接收方從出錯幀起丟棄所有后繼幀；113.4.4面向比特的HDLC面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的缺點：報文格式不一樣；傳輸透明性不好；等待發(fā)送方式，傳輸效率低。面向比特型協(xié)議的設(shè)計目標：以比特作為傳輸控制信息的基本單元；數(shù)據(jù)幀與控制幀格式相同；傳輸透明性好；連續(xù)發(fā)送，傳輸效率高。3.4.4面向比特的HDLC面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議12HDLC的幀結(jié)構(gòu)

F（flag）：固定格式—01111110

作用—幀同步(從收到的比特流中正確判斷出一個幀的開始和結(jié)束的位置) 何謂傳輸數(shù)據(jù)的透明性? 實現(xiàn)透明傳輸辦法:零比特插入與刪除 A（address）：地址.首位為0:8位,1:16位.C（control）：幀的類型、幀的編號、命令與控制信息I（information）：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)，Nmax=256BFCS:采用CRC（checksum）：校驗A、C、I字段的數(shù)據(jù)

G(X)=X16+X12+X5+1HDLC的幀結(jié)構(gòu)13零比特填充零比特填充14幀類型及控制字段的意義幀類型及控制字段的意義153.4.5點對點協(xié)議PPPPoint-to-PointProtocolPPP協(xié)議處理了差錯檢測，支持面向字符型協(xié)議與面向比特型協(xié)議,可以支持IP協(xié)議及其他一些網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（例如IPX協(xié)議）；PPP協(xié)議不僅在撥號電話線，并且在路由器─路由器之間的專用線上廣泛應(yīng)用;PPP協(xié)議是在大多數(shù)家庭個人計算機和ISP之間使用的協(xié)議，它可以作為在高速廣域網(wǎng)和社區(qū)寬帶網(wǎng)協(xié)議族的一部分。3.4.5點對點協(xié)議PPPPoint-to-Point16PPP信息幀格式標志（flag）：01111110地址（address）：值為“FF”（11111111），表示網(wǎng)中所有的站都接收該幀控制（control）：值為“03”（00000011）協(xié)議（protocol）：長度為2字節(jié)，它標識出網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)域的類型。常用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的類型主要有：0021H—TCP/IP0023H—OSI0027H—DEC數(shù)據(jù)字段：長度可變PPP信息幀格式標志（flag）：01111110173.5 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議通信子網(wǎng)的最高層；位于數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層之間，使用數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)，為傳輸層提供服務(wù)；處理端到端傳輸?shù)淖畹蛯?。網(wǎng)絡(luò)層的作用屏蔽各種不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的差異，實現(xiàn)互連了解通信子網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，選擇路由，實現(xiàn)報文的網(wǎng)絡(luò)傳輸網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)面向連接的服務(wù)無連接的服務(wù)。3.5 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議通信子網(wǎng)的最高層；183.5.3路由算法在通信子網(wǎng)內(nèi)部，分組從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點轉(zhuǎn)移到另外一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，直至到達目的用戶所連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，分組在其中的轉(zhuǎn)發(fā)過程成為路由選擇轉(zhuǎn)發(fā)過程。路由算法的目的是找到一條從源到目的地的一條“最好”路徑?；ㄙM可能是距離、信道帶寬、平均通信量、通信開銷、隊列平均長度、測量到的時延和其它一些因素的綜合。路由算法應(yīng)具有的特性正確性（correctness）簡單性（simplicity），減小路由算法的復(fù)雜度以及系路由系統(tǒng)的開銷健壯性（robustness），能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，保證路由選擇的有效性穩(wěn)定性（stability），能夠適度反映網(wǎng)絡(luò)的變化，不會因為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化而導(dǎo)致動蕩的路由選擇。公平性（fairness），找到一種合適的網(wǎng)絡(luò)路由選擇策略最優(yōu)性（optimality）高效性（efficiency），能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)鏈路資源，減少分組在通信子網(wǎng)中的傳遞時間3.5.3路由算法在通信子網(wǎng)內(nèi)部，分組從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點轉(zhuǎn)移19靜態(tài)路由算法：預(yù)先計算好路由表，下載到路由器中，此后不再改變；算法簡單，適應(yīng)性差。洪泛算法固定路由算法：在網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點中都存放一張事先確定好的路由表。靜態(tài)路由算法：預(yù)先計算好路由表，下載到路由器中，此后不再改變20動態(tài)路由算法：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當前的拓撲結(jié)構(gòu)和流量特點計算路由表；適應(yīng)性強，算法復(fù)雜，實現(xiàn)難度大。距離向量路由算法讓每個路由器維護一張表，表中給出了到每個目的地已知的最佳距離和路線，通過與相鄰路由器來更新表的信息。鏈路狀態(tài)路由算法將自己對鄰居的認識洪泛給全網(wǎng)動態(tài)路由算法：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當前的拓撲結(jié)構(gòu)和流量特點計算路由表；適213.5.4 流量控制與死鎖擁塞控制（congestioncontrol）需要確保通信子網(wǎng)能夠承載用戶提交的通信量，是一個全局性問題，涉及主機、路由器等很多因素；流量控制（flowcontrol）與點到點的通信量有關(guān)，主要解決快速發(fā)送方與慢速接收方的問題，是局部問題，一般都是基于反饋進行控制的。3.5.4 流量控制與死鎖擁塞控制（congestionc222.流量控制的實現(xiàn)開環(huán)控制擁塞預(yù)防策略：數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層都策略可以進行預(yù)防通信量整形強迫分組以某種可以預(yù)見的速率傳送。漏桶和令牌桶均可實現(xiàn)通信量整形。流說明閉環(huán)控制虛電路網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制許可控制、繞開擁塞、資源預(yù)留抑制分組：向源主機發(fā)送抑制分組。為了公平，可以采用加權(quán)公平算法(字節(jié)輪巡)。為了得到快速的抑制效果，可采用Hop-by-Hop抑制分組，抑制分組對其所經(jīng)過的路由器都起作用。負載丟棄：對不同服務(wù)采用不同的丟棄策略。2.流量控制的實現(xiàn)開環(huán)控制233.6運輸層協(xié)議運輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，它屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層物理層網(wǎng)絡(luò)層運輸層應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層面向信息處理面向通信用戶功能網(wǎng)絡(luò)功能3.6運輸層協(xié)議運輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，它屬24運輸層的主要功能運輸層為應(yīng)用進程之間提供端到端的邏輯通信（但網(wǎng)絡(luò)層是為主機之間提供邏輯通信）54321運輸層提供應(yīng)用進程間的邏輯通信應(yīng)用進程應(yīng)用進程IP層AP1AP2AP4端口端口54321AP3復(fù)用分用運輸層的主要功能運輸層為應(yīng)用進程之間提供端到端的邏輯通信（25兩個對等運輸實體在通信時傳送的數(shù)據(jù)單位叫作傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元TPDU(TransportProtocolDataUnit)TCP傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是TCP報文段(segment)UDP傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是UDP報文或用戶數(shù)據(jù)報

兩個對等運輸實體在通信時傳送的數(shù)據(jù)單位叫作傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元26端口的概念在Internet中，傳輸層服務(wù)訪問點TSAP為端口（IPaddress,localport）端口的作用就是讓應(yīng)用層的各種應(yīng)用進程都能將其數(shù)據(jù)通過端口向下交付給運輸層，以及讓運輸層知道應(yīng)當將其報文段中的數(shù)據(jù)向上通過端口交付給應(yīng)用層相應(yīng)的進程從這個意義上講，端口號（portnumber）是用來標志應(yīng)用層的進程的進程地址，端口用一個16bit端口號進行標志端口的概念在Internet中，傳輸層服務(wù)訪問點TSAP為27ACBIP=3

端口1500端口1501IP=2端口1500IP=5端口25連接1連接2連接3為了在通信時不至于發(fā)生混亂，必須把端口號和主機的IP地址結(jié)合在一起使用ACBIP=3端口端口IP=128.36283.6.2用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDPUDP只在IP的數(shù)據(jù)報服務(wù)之上增加了端口的功能和差錯檢測的功能UDP的特點：無需建立連接，提供有限的差錯檢驗功能；無擁塞控制，只提供不可靠的交付，但UDP的主機不需要維持復(fù)雜的連接狀態(tài)表UDP用戶數(shù)據(jù)報只有8個字節(jié)的首部開銷網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會使源主機的發(fā)送速率降低。這對某些實時應(yīng)用是很重要的

//IP電話、實時視頻會議設(shè)計比較簡單的UDP協(xié)議的目的是希望以最小的開銷來達到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的進程通信目的；使用條件：進程發(fā)送的報文較短，同時對報文的可靠性要求不高，那么可以使用UDP協(xié)議3.6.2用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDPUDP只在IP的數(shù)29UDP用戶數(shù)據(jù)報的首部格式

偽首部源端口目的端口長度檢驗和數(shù)據(jù)首部UDP長度源IP地址目的IP地址017IP數(shù)據(jù)報字節(jié)44112122222字節(jié)發(fā)送在前數(shù)據(jù)首部UDP用戶數(shù)據(jù)報UDP用戶數(shù)據(jù)報的首部格式偽首部源端口目的端口長度檢303.6.3傳輸控制協(xié)議TCP面向連接的、可靠的、端到端的、基于字節(jié)流的傳輸協(xié)議；TCP將所要傳送的報文看成是字節(jié)組成的數(shù)據(jù)流，并使每一個字節(jié)對應(yīng)于一個序號傳輸實體之間使用段(segment)（TPDU）交換數(shù)據(jù)；TCP每發(fā)送一個報文段，就對這個報文段設(shè)置一次計時器。只要計時器設(shè)置的重傳時間到但還沒有收到確認，就要重傳這一報文段3.6.3傳輸控制協(xié)議TCP面向連接的、可靠的、端到端31TCP首部20字節(jié)的固定首部目的端口數(shù)據(jù)偏移檢驗和選項（長度可變）源端口序號緊急指針窗口確認號保留FIN32bitSYN