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第二章 计算机网络体系结构和协议

【计划课时】 4课时（教材第二、三章）

2.1网络通信协议

2.1.1 协议（protocol） 教材P29

网络传送是个很复杂过程，为了实现计算机之间可靠地交换数据，很多工作要协调（如发送信号数据格式，通信协调和犯错处理，信号编码和电平参数，传输速度匹配等）。

假定一个和网络相连设备正向另一个和网络相连设备发送数据，因为各个厂家有其各自实现方法，这些设备可能不完全兼容，它们相互之间不可能识别和通信。处理方法之一是在同一个网络中全部使用某一厂家专有技术和设备，在网络互连今天已不可行。另一个方法就是制订一套实现互连规范（标准），即所谓“协议”。该标准许可每个厂家以不一样方法完成互连产品开发、设计和制造，当按同一协议制造设备连入同一网络时，它们完全兼容，仿佛是由同一厂家生产一样。

【协议】网络上不一样计算机之间为了协调相互通信而使用技术规范，即通信技术标准（也是软硬件厂商开发网络产品标准）

协议由语义、语法和时序三部分组成。语义要求通信双方相互“讲什么”（含义），语法要求“怎样讲”（格式），时序关系则要求了信息交流次序（次序）。 P29

实际上，生活中任何由两个人或两个团体一起完成事件，全部必需有“协议”（例：讲话/赛跑）
廖鸿鹏《NT Server 4.0建站指南》：“当一个中国人碰上一个日本人时，假如中国人说她汉字，日本人说她日文，那么恐怕两个人就是讲到天黑，全部不会有什么结果……网络上各节点之间若需要传送数据时，也要有一个共通语言，这就是通信协议”。

理论上只要有一套协议即可，但因为网络技术在不停发展，应用领域在不停拓宽，加上历史原因（７０年代各大计算机企业在网络领域“诸侯割据”，纷纷推出自己网络通信协议，既为网络技术发展作出了贡献，亦造成协议品种杂多局面），所以现在一套统一可用网络协议。
正如理论上人类只要一个语言就能够相互沟通，但实际上却有许很多多语言存在一样。
学习网络关键任务之一就是了解多种常见通信协议。对于网络开发/集成工程师，则需要深入了解甚至精通工程中所包含到多种协议。
用于一般网络用户，则只需知道访问网络资源你系统或机器上需要配置何种协议，而无须知道这些协议具体含义。
封闭协议——协议内容（规范）不对公众公布
开放协议——协议内容对公众公布

NT4.0可同时含有5种协议，如同一个懂最常见五国语言人，在世界各地旅行，便畅行无阻。
NT Server 4.0提供五种协议
协议名称
网型
NetBEUI
IPX/SPX
TCP/IP
DLC
AppleTalk
纯NT网
★

UNIX

★

Novell

★

Mocintosh

★
IBM Mainframe

★

Internet

★

* Mocintosh 美国Apple电脑企业系列PC IBM Mainframe 美国IBM企业大型机
2.1.2 常见网络通信协议

有三个最具影响力团体为网络通信制订了各自协议：
·OSI（开放系统互连，Open Systems Interconnection）协议
ISO（国际标准化组织）81年公布（理论标准）
从网络角度看，未连网计算机全部是所谓“信息孤岛”型计算机系统，只按某一企业/厂商网络通信体系结构标准连网属于相对封闭网络系统，而全部符合OSI网络通信体系结构计算机系统能够在全球范围内互联起来，故称为“开放系统”。
·IEEE 802 LAN 协议
IEEE（电气和电子工程师学会）802委员会（80年2月成立）制订，其部分标准已被ISO正式确定为局域网国际标准
·TCP/IP（网际互连/传输控制）协议
美国防部高级计划研究局（DARPA）83年为“阿帕”网（ARPAnet，今发展为Internet）而开发，用于经过UNIX系统控制实现异种计算机网络互连，乃很多大学（如斯坦福大学）及研究所经多年研究及商业化后得出结果，现为最hot网际互连协议，亦为公认工业标准。
另外，在局域网中，常见还有Novell网专用通信协议IPX/SPX（网际分组交换/次序分组交换）。

2.1.3 网络通信和分层结构

1、分层概念
能够将人和人“通信”分为三个相关层次：认识层、语言层、传输层。

【例1】假如让一莆田老妪和北京一科学家进行以下“通信”
莆田老妪 北京科学家 结 果 用网络术语表示结果
谈论内容 莆田城内菜价 计算机网络技术 “不可理喻” 认识层“协议”不兼容
所用语言 莆田方言 英语 “不知所云” 语言层“协议”不兼容
通信方法 电话 电脑 无法联通 传输层“协议”不兼容

【例2】假如让一莆田老妪和北京莆田藉科学家林兰英进行以下“通信”
莆田老妪 林兰英院士 结 果 用网络术语表示结果
谈论内容 莆田城市改变 家乡情况 OK 认识层“协议”兼容
所用语言 莆田方言 莆田方言 OK 语言层“协议”兼容
通信方法 电话 电话 OK 传输层“协议”兼容

所以，大家为了能够相互交流思想，需借助一个分层次通信结构；其次，层次之间不是相互孤立，而是亲密相关，上层功效是建立在下层基础上，下层为上层提供一些服务，而且每层还应有一定规则。
网络通信情况一样如此，只是区分更细部分。

2、网络通信分层概念
计算机之间通信可归纳为两种基础方法：
·点-点通信（P-P） 相邻结点之间经过直达通路通信（称“线路通信”）
·端-端通信（E-E） 不相邻结点之间经过中间结点链接起来所形成间接可达通路通信（“链路通信”）
点-点通信是端-端通信基础，端-端通信是点-点通信延伸
a. 点-点通信分层
两台相邻计算机经过直达通信线路通信时，其所用通信软件将自然分成两个相对独立模块（层）：
·用户服务层 处理用户通信应用请求
·通信服务层 经过通信线路收发数据
分层优点：用户服务层模块设计可相对独立于具体通信线路和通信硬件接口差异（如铜线、同轴电缆、光纤等），而通信服务层模块设计又可相对独立于具体用户应用要求不一样（如文件传输、电子邮件等）。
b. 端-端通信分层
端-端通信是把若干点-点相邻结点间通信线路经过中间结点链接起来，所以还需处理：
（1）中间结点应含有路由转接功效（按报文所附目标地址转发）
（2）端结点应含有开启、建立和维护端-端链路功效
开启——发送端发送一个带目标端结点地址联络控制报文
建立——目标端结点返回一个同意通信联络报文，建立了双方联络
维护——通信过程差错控制、流量控制等
为此需在用户服务层和通信服务层之间增加一个新层（网络服务层），即通信服务层实现相邻结点间点-点通信，网络服务层实现不相邻结点间端-端链路通信，用户服务层处理用户应用软件通信请求和服务。

计算机网络协议协议采取层次结构优点：P29

【网络体系结构】计算机网络各层及其协议集合，称为网络体系结构（architecture）。P29
体系即“系统”，汉字中常见来描述有比较显著层次结构系统（如科学体系、政治体系等）。

2.1.4 OSI协议（教材P30）
OSI协议将网络通信过程划分为七个相互独立功效组（层次），并为每个层次制订一个标准框架。上面三层（应用层、表示层、会话层）和应用问题相关，而下面四层（传输层、网络层、数据链路层、物理层）则关键处理网络控制和数据传输/接收问题。各层功效单元用于要求what is to be done, but not how to do it.
·Layer 7 - Application 网络用户接口（上网软件等）
·Layer 6 - Presentation 不一样系统数据格式转换/加解密
·Layer 5 - Session 进程（实施中程序）间会话管理和会话同时（“会话”即用户间连接）
·Layer 4 - Transport 报文正确传输（报文生成、收发、组合和差错检验）
·Layer 3 - Network 路由选择和流量控制（选择LAN间传输路径）
·Layer 2 - Data Link 帧正确传输（帧生成、收发和差错检验）
·Layer 1 - Physical 数据比特流（0、1）正确传输（比特流生成、收发和差错检验）

七层模型示意图和各层关键功效见P31图2.1。
像WINDOWS NT之类操作系统只会和OSI顶层相关。
OSI协议仅给出一个框架结构，并没有将其网络模型每一层限定在统一一个协议中，也没有给出协议具体实现技术（即未完全定型）。故又称“参考模型”（OSI/RM）但它奠定了网络体系结构基础，成为今天设计和制订网络协议标准最关键参考模型和依据。

通信双方（比方） 通信用户
写信封
拆信和读信
发送 接收
应用层（A）
软件
（面向用户）
资源子网任务
由软件实现
封信、贴邮票
取信
表示层（P）
投入邮筒
投递
会话层（S）
分拣
分拣
传输层（T）
衔接
决定路线
邮件分类
网络层（N）
网络
（完成传送服务）
通信子网任务
由硬件实现
装入邮包
打开邮包
数据链路层（D）
装上邮车送出
从邮车接收邮包
物理层（P）
邮路（公路、铁路等） 传输介质（电缆等）

从过程看，网络通信过程就是从A用户应用层处发出数据，经层层下传，最终经过物理层发到网络传输介质上，而B用户经过物理层接收数据，经层层上传，最终由应用层取出。换言之，信息交换发生在对等OSI层之间，源系统A中每一层把目标系统B同层所需控制信息（数据头）附加到数据中，封装后信息单元（数据头和数据）被传输到下一层，而目标系统B每一层对收到信息单元进行分析，先读取系统A附加控制信息（数据头），然后去掉该数据头，将信息单元余留部分传送给上一层。
说明：
1、 并非全部网络通信全部必需经过完整七层；
实际上，假如在同一个LAN内（直接经过物理地址传输）通信，通常只用到下两层和应用层，假如跨LAN（路由选择成为必需），则需要用到下面四层和应用层。两个节点有加密/解密通信要求时，可能用到表示层。
2、 并非现有网络通信全部是按本模型分层（实际上一个也没有）；
3、 数据从上层往下层传送，往往要封装附加信息（如目标地址，错误检测等）；数据从下层往上层传送，则须在对应层对应去除所封装信息（还原）。
【封装】信息经过各层向下传输时，每层软件负责加上它报头信息（每层全部要封装从高层来信息）。
4、 每层可能对应有若干个具体协议，通信双方同层协议必需相同或相互兼容

2.1.5 层间通信概念：
同级关系——协议
如A机第四层和B机第四层对话，使用规则和约定称为第四层协议。
纵向关系——接口
每一层最终是和另一台计算机同层进行通信，但数据不能直接从A机第X层传输到B机第X层，而是先将数据和控制信息快速传输到下一层，然后一层层下传，直至最低层，最终将数据传传输到网络介质上。接收数据计算机将数据和控制信息一层层上传，直至第X层。
在相邻层间有定义好接口，要求了下层为上层提供哪些服务，和怎样取得这些服务。

在网上发送和接收数据时，一台用于发送，一台用于接收。数据在发送时，被分割成带有附加传送头小数据单元（帧），数据就是以帧方法传送。
发送
当发送计算机发出通信请求时，应先建立数据帧。帧是在最高层上形成，并经过相邻下层向下逐步传输。数据经过每一次时，该层协议要加入该层控制信息（作为头部或尾部）。帧依据接口定义传送到下一层。最终，数据经过协议栈全部层，被传送到网络介质上。
接收
在接收端，帧从低层向高层传送也应符合接口定义。每一层协议只解释发送端同级放在帧头部和尾部信息。协议将帧中其它部分看作是数据单元，并负责将数据单元送到上一层。

实际网络传输过程能够用下图表示：
用户A发送
用户B接收

中转结点 中转结点

数据
应用层
应用层
数据
………
表示层
表示层
……
……
会话层
会话层
……
……
传输层
传输层
……

数据包
网络层
网络层

网络层
网络层
数据包
打包成帧
数据链路层
数据链路层
数据链路层
数据链路层
验收帧
比特流
物理层
物理层
物理层
物理层
比特流
通信线路

可见中转结点只需下面三层功效。

2.1.6 协议和应用
从网络产品看，最下三层（NDP）往往直接做在硬件（如网卡上），上面四层（APST）则通常由网络操作系统控制。
简单了解最下三层作用：
物理层——发送机器在此层将上层传来0和1转换为传输介质上电信号；接收机器则在此层将传输介质送来电信号翻译成0和1送往上层（传送是比特流）
数据链路层——发送机器在此层将上层送来信息打包（创建带地址、控制和犯错校验信息帧），并转换为0和1形式数据序列传向下层；接收机器则在此层将物理层送来0和1数据序列解释为帧进行解包然后向上层传送。（打包成帧，传送是帧）
在这一层能够按硬件（如网卡）固有地址（MAC地址）寻址（查找本网络中硬件）。
网络层——可按人为设置网际逻辑地址（IP地址）寻址（查找其它网络）。（将上层数据分组，即转换成数据包）。

LAN用通信协议IEEE 802 为最下两层（D和P）制订了１２个系列标准（IEEE 802.1至IEEE 802.12，），其中最常见是IEEE 802.3（以太网络）。 P106
对于一般用户和局域网工程师，协议实用意义在于：购置网络产品（网卡、软件等）时要注意它支持何种协议，假如您买网卡仅支持802.4协议（令牌环），则在通常Novell网络上不能使用。
对于区域网（Intranet和MAN）工程师，往往需要较为具体地了解物理层、数据链路层和网络层功效及相关协议，方便科学地进行设备选型、配置和网络计划。

比如有些设备属于“L2（第2层）交换”，有些属于“L3（第3层）交换”。前者通常是指利用OSI第2层信息（如MAC包头地址）对数据包进行转发，从而将数据包由源端交换到目标端。后者则依据第3层（如IP地址）及第2层（可能还有VLAN）信息对数据包进行转发。
MAC地址——好比建筑物门牌（不随单位改变而改变，由邮递员使用）
IP 地址——好比楼内办公室门号（逻辑意义上编号，由收发人员使用）
那些需要为网络技术发展工作教授，需要深入研究协议，熟悉协议，制订或修改协议。

2.2 网络拓扑结构

【拓扑】（topology） P5及P6图1.3
拓扑本是一个几何学名词，是一个研究和大小、形状无关线和面特征方法。用拓扑方法研究计算机网络，能够使复杂问题简单化──将设备定义为点，将它们间线路定义为线，对这些点和线及其关系研究就比实际网络研究轻易得多。
网络拓扑结构指是网络结点互连构型（连接方法）。
组网时，电缆、网卡选择和所用网络拓扑结构亲密相关。
LAN常见拓扑结构有以下多个。

1．总线拓扑（Bus Topology）
总线型（见教材P6图1.3b-c） 树型

■ ■

其变型为树型拓扑。
特点：广播式传输——全部结点发送信号均经过公共电缆（总线）传输，并可被全部结点所接收。 （各结点收到信息时，依据信息中所含地址和本站地址是否一致，决定是否接收之）。
结构最简单，造价最低廉，扩充轻易，可靠性好──应用最广泛。
2．环型拓扑（Ring Topology）
教材P6图1.3d

特点：信息沿环路单向运行（注意：环路形状不一定是圆环）
路径固定；环路是一个含有有源部件信道，环中每一个结点全部含有放大整形作用，负载能力强，复盖面积大，对信道访问控制技术较简单；最大延时时间固定（远程控制必需）；可用光纤实现高速传输。
扩充不易，结点多时响应时间长，可靠性较差（结点故障易引发全网故障）。

３．星型拓扑（Star Topology）
图见教材P6图1.3a

特点：信息经过中央结点转发（广播式）
扩充轻易，故障诊疗和隔离轻易
电缆长度和安装工作量可观，对中央结点可靠性和冗余度要求很高，且线路利用率低

４．复合拓扑（派生拓扑）
常见有星型总线（簇型）等。以下图所表示：
星型总线（簇型）

HUB
HUB
HUB

2.3 访问控制（Access Control）方法

在LAN中，为了提升传输速率，通常采取基带传输，即传输信号占用了传输电缆所许可整个频段。所以必需确保每一时刻任何一段网络线路上最多只有一个信息流在传输──预防信息丢失或畸变。（正确可靠数据传输是网络“生命线”）
为此，IEEE制订了访问控制相关协议。LAN网卡和电缆系统通常是依据IEEE协议规格参数设计制造，以确保网络传输正确可靠。

1．CSMA/CD（载波监听多路访问／冲突检测）─ 争用方法（教材P114）
适适用于总线型、树型网络和星型拓扑结构，基带传输系统。
其标准为IEEE 802.3协议。
原理：空闲─发送，Busy─继续监听。发送中间检测到碰撞（网络电压高于正常传输电压）时，发出一串阻塞码到总线上（加重冲突），通知各站点发生碰撞了，然后停止发送。
优点：各站点平等竞争传送权，CSMA/CD功效可做在网卡中，技术实现轻易，线路利用率高，成本最低。
缺点：不能提供优先级控制；因争用，不能满足远程控制所需要确实定延时（轻载时无延迟，重载时严重延迟）和绝对可靠要求；不宜用于重载局域网（等候时间长，甚至造成LAN瓦解）。

2．令牌环（Token Ring）─ 令牌传输方法（教材119）
（Token──古埃及法老王手中“令牌”。）
适适用于环型拓扑结构，基带传输系统。
其标准为IEEE 802.5 协议。
原理：初始令牌由监控站点生成后，沿环路固定方向绕行，得到空令牌站点才能发送信息，其它只能接收。空令牌环行时，取得令牌者将令牌free→busy，并将欲传送信息包附在令牌上环行，地址相符站点考贝信息包数据同时在信息包上做应答标志，继续往下转发令牌及信息包。令牌回到发送站点后不管发送成功是否均被释放（free）并转给下一站点──若需继续发送必需等候下一轮令牌到来（即不得独占）。
优点：无传送冲突，可提供优先级控制，实时性最好，重载下效率反而更高。
（关键优点：可调整性，确定性）
缺点：轻载延迟大效率低（等候令牌），有令牌维护要求（避免令牌丢失或反复），控制电路较复杂。
（关键缺点：令牌维护复杂）

3．令牌总线（Token Bus）─ 轮询方法（教材P124）
CSMA/CD─简单，可靠，但冲突严重时网络效率下降，不可用于重载和远程控制及有实时传送（优先级控制）要求场所。
Token Ring─无传送冲突，实时性好，但电路复杂，造价高。
令牌总线综合了二者优点──总线型拓扑结构，令牌同时发给全部站点，和令牌中目标地址相符站点取得令牌（即发送权）并转发令牌（令牌中目标地址是按站址次序递减，形成所谓“逻辑环”）。
适适用于总线型、树型拓扑结构。
其标准为IEEE 802.4 协议。
优点：重载效率高，在总线型拓扑中实现无传送冲突并提供了优先级控制功效，有一定实时性。
缺点：轻载延迟大效率低（等候令牌），网络管理比较复杂（令牌维护，在逻辑环中增、删站点）。

作业题

P99
2.1、2.2、2.4

补充
1．什么叫网络拓扑？常见拓扑类型有哪多个？
2．OSI将通信过程分为几层？其中哪些由硬件实现，哪些由软件实现？
3．什么是网络通信协议？常见网络通信协议有哪些？了解协议有什么实用意义？
4．网络术语protocol、star topology、bus topology、ring topology、CSMA/CD、Token Ring、Token Bus汉字意思是什么？
5．LAN访问控制方法有哪多个？写出其适用拓扑类型，并指出其所用协议名称。
6．简述OSI下三层协议关键功效。