计算机网络体系结构

网络协议是计算机网络必不可少的,一个完整的计算机网络需要有一套复杂的协议集合,组织复杂的计算机网络协议的最好方式就是层次模型。而将计算机网络层次模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构(Network Architecture)。

===================================================================================================

计算机网络由多个互连的结点组成,结点之间要不断地交换数据和控制信息,要做到有条不紊地交换数据,每个结点就必须遵守一整套合理而严谨的结构化管理体系.计算机网络就是按照高度结构化设计方法采用功能分层原理来实现的,即计算机网络体系结构的内容.

网络体系结构及协议的概念

网络体系和网络体系结构

网络体系(Network Architecture):是为了完成计算机间的通信合作,把每台计算机互连的功能划分成有明确定义的层次,并规定了同层次进程通信的协议及相邻之间的接口及服务.

网络体系结构:是指用分层研究方法定义的网络各层的功能,各层协议和接口的集合.

计算机网络体系结构

计算机的网络结构可以从网络体系结构,网络组织和网络配置三个方面来描述,网络组织是从网络的物理结构和网络的实现两方面来描述计算机网络;网络配置是从网络应用方面来描述计算机网络的布局,硬件,软件和和通信线路来描述计算机网络;网络体系结构是从功能让来描述计算机网络结构.

网络体系结构最早是由IBM公司在1974年提出的,名为SNA

计算机网络体系结构:是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合

结构化是指将一个复杂的系统设计问题分解成一个个容易处理的子问题,然后加以解决.

层次结构是指将一个复杂的系统设计问题分成层次分明的一组组容易处理的子问题,各层执行自己所承担的任务.

计算机网络结构采用结构化层次模型,有如下优点:

各层之间相互独立,即不需要知道低层的结构,只要知道是通过层间接口所提供的服务

灵活性好,是指只要接口不变就不会因层的变化(甚至是取消该层)而变化

各层采用最合适的技术实现而不影响其他层

有利于促进标准化,是因为每层的功能和提供的服务都已经有了精确的说明

网络协议

协议(Protocol)

网络中计算机的硬件和软件存在各种差异,为了保证相互通信及双方能够正确地接收信息,必须事先形成一种约定,即网络协议.

协议:是为实现网络中的数据交换而建立的规则标准或约定.

网络协议三要素:语法,语义,交换规则(或称时序/定时关系)

注:通信协议的特点是:层次性,可靠性和有效性.

实体(Entity)

实体:是通信时能发送和接收信息的任何软硬件设施

接口(Interface)

接口:是指网络分层结构中各相邻层之间的通信

开放系统互连参考模型(OSI/RM)

OSI/RM参考模型

基本概述

为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信,就必须遵循相同的网络体系结构模型,否则异种计算机就无法连接成网络,这种共同遵循的网络体系结构模型就是国际标准——开放系统互连参考模型,即OSI/RM.

ISO 发布的最著名的ISO标准是ISO/IEC 7498,又称为X.200建议,将OSI/RM依据网络的整个功能划分成7个层次,以实现开放系统环境中的互连性(interconnection), 互操作性(interoperation)和应用的可移植性(portability).

分层原则

ISO将整个通信功能划分为7个层次,分层原则如下:

网络中各结点都有相同的层次

不同结点的同等层具有相同的功能

同一结点内相邻层之间通过接口通信

每一层使用下层提供的服务,并向其上层提供服务

不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信

第七层

应用层

第六层

表示层

第五层

会话层

第四层

传输层

第三层

网络层

第二层

数据链路层

第一层

物理层

OSI/RM参考模型

OSI/RM的配置管理主要目标就是网络适应系统的要求.

低三层可看作是传输控制层,负责有关通信子网的工作,解决网络中的通信问题;高三层为应用控制层,负责有关资源子网的工作,解决应用进程的通信问题;传输层为通信子网和资源子网的接口,起到连接传输和应用的作用.

ISO/RM的最高层为应用层,面向用户提供应用的服务;最低层为物理层,连接通信媒体实现数据传输.

层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的,上层通过接口向下层提供服务请求,而下层通过接口向上层提供服务.

两个计算机通过网络进行通信时,除了物理层之外(说明了只有物理层才有直接连接),其余各对等层之间均不存在直接的通信关系,而是通过各对等层的协议来进行通信,如两个对等的网络层使用网络层协议通信.只有两个物理层之间才通过媒体进行真正的数据通信.

当通信实体通过一个通信子网进行通信时,必然会经过一些中间节点,通信子网中的节点只涉及到低三层的结构.

OSI/RM中系统间的通信信息流动过程

在OSI/RM中系统间的通信信息流动过程如下:发送端的各层从上到下逐步加上各层的控制信息构成的比特流传递到物理信道,然后再传输到接收端的物理层,经过从下到上逐层去掉相应层的控制住信息得到的数据流最终传送到应用层的进程.

由于通信信道的双向性,因此数据的流向也是双向的.

比特流的构成:

数据DATA应用层(DATA+报文头AH,用L7表示)表示层(L7+控制信息PH)会话层(L6+控制信息SH)传输层(L5+控制信息TH)网络层(L4+控制信息NH)数据链路层(差错检测控制信息DT+L3+控制信息DH)物理层(比特流)

OSI/RM各层概述

物理层(Physical Layer)

直接与物理信道直接相连,起到数据链路层和传输媒体之间的逻辑接口作用.

功能:提供建立,维护和释放物理连接的方法,实现在物理信道上进行比特流的传输.

传送的基本单位:比特(bit)

物理层的内容:

1)通信接口与传输媒体的物理特性

物理层协议主要规定了计算机或终端DTE与通信设备DCE之间的接口标准,包括接口的机械特性,电气特性,功能特性,规程特性

2)物理层的数据交换单元为二进制比特:对数据链路层的数据进行调制或编码,成为传输信号(模拟,数字或光信号)

3)比特的同步:时钟的同步,如异步/同步传输

4)线路的连接:点—点(专用链路),多点(共享一条链路)

5)物理拓扑结构:星型,环型,网状

6)传输方式:单工,半双工,全双工

典型的物理层协议有RS-232系列,RS449,V.24,V.28,X.20,X.21

数据链路层(Data Link Layer)

通过物理层提供的比特流服务,在相邻节点之间建立链路,对传输中可能出现的差错进行检错和纠错,向网络层提供无差错的透明传输.

主要负责数据链路的建立,维持和拆除,并在两个相邻机电队线路上,将网络层送下来的信息(包)组成帧传送,每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息.为了保证数据帧的可靠传输应具有差错控制功能.

功能:是在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输

传送的基本单位:帧(Frame)

数据链路层内容:

1)成帧:是因要将网络层的数据分为管理和控制的数据单元

2)物理地址寻址:标识发送和接收数据帧的节点位置,因此常在数据头部加上控制信息DH(源,目的节点的地址),尾部加上差错控制信息DT

3)流量控制:即对发送数据帧的速率进行控制,保证传输正确.

4)差错控制:在数据帧的尾部所加上的尾部控制信息DT

5)接入控制:当多个节点共享通信链路时,确定在某一时间内由哪个节点发送数据

常见的数据链路层协议有两类:一是面向字符型传输控制规程BSC;一是面向比特的传输控制规程HDLC

流量控制技术

(1)停-等流量控制:发送节点在发送一帧数据后必须等待对方回送确认应答信息到来后再发下一帧.接收节点检查帧的校验序列,无错则发确认帧,否则发送否认帧,要求重发.

存在问题:双方无休止等待(数据帧或确认帧丢失),解决办法发送后使用超时定时器;重帧现象(收到同样的两帧),解决办法是对帧进行编号

适用:半双工通信

(2)滑动窗口流量控制:是指对于任意时刻,都允许发送端/接收端一次发送/接收多个帧,帧的序号个数称为发送/接收窗口大小

适用:全双工

工作原理:以帧控制段长为8位,则发送帧序号用3bit表示,发送窗口大小为WT=5,接收窗口大小为WR=2为例来说明

发送窗口

01234

12345

重发1

34567

56701

接收窗口

01(0对1错)

12(1等2对)

12(正确)

34(正确)

……

滑动窗口的大小与协议的关系:

WT >1,WR=1,协议为退回N步的ARQ(自动反馈请求)

WT >1,WR>1,协议为选择重传的ARQ

WT =1,WR=1,协议为停-等式的ARQ

网络层(Network Layer)

又称为通信子网层,是计算机网络中的通信子网的最高层(由于通信子网不存在路由选择问题),在数据链路层提供服务的基础上向资源子网提供服务.

网络层将从高层传送下来的数据打包,再进行必要的路由选择,差错控制,流量控制及顺序检测等处理,使发送站传输层所传下来的数据能够正确无误地按照地址传送到目的站,并交付给目的站传输层.

功能:实现分别位于不同网络的源节点与目的节点之间的数据包传输(数据链路层只是负责同一个网络中的相邻两节点之间链路管理及帧的传输),即完成对通信子网正常运行的控制.

关键技术:路由选择

传送信息的基本单位:包(Packer)

网络层采用的协议是X.25分组级协议

网络层的服务:

面向连接服务:指数据传输过程为连接的建立,数传的维持与拆除连接三个阶段.如电路交换

面向无连接服务:指传输数据前后没有连接的建立,拆除,分组依据目的地址选择路由.如存储转发

网络层的内容:

逻辑地址寻址:是指从一个网络传输到另一个网络的源节点和目的节点的逻辑地址NH(数据链路层中的物理地址是指在同一网络中)

路由功能:路由选择是指根据一定的原则和算法在传输通路中选出一条通向目的节点的最佳路由.有非适应型(有随机式,扩散式,固定式路选法)和自适应型(有孤立的,分布的,集中的路选法)两种选择算法

流量控制:

拥塞控制:是指在通信子网中由于出现过量的数据包而引起网络性能下降的现象.

传输层(Transport Layer)

是计算机网络中的资源子网和通信子网的接口和桥梁,完成资源子网中两节点间的直接逻辑通信.

传输层下面的三层属于通信子网,完成有关的通信处理,向传输层提供网络服务;传输层上面的三层完成面向数据处理的功能,为用户提供与网络之间的接口.由此可见,传输层在OSI/RM中起到承上启下的作用,是整个网络体系结构的关键.

功能:实现通信子网端到端的可靠传输(保证通信的质量)

信息传送的基本单位:报文

传输层采用的协议是ISO8072/3

会话层(Session Layer)

又称为会晤层,是利用传输层提供的端到端的服务向表示层或会话层用户提供会话服务.

功能:提供一个面向用户的连接服务,并为会话活动提供有效的组织和同步所必须的手段,为数据传送提供控制和管理.

信息传送的基本单位:报文

会话层采用的协议是ISO8326/7

表示层(Presentation Layer)

表示层处理的是OSI系统之间用户信息的表示问题,通过抽象的方法来定义一种数据类型或数据结构,并通过使用这种抽象的数据结构在各端系统之间实现数据类型和编码的转换.

功能:数据编码,数据压缩,数据加密等工作

信息传送的基本单位:报文

表示层采用的协议是ISO8822/3/4/5

应用层(Application Layer)

应用层是计算机网络与最终用户间的接口,是利用网络资源唯一向应用程序直接提供服务的层.

功能:包括系统管理员管理网络服务所涉及的所有问题和基本功能.

信息传送的基本单位:用户数据报文

应用层采用的协议有:用于文件传送,存取和管理FTAM的ISO8571/1～4;用于虚终端VP的ISO9040/1;用于作业传送与操作协议JTM的ISO8831/2;用于公共应用服务元素CASE的ISO8649/50

Internet的体系结构

Internet是由无数不同类型的服务器,用户终端以及路由器,网关,通信线路等连接组成,不同网络之间,不同类型设备之间要完成信息的交换,资源的共享需要有功能强大的网络软件的支持,TCP/IP就是能够完成互联网这些功能的协议集.