第 3 章计算机网络体系结构

第3章计算机网络体系结构

3.1 网络体系结构及协议 计算机网络系统作为一种十分复杂的系统，如何从整体上描述计算机网络的实现框架，形成各方共同遵守的一致性参照标准，尽可能透明地为用户提供各种通信和资源共享服务，同时又能使不同厂商各自开发和生产的产品相互兼容，成为一个必须解决的核心问题。网络体系结构要解决的问题是如何构建网络的结构，以及如何根据网络结构来制定网络通信的规范和标准。计算机网络体系结构是分析、研究和实现当代计算机网络的基础，具有一般指导性的原则，也是贯穿计算机网络整个学科内容的一根主线。

3.1.1问题的提出 随着计算机网络技术的不断发展，计算机网络的规模越来越大，各种应用不断增加，网络也因此变得更加复杂。面对复杂的计算机网络系统，如何分析、研究并将其实现，需要有解决复杂问题的思想和方法。其关键问题是：（1）如何将计算机网络系统合理地分层；（2）如何构建网络体系结构（抽象化描述）；（3）将其模型化。

3.1.2体系结构及网络协议的概念 计算机网络系统要完成复杂的各种功能，很难想像只制定一个规则就能描述所有问题。实践证明，最好的办法就是采用分层结构。如上所述，解决复杂的计算机网络系统的第一个关键问题就是分层次问题。 1.为什么采用分层结构 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。

通过划分若干个层次，使每一层只关注和解决通信中的某一方面的规则。较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能。网络中的每一层都起到隔离作用，层与层之间是独立的，使得低层功能具体实现方法的变更不会影响到高一层所执行的功能。通过划分若干个层次，使每一层只关注和解决通信中的某一方面的规则。较高层次建立在较低层次的基础上，并为其更高层次提供必要的服务功能。网络中的每一层都起到隔离作用，层与层之间是独立的，使得低层功能具体实现方法的变更不会影响到高一层所执行的功能。图3-1 分层结构示意图

2.分层的原则 （1)每层的功能应是明确的，并且是相互独立的; （2)同一节点相邻层之间通过接口通信，层间接口必须清晰；（3)层数应适中。（4）每一层都使用下一层的服务，并为上一层提供服务。（5）网中各节点都有相同的层次，不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。

3.网络的协议 为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合即称为网络协议（Network Protocol）。它是对同等层实体之间的通信制定的通信规则、约定的集合。网络协议由语法、语义和交换规则3个要素组成。（1）语义（2）语法：（3）交换规则（也称时序关系)

需要明确的是，网络协议对于计算机网络来说是必不可少的，不同结构的网络，不同厂家的网络产品，所使用的协议可能不一样，但都遵循一些协议标准，这样便于不同厂家的网络产品互联。需要明确的是，网络协议对于计算机网络来说是必不可少的，不同结构的网络，不同厂家的网络产品，所使用的协议可能不一样，但都遵循一些协议标准，这样便于不同厂家的网络产品互联。 4.网络的体系结构网络体系结构（Network Architecture）是计算机网络各层次及其协议的集合。

图3-2　层次结构模型图

3.1.3接口、实体与服务 1.接口(Interface) 对于一个层次化的网络体系结构，每一层中活动的元素被称为实体(Entity)。实体可以是软件实体，如一个进程或子程序；也可以是硬件实体，如智能I/O芯片等。服务是通过接口完成的。各相邻层之间要有一个接口，接口就是上层实体和下层实体交换数据的地方，也被称为服务访问点（Service Access Point，简称SAP），它定义了较低层向较高层提供的原始操作和服务。

2.协议和服务的关系 协议和服务是两个不同的概念。协议是“水平”的，即协议是不同系统对等层实体之间的通信规则。服务则是“垂直”的，即服务是同一系统中下层实体向上层实体通过层间的接口提供的。网络通信协议是实现不同系统对等层之间的逻辑连接. n层实体向n+1层实体能提供的服务一般包括以下3部分：（1）n层实体提供的某些功能。（2）从n-1层及其以下各层实体及本地系统得到的服务。（3）通过与对等的n层实体的通信得到的服务。

3.2 开放系统互联参考模型 开放系统互联（Open System Interconnection，简称OSI）基本参考模型（OSI/RM） 3.2.1 OSI/RM的结构 1.OSI/RM七层结构 OSI/RM将通信过程定义为七层，即将连网计算机间传输信息的任务划分为七个更小、更易于处理的任务组。每一个任务或任务组则被分配到各个OSI 层。

图3-3 OSI参考模型

2.OSI/RM层次间数据的传递 层次结构模型中数据的实际传送过程如图3-4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。

图3-4 层间数据传递过程

3.2.2 OSI/RM各层基本功能 1.物理层物理层是OSI参考模型的最低层，它的任务是为它的上一层（数据链路层）提供一个物理连接，以便透明地传送比特（bit）流。（1）物理层的基本功能 CCITT对物理层做了如下定义：利用物理的、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、保持和拆除功能。

①机械特性 规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。图3-5 DCE连接器机械特性

②电气特性 ③功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。 ④规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。

物理层的基本协议: 物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题。图3-6 DTE-DCE接口框图

EIA RS-232C是EIA在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口图3-7 RS-232C的远程连接和近地连接

2.数据链路层 （1）数据链路层的基本功能 ①数据链路建立、维护与释放的链路管理工作； ②数据链路层服务数据单元帧的传输； ③差错检测与控制； ④流量控制； ⑤帧接收顺序控制。（2）数据链路层的协议逻辑链路控制子层的基本协议主要是ISO的高级数据链路控制协议（High-level Data Link Control,HDLC）。介质访问控制子层则包括IEEE的IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5等多种协议。

3.网络层 （1）网络层的基本功能网络层的主要功能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端传送到目的端的问题，这需要在通信子网中通过某种路由算法进行数据分组传输路径的选择。另外，还要解决网际互联的问题。概括地讲，网络层的主要功能就是路由选择、阻塞控制和网际互联。（2）网络层的基本协议网络层的协议主要有CCITT的X.25协议，以及我们熟悉的IP协议。

（3）网络层提供的服务 ①虚电路服务虚电路服务是网络层向传输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式。进行数据交换的两个端系统之间存在着一条为它们服务的虚电路。数据由网络层拆成若干个分组传送给通信子网，由通信子网将分组传送到数据接收方。 ②数据报服务数据报服务一般仅由数据报交换网来提供。端系统的网络层同网络节点的网络层之间，均按照数据报方式交换数据。数据报服务是一种面向无连接的服务，它与邮政系统的邮件传递过程类似。

4.传输层 （1）传输层的基本功能 ①寻址。传输层确定网络的目标地址，因为传输层支持的是端对端的连接，因此目标地址中不含有中继站的地址 ②完成连接的多路复用和解复用。为了利用网络连接，传输层必须执行多路复用和解复用的操作。 ③建立和释放传输连接。 ④对端对端的差错检测，以及对服务特性的监督。 ⑤端对端的分段、分组和接续。 ⑥单一连接上的端对端的流量控制。

5.会话层 会话层负责在网络中的两节点之间建立和维持通信。“会话”指在两个实体之间建立数据交换的连接，常用于表示终端与主机之间的通信。 6.表示层表示层如同应用程序和网络之间的翻译。在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式转化。表示层管理数据的解密与加密，此外，表示层还对图片和文件格式信息进行解码和编码。 7.应用层应用层是OSI模型的最高层，它负责对软件提供接口以使程序能享用网络服务。

需要注意的是：OSI参考模型只是定义了分层结构中每一层向其高层所提供的服务，并没有为准确地定义互联结构的服务和协议提供充分的细节。并非具体实现的协议描述，它只是一个为制定标准而提供的概念性框架，仅仅是功能参考模型。在OSI参考模型中，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联。需要注意的是：OSI参考模型只是定义了分层结构中每一层向其高层所提供的服务，并没有为准确地定义互联结构的服务和协议提供充分的细节。并非具体实现的协议描述，它只是一个为制定标准而提供的概念性框架，仅仅是功能参考模型。在OSI参考模型中，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联。

3.2.3高级数据链路控制协议HDLC 高级数据链路控制（High-level Data Link Control，简称HDLC）协议广泛应用于X.25及许多其他网络的数据链路层，是一个典型的数据链路层协议，在世界范围内广泛使用。数据链路层的数据单位为数据帧。高级数据链路控制协议HDLC是一个面向位的协议，它支持半双工和全双工通信，面向位的含义是协议把帧当作位（bit）流，而不区分字节的值。

2.HDLC的帧格式 在HDLC中，数据和控制报文均以帧的标准格式传送。HDLC的帧格式见表3-1所示。HDLC中命令和响应以统一的格式按帧传输。完整的HDLC帧由标志字段(F)、地址字段(A)、控制字段(C)、信息字段(I)、帧校验序列字段(FCS)等组成。表3-1 HDLC的帧格式:

3.HDLC的帧类型 HDLC有信息帧(I帧)、监控帧(S帧)和无编号帧(U帧)三种不同类型的帧，各帧中控制字段的格式及比特定义，见表3-2。HDLC三种不同类型帧的主要区别在于控制字段的内容和帧是否真正包含数据。

3.3.1TCP/IP参考模型 传输控制协议/互联网协议TCP/IP是一个使用非常普遍的网络互联标准协议。目前，众多的网络产品厂家都支持，并被广泛用于因特网（Internet）连接的所有计算机上，所以TCP/IP已成为一个事实上的网络工业标准。 1.TCP/IP参考模型 TCP/IP模型采用4层的分层体系结构，将协议分成四个概念层。由下向上依次是：网络-接口层、网际层、传输层和应用层。 3.3 基于OSI/RM体系结构的实例

图3-9 TCP/IP与OSI各层的对比关系

2.TCP/IP协议簇 图3-10 TCP/IP协议集

3.3.2局域网体系结构――LAN参考模型 由于局域网只是一个计算机通信网，而且局域网不存在路由选择问题，因此，它不需要网络层，而只需最低的两个层次。

1.物理层 其主要功能是：（1）信号的编码和译码；（2）为进行同步用的前同步码的产生与去除；（3）比特的传输与接收。它向高层提供一个或多个访问点LSAP，用于同网络层通信的逻辑接口。 2.数据链路层数据链路层包括逻辑链路控制(LLC)子层和介质访问（MAC）子层控制。其中LLC子层主要执行OSI基本数据链路协议的大部分功能和网络层的部分功能并具有帧顺序控制、差错控制、流量控制等功能。

MAC子层（介质访问控制）主要提供： CSMA/CD、Token Ring等多种访问控制方式的有关协议，它还具有管理多个源、多个目的链路的功能。 MAC子层的主要功能是：（1）将上层交下来的数据封装成帧进行发送（2）实现和维护MAC协议；（3）比特差错检测；（4）寻址。

3.LLC子层与MAC子层的区别 在LLC子层的上面看不到具体的局域网，或者说，局域网对LLC子层是透明的，只有下到MAC子层才看见所连接的是采用什么标准的局域网（总线网、令牌总线网或令牌环形网）。数据链路层中与媒体接入无关的部分，都集中在逻辑链路控制LLC子层。局域网是一个通信网。由OSI模型概念可知，其通信子网就只有低三层功能；由于局域共享传输媒质，其拓扑结构简单，无需进行路由选择和交换功能，而流量控制等功能可以放到数据链路层中去实现，所以网络层可不设置。

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