現(xiàn)場總線3-網絡體系結構與協(xié)議課件

1第三章網絡體系結構與協(xié)議

(1)網絡體系結構：各層和協(xié)議的集合叫做網路體系結構。分層設計：每層具有自己的功能和對上層的接口。協(xié)議：不同機器在同層以相同的協(xié)議對話。(2)各層設計遇到的問題：建立連接機制：目標多，與那個進程連接，需要尋址數據傳送規(guī)則：單雙向、一個連接是否對應多條邏輯通道差錯控制流量控制報文長度3.1網絡體系結構2網絡的體系結構主要指網絡軟件的分層結構及協(xié)議。網絡設計是高度結構化的，這種結構化設計就是分層設計。每一層完成自己的功能。每層之間有清晰簡單的接口，下級對上級提供服務。網絡系統(tǒng)太復雜，不好分析、設計。為了減少設計的復雜性，多數網絡都是按照分層或分級的方式來組織的，每一層都為它的上層提供服務。各層和協(xié)議的集合叫做網路體系結構。分層的好處：將網絡通信分解成更小、更簡單的模塊以便于研發(fā)。將網絡部件標準化，從而可以讓許多供應商進行研發(fā)和提供支持。允許不同類型的網絡硬件和軟件相互通信。防止某一層的變更會影響到其它層，從而可以更快地發(fā)展。解釋上一頁33.2OSI參考模型（OpenSystemInterconnection）根據功能需要分層每一層實現(xiàn)明確的功能，并易于制定網絡協(xié)議的國際標準各層界面簡單，減少流過接口的信息量層數應足夠多，避免不同功能混雜；但也不能太多，導致體系結構過于龐雜。3.2.1OSI模型分層原則5OSI參考模型的全稱是開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，它是由國際標準化組織提出的。OSI參考模型共包括七個層次，它們分別為：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。每一層次都用來實現(xiàn)一種相對獨立的通信功能，每一層次又都包含若干重要的應用與通信協(xié)議來完成該層的對應相關服務。OSI參考模型的5、6、7層（較高層）主要處理應用方面的問題，第1-4層（較低層）主要處理數據傳輸方面的問題。解釋上一頁6OSI模型的數據傳輸：網絡上所有通信都是從源端傳送到目的端的，在網絡上傳輸的信息被稱為數據或數據分組。如果主機A想給另外一臺主機B發(fā)送數據，數據必須首先要經歷一個稱為封裝(encapsulation)的過程。在進行網絡傳輸之前，封裝過程會對數據附加上必要的協(xié)議信息。73.2.3物理層協(xié)議網絡最底層，主要解決如何進行網絡物理連接、信息以何種信號傳送、如何傳送。物理層有四個重要特性：機械特性（接插件型號）電氣特性（電平、驅動器/接收器、阻抗、編碼）功能特性：信號功能分配和確切定義。規(guī)程定義（發(fā)送時序、應答關系、操作過程）物理接口標準：

RS-232、RS422、RS485、10BASE-T的曼徹斯特編碼物理層定義了網絡間物理鏈路的電氣或機械特性，以及激活、維護和關閉這條鏈路的各項操作。物理層特征參數包括：電壓、數據傳輸率、最大傳輸距離、物理連接媒體等。該層上的設備包括集線器、收發(fā)器、電纜和連接器等。圖中有集線器的符號，集線器的作用是再生信號并對信號進行重新定時。雙向的箭頭表示在集線器中所有的數據都可以在所有的路徑上流動。9DTE-DCEDTE-DTED25PinNo.D9PinNo.AbbreviationFullNamePin2 Pin3 TD TransmitDataPin3 Pin2 RD ReceiveDataPin4 Pin7 RTS RequestToSendPin5 Pin8 CTS ClearToSendPin6 Pin6 DSR DataSetReadyPin7 Pin5 SG SignalGroundPin8 Pin1 CD CarrierDetectPin20 Pin4 DTR DataTerminalReadyPin22 Pin9 RI RingIndicator10TxDRxD非平衡傳輸方式11RS-422標準：TxDTxDRxDRxDRS-485標準：使能使能13基本功能鏈路層：為網絡層提供一個無差錯的邏輯數據鏈路，即將一條原始的、有差錯的物理鏈路層變?yōu)闊o差錯的邏輯數據鏈路層?；竟δ埽涸L問控制；成幀；尋址；差錯控制流量控制；透明傳輸；鏈路管理：面向連接的服務要建立和釋放連接。數據鏈路層分為上下兩層:LLC:邏輯鏈路控制層MAC:介質訪問子層（完成訪問控制）3.2.4數據鏈路層協(xié)議143月10日的課講到此，物理層為傳輸媒介，數據鏈路層可以粗略地理解為數據通道。數據鏈路層提供數據在物理鏈路上的傳輸。媒體是長期的，連接是有生存的在連接生存期內，收發(fā)兩端可以進行不等的一次或多次數據通信。每次通信都要經過建立通信聯(lián)絡和拆除通信聯(lián)絡兩過程。這種建立起來的數據收發(fā)關系就叫作數據鏈路。而在物理媒體上傳輸的數據難免受到各種不可靠因素的影響而產生差錯，為了彌補物理層上的不足，為上層提供無差錯的數據傳輸，就要能對數據進行檢錯和糾錯。數據鏈路的建立、拆除，對數據的檢錯、糾錯是數據鏈路層的基本任務。交換機是第2層設備，交換機基于物理地址作出決定，把數據交換到與正確主機進行連接的端口。交換機的符號如圖所示。頂部的箭頭表示數據在交換機內部可以采用的獨立路徑。網卡也是第2層設備。全世界的每一塊網卡都有一個獨一無二的代碼，被稱為介質訪問控制（MAC）地址，也就是我們所說的物理地址，該地址用于控制主機在網絡上的數據通信。網卡同樣具備物理層的一些功能。15介質訪問控制子層(上一章已介紹)（1）帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取方法CSMA/CD（IEEE802.3以太網=CSMA/CD+HDLC）（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）先聽再講，三種CSMA方法:非堅持型CSMA1-堅持型CSMA

空閑時，立即發(fā)送數據，如沖突，等待一個隨機時間，重新監(jiān)聽發(fā)送。P-堅持型CSMA

（2）令牌總線TokenRing（IEEE802.4）這三種總線控制方法屬于MAC子層。17邏輯鏈路控制子層LLC（1）為網絡層提供的服務無確認、無連接服務有確認、無連接服務面向連接的服務（2）成幀（3）差錯控制（4）流量控制（5）鏈路管理一、邏輯鏈路層設計問題數據鏈路層要完成許多特定的功能，這些功能包括：為網絡層提供良好的接口；確定如何把物理層的比特串組成幀；處理差錯；調整幀的發(fā)送速度，以適合接收方的接收速度；以及通常的鏈路管理。鏈路管理：鏈路建立與拆除。18二、數據鏈路層實例--HDLC協(xié)議（Highdatalinkcontrol）特點如下：802.3、802.4、802.5的上層都是使用HDLC協(xié)議面向比特的協(xié)議可進行任意位組合的傳輸可不等待接收端的應答，連續(xù)傳輸數據錯誤控制嚴密；適合于計算機間的通信

起始標志

要傳輸的數據塊

結束標志

1

HDLC-高級數據鏈路控制協(xié)議19站點類型分類：主站和從站主站：能夠主動完成命令的發(fā)送、鏈路管理、流量控制等工作；從站：能夠接收主站的命令，并響應主站的命令。鏈路配置非平衡配置：由一個主站和一個或多個從站組成，適用于點-點、點-多點操作。支持正常響應模式和異步響應模式。平衡配置：由兩個復合站組成，適用于點-點操作。只有異步平衡模式。通信方式正常響應（NRM）異步響應（ARM）異步平衡（ABM）（1）HDLC的基本概念21說明：（1）F：標志字段，，幀起始和終止符，幀同步；（2）A：地址字段：通信對方的地址，可擴展（8位的整數倍）（3）C：控制字段：用來表示幀類型（信息幀、監(jiān)控幀、無編號幀）、幀編號、命令和控制信息；也可進行流量控制;（4）I：信息字段：攜帶高層用戶數據，可以是任意的二進制位串；（5）FCS：CRC校驗碼由于幀中至少含有A（地址）、C（控制）和FCS（幀校驗序列）字段，因此整個幀長度應大于32位。零位插入/刪除HDLC一般幀格式（2）HDLC的幀結構22首先介紹HDLC幀由六個字段組成。較詳細介紹每一個字段。有除標志字段外，其他字段采用0比特加入和刪除技術，確保標志字段的唯一性。信息字段一般不超過256字節(jié)；地址字段：非平衡結構中，地址字段寫入從站地址；平衡結構中，寫入目的站地址。23（1）信息幀

N(S)：當前幀序號；N(R)：下一次應接收幀序號（NEXT）（2）監(jiān)控幀（協(xié)調雙方通訊狀態(tài)，差錯和流量控制）監(jiān)控幀不帶序號，分四種類型：

SS=00，表示接收準備好；

SS=01，表示拒絕；指明發(fā)送出現(xiàn)差錯，重發(fā)N（S）開始的全部幀。

SS=10，表示接收未準備好；

SS=11，表示選擇拒絕,只要求重傳指定幀。（3）無編號幀起鏈路控制作用。典型的無編號幀，由M（5位）表示不同的控制命令：M=00001置為正常響應模式M=11000置為異步響應模式M=11100置為異步平衡模式M=00010斷開連接；

b7b6b5b4b3b2b1b00N(S)P/FN(R)10S（占兩位）P/FN(R)11M（占兩位）P/FM（占三位）信息幀I監(jiān)控幀S無編號幀U（3）HDLC的幀類型HDLC的幀類型分三種，由控制字段設定。25（4）正常響應模式下數據鏈路的工作過程主站A從站B發(fā)送置正常響應命令，地址為從站B，探詢?yōu)镻為1發(fā)送無編號確認幀，F(xiàn)=1發(fā)送編號為0的信息幀發(fā)送編號為1的信息幀發(fā)送編號為2的信息幀，使用探詢?yōu)镻發(fā)送U幀，釋放連接發(fā)送編號為0的I幀，標志中置為F，N（R）=3發(fā)送無編號確認幀用U幀發(fā)送置正常響應命令；從站發(fā)U幀，確認連接；主站發(fā)三幀數據幀，在最后一幀使用探尋位；從站發(fā)信息幀進行確認。主站發(fā)U幀，釋放連接從站用信息幀確定結束。263.2.5網絡層網絡層關系到子網的運行控制，數據鏈路層是建立了點對點的數據連接。網絡層主要功能包括：尋址、路由選擇與中繼、流量控制、網絡連接建立與管理。主機與通訊網絡的接口尋址路由選擇與中繼、流量控制網絡連接建立與管理27物理層是建立了網絡的物理連接，數據鏈路層是建立了點對點的數據連接。還沒有解決數據通過通信子網的多個轉接節(jié)點的通信問題。設立網絡層的目的是使報文分組以最佳路徑通過通信子網到達目的地，網絡用戶不必關心網絡的拓撲結構及通信介質，通過網絡層的控制作用，實現(xiàn)不同網絡之間的數據交換。網絡層的主要功能是：尋址、路由選擇與中繼、流量控制、網絡連接建立與管理網絡層。尋址：數據鏈路層尋址是本網絡內的尋址，如果信源與信宿分屬于不同的網絡，就需要網絡層來參與尋址；路由選擇與中繼：當傳輸的數據經過通信子網時，各個中繼節(jié)點在存儲轉發(fā)數據過程中，采用合適的路由選擇算法，保證數據單元以某些指標最優(yōu)的方式通過子網，路由選擇是網絡層最主要的功能之一。流量控制：數據鏈路層的流量控制是點點之間的傳輸速度控制，網絡層的流量控制是對進入分組交換網的流量進行控制，使網絡穩(wěn)定運行，防止通信量過大造成通信子網性能下降。網絡連接建立與管理：在面向連接的通信中，網絡連接是傳輸實體之間傳遞數據邏輯的、貫穿通信子網的端-端通信通道（可跨接多個數據鏈路層連接）。是復雜的一層。它將數據分成一定長度的分組，并在分組頭中標識源和目的節(jié)點的邏輯地址，這些地址成為每個節(jié)點的標識；網絡層的核心功能便是根據這些地址來獲得從源到目的的路徑，當有多條路徑存在的情況下，還要負責進行路由選擇。

路由器就是工作在第3層的網絡設備，它基于網絡地址，也就是IP地址作出路由選擇的決定。路由器的目的是檢查進入的分組，為它們選擇通過網絡的最佳路徑，然后將它們交換到合適的輸出端口上。29兩個主機通過通信子網互連，通過網路層的功能實現(xiàn)端到端的連接，網絡層的服務分為兩種類型那個：面向連接的網絡服務，無連接的網絡服務。無連接的網絡服務又三種：數據報、確認交付、請求回答。面向連接的服務開銷大，可靠性高，對傳輸層的要求可降低，反之，如果在網絡層采用的無連接的不太可靠的方式，則有些可靠性措施需要在傳輸層完成。OSI模型并未給出具體的路徑選擇和擁塞控制的規(guī)范（算法），這些算法隨具體實現(xiàn)而定。虛電路和數據報的路由選擇是不同的，虛電路需預先確定一條固定通信路由，而數據報則可能每一個分組的路徑都是不同的。解釋上一頁30（2）路徑選擇與中繼

通信子網為網絡源節(jié)點和目的節(jié)點提供了多條傳輸路徑的可能性。網絡節(jié)點在收到一個分組后，要確定向一下節(jié)點傳送的路徑，這就是路由選擇。BACDEF7543216虛電路和數據報的路由選擇是不同的，虛電路需預先確定一條固定通信路由，而數據報則可能每一個分組的路徑都是不同的。31靜態(tài)路由算法（預先脫機計算出節(jié)點之間的路徑，屬于非自適應算法）：靜態(tài)路由算法主要有洪泛法，隨機走動法，最短路徑法，基于流量的路由算法洪泛法（Flooding）：節(jié)點收到一個報文分組后，向所有可能的方向復制轉發(fā)。隨機分配法（RandomWalk）：節(jié)點收到分組后，向所有與之相鄰的節(jié)點中為分組隨機選擇出一個節(jié)點轉發(fā)出去；分組在網絡中亂竄，總有可能到達。這種方法雖然簡單，但不是最佳路由，通信效率低，分組傳輸延遲也不可預測，實用價值低。最短路徑法（ShortestPath，SP）：由Dijkstra提出的，其基本思想是：將源節(jié)點到網絡中所有節(jié)點的最短通路都找出來，作為這個節(jié)點的路由表，當網絡的拓撲結構不變、通信量平穩(wěn)時，該點到網絡內任何其它節(jié)點的最佳路徑都在它的路由表中。如果每一個節(jié)點都生成和保存這樣一張路由表，則整個網絡通信都在最佳路徑下進行。每個節(jié)點收到分組后，查表決定向哪個后繼節(jié)點轉發(fā)?；诹髁康穆酚伤惴?Flow-basedRouting，F(xiàn)R)

：SP算法只考慮網絡拓撲結構、尋找最短路徑，F(xiàn)R算法就結合了網絡拓撲結構和通信流量兩方面的因素進行路由選擇。FR算法需要知道網絡拓撲結構、節(jié)點之間的平均流量、各條線路的容量，然后在此基礎上采用適當的選擇算法，從而找出最佳路由。路徑選擇算法：確定路由選擇的策略稱路由算法。32（3）擁塞控制阻塞控制（流量控制）方法

1、緩沖區(qū)預分配法

2、分組丟棄法：不保留資源，如無處存放，丟棄

3、定額控制法：限制通信子網中分組的數量

靜態(tài)路由算法是非自適應算法，動態(tài)路由算法是自適應算法擁塞控制與路徑選擇有密切關系。沒有流量控制可能造成死鎖33（4）網絡層實例X.25協(xié)議（面向連接的服務）規(guī)定了1，2，3層國際標準網絡訪問協(xié)議，X.25定義了逐級與通信公司通信設備之間的接口。第一層定義了DTE與DCE之間的物理層接口，即X.21協(xié)議。第二層確保了DTE與DCE之間的可靠通信。第三層負責管理DTE之間的連接。分組層相當于OSI參考模型的網絡層，是X.25交換協(xié)議的核心。規(guī)定了關于虛電路(VC)的建立、釋放過程以及分組的格式、分組傳輸控制過程、流控和異常情況的處理與恢復等。34X.25屬于接口規(guī)程，沒有定義路由選擇算法，這屬于分組交換網網絡內部控制功能，由各個廠家決定。X.25協(xié)議分為三層：物理層、數據鏈路層和分組層，各層在功能上相互獨立，如圖9-11所示。與OSI參考模型一樣，對等層之間的通信通過對等層間的規(guī)程實現(xiàn)。物理層定義了X.25網絡通信中DTE和DCE之間的電氣接口，以及建立物理的信息傳輸通道的過程。在該層次上包括三種協(xié)議：（1）X.21接口運行于8個交換電路上；（2）X.21bis定義模擬接口，允許模擬電路訪問數字電路交換網絡；（3）V.24使得DTE能在租用模擬電路上運行以連接到包交換結點或集中器。解釋上一頁35IP協(xié)議數據報方式，無連接；傳送層將報文分成若干數據報，傳送過網際網，到達后傳送層重組報文；可靠機制在傳送層解決；由網絡編號和主機號指明網絡地址。有四種地址編制模式。

A

--54

B

--54

C

--54

類IP地址范圍子網掩碼36是網絡地址（主機地址全0），55是廣播地址（主機地址全1）

32位IP地址空間的劃分IP的分類

1．A類IP地址

一個A類IP地址由1字節(jié)的網絡地址和3字節(jié)主機地址組成，網絡地址的最高位必須是“0”，地址范圍-54（二進制表示為：0000000000-01111110111111111111111111111110）?？捎玫腁類網絡有126個，每個網絡能容納個主機。

2．B類IP地址

一個B類IP地址由2個字節(jié)的網絡地址和2個字節(jié)的主機地址組成，網絡地址的最高位必須是“10”，地址范圍-54（二進制表示為：1000000000-10111111111111111111111111111110）?？捎玫腂類網絡有16384個，每個網絡能容納65534主機。373．C類IP地址

一個C類IP地址由3字節(jié)的網絡地址和1字節(jié)的主機地址組成，網絡地址的最高位必須是“110”。范圍-54（二進制表示為:1100000000-11011111111111111111111111111110）。C類網絡可達個，每個網絡能容納254個主機。

4．D類地址用于多點廣播（Multicast）。

D類IP地址第一個字節(jié)以“1110”開始，它是一個專門保留的地址。它并不指向特定的網絡，目前這一類地址被用在多點廣播（Multicast）中。多點廣播地址用來一次尋址一組計算機，它標識共享同一協(xié)議的一組計算機。

地址范圍-54

5．E類IP地址

以“1111”開始，為將來使用保留。

E類地址保留，僅作實驗和開發(fā)用。

全零（“0．0．0．0”）地址指任意網絡。全“1”的IP地址（“255．255．255．255”）是當前子網的廣播地址。38OSI參考模型：傳輸層傳輸層的作用：為用戶提供有效、可靠的價格合理的服務。傳輸層也可提供兩種服務：連接、無連接，與網絡層類似，但為何還要設設立傳輸層？用戶對通訊子網不可控！主要功能：連接管理、流量控制和可靠性。TCP協(xié)議：TCP可從用戶進程接受任意長度報文，分成不超過64K的數據報分別傳送。3.2.6傳輸層39傳輸層提供對上層透明（不依賴于具體網絡）的可靠的數據傳輸。如果說網絡層關心的是“點到點”的逐點轉遞，那么可以說傳輸層關注的是“端到端”（源端到目的端）的最終效果。它的功能主要包括：流量控制和可靠性。確保按順序無錯地發(fā)送數據包，把來自會話層的大量消息分成易于管理的段以便向網絡發(fā)送。流量控制：與數據鏈路層一樣，傳輸層有時也需要緩存數據，有時網絡層接收不了這么多的數據；可靠性：分組丟失，網絡層復位，都需要傳送層確認，重傳；斷點確認以重傳。2.TCP（TransmissionControlProtocol）如果IP數據包中有已經封好的TCP數據包，那么IP將把它們向‘上’傳送到TCP層。TCP將包排序并進行錯誤檢查，同時實現(xiàn)虛電路間的連接。TCP數據包中包括序號和確認，所以未按照順序收到的包可以被排序，而損壞的包可以被重傳。應用程序將信息送回TCP層，TCP層便將它們向下傳送到IP層，設備驅動程序和物理介質，最后到接收方。面向連接的服務（例如Telnet、FTP、rlogin、XWindows和SMTP）需要高度的可靠性，所以它們使用了TCP。DNS在某些情況下使用