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1、第八章 网络通信和协议,81 计算机网络通信82 通信协议体系83 OSI七层协议84 TCPIP协议体系结构85 X.25协议8.6 帧中继87 WAP协议,81 计算机网络通信,8.1.1 网络通信的任务8.1.2 数据通信网络的构成与分类,81 计算机网络通信 通信的基本作用就是完成通信双方的信息交换，而几乎目前所有的信息都以数据形式存在，因此可以说通信的基本作用就是完成通信双方的数据交换。,8.1.1 网络通信的任务,传输系统的利用接口信号产生同步交换的管理差错检测和纠正流量控制寻址路由选择恢复报文格式化网络管理,8.1.2 数据通信网络的构成与分类,一广域网二局域网三无线网络四城域网
2、,82 通信协议体系,8.2.1 协议体系结构的必要性8.2.2 基本协议体系结构三层模型8.2.3 协议数据单元PDU,8.2.1 协议体系结构的必要性,当计算机、终端等与其它数据处理设备进行数据交换时，其处理过程实际上是非常复杂的。首先，这两个端点之间必须要有一个可以进行数据交互的通道，它既可以是直接连接两个端点的电缆，也可以是网络等。事实上，一个数据交换过程的建立、实现和完成仅有信号通道是远远不够的，它还必须至少要完成如下几项工作。源点系统必须激活直连的数据通道，或者告知网络它的期望终点系统标示，使网络知道该把它的数据传到何处 发送数据前，源点系统必须确定终点系统已经准备好接收数据 源点
3、系统的文件发送应用程序必须确定终点系统上的文件管理程序已经准备好接收并存储它发送的文件 如果两个系统的文件格式不兼容，其中一个系统还必须进行格式转换,计算机网络协议三要素,语法：用户数据的控制信息结构及格式；语义：需要发出的控制信息，以及完成的 动作和做出的响应；时序：对事件实现顺序的详细说明。,8.2.2 基本协议体系结构三层模型,一次通信过程涉及到应用程序、计算机和网络三部分。由于应用程序运行在计算机上，计算机连接到网络中，被交换的数据通过网络从一台计算机传送到另一台计算机上。所以，可将通信任务划分为三个相对独立的层次：网络接入层、运输层和应用层。,网络接入层关心的是计算机与所连网络之间的
4、数据交换。接入层使用什么软件取决于所用网络的类型，它们因网络采用电路交换、分组交换、局域网等不同类型而异。将数据交换的可靠性保障方面的机制集中到同一层中供所有应用程序共享是十分科学的，这就是运输层。由于各个通信终端所用的应用程序可能不同，它们之间的数据交换还必须要有一个用于支持各种不同的用户应用程序的逻辑，这就是应用层。,8.2.3 协议数据单元PDU为了控制和保证这一数据交换过程的实现，除了要传送的用户数据外，还必须传送一些控制信息。,83 OSI七层协议,8.3.1 OSI标准协议体系结构OSI七层模型8.3.2 OSI的数据传输过程,8.3.1 OSI标准协议体系结构 OSI模型将计算机
5、网络的各个方面分成了互相独立的七层，每一层都将其下面的层遮起来。在上面的层里，下面层次的细节被隐藏起来。,二OSI各层功能和标准1物理层2数据链路层 3.网络层4传输层5.会话层6.表示层7应用层,物理层（physical layer）,考虑如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是传输媒体或物理设备本身，主要确定与传输媒体的接口的一些特性1.机械特性 接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。2.电气特性 接口电缆上各线的电压范围。3.功能特性 指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。4.规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流。在物理层，设计的
6、问题主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等。如：EIA/TIA-232,V.35用多少伏特电压表示1，多少伏特表示0；一个比特持续多少微秒；网络接插件有多少针以及各针的用途。,物理层的主要功能,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。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，以减少信道拥塞。,数据链路可粗略地理解为数据通道。物理层为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接，媒
7、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。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。,网络层,网络层是网络发展的结果。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
8、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。,传输层（transport layer）,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，是两台计算机经过网络进行数据通信时的第一个端到端的层次，也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。传输层的服务包括传输连接
9、建立、数据传送、传输连接释放3个阶段。其中数据传送阶段可分为一般数据传送和加速数据传送两种。传输层共有5个服务类型，基本满足了对传送质量、传送速度和传送费用的各种不同需要。特别需要指出的是，所谓连接就是位于不同系统上的两个实体之间发生的临时性的逻辑关联。,会话层（session layer）,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，而运输层不能完成的那部分工作，给运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
10、有几十种。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。,表示层（presentation layer）,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
11、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。,表示层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。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的作用就是沟通用户间的数据编
12、码规则，以便双方有一致的数据形式，能够互相认识。,应用层（application layer）,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和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，如文卷传送，访问管理，作业传送，银行事务，订单输入等。这些将涉及到虚拟终端，作业传送与操作，文卷传送及访问管理，远程数据库访问，图形核心系统，
13、开放系统互连管理等等。,8.3.2 OSI的数据传输过程,84 TCPIP协议体系结构,8.4.1 TCP/IP协议体系结构8.4.2 TCP和IP的功能8.4.3 TCP/IP的操作过程8.4.4 TCP/IP协议族8.4.5 IPv6,8.4.1 TCP/IP协议体系结构,TCPIP协议模型体系将通信任务分割成五个相对独立的层次，从下到上依次是物理层、网络接入层、互联网层、主机对主机层或运输层、应用层。物理层负责数据传输设备与传输媒体或网络之间的物理接口，主要定义了传输媒体的特点、信号状态、数据率等诸如此类的特征。网络接入层主要负责端系统(服务器、工作站等)和与其连接的网络之间的数据交换过
14、程，为与同一个网络相连的两个系统提供网络接入并且为它们的数据选择路由以穿越网络当进行数据交换的两个设备分别连接在不同的网络中时，就需要由互联网层来负责完成数据横越多个网络到达目的的任务。运输层是数据可靠交换的保证。也是就说，运输层提供可靠性机制供所有应用程序共享，确保所有传输数据都能顺利到达目的应用程序，且其到达顺序与发送顺序一致。应用层包含用于支持各种不同用户应用程序的逻辑，使使用不同表示机制的终端能够顺利实现通信会话的功能。,8.4.2 TCP和IP的功能,一TCP的功能TCP 为传输提供了数据流传输、可靠性及有效流量控制、全双工操作和多路复用技术等多项功能。数据流传输指交付一个由序列号定
15、义的无结构字节流，再传给IP进行发送。可靠性及有效性控制通过面向连接的、端到端的可靠数据报发送来保证，允许设备处理丢失、延时、重复及读错的包，其超时机制则允许设备监测丢失包并请求重发。TCP为应用之间的数据传输提供可靠链接，它在TCP PDU的段首中包含源端口和目的端口值，分别标识出两个TCP实体上的应用，通过连接期间一个实体对另一个实体的TCP报文的跟踪，随时调整流量、恢复丢失或损坏的报文数据，确保传输数据的正确性，为上层应用提供可靠的服务。,二IP的功能IP协议使我们能够唯一标识网络中的每一台电脑。IP是一个无连接的协议，它在交换数据前并不建立会话，只负责在主机间寻址并为数据包设定路由而不
16、保证正确传递。另一方面，IP在数据被收到时不需要收到确认，所以说IP是不可靠的协议。当IP的目标地址是本地时，IP就将数据包直接传给那个主机；如果目标地址为远程地址的话，IP将首先在本地路由表中查找远程主机的路由。如果找到一个路由，IP就用它传送数据包；如果没找到，就会将数据包发送到源主机的缺省网关也就是路由器上。在下一主机，包被发送到TCP或UDP。每个路由器都要重复上述过程，直到包到达最终目的地。当包到达最终目的地后，IP负责将这些小包组装恢复成原来的包。,8.4.3 TCP/IP的操作过程 主机能够通过子网向另一个主机发送数据，如果目的主机在另一个子网上，那么就向某个路由器发送数据，由这
17、个路由器进行数据转发。,8.4.4 TCP/IP协议族,8.4.5 IPv6,一IPv6简介IPv6(Internet Protocol Version 6)全称“互联网协议第6版”，是IETF设计的用于替代现行IP协议IPv4的下一代IP协议。目前广泛使用的IPv4暴露出许多问题，最严重的就是IP地址资源短缺的问题。IPv6采用128位地址长度，其地址资源是IPv4的2128232296倍！几乎可以不受限制地提供地址。此外，IPv6的设计还考虑了IPv4中解决不好的其它几个问题。相比于IPv4，IPv6主要具有六个方面的优势：扩大地址空间、提高网络的整体吞吐量、改善服务质量QoS、安全性有更
18、好的保证、支持即插即用和移动性、更好实现多播功能。,85 X.25协议,8.5.1 网络交换技术简介8.5.2 X.25简介8.5.3 X.25和电路交换的性能分析,8.5.1 网络交换技术简介一、电路交换方式 当用户要求发送数据时，交换机就在主叫用户终端和被叫用户终端之间建立一条双工的物理传输通路 一种预分配线路资源的系统，即在一次接续中将线路资源预先分配给一对用户专用，接续期间不管这条线路上实际有无数据传输，线路都一直由通信双方专有，直到它们结束通信拆除连接为止。,二、分组交换方式 一种存储转发的交换方式，它将需要传送的信息划分为一定长度的分组，以分组为单位进行数据的存储转发。每个分组信息
19、都带有接收地址和发送地址的标识，在传送数据分组之前，必须首先建立虚电路，然后依序传送。,分组交换网络利用率远远高于电路交换，具有传输质量高、可靠性高等优点。由于不再有直接连接两个通信端点之间的线路，其传输采用的是存储-转发方式，数据包在传输过程中可能会经过若干个中间站点才能到达目的端点。这样一来，每个数据包在路由中每个站点处可能产生传输延迟，有时甚至可达几百毫秒。此外，在传送分组数据时还需要一定的额外开销，用于告知各站点该包的下一跳目的地等信息，才可能保证数据最后被目的终端正确接收。所以，分组交换不适宜在实时性要求高、信息量大的场合下使用。,三 帧中继 帧中继处于开放系统OSI参考模型的第二层
20、，由于链路层上的数据单元一般被称作帧，故称之为帧中继FR。它将X.25中通过分组节点时用以纠正差错和防止拥塞的重发、流量控制处理过程简化，把其中大部分处理由网内移到网外的端系统中来实现，从而简化了节点处理过程,缩短了数据分组在节点上的处理时间,大大提高了传输信道的利用率。帧中继是一种快速分组技术，它动态分配传输带宽和以及可改变帧的长度，具有高效性、经济、灵活等优点，适用于处理突发性信息和可变长度帧的信息，是局域网互连的最佳选择。,四、信元方式 将信息以信元为单位进行传送，信元由包含地址和控制信息的信元头以及用户数据两部分组成。信元方式所发送的信元长度固定，传输过程中网络中间节点处不对其中用户数
21、据进行检查。信元方式也是一种快速分组技术，它将信息通过适配层切割成固定长度的信元，适用于各种类型信息的传输，是提供综合业务的网络技术基础。,8.5.2 X.25简介,X.25定义了数据终端设备DTE与基带Modem、交换机等DCE设备之间的点对点互操作。当一台 DTE 设备向另一台 DTE 发出通信会话连接请求时，就需要建立 X.25 会话业务，接收请求的 DTE 设备端可以同意或拒绝该连接。如果同意，两个系统便开始进行全双工通信传输.通信过程中，通信双方的任意一台 DTE 设备都可以终止该连接行为。一旦会话终止，则需要进一步发送建立新会话的请求才可以重新开始通信。X.25 采用虚电路数据包通
22、信方式，这又可具体再分为交换虚电路和永久虚电路。X.25规范是一个协议集，包括X.3、X.28、X.29、X.75和X.21等，包括OSI模型中1到3层的功能。,物理层 也称X21接口，它描述协议的物理环境接口，定义从DTE（如计算机、终端设备等）到X25分组交换网络中的附件结点的物理电气接口，链路访问层 定义象帧序列那样的数据传输方式，为会话提供数据帧结构规定、错误检查和流控制机制，保证DTE和DCE之间的可靠通信传输。具体包括四种协议：分组层 PLP 描述网络层中分组交换网络的数据传输协议，定义了通过分组交换网的可靠虚电路，提供点对点而非点对多点的数据发送。,8.5.3 X.25和电路交换
23、的性能分析,电路交换中，一旦线路接通后，就形成了一条端对端(用户终端和被叫终端之间)的信息专用通路，直到线路拆除，具有如下基本特点：信息传输延迟小，就给定的接续路由来说，传输延迟是固定不变的；信息编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不受限制，即它向用户提供的通路是透明的；电路接续时间长、线路利用率低。X.25分组传输方式使多个用户共享一条传输线路，线路利用率必然大大提高；但它通过路由器共享端口传输，在分组数据中增加了控制信息等，自然会产生一定的分发延迟。虽然许多网络可通过选择回避拥挤区域的路由来支持过载通信量，但随着访问网络人数的增多，用户还是可以感觉到性能变慢了。与此相反，面向电路的网络在
24、两点之间提供的是一个固定带宽的专用线路，它不能适应超过该带宽的传输的要求。,8.6 帧中继,8.6.1 帧中继简介8.6.2 帧中继技术8.6.3 帧中继网络,8.6.1 帧中继简介,帧中继技术由ITU于1988年中颁布，仅完成OSI物理层和链路层的核心功能，将流量控制、纠错等任务留给智能终端去完成，大大简化了节点机之间的协议，提高了传输速率。帧中继技术的出现以及发展基于分组交换技术充分进步、数字与光纤传输线路逐渐取代模拟线路、用户终端日益智能化等技术发展背景，所以说，帧中继是由X.25发展而来的快速分组交换技术，但其性能高于X.25。,8.6.2 帧中继技术,一帧中继技术简介 帧中继技术主要
25、用于数据传输业务，它使用帧中继协议将数据信息以帧的形式传送，是广域网通信的一种方式；帧中继采用逻辑连接而非物理连接，在一个物理连接上复用多个逻辑连接，可实现带宽复用和动态分配；帧中继协议是对X.25协议的简化，因此其处理效率很高，网络吞吐量大，通信时延低，帧中继用户的接入速率在64kbit/s至2Mbit/s，甚至可达到34Mbit/s；帧中继的帧信息长度远比X.25分组长度要长，其最大帧长度可达1600Byte/帧，适合于封装局域网数据单元、传送突发业务如压缩视频业务、WWW业务等。,二帧中继的带宽控制技术 在帧中继技术中，用户向帧中继业务供应商预定的是约定信息速率CIR，而实际使用过程中用
26、户可以以高于CIR的速率发送数据却不必承担额外的费用。帧中继技术由于其自身特点和优势，适用于以下三种情况：用户数据通信的带宽范围在64kbit/s2Mbit/s之间、参与通信的终端多于两个时；通信距离较长、而用户希望获得较高的性价比服务时；当传输数据业务中突发性数据较多时。,8.6.3 帧中继网络,一帧中继网络的特点 帧中继可应用于Internet互联网接入，主要是局域网互联、将局域网连入广域网如INTERNET、建立虚拟专用网以及ATM网络的数据业务接入四个方面。具有以下几个特点。成熟的国际标准 协议简单 传输速率高 支持突发传送 提供永久虚电路PVC和交换虚电路SVC两种虚电路方式 兼容A
27、TM技术并支持多种协议业务,二帧中继网络接入标准,大致分为六个部分，分别是：物理层接口规程：是用户设备与帧中继网之间的物理层接口；数据链路传输控制规程：包括帧中继帧结构、地址格式、寻址方式以及传输方面的规定；SVC信令规程：提供帧中继交换中虚电路实现控制功能所使用的信令；业务参数和服务质量：吞吐量、接入速率(AR)、承诺信息速率(CIR)、承诺突发尺寸(Bc)、超过的突发尺寸(Be)等；PVC管理规程：描述UNI如何相互交换有关链路连接整体性、PVC当前状态、PVC的增加或删除等一些信息；拥塞控制：UNI接口处对拥塞的控制管理规程。,87 WAP协议,8.7.1 WAP协议简介8.7.2 WA
28、P的结构体系873 WAP的回顾与展望,8.7.1 WAP协议简介,无线应用协议WAP（Wireless Application Protocol）是移动Internet应用程序的标准通信协议之一，用于无线通信网络与有线数据网络之间的数据交换。WAP定义了一个分层的、可压缩和扩展的体系结构，为无线Internet提供全面解决方案，旨在通过定义一个开放的全球无线应用框架和网络协议标准，将Internet和高级数据业务以智能信息传送的方式引入数字移动电话、寻呼机和个人数字助理PDA等无线终端，并实现兼容和互操作。此外，WAP还可以通过WWW：MMM（Mobile media mode）模式，让移动
29、终端进入互联网WWW站点。WAP提供了一种应用开发环境和运行环境，支持嵌入式操作系统，就终端而言，WAP支持大部分无线设备；在传输网络上，WAP也可以支持如GSM、CDMA等；它还可支持第三代移动通信系统。WAP针对无线网络带宽窄、信号传输延迟大等特点进行优化设计，在不改变任何现有移动通信网络协议的基础上，根据其目的把Internet的一系列协议规范引入到无线网络中。,8.7.2 WAP的结构体系,一 WAP的结构 WAP协议栈是一个可伸缩扩展的分层结构，其中每一层都能够被上层以及其它服务和应用访问。WAP采用C/S客服结构，在无线终端设备如手机中安放简单的微浏览器Mb，而将智能处理部分放在W
30、AP Gate way/Proxy上。WAP协议结构包括应用层WAE（Wireless application Environment）、会话层WSP（Wireless Session Protocol）、交易层WTP（Wireless Transaction）、安全层WTLS（Wireless Transport LayerSecurity）和传输层WDP（Wireless Datagram Protocol）五个部分。,8.7.4 ATM与TCP/IP对比 8.7.5 ATM技术在计算机通信网的应用举例LANE 88 WAP协议8.8.1 WAP协议简介二与OSI和TCP/IP的结构比较,
31、8.8.2 WAP的结构体系,一、WAP的结构应用层无线应用环境WAE会话层无线会话协议WSP 交易层无线办理协议WTP安全层无线传输层安全性WTLS传输层无线数据报协议WDP,二与OSI和TCP/IP的结构比较TCP/IP和WAP在功能上是有不同的，这是由于两个协议各自不同的定位造成的。它们的功能在OSI结构中的相应层次分别是TCP/IP为37层和WAP为47层。其次，TCP/IP的应用层实际上涵盖了OSI的高三层功能，这在Internet发展初期数据应用类型相对简单和网络速率较低时是有益的。但是当IP电话、视频业务和多媒体业务出现并逐步成为主流IP业务时，它的不足也逐渐暴露出来。WAP协议
32、栈部分恢复了OSI的高三层业务，这更适应日趋复杂的数据应用和服务，尤其在无线移动电子商务环境中更是如此。第三，TCP/IP和WAP协议栈在传输层差异巨大，前者以面向连接的TCP作为Internet的主体，而后者则以无连接的WDP协议做为广域无线移动数据网的关键。,883 WAP的回顾与展望1997年，全球90多家大厂商成立了WAP Forum论坛共同开发无线应用协议，并在1998年夏正式推出了WAP1.0版，后续版本WAP1.1、WAP1.2分别于1999年6月、12月接连出台。由于移动设备、移动网络本身存的诸多局限，其推广普及受到了极大阻碍。随着2.5G移动技术GPRS网和CDMA1X的逐渐完善，提供了比原来高得多的数据速率，再加上WAP本身也日渐成熟并推出了2.0版本，现在WAP的应用已遍布所有移动通信行业，成为移动营运的主要业务之一。人们现在可以使用WAP移动终端如手机、笔记本电脑等，随时随地通过Internet 和Intranet进行信息交流，完成各种移动电子商务如签订合同、预定预购、帐务查询、转帐支付等。总之，无线应用协议WAP基于在移动中接入Internet的需求而产生，它是一个应用协议，通过各种移动通信承载技术来实现其数据连接功能。WAP是TCP/IP协议栈的一种继承和发展，它实际上是针对广域无线移动环境的一种优化协议。,
