第3章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

第3章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能特性3.2幾種商用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)3.3ISO開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型的概念3.4OSI分層體系結(jié)構(gòu)3.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能特性

加入分組的控制信息主要有兩種:一種是接收端用于驗(yàn)證是否正確接收的差錯(cuò)控制信息;另一種是指明數(shù)據(jù)包的發(fā)送端和接收端的地址信息。因而網(wǎng)絡(luò)必須具有差錯(cuò)控制功能和尋址功能。另外當(dāng)多個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)要求發(fā)送分組時(shí),網(wǎng)絡(luò)還必須通過(guò)某種沖突仲裁過(guò)程決定誰(shuí)先發(fā)送,誰(shuí)后發(fā)送。所有這些帶有控制信息的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)一個(gè)個(gè)結(jié)點(diǎn)正確向前傳送的功能,通常叫做數(shù)據(jù)鏈路控制功能DLC(DataLinkControl)。我們將在第五章詳細(xì)論述DLC。圖3.1一對(duì)用戶之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程3.2幾種商用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)3.2.1SNASNA(SystemNetworkArchitecture)是IBM公司的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。SNA從1974年首次提出到1985年的最新版本經(jīng)歷了重大演變,從單個(gè)主機(jī)和終端組成的樹(shù)形結(jié)構(gòu)演變成了可由多個(gè)主機(jī)和終端組成任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的廣域網(wǎng)絡(luò)。圖3.2表示了SNA兩個(gè)結(jié)點(diǎn)機(jī)中的分層功能。雖然在圖中沒(méi)有表示出中間結(jié)點(diǎn),但實(shí)際上允許在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的通路上存在多個(gè)中間結(jié)點(diǎn)。這樣的功能層次應(yīng)該看成是一種邏輯表示,實(shí)際上一端的各個(gè)功能層可以物理地分布在幾個(gè)機(jī)器中。圖3.2SNA分層的體系結(jié)構(gòu)際標(biāo)準(zhǔn)(參見(jiàn)第四章)。(2)數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC):這一層的功能是把原始的比特流組織成幀,使之無(wú)損傷地沿著噪音信道從主站傳送到次站。(3)路徑控制層(PC):這一層涉及在源結(jié)點(diǎn)和目標(biāo)結(jié)點(diǎn)之間建立一條邏輯通路。(4)傳輸控制層(TC):提供端到端的有連接服務(wù),包括會(huì)話連接的建立和拆除。(5)數(shù)據(jù)流控制層(DFC):這一層根據(jù)用戶的請(qǐng)求和響應(yīng)決定哪一方發(fā)送,哪一方接收;是全雙工通信,還是半雙工通信;在會(huì)話過(guò)程中對(duì)報(bào)文進(jìn)行分組;根據(jù)用戶的請(qǐng)求暫停數(shù)據(jù)的發(fā)送等。(6)表示服務(wù)層(PS):這一層定義用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的接口,即數(shù)據(jù)編碼,數(shù)據(jù)格式以及其他屬性。(7)事務(wù)處理服務(wù)層(TS):這一層以特權(quán)程序的形式為用戶提供應(yīng)用方面的服務(wù)。3.2.2DNA和DECnetDNA(DigitalNetworkArchitecture)是DEC公司的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。DECnet網(wǎng)絡(luò)就是根據(jù)這種體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。DNA最早在1975年提出,現(xiàn)行的是它的第五個(gè)版本,稱Ⅴ型DNA。DNA的每一個(gè)版本都是向前兼容的。與SNA一樣,DNA也在不斷地演變,以反映計(jì)算機(jī)組網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)展。最新的Ⅴ型DNA既支持DEC專(zhuān)用的協(xié)議,也支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它是現(xiàn)今最重要的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)之一。DNA的協(xié)議集表示在圖3.3中,其中,最主要的是下面的四層,這是由制造商提供的。圖3.3DNA分層的體系結(jié)構(gòu)3.2.3X.25X.25協(xié)議表示在圖3.4中,它是由CCITT建議的在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN(PublicDataNetwork)上數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(即計(jì)算機(jī),終端或其他按分組方式工作的設(shè)備)和通信子網(wǎng)之間的接口,于1976年首次作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)公布,后又經(jīng)過(guò)兩次修訂。事實(shí)上,X.25包括了通信子網(wǎng)最下邊的三個(gè)邏輯功能層:即物理層,鏈路層(或幀層)和網(wǎng)絡(luò)層(或分組層),和SNA下面的三層是對(duì)應(yīng)的。圖3.4X.25的分層協(xié)議和虛電路3.3ISO開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型的概念3.3.1分層的原理分層是一種結(jié)構(gòu)化技術(shù),按照這種技術(shù)構(gòu)造的系統(tǒng)可以從邏輯上看成是一些連續(xù)層次的組合。每一層都包裹住它下面的層次,把它們和上面的層次隔離起來(lái),如圖3.5所示。在這種分層結(jié)構(gòu)中,每一層的功能都是在其下層功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,是下層功能的增強(qiáng)或提高。圖3.5網(wǎng)絡(luò)的分層可以用另外一種等價(jià)的圖形(圖3.6)說(shuō)明分層的原理。在圖3.6中連續(xù)的層次組成垂直的序列,開(kāi)放系統(tǒng)互連的物理介質(zhì)處于這個(gè)序列的底層。每一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)邏輯上被看成是由一些連續(xù)的子系統(tǒng)組成,這些子系統(tǒng)都處于各個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)和分層的交叉點(diǎn)上。換言之,一個(gè)層次邏輯上可以被看成是由所有互連系統(tǒng)的同一行上的子系統(tǒng)組成的。圖3.6OSI表示分層的例子分層的基本想法是每一層都在它的下層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上提供更高級(jí)的增值服務(wù),而最高層提供能運(yùn)行分布式應(yīng)用程序的服務(wù)。這樣,分層的方法就把復(fù)雜問(wèn)題分解開(kāi)了。分層的另外一個(gè)目的是保持層次之間的獨(dú)立性。其方法就是用原語(yǔ)操作定義每一層為上層提供的服務(wù),而不考慮這些服務(wù)是如何完成的。即允許一個(gè)層次或?qū)哟蔚募细淖兤溥\(yùn)行的方式,只要它能為其上層提供同樣服務(wù)就行。這種技術(shù)類(lèi)似于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中所使用的方法,用戶只需了解程序模塊的功能,而不必弄清它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。除最高層外,在互連的各個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)中分布的所有(N)實(shí)體協(xié)同工作為所有(N+1)實(shí)體提供服務(wù)。也可以說(shuō),所有(N)實(shí)體在(N-1)層提供的(N-1)服務(wù)的基礎(chǔ)上向(N+1)層提供增值服務(wù),即(N)服務(wù),如圖3.7所示。圖3.7實(shí)體、服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)和協(xié)議互連系統(tǒng)內(nèi)部層次之間的局部流控所需的原語(yǔ)和參數(shù),以及層次之間交換狀態(tài)信息的原語(yǔ)和參數(shù)都不包括在OSI服務(wù)定義中。對(duì)于面向連接的服務(wù),有四種形式的服務(wù)原語(yǔ),即請(qǐng)求原語(yǔ),指示原語(yǔ),響應(yīng)原語(yǔ)和確認(rèn)原語(yǔ)。這些原語(yǔ)表示在圖3.8中。圖3.8抽象的服務(wù)原語(yǔ)圖3.9連接和連接端點(diǎn)(CEP)圖3.10(N)目錄的例3.3.2面向連接的數(shù)據(jù)傳輸1.連接的建立和釋放當(dāng)某個(gè)(N+1)實(shí)體要求建立從它使用的(N)SAP到另一個(gè)(N)SAP的(N)連接時(shí),它必須給當(dāng)?shù)氐?N)SAP提供遠(yuǎn)方(N)SAP的(N)地址。(N)連接建立后,(N+1)實(shí)體就可以用它們自己一端的(N)CEP標(biāo)識(shí)符來(lái)引用該(N)連接。2.多路復(fù)用和分流在(N-1)連接之上可以構(gòu)造出三種具體的(N)連接(圖3.11):(1)一一對(duì)應(yīng)式。每一個(gè)(N)連接建立在一個(gè)(N-1)連接之上。(2)多路復(fù)用式。幾個(gè)(N)連接多路訪問(wèn)一個(gè)(N-1)連接。(3)分流。一個(gè)(N)連接建立在幾個(gè)(N-1)連接之上。這樣,(N)連接上的通信被分配到幾個(gè)(N-1)連接上傳輸。圖3.11鄰層連接之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系3.數(shù)據(jù)傳輸各個(gè)實(shí)體之間的信息傳輸是由各種數(shù)據(jù)單元實(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)據(jù)單元表示在圖3.12中。圖3.12各種數(shù)據(jù)單元(N)協(xié)議控制信息通過(guò)(N-1)連接在兩個(gè)(N)實(shí)體之間交換,用以協(xié)調(diào)(N)實(shí)體之間的合作。(N)用戶數(shù)據(jù)來(lái)自(N)實(shí)體為之服務(wù)的(N+1)實(shí)體。(N)實(shí)體并不了解也不解釋其內(nèi)容。(N)協(xié)議數(shù)據(jù)單元包含(N)協(xié)議控制信息,也可能包含(N)用戶數(shù)據(jù)。(N)接口控制信息是在(N+1)實(shí)體和(N)實(shí)體之間交換的信息,用以協(xié)調(diào)兩個(gè)實(shí)體間的合作。(N)接口數(shù)據(jù)是(N+1)實(shí)體交給(N)實(shí)體發(fā)往遠(yuǎn)端的另一個(gè)(N+1)實(shí)體的信息,或者是(N)實(shí)體收到的,由遠(yuǎn)端(N+1)實(shí)體發(fā)來(lái)的,送往本地(N+1)實(shí)體的信息。(N)接口數(shù)據(jù)單元是(N+1)實(shí)體和(N)實(shí)體在一次交互作用中通過(guò)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)傳送的信息單位，由(N)接口控制信息和(N)接口數(shù)據(jù)組成。(N)服務(wù)數(shù)據(jù)單元是通過(guò)(N)連接從一端傳送到另一端的(N)接口數(shù)據(jù)的集合,這個(gè)集合在傳送期間保持其標(biāo)識(shí)不變。3.4OSI分層體系結(jié)構(gòu)3.4.1劃分層次的原則ISO在劃分功能層次時(shí)建立了一些分層的原則,七層協(xié)議模型就是根據(jù)這些原則定義的:層次不能太多,也不能太少。每一層應(yīng)該有定義明確的功能,這種功能或者在完成的操作過(guò)程方面,或者在涉及的技術(shù)方面與其他功能層次有明顯不同,因而類(lèi)似的功能應(yīng)歸入同一層次。每一層的功能要盡量局部化。以往的經(jīng)驗(yàn)證明是成功的層次應(yīng)予保留?？紤]數(shù)據(jù)處理的需要。層次的邊界應(yīng)劃分在服務(wù)描述的量最小,交互作用最少的地方。每一層只與它的上下鄰層產(chǎn)生接口。需要時(shí),可以在一個(gè)層次中再劃分出一些子層。3.4.2七層功能概述1.應(yīng)用層這是OSI體系結(jié)構(gòu)的最高層。這一層的協(xié)議直接為端用戶服務(wù),提供分布式處理環(huán)境。2.表示層表示層的用途是提供一個(gè)可供應(yīng)用層選擇的服務(wù)的集合,使得應(yīng)用層可以根據(jù)這些服務(wù)功能解釋數(shù)據(jù)的涵義。表示層以下各層只關(guān)心如何可靠地傳輸數(shù)據(jù),而表示層關(guān)心的是所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的表現(xiàn)方式,它的語(yǔ)法和語(yǔ)義。圖3.13OSI模型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.會(huì)話層會(huì)話層支持兩個(gè)表示層實(shí)體之間的交互作用。它提供的會(huì)話服務(wù)可分為兩類(lèi):·把兩個(gè)表示實(shí)體結(jié)合在一起,或者把它們分開(kāi)。這叫會(huì)話管理服務(wù)。·控制兩個(gè)表示實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換過(guò)程。4.傳輸層這一層在低層服務(wù)的基礎(chǔ)上提供一種通用的傳輸服務(wù)。會(huì)話實(shí)體利用這種透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)而不必考慮下層通信網(wǎng)絡(luò)的工作細(xì)節(jié),并使數(shù)據(jù)傳輸能高效地進(jìn)行。傳輸層用多路復(fù)用或分流的方式優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。當(dāng)會(huì)話實(shí)體要求建立一條傳輸連接時(shí),傳輸層就為其建一個(gè)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接。5.網(wǎng)絡(luò)層這一層的功能屬于通信子網(wǎng),它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接交換傳輸層實(shí)體發(fā)出的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層把上層來(lái)的數(shù)據(jù)組織成分組在通信子網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)之間交換傳送。交換過(guò)程中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是選擇路徑,路徑既可以是固定不變的(通過(guò)靜態(tài)路由表實(shí)現(xiàn)),也可以是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況動(dòng)態(tài)變化的。另外一個(gè)要解決的問(wèn)題是防止網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)局部的擁擠或全面的阻塞。6.數(shù)據(jù)鏈路層這一層的功能是建立,維持和釋放網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間的數(shù)據(jù)鏈路,這種數(shù)據(jù)鏈路對(duì)網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)表現(xiàn)為一條無(wú)差錯(cuò)的信道。相鄰結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換是分幀進(jìn)行的,各幀按順序傳送,并通過(guò)接收端的校驗(yàn)檢查和應(yīng)答保證可靠的傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)損壞,丟失和重復(fù)的幀應(yīng)能進(jìn)行處理,這種處理過(guò)程對(duì)網(wǎng)絡(luò)層是透明的。7.物理層規(guī)定通信設(shè)備的機(jī)械的,電氣的,功能的和過(guò)程的特性,用以建立,維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體間的連接。具體地說(shuō),這一層的規(guī)程都與電路上傳輸?shù)脑急忍赜嘘P(guān),它涉及到用什么電壓代表“1”,用什么電壓代表“0”一個(gè)比特持續(xù)多少時(shí)間傳輸是雙向的,還是單向的一次通信中發(fā)送方和接收方如何應(yīng)答設(shè)備之間連接件的尺寸和接頭數(shù)以及每根連線的用途等。3.4.3OSI協(xié)議集國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織除了定義OSI參考模型之外,還開(kāi)發(fā)了或正在開(kāi)發(fā)著實(shí)現(xiàn)七個(gè)功能層次的各種協(xié)議和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)(通常和CCITT合作),這些協(xié)議和服務(wù)通稱為“OSI協(xié)議”。OSI協(xié)議是一些已有的協(xié)議和ISO自己開(kāi)發(fā)的協(xié)議的混合體,例如,大部分物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是采納了現(xiàn)有的協(xié)議,而數(shù)據(jù)鏈路層以上的協(xié)議是ISO自行起草的。圖3.14OSI協(xié)議集1.物理層協(xié)議在物理層,OSI采納了各種現(xiàn)成的協(xié)議。其中有RS-232,RS-449,X.21,V.35,ISDN以及FDDI,IEEE802.3,IEEE802.4和IEEE802.5的物理層協(xié)議這些協(xié)議我們將分別在有關(guān)章節(jié)介紹。2.數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層,OSI的協(xié)議集也是采納了當(dāng)前流行的協(xié)議。其中包括HDLC,LAP-B以及IEEE802的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(ISO8802)。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和服務(wù)與具體的物理傳輸技術(shù)有關(guān),雖然在上層,一般是每層對(duì)應(yīng)一個(gè)協(xié)議,而在數(shù)據(jù)鏈路層卻不是這樣。為了有效地利用各種傳輸技術(shù),數(shù)據(jù)鏈路層用不同的協(xié)議滿足不同的技術(shù)要求。3.網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層提供兩種服務(wù):面向連接的服務(wù)和無(wú)連接的服務(wù)。ISO8348文件定義了面向連接的服務(wù)(CONS),與此對(duì)應(yīng)的協(xié)議是CCITTX.213,這兩個(gè)文件的規(guī)定與X.25分組級(jí)協(xié)議(PLP)一致。ISO8473文件定義了無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)CLNS。4.傳輸層協(xié)議傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間的界面是用戶和通信子網(wǎng)的界面。傳輸層的任務(wù)是在子網(wǎng)服務(wù)的基礎(chǔ)上提供完整的數(shù)據(jù)傳送,因而在原來(lái)OSI協(xié)議集中,傳輸層的功能是提供面向連接的服務(wù),無(wú)連接的服務(wù)是后來(lái)增加的。