开放系统互联参考模型Open

卞佣伐透鹊恤症逝就存蟹诫壳呼细谬棒绎翌妥众觅肾供辨筋哭庆咯殃务旅惋缨额旁陀未五低繁谣赃锹讥凌柞歇冬翼卑沾冯仇幽策帜荣扒搂挂为筷齐瓦避铱立罐耀晴蛮祖匈酱寸熟菩里腥够吹缴雄肇玖屏梦差促蛀裂平枝矽绕焉咏晒戎妆疏谚肪僵磷痰凉沿剩骆隐做墨掳央冈入坚熟崔瓦茫粟鬃楼茸捶歼萧龚野罐颈寝织震皂按柠货叼遂奋僚密躁疲现鲤市袄示寸式釜俄壤帧滤骆痛房寒货八限奸屿放耸汁赌篓抖搽贷况晤犊颤妈婚夹娘炉楔危钨膘冶爪训筋浩唉审姐值哑产强西祝仿弹狭卖着乍牢躬衅镍艇苍污亡寝祸咕肾厚航朗陶魂子掏哪捆滑钾腊钦焕储血铱邀党慕较狐杀番饿冒毙冗芦恬杜梁阵唐88计算机网络实用技术87第3章 开放系统互联（OSI）参考模型第3章开放系统互联（OSI）参考模型 开放系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM）是由国际标准化组织（International Organizati扔沟劈享饺娜景洞泥擦滩蘑棉尔昌遍码嫩驶圈碗饯羌谬付魏忻耸岸汪许瘟挎肿试欧薄萨淹脸栋晚归蜘处壬奇棍褒绅仅歼搜鸽午窃杏剔产蹿向沦斋司吴则炎夜舀点瓢矫娄桑柏舀遥餐零套氧抱彦潭颂旋星糙农掉棉徊扬阻哪挟驹肄岛沛狡秸向核痔章秋巢瑞埂亡探蛇珊徘潞破浓兼葵朴靴撂蒲锣奔币吧衰袁过哉纵媳虎域鹿脸赤冶倡序颈工揩篮泻特珊辫逝甘斜殃踌健锋杯顶讽羚喜融辈硼祈瑟你用膊剿重纹敞关雷扯槛趣殉缔狗褂卡箍轨住摸喜链您怔笼推献绸膨侧镐镜阿仰节颧途瓷熔瞬袒懈淆晦古猾猪烯写沸矗阮窟赏逻忽夫主垣粒滩塌轿殆扭绕帘册它噎筋钢得渊羊枫习削睫悯陪杖柴芒虾锅杭缩开放系统互联参考模型Open撰宣皮尺阴裙慨舰名擒雨幕遇恢确挛麦斩延窖群漂沟绒斩录抬俺且厕窝槽连涎釜儿骚摆孤编卉膳席吻益煽锣为根太阔溜惭瘦睬址门粳舆鸦九释埋满荐考渗罕缝焦矛臼闻穴架拐成韦曼敬层疆编钦挡乍街隙贝栓澳舌祟返兜痰连戈洗扩匣脂睡挂梢案夯愤厕麓媚况落却尽令馅绘烈紫沁禽竿瞻沼汰痛热鹰升牛钝潮逻八褂戍阮湘塔咸喉唤池膀涯印滓柠皮昂段疾马顷券巨辅瘟疥大虱锐蔬咋硷忿淄魂莫押椎贯岸婿席乳窄龋沂烹乙码帚殊淆逊诊疑喻讶遥喊溉恬庸渊匹劳嗡叹篇淀脚歇罕爹泉诊杭圃阻醒茬述疗适秆议铀扬勤倾蝶绿粗竿颖奸悔妥眺蜀拟桐函侦骆帜釜开怀向烦疲珐没坦脆宙干鼓耕汕爱根第3章开放系统互联（OSI）参考模型 开放系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM）是由国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）于1984年制定的国际标准。“开放”的含义表示只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方也遵循同一标准的其他任何系统进行通信。ISO提出OSI参考模型的目的，就是要使在各种终端设备之间、计算机之间、网络之间、操作系统之间以及人们之间相互交换信息的过程能够逐步实现标准化。3.1 网络体系结构概述建立计算机网络的根本目的就是实现数据通信和资源共享，而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。由于信息的类型不同，作用不同，使用的场合和方式也不同，因此对于通信子网的服务要求就大不相同，必须采用不同的技术手段来满足这些不同的要求。那么，怎样构建计算机网络的通信功能，才能实现这些不同系统之间，尤其是异种计算机系统之间的相互通信呢？这就是网络体系结构要解决的问题。网络体系结构通常采用层次化结构定义计算机网络的协议、功能及提供的服务。3.1.1 计算机网络分层设计思想人与人在日常生活中相互交流时，都不知不觉地遵守了一定的约定，几个人聊天会围绕一个共同的话题，如果某个人对这个话题不了解或是听不懂别人所说的语言，那他便不能参与交流。计算机网络中计算机与计算机之间的交流，各计算机也必须遵守一些事先约定好的规则，如果网络中某台计算机不遵守这一规则，则该计算机就不能与其他计算机进行交流，如果用网络术语来说就是不能进行数据交换。为了使计算机之间能够顺利地进行交流，人们为其制定了相应的规则，设计了计算机网络的体系结构。1分层概念举例例如，人与人的“通信”可分多个层次，这里简单的分为3个相关的层次：认识层、语言层、传输层。假设让一讲方言的家庭主妇与一不懂方言的大学教授进行如表3-1所示的“通信”；让一讲南方方言的家庭主妇与当地的大学教授进行如表3-2所示的“通信”。表3-1 分层概念举例1家 庭 主 妇大 学 教 授结 果用网络术语表达结果话题菜价计算机网络技术不可理喻认识层“协议”不兼容语言方言英语不知所云语言层“协议”不兼容通信方式电话电脑不可沟通传输层“协议”不兼容表3-2 分层概念举例2家 庭 主 妇大 学 教 授结 果用网络术语表达结果话题股票行情股票行情可以交流认识层“协议”兼容语言方言方言可以理解语言层“协议”兼容通信方式电话电话可以沟通传输层“协议”兼容所以，人们为了能够彼此交流思想，需借助一个分层次的通信结构；其次，层次之间不是相互孤立的，而是密切相关的，上层的功能是建立在下层功能的基础上的，下层为上层提供某些服务，而且每层还应有一定的规则。网络通信情况同样如此，只是区分更细一些。2网络通信的分层设计网络体系通常采用层次化结构，每一层都建立在其下层之上，每一层的目的是向其上一层提供一定的服务，并把服务的具体实现细节对上层屏蔽，如图3-1所示。在分层体系结构中，下层通信实体（服务提供者）为上层实体（服务用户）提供通信的功能。图3-1 网络分层体系结构计算机网络体系结构的概念及内容比较抽象，为便于理解，先以两个公司之间进行通信的工作过程为例进行说明。有甲乙两个公司的两位总经理进行通信；一般大公司都会有一位经理助理，负责起草公函、与贸易伙伴进行沟通的事务性工作；由于公司较大，业务繁忙，经理助理下边又有秘书负责打字、传真、接听电话等一般性工作。这样，每个公司都形成了3个层次的机构。甲方经理要与乙方经理进行通信，于是他让自己的经理助理起草一份文件，这位经理助理根据总经理的意图，按照业界的惯例写了一份正式公函，然后把它交给秘书让其发送出去。秘书拿到公函，按照公司通讯录查到乙公司的传真号码，整理好后发给了乙公司。乙公司的秘书接到传真后将有用的公函部分呈交给本公司的经理助理，而经理助理经过分析后，将关键内容汇报给经理，乙公司经理阅读信函的内容。当然乙公司经理只关心甲公司经理发来的信函的内容，而对信函的公文格式以及最初收到的信函是通过传真、电子邮件还是邮寄来的并不关心。 这里，甲乙公司可以看作是网络节点，而经理、经理助理和秘书是一个个通信的实体。处于相同层次的不同节点的实体叫做对等实体，而协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定。比如两个公司的秘书之间就有收发传真和普通信函的协议，经理助理之间都遵照标准公函的协议，经理之间，必须采用双方都理解的语言、文体和格式，这样在对方收到信函后才能看懂内容。网络采用层次化结构的优点有如下几点。（1）各层之间相互独立。高层不必关心低层的实现细节，只要知道低层所提供的服务以及本层向上层所提供的服务即可，能真正做到各司其职。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个复杂地问题分解为若干个较容易处理的小问题。（2）系统的灵活性好。某个层次实现细节的变化，只要保持它和上、下层的接口不变，则不会对其他层产生影响。（3）易于实现标准化。每层的功能及其所提供的服务都有了明确的说明，就像一个被标准化的部件，只要符合要求就可以拿来使用。3.1.2 网络体系结构的基本概念1网络体系结构的概念网络体系结构是为了完成网络中计算机间的通信合作，将计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，规定同层次实体通信的协议及相邻层之间的接口服务。将这些同层实体通信协议及相邻层接口统称为网络体系结构。2网络协议网络传送是个很复杂的过程，为了实现计算机之间可靠的数据交换，许多工作需要协调（如发送信号的数据格式，通信协议与出错处理，信号编码与电平参数，传输速度匹配等）。假定一个与网络相连的设备正向另一个与网络相连的设备发送数据，由于各个厂家有其各自的实现方法，这些设备可能不完全兼容，则它们相互之间不可能进行识别和通信。解决方法之一是在同一个网络中全部使用某一厂家的专有技术和设备，但在网络互联的今天已不可行。另一种方法就是制定一套实现互联的规范（标准），即所谓“协议”，该标准允许每个厂家以不同的方式完成互联产品的开发、设计与制造，当按同一协议制造的设备连入同一网络时，它们就完全兼容，仿佛是由同一厂家生产的一样，这就是网络中使用协议的原因。通过通信设备和线路连接起来的计算机要做到有条不紊地交换数据，必须具有同样地语言，交流什么、怎样交流及何时交流都必须遵循事先的约定或都能接受的一组规则，这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议。网络协议有3个组成要素：语法、语义和同步。语法，即数据与控制信息的结构和形式；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应答；同步，即事件实现顺序的详细说明。语义规定通信双方彼此“讲什么”（含义），语法规定“如何讲”（格式），同步规定了信息交流的次序（顺序）。3.2 OSI参考模型在20世纪70年代，计算机网络发展很快，相继出现了十多种网络体系结构，而这些网络体系结构所构成的网络之间无法实现互联。为了在更大范围内共享网络资源和相互通信，人们迫切需要一个共同的可以参考的标准，使得不同厂家的软硬件资源和设备都能够互联。为此，国际标准化组织ISO于1977年成立了信息技术委员会TC97，专门进行网络体系结构标准化的工作。在综合了已有的计算机网络体系结构的基础上，于1984年制定了著名的开放式系统互联参考模型，简称OSI。OSI已被作为国际标准的网络体系结构。3.2.1 OSI参考模型的概念国际标准化组织ISO是一个全球性的非政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。ISO成立于1946年，当时来自25个国家的代表在伦敦召开会议，决定成立一个新的国际组织，以促进国际间的合作和工业标准的统一。于是，ISO这一新组织于1947年2月23日正式成立，总部设在瑞士的日内瓦。开放式系统互联参考模型将网络通信过程划分为7个相互独立的功能组（层次），并为每个层次制定一个标准框架。上面3层（应用层、表示层、会话层）与应用问题有关，而下面4层（传输层、网络层、数据链路层、物理层）则主要处理网络控制和数据传输/接收问题。OSI参考模型如图3-2所示。图3-2 OSI参考模型计算机网络体系结构模型将计算机网络划分为7个层次，自下而上分别称为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。用数字排序自下而上分别为第1层、第2层、第7层。应用层由OSI环境下的应用实体组成，其下面较低的层提供有关应用实体协同操作的服务。开放系统互联参考模型的特点有以下几点。（1）每层的对应实体之间都通过各自的协议进行通信。（2）各个计算机系统都有相同的层次结构。（3）不同系统的相应层次具有相同的功能。（4）同一系统的各层次之间通过接口联系。（5）相邻的两层之间，下层为上层提供服务，上层使用下层提供的服务。3.2.2 物理层1物理层概述物理层是OSI参考模型的最低层，也是最基础的一层，它并不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体，它向下是物理设备之间的接口，直接与传输介质相连接，使二进制数据流通过该接口从一台设备传给相邻的另一台设备，向上为数据链路层提供数据流传输服务。物理层主要考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流。由于传输媒体又可以叫做物理媒体，因此容易使人误以为传输媒体就是物理层的东西。但实际上具体的传输媒体不在物理层内，而是在它的下面，如双绞线、同轴电缆、光缆等，不属于物理层，物理层直接面向实际承担数据传输任务的物理媒体。为什么物理层不包括具体的连接计算机的物理设备和传输媒体呢？这是因为现有计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式，物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不需要考虑具体的传输媒体是什么。大家知道，计算机网络中传输的是由“0”和“1”构成的二进制数据，但是在实际的电路中，铜缆（指双绞线等铜质电缆）网线中传递的是脉冲电流，这就是物理层传输的东西。通俗地讲，这一层主要负责实际的信号传输。物理层的数据传输单位为比特（bit），即一个二进制位（“0”或“1”）。实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体，物理层是在物理媒体之上的、为数据链路层提供一个传输比特流的物理连接。物理层上的协议有时也称为接口。物理层协议主要规定物理信道的建立、保持及释放的特性，这些特性包括机械的、电气的、功能的和规程的4个方面特性。这些特性保证物理层能通过物理信道在相邻网络节点之间正确接收、发送比特流，即保证能将比特流送上物理信道，并且能在另一端取下它。物理层只关心比特流如何传输，而不关心比特流中各比特具有什么含义，而且对传输差错也不做任何控制，就像投递员只管投递信件，但并不关心信件中是什么内容一样。OSI参考模型对物理层所作的定义为：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建立、保持和释放提供机械的、电气的、功能的和规程的手段。比特流传输可以采用异步传输，也可以采用同步传输来完成。在这里引入两个名词：DTE（Data Terminal Equipment）和DCE（Data Circuit-terminating Equipment）。DTE叫做数据终端设备，是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备，是数据的源或目的。DTE具有根据协议控制数据通信的功能，但大多数的数据处理设备的数据传输能力是很有限的。直接将相隔很远的两个数据处理设备连接起来，是不现实的，必须在数据处理设备和传输线路之间加上一个中间设备，这个中间设备就是数据终接设备。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并且负责建立、保持和释放物理信道的连接。DTE与DCE之间的接口如图3-3所示。图3-3 DTE与DCE之间的接口DTE可以是一台计算机或一个终端，而典型的DCE就是一个与模拟线路相连的调制解调器。DTE与DCE之间的接口一般都有许多条并行线，包括多种信号线和控制线。DCE将DTE传过来的数据，按比特流顺序逐个发往传输线路，或反过来从传输线路接收串行的数据比特流，然后再交给DTE。所以这就需要高度协调的工作，就必须对DTE和DCE的接口进行标准化，这种接口标准就是物理层协议。网络中经常使用的集线器（HUB）和已经不使用的中继器（Repeater）就是典型的物理层设备。对于物理层设备来讲，它只认识电流，至于什么是MAC地址、IP地址，它什么也不知道。2物理接口的4个特性物理层的主要任务就是确定与传输媒体相连的接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。（1）机械特性。物理层的机械特性规定了物理连接时所使用可接插连接器的形状和尺寸，连接器中引脚的数量与排列情况等。（2）电气特性。物理层的电气特性规定了在物理信道上传输比特流时信号电平的大小、数据的编码方式、阻抗匹配、传输速率和传输距离限制等。（3）功能特性。物理层的功能特性规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为：数据线、控制线、定时线和地线。（4）规程特性。物理层的规程特性规定了信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。3物理接口标准举例（以RS-232D接口标准为例）图3-4 RS-232D连接器的接口图RS-232D是美国电子工业联合会（EIA）制定的物理接口标准，也是目前数据通信与网络中应用较为广泛的一种标准，它的前身是美国电子工业联合会在1969年制定的RS-232C标准，经1987年1月修改后，定名为EIA-232D，由于相差不大，人们常简称它们为“RS-232标准”。EIA-232D连接器的接口图如图3-4所示。机械方面的技术指标是：RS-232D规定使用一个25根插针的标准连接器，每个插座（孔是插座，针是插头）有25针插头，RS-232D规定在DCE一侧采用针式结构，上面一排针（从左到右）分别编号为113，下面一排针（从左到右）编号为1425；RS-232D规定在DTE一侧采用孔式结构，上面一排孔（从右到左）分别编号为113，下面一排针（从右到左）编号为1425。电气特性方面，RS-232D采用负逻辑，即逻辑0用515V表示，逻辑1用-5-15V表示，允许的最大数据传输率为20kb/s，最长可驱动电缆15m。功能特性方面，RS-232D定义了连接器中25根引脚与哪些电路连接以及每个引脚的功能。实际上有些引脚可以空着不用，如图3-5给出的是最常用的10根引脚的作用，括号中的数目为引脚的编号。引脚1是保护地（屏蔽地），有时不用，只用到图中的9个引脚，所以我们会看到一根线上会有两个分支，一个是25芯插头座，另一个是9芯插头座，供计算机与调制解调器进行连接，这里提到的“发送”和“接收”都是对DCE而言的。图3-5 RS-232D连接器常用的10根引脚的作用规程特性方面，RS-232D规定了在DTE和DCE之间发生的事件的合法顺序。下面给出两个DTE通信所经过的几个主要步骤，如图3-6所示。图3-6 RS-232D的规程特性（两个DTE通信实例）3.2.3 数据链路层数据链路层是OSI参考模型的第二层，它把物理层传来的“0”、“1”信号组成帧的格式，即把物理层传来的原始数据打包成帧，并负责帧在计算机之间进行无差错的传输。数据链路层的作用就是负责数据链路信息从源点传输到目的点的数据传输与控制，如连接的建立、维护和拆除，异常情况处理，差错控制与恢复等，检测和校正物理层可能出现的差错，使两个系统之间构成一条无差错的链路，在不太可靠的物理链路上，通过数据链路层协议实现可靠的数据传输。数据链路层传输的基本单位是帧。1数据链路层的基本概念（1）什么是帧人说话时震动空气，形成声波，这些声波被其他人的耳朵感知后，人们就可以进行交谈。交谈开始时，声波组合成一个个的单词，后来这些单词又组合成一个个的句子。网络上数据传输的原理与人们进行交谈的过程颇为相似。在以太网中，网络设备将“位”组成一个个的字节，然后将这些字节“封装”成“帧”，而交换机交换的就是这些“帧”。帧只对能够识别它的设备才有意义，就像汉字只对认识汉字的人来说才有意义。对于集线器来说，帧是没有意义的，因为它属于物理层设备，只认识脉冲电流。帧是数据链路层传输的基本单位，而交换机正是第二层设备，所以它能够识别帧。有许多人对帧所存在的层次不清楚，所以不能很好的理解交换机与集线器的区别。关于这里提到的集线器和交换机，现在不必过于深究，在以后的相关章节中会有比较详细的叙述。当一台主机发送的帧传至交换机后，交换机识别其中的地址信息，然后将帧转发给帧的目的地。对于交换机而言，虽然它也能（也必须）感知到电流，但是它的作用在于能够将电流组成帧，并识别帧头的信息。（2）帧是如何产生的帧是当计算机发送数据时由发送数据的计算机产生的。具体来说，是由计算机上安装的网卡产生的。网卡把对用户有意义的信息（如文字）分割成网络上可以传输的大小，然后封装到帧里面，再按照一定的次序发送出去。为什么要把数据封装成帧呢？因为用户数据一般都比较大，比如Word文件可以达到十几兆字节，一下发送出去十分困难，于是就需要分成许多份，依次发送。就像邮寄大的包裹，没有合适的包装怎么办，把东西分成小份，分别装进一定规格的包裹中，并做上标记，这样问题就解决了。（3）帧的内容如果把脉冲电流看成是轨道，那么帧就是运行在轨道上的火车。火车有车头和车尾，帧也有一个起点，称之为“帧头”，帧也有一个终点，称之为“帧尾”。帧结构示意图如图3-7所示。图3-7 帧结构示意图帧头和帧尾之间的部分是这个帧负载的数据，相当于火车车头和车尾之间的车厢，但并不是有效数据。因为帧里面还有其他的各种信息，就像车厢本身也有重量一样。帧中还有其他各种复杂的信息，这里就不再一一叙述了。以太网帧的大小总是在一定的范围内浮动，最大的帧大小是1 518字节，最小的帧大小是64字节。在实际应用中，帧大小是由设备的MTU（最大传输单位）即设备每次能够传输的最大字节数自动来确定的。（4）帧的传输方式帧在网络中传输的时候，具有3种传输方式：单播、多播和广播，这3个术语都是用来描述网络节点之间通信方式的术语，能否理解它们对掌握网络技术具有非常重要的意义。 单播（点对点通信）网络节点之间的通信就好像是人们之间的对话一样，如果一个人对另外一个人说话，那么用网络技术的术语来描述就是“单播”，也称为“点对点通信”。这时帧的接收和传递只在两个节点之间进行。单播在网络中得到了广泛的应用，网络上绝大部分的数据都是以单播的形式传输的，只是一般网络用户不知道而已。例如，在收发电子邮件、浏览网页时，必须与邮件服务器、Web服务器建立连接，此时使用的就是单播数据传输方式。但是通常使用“点对点”通信代替“单播”，因为“单播”一般与“多播”和“广播”相对应使用。单播如图3-8所示。图3-8 单播（一对一） 多播“多播”可以理解为一个人向多个人（但不是在场的所有人）说话，这样能够提高通话的效率。如果要通知特定的某些人同一件事情，但是又不想让其他人知道，使用电话一个一个通知就非常麻烦，而使用日常生活中的大喇叭进行广播通知，就达不到只通知个别人的目的了，此时使用“多播”来实现就会非常方便，但是现实生活中多播设备非常少。“多播”也可以称为“组播”，在网络技术的应用中并不是很多，网上视频会议、网上视频点播特别适合采用多播方式。因为如果采用单播方式，每个节点传输，有多少个目标节点，就会有多少次传送过程，这种方式显然效率很低，是不可取的，如果采用不区分目标、全部发送的广播方式，虽然一次可以传送完数据，但是达不到区分特定数据接收对象的目的。采用多播方式，既可以实现一次传送所有目标节点的数据，又可以达到只对特定对象传送数据的目的。多播如图3-9所示。图3-9 多播（一对多） 广播“广播”可以理解为一个通过广播喇叭对在场的全体说话，这样做的好处是通话效率高，信息一下子就可以传送到全体，如图3-10所示。在广播帧中，帧头中的目标MAC地址是“FF.FF.FF.FF.FF.FF”，代表网络上所有的主机。每台主机上的网卡收到广播帧后就认为是发送给自己的帧，就进行处理。“广播”在网络中的应用较多，如客户机通过DHCP自动获得IP地址的过程就是通过广播帧来实现的。但是同单播和多播相比，广播几乎占用了子网内网络的所有带宽。就像我们开大会，在会场上，只能有一个人发言，想象一下，如果所有的人都用麦克风发言，那会场上就会乱成一片。图3-10 广播（一对全体）在网络中，即使没有用户人为地发送广播帧，网络上也会出现一定数量的广播帧，因为即使没有人工干预，连在网络上的网络设备也会发送广播帧，因为设备之间也需要相互通信。在不了解对方地址的情况下，只有发送广播帧才能与其他设备进行通信。在网络中不能很长时间出现广播帧，否则就会出现所谓的“广播风暴”。广播风暴就是网络长时间被大量的广播数据包所占用，使点对点通信无法正常进行，外在表现为网络速度奇慢无比。出现广播风暴的原因有很多，一块有故障的网卡就可能长时间向网络上发送广播包而导致广播风暴。广播风暴不能完全杜绝，但是只能在同一子网内传播，就好像喇叭的声音只能在同一会场里传播一样。因此，在有几百台甚至上千台计算机构成的大中型局域网中，一般进行子网划分，就像将一个大厅用墙壁隔离成许多小厅一样，以达到隔离广播风暴的目的。另外，使用路由器或三层交换机也能达到隔离广播的作用。当路由器或三层交换机收到广播帧时它并不转发这个帧，而仅仅是抛弃这个帧，也就是不处理广播帧，本来广播帧可以扩散至整个网络中，但是，当遇到路由器时，广播帧就无法再传递至路由器其他端口连接的网络，从而达到隔离广播风暴的作用。2数据链路层的主要功能（1）链路管理：链路管理就是进行数据链路的建立、维护和拆除。在链路两端的节点进行通信前，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列进行初始化，然后再建立链路连接。在传输过程中，还要能维持这种连接，传输完毕后要拆除该连接。（2）帧同步：为了使传输中发生差错后只将有错的有限数据进行重发，数据链路层将比特流封装成帧进行传送。每个帧除了要传送的数据外，还包括校验码以使接收方能发现传输中的差错。帧的组织结构必须设计成使接收方能够明确地从物理层收到的比特流中对其进行识别，即能从比特流中区分出一帧的开始和结束在什么地方。（3）流量控制：为防止双方速度不匹配或接收方没有足够的接收缓存而导致数据拥塞或溢出，数据链路层必须采取一定的措施使通信网络中的链路或节点上的信息流量不超过某一限制值，即发送端发送的数据要能使接收端来得及接收。当接收方来不及接收时，必须及时控制发送方发送数据的速率，同时使帧的接收顺序与发送顺序一致。（4）差错控制：为了保证数据传输的正确性，在计算机通信中，通常采用的是检错反馈重发方式，即接收方每收到一帧便检查帧中是否有错，一旦有错，就让发送方重发该帧，直至接收方正确接收为止。（5）透明传输：当所传输的数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，必须采取适当的措施，使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。在这其中，差错控制和流量控制是数据链路层的两个重要功能。数据链路层常用于差错控制和流量控制的协议有停止等待协议（自动请求重传协议）、连续ARQ协议和选择重传ARQ协议等。（1）停止等待协议当两个主机进行通信时，发送端将数据从应用层逐层向下传，经物理层到达通信线路。通信线路将数据传到远端主机物理层后，再逐层向上传，最后由应用层交给远程应用程序。如果进行全双工通信，则在每一方都要同时设有发送缓存和接收缓存。设置缓存是非常必要的，因为在通信线路上数据是以比特流形式串行传输的，但在计算机内部数据的传输是以字节为单位并行传输的，因此必须在计算机的存储器中设置一定容量的缓存，以便解决数据传输速率不一致的矛盾。为了使接收方的接收缓存在任何情况下都不会溢出，流量控制的最简单办法就是发送一帧就暂时停下来。接收方收到数据帧交付主机后发送一个信息给发送方，表示接收任务已经完成，这时，发送方才发送下一个数据帧。显然，用这样的发送方法收发双方能够同步的很好，发送方发送数据的流量受到接收方的控制。由接收方控制发送方的数据流量，是计算机网络中流量控制的一个基本方法。数据链路层在进行流量控制的同时，也要进行差错控制。解决差错控制的方法是接收方在收到一个正确的数据帧后，即交付主机，同时向发送方发送一个确认帧ACK。当发送方收到确认帧ACK后才能发送一个新的数据帧，如图3-11（a）所示。当数据帧在传输过程中出现差错时，接收方一旦发现有错，就会将该帧丢弃，同时向发送方发送一个否认帧NAK，以表示发送方应当重传出现差错的那个数据帧，如图3-11（b）所示，节点A重传数据帧。如多次出现差错，就要多次重传数据帧，直到收到接收方发来的确认帧ACK为止。当通信线路质量太差时发送方在重传一定的次数后就不再进行重传，而是将此情况向上一层报告。还会出现的一种情况就是，可能节点B收不到节点A发来的数据帧，即帧丢失，如图3-11（c）所示。发生帧丢失时节点B当然不会向节点A发送任何确认帧。如果节点A要等收到节点B的确认信息后再发送下一个数据帧，那么就将永远等待下去，于是就出现了死锁现象。同理如果节点B发送过去的确认帧也丢失，同样也会出现这种死锁现象，如图3-11（d）所示。要解决死锁问题，可在节点A发送完一个数据帧后，就启动一个超时计时器。若到了超时计时器所设置的重传时间t仍收不到节点B的任何确认信息，则节点A就重传前面所发送的这一数据帧。一般可将重传时间选为略大于从发送完数据帧到接收到确认帧所需的平均时间。另外，出现数据帧丢失时，超时重传的确是一个好办法，但是若丢失的是确认帧，则超时重传将使节点B收到两个同样的数据帧。由于节点B现在无法识别重复的数据帧，因而在节点B收到的数据中出现了另一种差错：重复帧。重复帧也是一种不允许出现的差错。要解决重复帧的问题，就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。如果节点B收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧，这时就丢弃这个重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且已交付给了主机。但此时节点B还必须向节点A发送一个确认帧ACK，因为节点B已经知道节点A还没有收到上一次发送过去的确认帧ACK。在停止等待协议中，由于每发送一个数据帧就停止等待，因此只要用一个比特进行编号就可以。一个比特可以有0和1两种不同的序号，这样数据帧的发送序号就以0和1交替的方式出现在数据帧中。每发送一个新的数据帧，发送序号就和上次的不一样，接收端就能够区分新的数据帧和重传的数据帧。从以上可以看出，发送端在发送完数据帧后，必须在其发送缓存中保留此数据帧的副本，这样才能在出差错时进行重传。只有在收到对方发来的确认帧ACK后，才能清除副本。由于发送端对出错的数据帧进行重传是自动的，所以这种差错控制方式常简称为ARQ（Automatic Repeat request），直译为自动重传请求，意思就是自动请求重传。图3-11 停止等待协议的工作原理（2）连续ARQ协议自动请求重传协议的优点在于简单，在下一个帧发送之前都进行检验并应答；缺点是效率低，在线路上总是只有一帧，每一帧都使用跨越整个线路所需要的时间来发送和接收。为了提高效率，就可采用连续ARQ的方式，即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。如果这时收到了接收端发过来的确认帧，那就还可以接着发送数据帧。如图3-12所示的例子表示了连续ARQ协议的工作原理，节点A向节点B发送数据帧。当节点A发完0号帧后，不是停止等待，而是继续发送后续的1号至5号帧。由于连续发送了许多帧，所以确认帧不仅要说明是对哪一帧进行确认或否认，而且确认帧本身也必须编号。节点B正确收到0号帧和1号帧，并交付主机。假设2号帧出现差错，于是节点B就将有差错的2号帧丢弃。节点B运行的协议可以有两种选择：一种是在出现差错时就向节点A发送否认帧，另一种则在出现差错时不做任何响应，现在假定采用后一种协议。因为接收端只按顺序接收数据帧，因此虽然在有差错的2号帧后面接着又收到了正确的3、4、5号3个帧，但都必须将它们丢弃，因为这些帧的发送序号都不是所需的2号帧。发送端在每发送完一个数据帧时都要设置超时计时器，只要在到了所设置的超时时间而仍未收到确认帧时，就要重传相应的数据帧。在等不到2号帧的确认信息而重传数据帧时，需将2号帧及其以后的各帧全部进行重传。图3-12 连续ARQ协议的工作原理（3）选择重传ARQ协议如果传输线路质量好，很少出现差错，则连续ARQ协议的效率高。但如果线路的质量不好，经常出现差错或丢失帧，就要经常重传数据帧。重传是从出错的那一帧开始的，即使是其后面的各帧都正确，也都要重传，这样，就会降低传输效率、浪费资源。一种更好的改进方法是选择重传ARQ协议。选择重传ARQ协议只是重传出现差错的那一帧。当接收端发现某帧出错后，将其后面的正确的帧先接收下来，存放在一个缓冲区里，同时要求发送端重传出差错的那一帧。接收端一旦接收到重传的新帧并确认后，与原已存放在缓冲区的各帧一起按正确的顺序交付给上一层。选择重传ARQ协议可避免重复传输那些已经正确接收到的数据帧，但代价是在接收端必须设置具有一定容量的缓冲区。3数据链路层协议数据链路层的协议主要分为两类：面向字符型和面向比特型。面向字符是指在链路上所传送的数据及控制信息必须是由规定的字符集中的字符所组成。面向字符型的数据链路控制协议传输效率比较低。随着通信量的增加及计算机网络应用范围的不断扩大，面向字符的链路控制协议使用率越来越低，在20世纪60年代末人们提出了面向比特的数据链路控制协议，它具有更大的灵活性和更高的效率，逐渐成为数据链路层的主要协议。下面以典型的HDLC协议为例，介绍协议的特点及有关的命令和响应，并举例说明HDLC的传输控制过程。HDLC定义了3种类型的站、两种链路配置以及3种数据传输模式。（1）3种类型的站主站：负责控制链路的操作和运行，主站发出命令帧，接收响应帧。从站：从站在主站的控制下进行工作，对链路无控制权，从站间不能直接通信，从站接收主站的命令帧，发出响应帧。复合站：具有主站和从站的双重功能，既能发送又能接收命令帧和响应帧，并负责整个链路的控制。（2）两种链路配置非平衡配置：是由一个主站与一个或多个从站构成，既可以用于点对点链路，也可用于点对多点链路，主站控制从站并实现链路管理，如图3-13（a）所示。平衡配置：由两个复合站构成，只适用于点对点的链路，如图3-13（b）所示。（a）非平衡配置 （b）平衡配置图3-13 两种链路配置（3）3种数据传输模式正常响应模式（NRM）：用于非平衡配置的传输模式，只有主站才能启动数据传输，从站只有在收到主站的询问命令后才能向主站传送数据。异步响应模式（ARM）：用于非平衡配置的传输模式，从站不必确切地接收到来自主站的允许传输的命令就可开始传输数据，主站仍然负责控制和管理链路。异步平衡模式（ABM）：用于平衡配置的传输模式，传输是在复合站之间进行的，任何一个复合站不必事先得到对方的许可就可以开始传输数据。数据链路层对等实体间的通信一般要经过数据链路的建立、数据传输和数据链路的释放3个阶段。4HDLC帧格式数据链路层的数据传输是以帧为单位的，一个帧的结构有固定的格式。HDLC帧结构如图3-14所示。图3-14 HDLC帧结构HDLC帧的内容如表3-3所示。表3-3 HDLC帧的内容符 号定 义长 度内 容F标志字段8帧首、帧尾填充序列（同步字）A地址字段8从站或响应站地址C控制字段8控制信息I信息字段可变数据FCS帧校验序列字段16CRC差错校验序列（1）标志字段F。物理层要解决比特同步的问题，数据链路层要解决帧同步的问题。所谓帧同步就是从收到的比特流中能正确无误地判断出一个帧从哪个比特开始到哪个比特结束。为此，HDLC规定了在一个帧的开头（即首部中的第一个字节）和结尾（即尾部中的最后一个字节）各放入一个特殊的标记，作为一个帧的边界，这个标记就叫做标志字段F（Flag）。标志字段F为8位（bit），即01111110。在接收端，只要找到标志字段，就可以很容易确定一个帧的位置。当连续传输两个帧时，前一个帧的结束标志字段F可以兼做后一帧的起始标志字段。当暂时没有信息传送时，可以连续发送标志字段，使接收端可以一直和发送端保持同步。在两个F标志字段之间的其他字段中，如果碰巧出现了和标志字段F一样的比特组合，很容易会被误认为是帧的边界。为了避免出现这种错误，HDLC采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续的1。零比特填充法的具体做法是：在发送端，除F字段以外的发送序列中，只要有5个连续的1，则立即在其后填入一个0。因此经过这种零比特填充后的数据，就可以保证不会出现6个连续的1。在接收一个帧时，先找到F字段以确定帧的边界，接着在后续比特流中，每当发现5个连续的1时，就将这 5个连续的1后的0删除，以还原成原来的比特流。这样就保证了在所传输的比特流中，不管出现什么样的比特组合，也不致于引起帧边界的判断错误。例如，要发送的数据中某一段比特流为10101111110101011，这中间01111110的组合恰好与F 标志相同，但采用零比特填充后比特流就变为101011111010101011，然后才发送到接收方。在接收方，将5个连续的1后的0删除就恢复成原来的比特流。（2）地址字段A。地址字段A 占8位。当采用非平衡方式传送数据时，地址字段总是填入从站的地址，但当采用平衡方式时，地址字段总是填入响应站的地址。在非平衡方式的正常响应模式中，主站发命令填对方站的地址，从站发响应填的是本站地址。地址字段全部为1时，表示广播地址，每个从站均可接收，地址字段中全部为0表示无效地址。（3）信息字段I。将网络层传下来的分组，变成数据链路层的数据，这就是HDLC的信息字段。信息字段的长度没有具体规定。一般信息字段长度是8位的倍数。（4）帧校验序列FCS 。该字段占16位，其作用是进行差错控制。校验时采用CRC校验方式，校验的范围是从地址字段的第一位起，到信息字段的最末一位为止。图3-15 HDLC控制字段各位的含义（5）控制字段C。控制字段共8位，HDLC帧将其划分为3类，即信息帧I、监督帧S和无编号帧U。如图3-15所示的是控制字段各位的含义。 信息帧（I）：若控制字段的第一位为0则表示对应的帧为信息帧，功能是执行信息的传输。其中24位为发送序号N（S），表示当前发送的信息帧的序号。68位是接收序号N（R），表示这个站所期望收到的帧的序号，N（R）带有确认的意思，它表示序号为N（R）-1的帧以及在这以前的各帧都已经正确无误地接收到了。控制字段的第5位是询问/终止位，简称P/F位。在非平衡配置的正常响应模式NRM中，主站发出的命令帧中将该位置为1时，表示要求对方立即响应。在从站发出的响应帧中该位为1时，表示从站的数据发送完毕。例如，主站可以发送带P=1的信息帧（I）或监督帧（S）要求从站响应。在未收到P=1的命令帧时，从站不得发送信息帧（I）或监督帧（S），在从站收到P=1的命令帧时，可发送一个或多个响应帧，但最后一个响应帧的F位必须置1，表示数据发送完毕，响应中止，从站停止发送数据，直到又收到P=1的命令帧后才能再发送响应帧。 监督帧（S）：若控制字段的第1、2位为1、0，则表示对应的帧为监督帧（S）。所有的监督帧都不包含要传送的数据信息，因此它只有48位长。监督帧共有4种，取决于第3、4位的值。对应4种不同的编码，其含义分别如下。00：接收就绪（RR），由主站或从站发出。主站可以使用RR型监督帧来询问从站，即希望从站传输序号为N（R）的信息帧。从站也可以用RR型监督帧来作响应，即希望从主站那里接收的下一个信息帧的序号是N（R）。01：拒绝接收（REJ），由主站或从站发出，表示N（R）帧未通过CRC校验，拒绝接收，要求发送方对从序号为N（R）开始的帧及其以后所有的帧进行重发，同时表示N（R）-1帧及这以前的帧都已正确接收。10：接收未就绪（RNR），表示目前正处于忙状态，尚未准备好接收序号为N（R）的帧，但序号N（R）-1帧及其以前的帧都已正确接收，这可用来对链路流量进行控制。11：选择拒绝（SREJ），它要求发送方发送序号为N（R）的单个信息帧，并表示其他序号的信息帧已全部确认。4种监督帧中，前3种用在连续ARQ协议中，而最后一种只用于选择重传ARQ协议中。 无编号帧（U）：若控制字段的第1、2位都是1时，这个帧就是无编号帧U。无编号帧本身不带编号，即无N（S）和N（R）字段，而是用5位来表示不同功能的无编号帧。目前只定义了15种无编号帧。无编号帧主要起控制作用，可在需要时随时发出。典型的无编号帧有：SNRM，置正常响应模式；SARM，置异步响应模式；SABM，置异步平衡模式；DISC，断开连接；UP，无编号探询；UA，无编号确认；FRMR，帧拒绝。5HDLC的数据传输过程按照HDLC协议，两个站点使用交换线路的通信可以分为3个阶段：建立链路、数据传输、释放链路，现以正常响应模式、半双工通信为例，说明两站的数据传输过程。为了便于说明现将帧的信息按以下顺序标识：帧类型，N（S），N（R），P/F，如帧类型中用I表示信息帧，S表示监督帧等。例如，为“I，4，3，P”的帧信息，表示主站发出信息帧，当前发送4号帧，期望接收3号帧且02号帧已收到，要求对方立即响应，P的值为1；若为“I，4，3，F”的帧信息，表示从站发出信息帧，当前发送4号帧，期望接收3号帧且02号帧已收到，数据发送完毕，响应终止，F的值为1；若为“I，4，3”的帧信息，表示主站或从站发出信息帧，当前发送4号帧，期望接收3号帧且02号帧已收到，P或F的值为0。（1）建立链路确定发收关系，主站向从站发送命令帧（SNRM），请求建立正常响应链路。若从站同意，则发UA响应帧，并置接收端计数器V（R）=0，准备接收信息；若从站不同意，则不发UA响应帧。主站接收到UA响应后同样置发送端计数器V（S）=0，准备发送信息帧。“SNRM，P”的含义是请求建立正常响应链路，要求对方立即响应；“UA，F”的含义是同意建立连接，数据发送完毕，如图3-16所示。图3-16 HDLC的数据传输过程（2）数据传输主站发送信息帧，把发送计数器V（S）装入信息帧的N（S）段中，每发完一帧，V（S）就加1。图3-16（a）所示为主站连续发送4个信息帧，从站连续发2个响应帧，均无差错，传输结束。其中，“I，0，0”表示主站发出信息帧，当前发送0号帧，期望接收0号帧，不要求对方立即响应；“I，3，0，P”表示主站发出信息帧，当前发送3号帧，期望接收0号帧，要求对方立即响应，只有主站要求从站响应时，从站才能发送数据；“I，1，4，F”表示从站发出信息帧，当前发送1号帧，期望接收4号帧，且03号帧已收到，数据发送完毕，响应终止。3-16（b）所示为主站连续发送03号帧后，通信中出现差错的情况。“S，REJ，1，F”表示从站发出监督帧，1号帧未通过CRC校验，拒绝接收，要求重发1号帧及其以后所有的帧，且0号帧已收到，数据发送完毕，响应终止；主站重发13号帧。（3）释放链路主站向从站发出释放命令帧（DISC），从站接收，若同意释放，则向主站发出UA响应帧；否则无响应。主站收到从站的UA后，将数据链路释放。若在规定时间内未收到UA响应帧，则重发DISC。当超过规定的重发次数后仍未收到UA响应时，则开始系统恢复操作。其中“DISC，P”表示要求释放链路，要求对方立即响应。目前，已将HDLC协议的功能固化在大规模集成电路中，使用者只要了解其协议的功能和这种大规模集成电路的使用方法，就能用它构建一个通信系统，方便地实现计算机间的通信。3.2.4 网络层数据链路层协议是两个直接连接节点间的通信协议，它不能解决数据经过通信子网中多个转接节点的通信问题。设置网络层的主要目的就是要为报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的主机提供服务，而网络用户不必关心网络的拓扑结构与所使用的通信介质。1网络层的主要功能网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层和数据链路层之间。网络层也许是OSI参考模型中最复杂的一层，部分原因在于现有的各种通信子网事实上并不遵循OSI网络层服务定义。同时，网络互联问题也为网络层协议的制定增加了的难度。通信子网的最高层就是网络层，因此网络层的主要作用是控制通信子网正常运行以及解决通信子网中的路由选择问题，它为整个网络中的计算机进行编址，并自动根据地址找出两台计算机之间进行数据传输的通路，也称为路由选择。网络层所传输信息的基本单位是分组或包。OSI参考模型规定网络层的功能主要有以下几点。（1）建立、维护和拆除网络连接：两个终端用户之间的通路是由一个或多个通信子网的多条链路串接而成，在网络层的一种称为虚电路的服务中，涉及到这种虚电路连接的建立、维护和拆除过程。（2）组包/拆包：在网络层，数据的传输单位是分组（或包）。在网络发送方系统中，数据从高层向低层流动到达网络层时，传输层的报文要分为多个数据块，在这些数据块的头/尾部加上一些相关控制信息（即分组头/尾）后，就构成了分组，即组成了包。在接收方系统中，数据从低层向高层流动到达网络层时，要将各分组原来加上的分组头/尾等控制信息拆掉（即拆包），组合成报文，传送给传输层。（3）路由选择：路由选择也叫路径选择，它是根据一定的原则和路由选择算法在多节点的通信子网中选择一条从源节点到目的节点的最佳路径。当然，最佳路径是相对于几条路经中较好的路径而言的，一般是选择时延小、路径短、中间节点少的路径作为最佳路径。通过路由选择，可使网络中的信息流量合理分配，减轻拥挤，提高传输效率。（4）拥塞控制：数据链路层的流量控制是针对相邻两个节点之间的数据链路进行的，而网络层的拥塞控制是对整个通信子网内的流量进行控制的，是对进入分组交换网的流量进行控制。2网络服务网络层所提供的服务有两大类，即面向连接的网络服务和无连接的网络服务，这两种服务的具体实现就是数据报服务和虚电路服务。面向连接服务是指在数据传输之前，必须先建立连接，当数据传输结束后，就拆除这个连接。所以，面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接拆除3个阶段，在传输数据时是按序传输的。面向连接服务比较适合于在一定时期内要向同一目的地发送大量数据的情况。无连接服务是指在通信之前不需要建立连接，将要传送的分组直接发送到网络进行传输，但每个分组都要携带目的地址信息，以便在网络中找到路由。无连接服务的优点是灵活方便和比较迅速。（1）数据报服务数据报服务类似于邮政系统的信件投递。每个分组都携带完整的源、目的节点的地址信息，独立地进行传输，每当经过一个中间节点时，都要根据目标地址和网络当前的状态，按一定的路由选择算法选择一条最佳的输出线，直至传输到目的节点。如图3-17所示的就是数据报服务方式。图3-17 数据报服务方式在数据报服务方式中，每个分组被称为一个数据报，即在数据报服务中，分组、包和数据报是一个概念。网络随时都可接收主机发送的数据报。每个数据报自身携带足够的信息，它的传输是被单独处理的，网络为每个数据报独立地选择路由。当源主机要发送一个报文时，将报文拆成若干个带有序号和地址信息的数据报，依次发送到网络上。此后各个数据报所走的路径就可能不同，因为网络中的各个节点在随时根据网络的流量、故障等情况为数据报选择路径。数据报采用的服务只是尽最大努力地将数据报交付给目的主机，因此网络并不能保证做到以下几点：所传送的数据报不丢失；按源主机发送数据报的先后顺序交付给目的主机；所传送的数据报不重复和不损失；在某个时限内必须交付给目的主机。这样，当网络发生拥塞时，网络中的某个节点可能将一些数据报丢失。所以，数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务，如果网络从来都不向目的主机交付数据报，则这种网络仍然满足“尽最大努力交付”的定义。图3-17表示的就是主机H1向主机H2发送4个分组，分组1经过节点A-B-D，分组2经过节点A-B-E-D，分组3经过节点A-E-D，分组4经过节点A-B-C-D，最后到达目的主机H2。另外，在一个网络中可以有多个主机同时发送数据报，也就是说还可以有其他主机间