计算机网络体系结构与协议.ppt

,计 算 机 网 络 工 程,讲解：周 猛,第二章 计算机网络体系结构与协议,2.1 网络体系结构,2.2 物理层,2.3 数据链路层,2.4 网络层,2.5 运输层,2.6 高层协议,2.1 网络体系结构,2.1.1 体系结构的层次化,一、计算机网络体系结构的形成 计算机网络是由多种计算机和各类终端通过通信线路连接起来的复杂系统。在这个系统中，由于计算机型号不一，终端类型各异，加之线路类型、连接方式、同步方式、通信方式的不同，给网络中各结点的通信带来许多不便。由于在不同计算机系统之间，真正以协同方式进行通信的任务是十分复杂的。为了设计这样复杂的计算机网络，早在最初的ARPANET设计时即提出了分层的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部总是比较易于研究和处理。,计算机网络是一个复杂的系统。例如，在网络上的两台计算机之间相互传输文件需要具备的条件有： 发起通信的计算机必须激活线路，获取发送和接受数据的权限； 使网络能够识别接收数据的计算机； 能够知道接收数据的计算机是否已经准备好接受数据；,2.1.1 体系结构的层次化,2.1.1 体系结构的层次化,必须清楚接收方的计算机中的文件管理程序是否已经做好准备； 文件格式不同，能够在不同的文件格式之间进行转换； 能够进行差错控制等； 其他 一般采用分层的方法来简化处理的问题，各个层次负责不同的问题的处理,2.1.1 体系结构的层次化,1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)。现在它是世界上使用得相当广泛的一种网络体系结构。 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连参考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为OSI。,2.1.1 体系结构的层次化,2.1.1 体系结构的层次化,二、协议与划分层次 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。一个网络协议主要由以下三个要素组成： （1）语法，即数据与控制信息的结构或格式； （2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应； （3）同步，即事件实现顺序的详细说明。 两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层(如图所示)。,分层可以带来如下好处： （1）各层之间是独立的。 （2）灵活性好。 （3）结构上可分割开。 （4）易于实现和维护。 （5）能促进标准化工作。,2.1.1 体系结构的层次化,分层的缺点： 分层时应注意使每一层的功能非常明确。若层次太少，就会使每一层的协议太复杂。但层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,2.1.1 体系结构的层次化,多层通信的实质 : 对等实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务 实际通信在最底层完成,2.1.1 体系结构的层次化,见图,2.1.1 体系结构的层次化,计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(architecture)，也就是说，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。,2.1.2 开放系统互联参考模型,OSI开放系统互连参考模型将整个网络的通信功能划分成七个层次，每个层次完成不同的功能。这七层由低层至高层分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。,ISO/OSI七层协议模型,（13层通过通信子网链接，47层是“端到端”的链接）,返回,PDU,SDU,PCI,2.1.2 开放系统的互联参考模型,ISO/OSI七层协议模型功能,2.1.2 开放系统的互联参考模型,开 放 系 统 互 联 参 考 模 型,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,开放系统A,开放系统B,应用层协议,表示层协议,会话层协议,传输层协议,中继开放系统,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,返回,实体:指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 对等实体:位于不同系统内同一层次的两个实体。 协议:控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 服务:某一层及其以下各层的一种能力。通过接口提供给其相邻上层。 服务访问点:在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方。 网络体系结构: 计算机网络的层次及其协议的集合，是对网络及其组成部分的功能的精确定义。 协议栈:某一系统的各层协议集。 服务原语:上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。 服务数据单元:OSI将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU。,网络体系结构的概念,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,一、 TCP/IP分层模式（DOD模型） TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)是70年代中期美国国防部(DOD)为ARPANET广域网制定的网络体系结构和体系标准。以TCP/IP 为基础的Internet成为了目前国际上规模最大的互联网。TCP/IP已经成为目前最重要的互联网络协议。TCP/IP是一组通信协议的代名词，其准确的名称应该是Internet协议族。,TCP/IP的起源可以追溯到1969年，当时它是作为一个关于网络互连的分组交换研究项目而开始的，该网络被称为ARPANET，是由美国国防部的国防高级研究项目署创建的。ARPANET在国家科学基金会的帮助下成长为Interent。ARPANET开始使用的是一种称为网络控制协议(NCP)的协议。随着Interent的发展，需要更复杂的协议。1973年，引进了传输控制协议(TCP),接着，在1981年，引进了网际协议(IP)。1982年，TCP和IP被标准化成为TCP/IP协议组，并在1983年，取代了ARPANET上的NCP。,TCP/IP历史,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,1983年，自由的电子通信和信息共享与其他一些内容被加入了广为接受的TCP/IP,使其成为大学和政府部门的标准。TCP/IP作为一个标准组件被包含到柏克利标准发行中心UNIX的实现中，从那时起，TCP/IP就与UNIX操作系统关系密切了，最近几年，用户促使供应商也把TCP/IP加入其他操作系统中，现在，已有的每个计算机平台上都有TCP/IP。,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,Internet协议族中重要的协议族是传送控制协议(TCP)和网际协议(IP)。 TCPIP的核心思想是把干差万别的低层协议(网络层和数据链路层)硬件连结为网络，在传输层网络层建立一个统一的虚拟的“逻辑网络”，屏蔽或隔离所有物理网络的硬件差异。,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,TCP/IP层次结构,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,TELNET,TFTP,FTP,SMTP,TCP,UDP,IP,ARP,RARP,Ethernet,Token Ring,Others,TCPIP参考模型与协议族之间的关系,DNS,SNMP,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,如上图所示，在TCPIP的主机-网络层中，包括各种物理网协议，如局域网的Ethernet、TokenRing、X.25的分组交换网等。一旦这种物理网被用作传送IP数据包的通道，就可以认为是这一层的内容。这正体现出TCPIP协议的兼容性与适应性，它也为TCPIP的成功奠定了基础。,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,如上图所示，地址解析协议ARP/RARP并不属于单独的一层，它介于物理地址与IP地址间，起着屏蔽物理地址细节的作用。IP可以建立在ARP/RARP上，也可以直接建立在网络硬件接口协议上。IP协议横跨整个层次，TCP、UDP协议都要通过IP协议来发送、接收数据。TCP协议提供可靠的面向连接服务，而UDP协议则提供简单的无连接服务。 应用层协议可以分为以下三类：一类依赖于面向连接的TCP协议，一类依赖于无连接的UDP协议，而另一类则既可依赖于TCP协议，也可依赖于UDP协议。依赖TCP协议的主要有网络终端协议TELNET、电子邮件协议SMTP、文件传送协议FTP，依赖UDP协议的主要有简单网络管理协议SNMP、简单文件传输协议TFTP，既依赖TCP又依赖UDP协议的是域名服务DNS等。,2.1.4 TCP/IP网络体系结构简介,2.1.5 TCP/IP与OSI体系结构的比较,一、两种体系结构的比较 OSI参考模型中采用了七个层次的体系结构，将原理体系结构中的应用层再划分为应用层、表示层和会话层。 下图给出了TCP/IP与OSI这两种体系结构的对比。,2.1.5 TCP/IP与OSI体系结构的比较,在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是很不相同的。 TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连问题。 TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并 重。 TCP/IP有较好的网络管理功能。,二、TCP/IP体系结构的优点,2.1.5 TCP/IP与OSI体系结构的比较,还有一种方法，就是用按层次高低的一些协议来表示TCP/IP协议族，如图所示。,2.1.5 TCP/IP与OSI体系结构的比较,一定要弄清楚，协议和服务在概念上是很不一样的。 首先，协议的实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。 其次，协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。,2.1.6 从OSI体系结构到原理体系结构,在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方，通常称为服务访问点SAP (Service Access Point)。 在OSI中，把（N）层对等实体之间所传送的数据称为（N）协议数据单元（N）PDU,它由两部分组成： （1）第（N）层协议控制信息（N）PCI，它是按第N层协议的规定加上的协调两个对等实体间通信的控制信息 （2）OSI将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU (Service Data Unit)。 在任何相邻两层之间的关系可概括为下图所示的那样。在服务提供者的上一层的实体，也就是“服务用户”，它使用服务提供者所提供的服务。,2.1.6 从OSI体系结构到原理体系结构,相邻两层之间的关系,2.1.6 从OSI体系结构到原理体系结构,见图,2.2 物理层,2.2.1 物理层的基本概念,一、物理层的作用 尽可能屏蔽传输媒体的差异，透明传送和接收比特流。,如果用OSI的术语来讲，那么物理层的作用就是给其服务用户（即数据链路层或数据链路层实体）提供在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流的能力。,2.2.1 物理层的基本概念,确定与传输媒体接口的一些特性: （1）机械特性。 （2）电气特性。 （3）功能特性。 （4）规程特性。,2.2.1 物理层的基本概念,用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。,二、物理层的主要任务,（1）机械特性 说明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定 装置等等。例如对各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定。,2.2.1 物理层的基本概念,（2）电气特性 说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么范围，即什么样的电压表示1或0,2.2.1 物理层的基本概念,（3）功能特性 说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，即规定接口信号所具有的特定功能；,2.2.1 物理层的基本概念,（4）规程特性 说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。即规定在数据终端设备和数据通信设备之间完成物理层功能的动作序列和动作规则。,2.2.1 物理层的基本概念,在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是，有时也可以采用多个比特的并行传输方式（短距离）。但是并行传输存在比特同步的问题，而且开销大，处于经济方面的考虑，在远程通信中都采用串行传输。,2.2.1 物理层的基本概念,三、物理层向数据链路层提供的服务 物理连接 物理服务数据单元(PSDU)(串行传 输方式1位，并行传输方式8位) 顺序化,传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,一、 导向传输媒体 双绞线 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。采用这种绞起来的结构是为了防止电磁干扰。差不多所有的电话都是用双绞线连接到电话交换机上的，这段线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高 。由于双绞线的价格便宜且性能也不错，因此使用十分广泛。 下图是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,2.2.3 物理层下面的传输媒体,为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线。它的价格当然比没有屏蔽的双绞线要贵。如图所示。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,组建局域网络所用的双绞线是一种由4对线（即8根线）组成的，其中每根线的材质有铜线和铜包的钢线两类。 一般来说，双绞线电缆中的8根线是成对使用的，而且每一对都相互绞合在一起，绞合的目的是为了减少对相邻线的电磁干扰。双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。 目前，在局域网中常用到的双绞线是非屏蔽双绞线（UTP），它又分：3类、4类、5类、超5类、6类和7类。双绞线的这8根线的引脚定义如下：,2.2.3 物理层下面的传输媒体,在局域网，双绞线主要是用来连接计算机网卡到集线器或通过集线器之间级联口的级联，有时也可直接用于两个网卡之间的连接或不通过集线器级联口之间的级联，但它们的接线方式各有不同。,常规双绞线接法,错线双绞线接法,同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成(如图所示)。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,2.2.3 物理层下面的传输媒体,同轴电缆的结构,通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类： 50同轴电缆 这是为数据通信用的，用于传送基带数字信号，50 同轴电缆。因此，50 同轴电缆又称为基带同轴电缆。它完全可以将数据为10Mb/s的速率传送1公里。广泛用于符合IEEE802.3标准的以太网环境中。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,75同轴电缆 75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆，用于频分多路复用FDM的模拟信号发送。它是公用天线电视系统CATV中的标准传输电缆。在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。宽带同轴电缆用于传送模拟信号时其频率可高达300- 400MHz，支持150 Mb/s的速率，而传输距离可长达100公里。但在传送数字信号时必须先转换成模拟信号，在接收端再还原为数字信号。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,光缆,2.2.3 物理层下面的传输媒体,光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有相当于0。由于可见光的频率非常高，因此光纤通信 系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。,光纤是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质，一根光缆中包含有多条光纤。光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 100 m，正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角(如图所示)。如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,2.2.3 物理层下面的传输媒体,光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。光纤分为单模光纤和多模光纤两类（所谓“模”是指以一定的角度进入光纤的一束光）,光纤通信系统是由光端机、光纤（光缆）和光纤中继器组成。光端机又分成光发送机和光接收机。而光中继器用来延伸光纤或光缆的长度，防止光信号衰减。光纤是光纤通信的传输媒体，在发送端采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲的作用下产生出光脉冲，就将电信号调制成了光信号，利用光发送机内的光源将调制好的光波导入光纤，经光纤传送到光接收机。光接收机利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。经放大、均衡等处理后送给接收方。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,2.2.3 物理层下面的传输媒体,只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤(如图 (a)所示)。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤(图 (b)。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,2.2.3 物理层下面的传输媒体,2.2.3 物理层下面的传输媒体,光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点： （1）传输频带非常宽，通信容量大。 （2）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。且抗化学腐蚀能力强。 （3）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。 （4）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。 （5）体积小，重量轻。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,正是由于光纤的数据传输率高（目前已达到1Gb/s），传输距离远（无中继传输距离达几十至上百公里）的特点，所以在计算机网络布线中得到了广泛地应用。目前光缆主要是用于交换机之间、集线器之间的连接，但随着千兆位局域网络应用的不断普及和光纤产品及其设备价格的不断下降，光纤连接到桌面也将成为网络发展的一个趋势。 但是光纤也存在一些缺点。这就是光纤的切断和将两根光纤精确地连接所需要的技术要求较高。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,表 常用电缆特性比较,2.2.3 物理层下面的传输媒体,二、非导向传输媒体 即无线传输媒体。有线传输并不是在任何时候都能实现。例如，当通信线路要通过一些高山或岛屿时就很难施工；即使在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件容易的事；当通信距离很远时，敷设电缆即昂贵又费时，利用无线电波在自由空间的传播，可以实现多种的通信。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,无线电短波 利用无线电短波电台进行数据通信是可行的。但由于短波通信主要是靠电离层的反射，而电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波通信的通信质量较差。因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，即速率为一个模拟话路，每秒传几十至几百比特。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz-300GHz， 但主要是使用2-40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播，由于它能穿透电离层而进入宇宙空间，因此不象短波那样可以经电离层的反射传播到很远的地方。这样，微波通信就有两种主要的方式：即地面微波接力通信和卫星通信，下面简单介绍其主要特点。,无线电微波通信,2.2.3 物理层下面的传输媒体,地面微波接力通信 由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传输距离受到 限制，一般只有50公里左右。但若采用100米高的天线塔，则可增大到100公里。 为实现远距离通信，必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中 继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。 大多数长途电话业务使用4-6GHz的频率范围。目前各国大量使用的微波设备信道容量多为960路、1200路、1800路和2700路。我国多为960路。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,2.2.3 物理层下面的传输媒体,其主要特点是： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大； 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高； 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,微波接力通信缺点： 相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真； 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响； 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差； 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,卫星通信 卫星通信是在地球站之间利用位于3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为 中继器的一种微波接力通信。通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信中继站。 可见卫星通信的主要优缺点应当大体上和地面微波通信的差不多。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。 同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的广阔地区，其通信覆盖区的跨度达1万8千多公里。只要在地球赤道上空的同步轨道上等距离的放置三颗相隔120度的卫星，就能基本上 实现全球的通信。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,地球同步卫星,与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球,和微波接力通信相似，卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受的干 扰也小，通信比较稳定。目前常用的频段为6/4GHz,也就是上行（从地球站发往卫 星）频率为5.925-6.425GHz,而下行（从卫星转发到地球站）频率为3.7-4.2GHz， 频段的宽带都是500MHz。由于这个频段已经非常拥挤，现在也使用频率更高的14/ 12GHz的频段。现在一个典型的卫星通常拥有12个转发器，每个的频宽为36MHz ， 可用来传输50Mb/s的数据。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。 不管两个地球站的距离是多少，从一个地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250-300ms之间，一般可取为270ms。这一点和其它的通信有较大的差别。例如，对于地面微波接力通信链路， 其传播时延约为3us/km,而对同轴电缆链路，一般为5us/km。但是，由于卫星通信 的速率高，数据的发送时延小，因此卫星通信的总时延比使用其它信道时的时延要小。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,通信卫星本身和发射卫星的火箭造价都较高，受电源和元器件寿命的限制，同步卫星的使用寿命一般只有7-8年。同时，卫星地球站的技术较复杂，价格还比较贵， 这些都是选择传输媒体时应全面考虑的。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,表 常用无线传输介质比较,红外线通信,红外线通信是利用红外线来传输信号，在发送端需有红外线发送器，接收端需有红外线接收器，且发送器和接收器之间不可有障碍物。红外线信道的传输率为100Kbps时，通信距离可大于16km。,激光通信,激光通信是利用激光束调制成光脉冲来传输信号，且必须配置一对激光发送器和接收器。激光的带宽比微波更高。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,红外线通信和激光通信的共同点： 只能传输数字信号 都具有很强的方向性，因而难以窃听、插入数据和进行干扰 易受环境影响，传播距离有限,不同： 因激光硬件有少量辐射，激光通信系统的应用受到限制，须特批。,2.2.3 物理层下面的传输媒体,2.3 数据链路层,2.3.1 数据链路层的基本概念,数据链路层的任务是，对高层屏蔽传输介质物理特性，在相邻两节点间无差错地传输以帧为单位的数据，给上层提供无错的信道服务；提供数据链路的流量控制，以保证发送方不致因为速度快而导致接收方来不及正确接收数据；检测物理链路产生的差错，一旦发现差错，就要求发送方重发。和物理层相似，数据链路层也要负责建立、维护和释放网络实体之间的数据链路的连接。数据链路层的数据单位是帧。 常用的数据链路层协议有两类：一类是面向字符的传输控制规程，如二进制同步通信协议BSC；另一类是面向比特的传输控制规程，如高级数据链路控制协议HDLC。,2.3.1 数据链路层的基本概念,链路(link)就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。 数据链路(data link)则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要通信协议来控制这些数据的传输(这将在后面讨论)。 也有人采用另外的术语。这就是将链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路，而逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。,两台计算机通过一条链路进行通信的简化模型,把数据链路层以上的各层用一个主机来代替，而物理层和通信线路则等效成一条简单的链路。,2.3.1 数据链路层的基本概念,数据链路层最重要的作用就是：通过一些数据链路层协议（即链路控制规程）， 在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。,2.3.1 数据链路层的基本概念,2.3.1 数据链路层的基本概念,数据链路层的主要功能归纳如下： 链路管理 帧同步 流量控制 差错控制 将数据和控制信息区分开 透明传输 寻址,链路管理-当网络中的两个结点要进行通信时，数据的发方必须确知收方是否已处在准备接受的状态。为此，通信的双方必须先要交换一些必要的信息， 用术语讲必须先建立一条数据链路。在传输数据时要维持数据链路，而在通信完 毕时要释放数据链路。数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。,2.3.1 数据链路层的基本概念,帧同步-在数据链路层，数据的传送单位时帧。数据一帧一帧地传送，就可以在出现差错时，将有差错的帧再重传一次，避免了全部数据的重传。帧同步是指收方应当能从受到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束。,2.3.1 数据链路层的基本概念,流量控制(flow control)-发方发送数据的速率必须使收方来得及接收。当收方来不及接收时，就必须及时控制发方发送数据的速率。,2.3.1 数据链路层的基本概念,差错控制-在计算机通信中，一般都要求有极低的比特差错率。为此广泛地使用了编码技术，主要有两大类，一类是前向纠错，即收方收到有差错的数据帧时能自动将差错改正过来。这种方法的开销较大，不适合于计算机通信。另一类是检错重发，即收方可以检测出收到的帧中有差错，于是就让发方重复发送这一帧，直到收方正确收到这一帧为止。这种方法在计算机通信中是最常用的。,2.3.1 数据链路层的基本概念,将数据和控制信息区分开-由于数据和控制信息都是在同一信道中传输， 在许多情况下，数据和控制信息处于同一帧中，因此一定要有响应的措施使收方 能够将他们区分开来。,2.3.1 数据链路层的基本概念,透明传输-所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。,2.3.1 数据链路层的基本概念,寻址-在多点连接的情况下，必须保证每一帧都能送到正确的地址。双方也应当知道发方是哪一个站。,2.3.1 数据链路层的基本概念,数据链路层的模型,数据链路层提供的服务 无确认的无连接服务：目的结点不作确认，差错由上层负责。 有确认的无连接服务：目的结点对收的帧作确认，发送结点可以知道已发出的帧是否安全到达目的结点。 面向连接服务：可靠地传送数据的服务，即提供在网络层实体间建立、维持和释放数据链路的功能。,2.3.1 数据链路层的基本概念,实用的停止等待协议 连续ARQ协议 滑动窗口协议 选择重传ARQ协议 面向比特的链路控制规程HDLC,数据链路层协议,2.3.1 数据链路层的基本概念,2.3.2 停止等待协议,停止等待(stop-and-wait)协议是最简单但也是最基本的数据链路层协议。,前提：实际的信道不满足理想化的数据传输的假设。 流量控制方法：等待发送。 差错控制：发送方在数据帧中加入循环冗余校验码(CRC),由接收方检查;若出错,则返回否认帧NAK,发送方收到NAK后重发。 帧丢失处理：设置超时定时器;以序号标识数据帧。 优点：比较简单。 缺点：通信信道的利用率不高。,在发方和收方的数据链路层分别有一个发送缓冲区和接收缓冲区。 若进行双工通信，则在每一方要同时设有发送缓冲区和接收缓冲区。缓冲区是必不可少的，因为在通信线路上数据是以比特流的形式串行传输的，但在计算机内部数据的传输 则是以字节为单位进行并行传输。因此，必须在计算机的内存中设置一定容量的缓冲区， 以便解决数据传输速率不一致的问题。 为了深入理解数据链路层的协议，我们先从一种假象的、完全理想化的数据传输过程开始讨论。,2.3.2 停止等待协议,2.3.2 停止等待协议,下图所示的简化模型对于一个计算机网络中任意一条链路上的数据传输情况都是适用的。,一、 不需要数据链路层协议的数据传输,理想化的数据传输的假定： 链路理想化，保证不会出错，也不会丢失数据（不需要差错控制）。 不需要流量控制，接收方能够以任意速率接收数据（缓冲区足够大或者接收速率与发送速率绝对相等）,2.3.2 停止等待协议,在这种完全理想化的情况下，数据链路层不需要任何协议 就可以保证数据传输的正确。,2.3.2 停止等待协议,二、 具有最简单流量控制的数据链路层协议,为使收方的接收缓冲区在任何情况下都不会溢出，最简单的情况，就是发方每发送一帧就暂停下来，收方收到数据帧后就交给主机， 然后发一信息给对方，表示接收的任务已完成。这时，发方才发送下一个数据帧。在这种情况下，收方的接收缓冲区的大小只要能够装下一个数据帧即可。显然，用这样的方法收发双方可以同步的很好。需要指出的是，由收方控制发方的数据流量，乃是计算机网络中流量控制的一个重要方法。,2.3.2 停止等待协议,算法如下： 在发送结点： 从主机取一个数据帧； 将数据帧送到数据链路层的发送缓存； 将发送缓存中的数据帧发送出去； 等待； 若收到由接收结点发过来的信息(此信息的格式与内容可由双方事先商定好)，则从主机取一个新的数据帧，然后转到。,2.3.2 停止等待协议,在接收结点： 等待； 若收到由发送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓存； 将接收缓存中的数据帧上交主机； 向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机； 转到 下图是前面所述的两种情况的对比。,2.3.2 停止等待协议,(a)是不需要任何协议的理想化的情况。显然，这种完全理想化情况的传输效率是很高的。 (b)是由收方控制发方发送速率的情况。 发方每发完一帧就必须停下来等待收方的信息。,2.3.2 停止等待协议,三、 实用的停止等待协议 传输数据的信道不能保证使所传的数据不产生差错，并且还需要对数据的发送端进行流量控制。 下图(a)画的是数据在传输过程中不出差错的情况。 当发现差错时，结点B就向主机A发送一个否认帧NAK，以表示主机A应当重传出现差错的那个数据帧。下图 (b)画出了主机A重传数据帧。,2.3.2 停止等待协议,有时链路上的干扰很严重，或由于其他一些原因，结点B收不到结点A发来的数据帧。这种情况称为帧丢失，如图(c)所示。于是就出现了死锁现象。 要解决死锁问题，可在结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器(timeout timer)。若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧，如图(c)和图 (d)所示。一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。 当通信质量太差时，主机A在重发一定的次数后即不再进行重发，而是将此情况向上一层报告。,2.3.2 停止等待协议,2.3.2 停止等待协议,如果丢失的是应答帧，超时重发将使主机B收到两个同样的数据帧。由于主机B无法识别重复的数据帧，因而在主机B收到的数据中出现了另一种差错-重复帧。要解决重复帧的问题，必须使每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。若结点B收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧。结点B应当丢弃这重复帧，并向结点A发送一个确认帧ACK，因为结点 B已经知道结点A还没有收到上一次发过去的确认帧ACK（有可能此确认帧在传输过程中出错）。,2.3.2 停止等待协议,任何一个编号系统的序号所占用的比特数一定是有限的。因此，经过一段时间后序 号就会重复。例如，当发送序号占3个比特时，共有8个不同的发送序号，从000到111。 当数据帧的发送序号为111时，下一个发送序号就又是000。因此要进行编号就要考虑序 号到底要占用多少个比特。序号占用的比特数越少，数据传输的额外开销就越小。对于 停止等待协议，由于每发送一个数据帧就停止等待，因此用一个比特来编号就够了。这 样，数据帧中的发送序号（以后记为N（S），S表示发送）就以0和1交替的方式出现在 数据帧中。每发一个新的数据帧，发送序号就和上次发送的不一样。用这样的方法就可 以使收方能够区分开新的数据帧和重发的数据帧了。,2.3.2 停止等待协议,四、循环冗余检验 原理：任何一个二进制比特流都可以看成是某一个一元多项式的系数（比如1011001我们可以看作是多项式X6+X4+X3+1的系数），以m+1个信息比特为系数构成的多项式为信息多项式M(X)，最高次幂为m次。以r个冗余比特构成的多项式称为冗余多项式R(X)，最高次幂为r-1，在m+1个信息比特后加上r个冗余比特构成的信息比特所对应的多项式T(X)为编码多项式： T(X)=Xr*M(X)-R(X),2.3.2 停止等待协议,已知信息比特M(X),要产生R(X),要用到一个特殊的多项式G(X)，生成多项式，双方用协商的方式确定G(X),在发送方，用G(X)去除Xr*M(X),得到的余式即R(X)，为了得到r个冗余比特，G(x)的次数必须是r。 由于G(X)除Xr*M(X)余R(X),所以Xr*M(X)先减去R(X)，再被G(x)除，余数一定是0。这个余数R(X)又称为帧校验序列FCS(CRC校验码)。 例如：欲发送的数据为M(x)=1010001101,生成多项式G(x)=110101,求采用CRC校验后从发送端发送出去的数据？,b0 b1 b2 b9,2.3.2 停止等待协议,添加的位,不进位不借位的模 2 除法,a0 a1 a2 a3 a4,2.3.2 停止等待协议,b0 b1 b2 bm a0 a1 a2 ar-1 1010001101 01110,101000110101110,从发送端发送出去的数据：,2.3.2 停止等待协议,假定为报文块11100110生成FCS，生成多项式是11001。,一个例子,2.3.2 停止等待协议,首先，附加4个零到报文块，这等效于将报文块乘上24，因为FCS是4位。然后再除以用二进制表示的生成多项式(11001)。注意在模2除操作过程中应执行一系列的异或运算。除法运算的结果所产生的4位余数(0110)就是FCS (帧检验序列)。发送时，FCS将被附加到原始报文块的尾部。,在接收端，收到的完全位序列用与发送方相同的生成多项式去除。如果传输过程中无错误发生，余数将是零(参见图(b)。如果在发送的位序列的尾部发生突发性错误，余数将不是零，表明有传输错误(参见图(c)。,2.3.2 停止等待协议,（b）余数=0，无错误 (c) 余数0，检测到错误,但是在接收端，通过这样的除法得出余数是0，并不能保证100的没有错误，因为在某种比特差错的组合下，也可能碰巧使得余数R(X)为0。但是只要经过严格的挑选，并使用位数较多的生成多项式G(X),那么出现检测不到的差错的概率就可以是很小的数值。现在广泛使用的G(X)有以下几种： CRC-16=X16+X15+X2+1 CRC-CCITT=X16+X12+X5+1 CRC-32= X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1,2.3.2 停止等待协议,五、实用停止等待协议的算法 在发送结点： 从主机取一个数据帧。 V(S)0。发送状态变量初始化 N(S)V(S)；将发送状态变量的数值写入发送序号 将数据帧送交发送缓存。 将发送缓存中的数据帧发送出去。 设置超时计时器。选择适当的超时重传时间tout ,2.3.2 停止等待协议,等待。等待以下3个事件中最先出现的一个 若收到确认帧ACK，则： 从主机取一个新的数据帧； V(S)1 V(S)；更新发送状态变量，变为下一个序号 转到。 若收到否认帧NAK，则转到。重传数据帧 若超时计时器时间到，则转到。 重传数据帧,2.3.2 停止等待协议,在接收结点： V(R)0。 接收状态变量初始化，其数值等于欲接收的数据帧的发送序号 等待。 当收到一个数据帧，就检查有无产生传输差错(如用CRC)。 若检查结果正确无误，则执行后续算法； 否则转到。,2.3.2 停止等待协议, 若N(S) = V(R)，则执行后续算法； 收到发送序号正确的数据帧 否则丢弃此数据帧，然后转到。 将收到的数据帧中的数据部分送交主机 V(R)1 V(R)。 更新接收状态变量，准备接收下一个数据帧 发送确认帧 ACK，并转到。 发送否认帧 NAK，并转到。,2.3.2 停止等待协议,见课本P49,状态变量的概念很重要，一定要弄清以下几点： 每发送一个数据帧，都必须将发送状态变量V(S)的值(即0或1)写到数据帧的发送序号N(S)上。但只有收到一个确认帧ACK后，才更新发送状态变量V(S)一次(将1变成0或0变成1)并发送新的数据帧。 在接收端，每接收到一个数据帧，就要将发送方在数据帧上设置的发送序号N(S)与本地的接收状态变量V(R) 相比较。若二者相等就表明是新的数据帧，否则为重复帧。,2.3.2 停止等待协议,在接收端，若收到一个重复帧，则丢弃它(即不做任何处理)，且接收状态变量不变，但此时仍须向发送端发送一个确认帧ACK。 由于发送端对出错的数据帧进行重传是自动进行的，所以这种差错控制体制常简称为ARQ (Automatic Repeat reQuest)，直译是自动重传请求，但意思是自动请求重传。,2.3.2 停止等待协议,2.3.3 连续ARQ协议,基本原理：发送方可以连续地发送若干数据帧，若在此过程中收到接收方的肯定应答，可以继续发送;若收到接收方其某一数据帧的否认帧，则从该帧开始的后续帧全部重发。 流量控制方法：连续发送。 差错控制方法：发送方在数据帧中加入循环冗余校验码(CRC)，由接收方检查；若出错，则返回否认帧NAK，发送方收到NAK后重发。 优点：连续发送提高了通信信道的利用率。 缺点：Go-back-N， 导致某些已正确接收的帧的重传，因此降低了发送效率。 误码率降低时，连续ARQ协议优于停止等待协议；反之，则不一定。,一、 连续ARQ协议的工作原理 先用下图所示的简单例子来讨论连续ARQ协议的工作原理。它的要点就是在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧（数量由双方协商）。如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。,2.3.3 连续ARQ协议,2.3.3 连续ARQ协议,接收方必须明确是对哪个帧进行确认，也就是说确认帧也必须进行编号。 接收方检测错误后：立即发送否认帧（较复杂）不做任何动作，直到发送端超时（较简单）,2.3.3 连续ARQ协议,要注意两点： 接收端只按序接收数据帧。虽然在有差错的2号帧后接着又正确收到了3个数据帧，但是也必须丢弃。 结点A在每发送完每一个数据帧时都要设置超时计时器。一旦超时，将会重传该帧及该帧以后所有被发送的帧。连续ARQ又称为Go-back-N ARQ，意思是当出现差错必须重传时，要向回走N个帧，然后再开始重传。,2.3.3 连续ARQ协议,从这里不难看出，连续ARQ协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方 面，在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传（但仅因这些数据帧之前有 一个数据帧出了错），这样又使传送速率降低。由此可见，若传输信道的传输质量很差 而误码率较大时，连续ARQ协议不一定优于停止等待协议。,2.3.3 连续ARQ协议,在使用连续ARQ协议时，如果发送端一直没有收到对方的确认信息，那么实际上发送端并不能无限制的发送其数据。这是因为： 当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就要有很多的数据帧需要重传，这必然浪费很多时间。 为了对所发送的大量数据帧进行编号，每个数据帧的发送序号也要占用较多的比特数，这样又增加了一些不必要的开销。,2.3.3 连续ARQ协议,二、滑动窗口的概念 连续ARQ协议中，在没有收到确认帧之前发送端所发送的帧的数量不能任意：序号较多，增大开销；出错时，重发数据量太大 因此，必须对发送出去但没有确认的数据帧的数目加以限制滑动窗口。,2.3.3 连续ARQ协议,我们从停止等待协议中已经得到了启发。在停止等待协议中，无论发送多少帧，只需使用1个比特来编号就足够了，发送序号循环使用0和1这两个序号。对于连续ARQ协议，也可采用同样的原理，即循环重复使用已收到确认的那些帧的序号，这时只需要在控制信息中用有限的几个比特来编号就足够了。除此之外，还要加入适当的控制机制，在发送端和接收端分别设定“发送窗口”和“接收窗口”。,2.3.3 连续ARQ协议,发送端和接收端分别设立一个变量，即称为发送窗口和接收窗口，其大小分别用WT（Transmit） 和WR（Receive） 来表示（有的书上用SWS（Send Window Size）和RWS（Receive Window Size ） ），目的是能够重复使用有限的序号列。,2.3.3 连续ARQ协议,发送窗口用来对发送端进行流量控制，发送窗口的大小（ WT ）表示在没有收到确认帧的情况下，发送端最多可以发送的帧的个数（停止等待协议中WT =1）。,2.3.3 连续ARQ协议,例：发送序号用3bit来编码（SeqNum2n），发送窗口大小WT 5，发送窗口的工作原理如下图。,2.3.3 连续ARQ协议,2.3.3 连续ARQ协议,2.3.3 连续ARQ协议,发送窗口的规则归纳如下： 发送窗口内的帧是允许发送的帧，而不考虑有没有收到确认。发送窗口右侧所有的帧都是不允许发送的帧。上图(a)说明了这一情况。 每发送完一个帧，允许发送的帧数就减1。但发送窗口的位置不变。上图(b)说明已经发送了0号帧，因此允许发送的帧数就少了一个，即只有4个。 如果所允许发送的5个帧都发送完了，但还没有收到任何确认，那么就不能再发送任何帧了。上图(c)表示这种情况。这时，发送端就进入等待状态。,2.3.3 连续ARQ协议,每收到对一个帧的确认，发送窗口就向前(即向右方)滑动一个帧的位置。上图(d)表示发送端已经收到了0, 1和2号帧共3个帧的确认，因此发送窗口可以向前滑动3个帧的位置。于是，发送端现在又可以继续发送3个帧(即5 7号帧)。,2.3.3 连续ARQ协议,接收窗口大小（ WR ）表示能够接收帧的序号的上限。规定了哪些序号的帧可以接收，哪些不能，也就说只有当收到的帧的序号落在接收窗口内才允许接收该数据帧（停止等待协议中WR =1） 。 大小可以根具需要设定， WR =1，一次只能接收一个帧； WR = WT ，可以将发送端发出的帧全部接收； WR WT ，没有意义 。,2.3.3 连续ARQ协议,例：接收窗口大小WR 1，接收窗口的工作原理如下图。,2.3.3 连续ARQ协议,(a)准备接收0号帧 (b)准备接收1号帧 (c)准备接收4号帧,接收窗口的规则很简单，归纳如下： 只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。 每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前(即向右方)滑动一个帧的位置。同时向发送端发送对该帧的确认。 图(a)表明一开始接收窗口处于0号帧处，接收端准备接收0号帧。一旦收到0号帧，接收窗口即向前滑动一个帧的位置(图(b)，准备接收1号帧，同时向发送端发送对0号帧的确认信息。当陆续收到1号至3号帧后，接收窗口的位置应如图(c)所示。,2.3.3 连续ARQ协议,2.3.3 连续ARQ协议,继续研究接收窗口处于上图 (b)时的接收策略。显然，若收到1号帧， 则接收窗口将顺时针（P52）旋转1个号，并发出对1号帧的确认。但若收到的不是1号帧，情况就稍复杂些。如果收到的帧号落在接收窗口之前（顺时针方向），例 如收到了2号帧，这时接收端就必须丢弃它，并发出对2号帧的否认信息。但若 收到的帧号落在接收窗口的后面，例如收到了0号帧（注意：0号帧已收到过，并对它发送过确认信息），这就表明已发出的对0号帧的确认帧并没有被发方收到。因此现在还要再发一次对0号帧的确认，不过这时不能再把0号帧送交主机（否则就重复了）。在这两种情况下，接收窗口都不得向前旋转。,为了减少开销，连续ARQ协议还规定接收端不一定每收到一个正确的数据帧就必须发回一个确认帧，而是可以在连续收到好几个正确的数据帧以后，才对最后一个数据帧发确认信息。即接收方可以对最后收到的帧确认，从而表明这个帧及以前的所有帧都正确地收到了，从而提高了效率。 从以上讨论可以看出，当接收窗口保持不动时，发送窗口无论如何也不会旋转（滑动），因此这种协议又称为滑动窗口协议。,2.3.3 连续ARQ协议,问题：当数据帧的发送序号（SeqNum）所用的比特数一定时，发送窗口的最大值WT是多少? 初看起来，这个问题好象很简单。例如，用3个比特可编出8个不同的序号，因而发送窗口的最大值似乎应当是8。 其实不然，下图可以很清楚地说明这一点。,2.3.3 连续ARQ协议,图 发送窗口WT =8时的两种情况 (a)无差错的传送 (b)应答帧全部丢失,2.3.3 连续ARQ协议,假设SeqNum=8， WT =8， WR 1