有关计算机网络知识的分享二~

上一章主要讲了，为什么要分层，以及各层要有协议。

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。

 

通信处理机也叫通信控制器或前端处理机，是计算机网络中完成通信控制的专用计算机，通常由小型机、微机或带有CPU的专用设备充当。在广域网中，采用专门的计算机充当通信处理机：在局域网中，由于通信控制功能比较简单，所以没有专门的通信处理机，而是在计算机中插入一个网络适配器（网卡）来控制通信。

国际标准化组织ISO(International Standards Organization)在80年代提出的开放系统互联参考模型OSI(Open System Interconnection)，这个模型将计算机网络通信协议分为七层。

OSI从上到下的层次分别是：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。

现在一般在制定网络协议和标准时，都把ISO/OSI参考模型作为参照基准，并说明与该参照基准的对应关系。例如，在IEEE802局域网LAN标准中，只定义了物理层和数据链路层，并且增强了数据链路层的功能。在广域网WAN协议中，CCITT的X.25建议包含了物理层、数据链路层和网络层等三层协议。一般来说，网络的低层协议决定了一个网络系统的传输特性，例如所采用的传输介质、拓扑结构及介质访问控制方法等，这些通常由硬件来实现；网络的高层协议则提供了与网络硬件结构无关的，更加完善的网络服务和应用环境，这些通常是由网络操作系统来实现的。

OSI七层结构：

1）应用层

应用层向应用程序提供服务，这些服务按其向应用程序提供的特性分成组，并称为服务元素。有些可为多种应用程序共同使用，有些则为较少的一类应用程序使用。应用层是开放系统的最高层,是直接为应用进程提供服务的。其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时,完成一系列业务处理所需的服务.其服务元素分为两类:公共应用服务元素CASE和特定应用服务元素SASE.CASE提供最基本的服务,它成为应用层中任何用户和任何服务元素的用户，主要为应用进程通信，分布系统实现提供基本的控制机制.特定服务SASE则要满足一些特定服务,如文本传送,访问管理,作业传送,银行事务,订单输入等。

2）表示层

表示层的作用之一是为异种机通信提供一种公共语言，以便能进行互操作。这种类型的服务之所以需要，是因为不同的计算机体系结构使用的数据表示法不同。例如，IBM主机使用EBCDIC编码，而大部分PC机使用的是ASCII码。在这种情况下，便需要会话层来完成这种转换。

通过前面的介绍,我们可以看出,会话层以下5层完成了端到端的数据传送，并且是可靠,无差错的传送.但是数据传送只是手段而不是目的,最终是要实现对数据的使用.由于各种系统对数据的定义并不完全相同,最易明白的例子是键盘,其上的某些键的含义在许多系统中都有差异.这自然给利用其它系统的数据造成了障碍。表示层和应用层就担负了消除这种障碍的任务。

对于用户数据来说,可以从两个侧面来分析,一个是数据含义被称为语义,另一个是数据的表示形式,称做语法.像文字,图形,声音,文种,压缩,加密等都属于语法范畴.表示层设计了3类15种功能单位,其中上下文管理功能单位就是沟通用户间的数据编码规则,以便双方有一致的数据形式,能够互相认识.ISO表示层为服务,协议,文本通信符制定了DP8822,DP8823,DIS6937/2等一系列标准。

 

3）会话层

会话层提供的服务可使应用建立和维持会话，并能使会话获得同步。会话层使用校验点可使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信。这种能力对于传送大的文件极为重要。会话层，表示层，应用层构成开放系统的高3层，面对应用进程提供分布处理，对话管理,信息表示,恢复最后的差错等.

会话层同样要担负应用进程服务要求，而传输层不能完成的那部分工作,给传输层功能差距以弥补.主要的功能是对话管理，数据流同步和重新同步。要完成这些功能,需要由大量的服务单元功能组合,已经制定的功能单元已有几十种.现将会话层主要功能介绍如下.

5.1为会话实体间建立连接。

为给两个对等会话服务用户建立一个会话连接,应该做如下几项工作：

5.1.1将会话地址映射为运输地址

5.1.2选择需要的运输服务质量参数(QOS)

5.1.3对会话参数进行协商

5.1.3识别各个会话连接

5.1.4传送有限的透明用户数据

5.2数据传输阶段

这个阶段是在两个会话用户之间实现有组织的,同步的数据传输.用户数据单元为SSDU,而协议数据单元为SPDU.会话用户之间的数据传输过程是将SSDU转变成SPDU进行的.

5.3连接释放

连接释放是通过"有序释放","废弃"，"有限量透明用户数据传送"等功能单元来释放会话连接的.会话层标准为了使会话连接建立阶段能进行功能协商，也为了便于其它国际标准参考和引用,定义了12种功能单元.各个系统可根据自身情况和需要，以核心功能服务单元为基础,选配其他功能单元组成合理的会话服务子集.会话层的主要标准有"DIS8236:会话服务定义"和"DIS8237:会话协议规范".

 

4）传输层

传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时,第一个端到端的层次，具有缓冲作用。当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务加以提高，以满足高层的要求；当网络层服务质量较好时，它只用很少的工作。传输层还可进行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。 传输层也称为运输层。传输层只存在于端开放系统中,是介于低3层通信子网系统和高3层之间的一层,但是很重要的一层.因为它是源端到目的端对数据传送进行控制从低到高的最后一层.

有一个既存事实，即世界上各种通信子网在性能上存在着很大差异.例如电话交换网,分组交换网,公用数据交换网，局域网等通信子网都可互连,但它们提供的吞吐量,传输速率,数据延迟通信费用各不相同.对于会话层来说,却要求有一性能恒定的界面。传输层就承担了这一功能.它采用分流/合流，复用/解复用技术来调节上述通信子网的差异,使会话层感受不到。

此外传输层还要具备差错恢复，流量控制等功能,以此对会话层屏蔽通信子网在这些方面的细节与差异.传输层面对的数据对象已不是网络地址和主机地址，而是和会话层的界面端口。上述功能的最终目的是为会话提供可靠的,无误的数据传输.传输层的服务一般要经历传输连接建立阶段,数据传送阶段,传输连接释放阶段3个阶段才算完成一个完整的服务过程.而在数据传送阶段又分为一般数据传送和加速数据传送两种。传输层服务分成5种类型.基本可以满足对传送质量,传送速度,传送费用的各种不同需要.传输层的协议标准有以下几种：

ISO8072:称为"面向连接的传输服务定义"

ISO8072:称为"面向连接的传输协议规范"

 

5）网络层

网络层的产生也是网络发展的结果.在联机系统和线路交换的环境中，网络层的功能没有太大意义.当数据终端增多时.它们之间有中继设备相连.此时会出现一台终端要求不只是与唯一的一台而是能和多台终端通信的情况,这就是产生了把任意两台数据终端设备的数据链接起来的问题,也就是路由或者叫寻径.另外,当一条物理信道建立之后,被一对用户使用,往往有许多空闲时间被浪费掉.人们自然会希望让多对用户共用一条链路，为解决这一问题就出现了逻辑信道技术和虚拟电路技术。

3.1网络层主要功能

网络层为建立网络连接和为上层提供服务,应具备以下主要功能：

3.1.1路由选择和中继.

3.1.2激活,终止网络连接.

3.1.3在一条数据链路上复用多条网络连接,多采取分时服用技术 .

3.1.4差错检测与恢复.

3.1.5排序，流量控制

3.1.6服务选择.

3.1.7网络管理.

3.2网络层标准简介

网络层的一些主要标准如下：

3.2.1 ISO.DIS8208:称为"DTE用的X.25分组级协议"

3.2.2 ISO.DIS8348:称为"CO 网络服务定义"(面向连接)

3.2.3 ISO.DIS8349:称为"CL 网络服务定义"(面向无连接)

3.2.4 ISO.DIS8473:称为"CL 网络协议"

3.2.5 ISO.DIS8348:称为"网络层寻址"

3.2.6 除上述标准外,还有许多标准。这些标准都只是解决网络层的部分功能,所以往往需要在网络层中同时使用几个标准才能完成整个网络层的功能.由于面对的网络不同,网络层将会采用不同的标准组合.

在具有开放特性的网络中的数据终端设备,都要配置网络层的功能.现在市场上销售的网络硬设备主要有网关和路由器。

 

6）数据链路层

数据链路可以粗略地理解为数据通道。物理层要为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接.媒体是长期的,连接是有生存期的.在连接生存期内,收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信.每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程.这种建立起来的数据收发关系就叫作数据链路.而在物理媒体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错,为了弥补物理层上的不足,为上层提供无差错的数据传输,就要能对数据进行检错和纠错.数据链路的建立,拆除,对数据的检错,纠错是数据链路层的基本任务。

2.1链路层的主要功能

链路层是为网络层提供数据传送服务的,这种服务要依靠本层具备的功能来实现。链路层应具备如下功能:

2.1.1链路连接的建立，拆除，分离。

2.1.2帧定界和帧同步。链路层的数据传输单元是帧,协议不同,帧的长短和界面也有差别，但无论如何必须对帧进行定界。

2.1.3顺序控制,指对帧的收发顺序的控制。

2.1.4差错检测和恢复。还有链路标识,流量控制等等.差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码,而帧丢失等用序号检测.各种错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成。

2.2数据链路层的主要协议

数据链路层协议是为发对等实体间保持一致而制定的,也为了顺利完成对网络层的服务。主要协议如下：

2.2.1 ISO1745--1975:"数据通信系统的基本型控制规程".这是一种面向字符的标准,利用10个控制字符完成链路的建立，拆除及数据交换.对帧的收发情况及差错恢复也是靠这些字符来完成.ISO1155, ISO1177, ISO2626, ISO2629等标准的配合使用可形成多种链路控制和数据传输方式.

2.2.2 ISO3309--1984:称为"HDLC 帧结构".ISO4335--1984:称为"HDLC 规程要素 ".ISO7809--1984:称为"HDLC 规程类型汇编".这3个标准都是为面向比特的数据传输控制而制定的.有人习惯上把这3个标准组合称为高级链路控制规程.

2.2.3 ISO7776:称为"DTE数据链路层规程".与CCITT X.25LAB"平衡型链路访问规程"相兼容.

2.3链路层产品

独立的链路产品中最常见的当属网卡,网桥也是链路产品。MODEM的某些功能有人认为属于链路层,对此还有争议.数据链路层将本质上不可靠的传输媒体变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE802.3情况下，数据链路层分成了两个子层，一个是逻辑链路控制，另一个是媒体访问控制。下图所示为IEEE802.3LAN体系结构。

AUI=连接单元接口 PMA=物理媒体连接

MAU=媒体连接单元 PLS=物理信令

MDI=媒体相关接口

7）物理层

物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。

1.1媒体和互连设备

物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。通信用的互连设备指DTE和DCE间的互连设备。DTE即数据终端设备，又称物理设备，如计算机、终端等都包括在内。而DCE则是数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器等。数据传输通常是经过DTE——DCE，再经过DCE——DTE的路径。互连设备指将DTE、DCE连接起来的装置，如各种插头、插座。LAN中的各种粗、细同轴电缆、T型接、插头，接收器，发送器,中继器等都属物理层的媒体和连接器。

1.2物理层的主要功能

1.2.1为数据端设备提供传送数据的通路,数据通路可以是一个物理媒体,也可以是多个物理媒体连接而成.一次完整的数据传输,包括激活物理连接,传送数据,终止物理连接.所谓激活,就是不管有多少物理媒体参与,都要在通信的两个数据终端设备间连接起来,形成一条通路.

1.2.2传输数据.物理层要形成适合数据传输需要的实体,为数据传送服务.一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽(带宽是指每秒钟内能通过的比特(BIT)数),以减少信道上的拥塞.传输数据的方式能满足点到点,一点到多点,串行或并行,半双工或全双工，同步或异步传输的需要.

1.3物理层的一些重要标准

物理层的一些标准和协议早在OSI/TC97/C16 分技术委员会成立之前就已制定并在应用了,OSI也制定了一些标准并采用了一些已有的成果.下面将一些重要的标准列出,以便读者查阅.ISO2110:称为"数据通信----25芯DTE/DCE接口连接器和插针分配".它与EIA(美国电子工业协会)的"RS-232-C"基本兼容。ISO2593:称为"数据通信----34芯DTE/DCE----接口连接器和插针分配"。ISO4092:称为"数据通信----37芯DTE/DEC----接口连接器和插针分配".与EIARS-449兼容。CCITT V.24:称为"数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备之间的接口电路定义表".其功能与EIARS-232-C及RS-449兼容于100序列线上.

 

 

 

1）物理层建立在物理通信介质的基础上，作为系统和通信介质的接口，用来实现数据链路实体间透明的比特 (bit) 流传输。只有该层为真实物理通信，其它各层为虚拟通信。物理层实际上是设备之间的物理接口，物理层传输协议主要用于控制传输媒体

2）数据链路层为网络层相邻实体间提供传送数据的功能和过程；提供数据流链路控制；检测和校正物理链路的差错。物理层不考虑位流传输的结构，而数据链路层主要职责是控制相邻系统之间的物理链路，传送数据以帧为单位，规定字符编码、信息格式，约定接收和发送过程，在一帧数据开头和结尾附加特殊二进制编码作为帧界识别符，以及发送端处理接收端送回的确认帧，保证数据帧传输和接收的正确性，以及发送和接收速度的匹配，流量控制等。

3）广域网络一般都划分为通信子网和资源子网，物理层、数据链路层和网络层组成通信子网，网络层是通信子网的最高层，完成对通信子网的运行控制。网络层和传输层的界面，既是层间的接口，又是通信子网和用户主机组成的资源子网的界限，网络层利用本层和数据链路层、物理层两层的功能向传输层提供服务。

数据链路层的任务是在相邻两个节点间实现透明的无差错的帧级信息的传送，而网络层则要在通信子网内把报文分组从源节点传送到目标节点。在网络层的支持下，两个终端系统的传输实体之间要进行通信，只需把要交换的数据交给它们的网络层便可实现。至于网络层如何利用数据链路层的资源来提供网络连接，对传输层是透明的。

网络层控制分组传送操作，即路由选择，拥塞控制、网络互连等功能，根据传输层的要求来选择服务质量，向传输层报告未恢复的差错。网络层传输的信息以报文分组为单位，它将来自源的报文转换成包文，并经路径选择算法确定路径送往目的地。网络层协议用于实现这种传送中涉及的中继节点路由选择、子网内的信息流量控制以及差错处理等。

4）从传输层向上的会话层、表示层、应用层都属于端一端的主机协议层。传输层是网络体系结构中最核心的一层，传输层将实际使用的通信子网与高层应用分开。从这层开始，各层通信全部是在源与目标主机上的各进程间进行的，通信双方可能经过多个中间节点。传输层为源主机和目标主机之间提供性能可靠、价格合理的数据传输。具体实现上是在网络层的基础上再增添一层软件，使之能屏蔽掉各类通信子网的差异，向用户提供一个通用接口，使用户进程通过该接口，方便地使用网络资源并进行通信。

5）会话是指两个用户进程之间的一次完整通信。会话层提供不同系统间两个进程建立、维护和结束会话连接的功能；提供交叉会话的管理功能，有一路交叉、两路交叉和两路同时会话的3种数据流方向控制模式。会话层是用户连接到网络的接口。

6）表示层的目的是处理信息传送中数据表示的问题。由于不同厂家的计算机产品常使用不同的信息表示标准，例如在字符编码、数值表示、字符等方面存在着差异。如果不解决信息表示上的差异，通信的用户之间就不能互相识别。因此，表示层要完成信息表示格式转换，转换可以在发送前，也可以在接收后，也可以要求双方都转换为某标准的数据表示格式。所以表示层的主要功能是完成被传输数据表示的解释工作，包括数据转换、数据加密和数据压缩等。表示层协议主要功能有：为用户提供执行会话层服务原语的手段；提供描述负载数据结构的方法；管理当前所需的数据结构集和完成数据的内部与外部格式之间的转换。例如，确定所使用的字符集、数据编码以及数据在屏幕和打印机上显示的方法等。表示层提供了标准应用接口所需要的表示形式。

7）应用层作为用户访问网络的接口层，给应用进程提供了访问OSI环境的手段。

应用进程借助于应用实体 (AE)、实用协议和表示服务来交换信息，应用层的作用是在实现应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务功能。当然这些服务功能与所处理的业务有关。

应用进程使用OSI定义和通信功能，这些通信功能是通过OSI参考模型各层实体来实现的。应用实体是应用进程利用OSI通信功能的唯一窗口。它按照应用实体间约定的通信协议 (应用协议)，传送应用进程的要求，并按照应用实体的要求在系统间传送应用协议控制信息，有些功能可由表示层和表示层以下各层实现。