《現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件第1章

第1章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述1.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義和功能1.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展1.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)1.4計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成1.5計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類習(xí)題計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要功能包括如下幾個方面。

1．?dāng)?shù)據(jù)通信利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞是一種全新的電子傳遞方式，比現(xiàn)有的其他通信工具有更多的優(yōu)點(diǎn)，比如它不像電話，需要通話者同時在場，也不像廣播系統(tǒng)，只能單方向傳遞信息；在速度上也比其他方式快得多，通過網(wǎng)絡(luò)還可以傳遞聲音、圖像和視頻等多媒體信息。通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，還可以建立一種新型的協(xié)作方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)協(xié)同工作，它消除了地理上的距離限制。1.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義和功能

2．資源共享在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，有許多昂貴的資源，例如大型數(shù)據(jù)庫、巨型計算機(jī)等，要使這些資源為每一用戶所擁有，即用戶可以共享這些資源。共享資源包括硬件資源的共享，如打印機(jī)、大容量磁盤等；也包括軟件資源的共享，如程序、數(shù)據(jù)等。資源共享的結(jié)果是避免重復(fù)投資和勞動，從而提高資源的利用率，使系統(tǒng)的整體性能價格比得到改善。

3．增加可靠性在單個系統(tǒng)內(nèi)，某個資源或計算機(jī)的暫時失效將導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，或者通過替換資源的辦法來維持系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行。但在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，每種資源(尤其程序和數(shù)據(jù))可以存放在多個地點(diǎn)，而用戶可以通過多種途徑來訪問網(wǎng)內(nèi)的某個資源，從而避免了單點(diǎn)失效對用戶產(chǎn)生的影響。

4．提高系統(tǒng)處理能力單機(jī)系統(tǒng)的處理能力是有限的，且由于種種原因，各計算機(jī)的忙閑程度也不均勻。從理論上講，在同一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多臺計算機(jī)通過協(xié)同操作和并行處理來提高整個系統(tǒng)的處理能力，并使各計算機(jī)負(fù)載均衡。由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)具備上述功能，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持下，銀行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異地通存通兌，而且加快了資金的流轉(zhuǎn)速度；醫(yī)療專家系統(tǒng)的各科醫(yī)生可以聯(lián)合為一個病人治療、診斷；由科學(xué)家們組成的各個領(lǐng)域的研究圈通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和研究，及時發(fā)表最新的思想和研究成果。1.2.1面向終端的計算機(jī)通信網(wǎng)在計算機(jī)剛問世后的幾年里，數(shù)量非常少，且非常昂貴，因此計算機(jī)和通信并沒有什么關(guān)系。1954年，人們開始使用一種叫做收發(fā)器(transceiver)的終端，人們使用這種終端首次實(shí)現(xiàn)了將穿孔卡片上的數(shù)據(jù)通過電話線路送到遠(yuǎn)地的計算機(jī)的功能。后來，電傳打字機(jī)也作為遠(yuǎn)程終端和計算機(jī)相連，用戶可在遠(yuǎn)地的電傳打字機(jī)上鍵入自己的程序，而計算機(jī)的處理結(jié)果又可以傳送到遠(yuǎn)地的電傳打字機(jī)上并打印出來。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本原型就這樣誕生了。1.2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展由于當(dāng)初計算機(jī)是為成批處理而設(shè)計的，因此計算機(jī)與遠(yuǎn)程終端相連時，必須在計算機(jī)上增加一個接口，并且這個接口應(yīng)當(dāng)對計算機(jī)原來的硬件和軟件的影響盡可能小。于是，就出現(xiàn)了所謂的“線路控制器”(LineController)(因?yàn)樵谕ㄐ啪€路上采用串行傳輸而在計算機(jī)內(nèi)采用的是并行傳輸，因此線路控制器的主要功能是進(jìn)行串行和并行傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換以及簡單的差錯控制)。在通信線路的兩端還必須各加上一個調(diào)制解調(diào)器。這是因?yàn)殡娫捑€路本來是為傳送模擬的話音信號而設(shè)計的，它不適合于傳送計算機(jī)的數(shù)字信號。調(diào)制解調(diào)器的主要作用就是把計算機(jī)或終端使用的數(shù)字信號與電話線路上傳送的模擬信號進(jìn)行模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換。隨著遠(yuǎn)程終端數(shù)量的增多，為了避免一臺計算機(jī)使用多個線路控制器，在20世紀(jì)60年代初，出現(xiàn)了多重線路控制器(MultilineController)，它可和多個遠(yuǎn)程終端相連接(見圖1-1)，構(gòu)成面向終端的計算機(jī)通信網(wǎng)，它是最原始的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(有人稱其為第一代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò))。這里，計算機(jī)是網(wǎng)絡(luò)的中心和控制者，終端圍繞中心計算機(jī)分布在各處，而計算機(jī)的主要任務(wù)也還是進(jìn)行成批處理，故稱其為聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，以區(qū)別于早先使用的脫機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)人們認(rèn)識到計算機(jī)還可用作數(shù)據(jù)處理時，計算機(jī)的用戶數(shù)量就迅速增長。但是，每當(dāng)需要增加一個新的遠(yuǎn)程終端時，上述的這種線路控制器就要進(jìn)行許多硬件和軟件的改動，以便與新加入的終端的字符集和傳輸速率等特性相適應(yīng)。然而，這種線路控制器對主機(jī)卻造成了相當(dāng)大的額外開銷。人們終于認(rèn)識到應(yīng)當(dāng)設(shè)計出另一種不同硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)備來完成數(shù)據(jù)通信的任務(wù)，這就導(dǎo)致了具有較多智能的通信處理機(jī)的出現(xiàn)。通信處理機(jī)也稱為前端處理機(jī)(FEP，F(xiàn)rontEndProcessor)，或簡稱為前端機(jī)。前端處理機(jī)分工完成全部的通信任務(wù)，而讓主機(jī)專門進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。這樣就大大地提高了主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的效率。圖1-1面向終端的計算機(jī)通信網(wǎng)圖1-2表示用一個前端處理機(jī)與多個遠(yuǎn)程終端相連的情況。由于可采用較便宜的小型計算機(jī)充當(dāng)大型計算機(jī)的前端處理機(jī)，因此這種面向終端的計算機(jī)通信網(wǎng)獲得了很大的發(fā)展。一直到現(xiàn)在，大型計算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)仍使用前端處理機(jī)，而對于目前接入局域網(wǎng)的個人計算機(jī)，其使用的接口網(wǎng)卡在原理上就相當(dāng)于這種前端處理機(jī)。圖1-2用前端處理機(jī)實(shí)現(xiàn)的聯(lián)機(jī)系統(tǒng)1.2.2基于交換的計算機(jī)通信網(wǎng)在面向終端的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，用戶通過終端命令以交互方式使用計算機(jī)，從而將單一計算機(jī)系統(tǒng)的各種資源共享給各個用戶。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用極大地刺激了用戶使用計算機(jī)的熱情，使計算機(jī)用戶的數(shù)量迅速增加。但這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也存在著一定的缺點(diǎn)：如果計算機(jī)的負(fù)荷較重，會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時間過長；如果主機(jī)系統(tǒng)可靠性降低，一旦計算機(jī)發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓。為了克服第一代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可用性，人們開始研究利用類似電話系統(tǒng)中的線路交換思想將多臺計算機(jī)相互連接起來。這種基于交換技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著極其重要的作用，它成為現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)。電路交換技術(shù)本來是為電話通信而設(shè)計的，對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來說，建立通路的呼叫過程太長，必須尋找新的適合于計算機(jī)通信的交換技術(shù)。1964年8月，Baran(巴蘭)在美國Rand(蘭德)公司的《論分布式通信》的研究報告中提出了存儲轉(zhuǎn)發(fā)思想。在1962～1965年，美國國防部的高級研究計劃署(ARPA，AdvancedResearchProjectsAgency)和英國的國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL，NationalPhysicsLaboratory)都對新型的計算機(jī)通信網(wǎng)進(jìn)行過研究。1966年6月，NPL的Davies(戴維斯)首次提出“分組”(Packet)這一概念。1969年12月，美國的分組交換網(wǎng)ARPANET投入運(yùn)行，當(dāng)時僅有4個結(jié)點(diǎn)。ARPANET的成功，標(biāo)志著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)入了一個新紀(jì)元。

ARPANET網(wǎng)的成功運(yùn)行使計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念發(fā)生了根本變化。早期的面向終端的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是以單臺主機(jī)為中心的星形網(wǎng)(見圖1-3(a))，各終端通過電話網(wǎng)共享主機(jī)的硬件和軟件資源。而分組交換網(wǎng)則實(shí)際以網(wǎng)絡(luò)(通信子網(wǎng))為中心，主機(jī)和終端都處在網(wǎng)絡(luò)的邊緣(見圖1-3(b))。主機(jī)和終端構(gòu)成了用戶資源子網(wǎng)(以區(qū)別于通信子網(wǎng))，用戶不僅共享通信子網(wǎng)的資源，而且還可共享用戶資源子網(wǎng)豐富的硬件和軟件資源。這種以通信子網(wǎng)為中心的計算機(jī)通信網(wǎng)被稱為第二代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它比第一代網(wǎng)絡(luò)在功能上擴(kuò)大了很多，成為20世紀(jì)七八十年代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要形式。圖1-3從以單個主機(jī)為中心演變到以通信子網(wǎng)為中心在以分組交換為核心的第二代通信網(wǎng)絡(luò)中，多臺計算機(jī)通過通信子網(wǎng)構(gòu)成一個有機(jī)的整體，既分散又統(tǒng)一，從而使整個系統(tǒng)性能大大提高；原來單一主機(jī)的負(fù)載可以分散到全網(wǎng)的各個機(jī)器上，使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快；在這種系統(tǒng)中，單機(jī)故障也不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全面癱瘓。必須指出，分組交換網(wǎng)之所以能得到迅速的發(fā)展，很重要的一個原因就是：分組交換技術(shù)給用戶帶來了經(jīng)濟(jì)上的好處，其費(fèi)用比使用電路交換更為低廉。1.2.3計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成在網(wǎng)絡(luò)中，相互通信的計算機(jī)必須高度協(xié)調(diào)工作，而這種“協(xié)調(diào)”是相當(dāng)復(fù)雜的。為了降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，早在當(dāng)初設(shè)計ARPANET時專家就提出了層次模型思想。分層次設(shè)計方法可以將龐大而復(fù)雜的物體轉(zhuǎn)化為若干較小且易于處理的子問題。1974年，IBM公司提出了它研制的“系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”(SNA，SystemNetworkArchitecture)，它是按照分層的方法制定的，成為世界上使用得較為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。DEC公司當(dāng)時也提出了自己的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)——數(shù)字網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(DNA，DigitalNetworkArchitecture)。有了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，使得一個公司所生產(chǎn)的各種機(jī)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以非常容易地被連接起來，這種情況顯然有利于一個公司壟斷自己的產(chǎn)品。用戶一旦購買了某個公司的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)需要擴(kuò)展時，就只能再購買原公司的產(chǎn)品。因?yàn)楦鱾€公司的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)各不相同，所以不同公司之間的網(wǎng)絡(luò)不能互連互通。然而全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得不同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的用戶迫切要求能夠互相交換信息。為了使不同體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都能互連，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1977年成立了專門機(jī)構(gòu)研究該問題。不久，他們就提出了一個使各種計算機(jī)能夠互連的標(biāo)準(zhǔn)框架，即著名的開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI/RM，OpenSystemsInterconnection/ReferenceModel)，簡稱為OSI，它將網(wǎng)絡(luò)劃分為七層，并規(guī)定了每層的功能(詳見1.3節(jié))。它的“開放”思想是：只要遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)，一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方并也遵循同一標(biāo)準(zhǔn)的任何其他系統(tǒng)進(jìn)行通信(這一點(diǎn)很像世界范圍的電話和郵政系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)都是開放系統(tǒng))。OSI/RM參考模型的提出，意味著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到了第三代。

OSI參考模型的推出使網(wǎng)絡(luò)發(fā)展走向標(biāo)準(zhǔn)化，而網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的最大體現(xiàn)就是Internet的飛速發(fā)展，現(xiàn)在Internet已成為全球最大的商用計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)。它遵循TCP/IP參考模型，由于TCP/IP仍然使用分層結(jié)構(gòu)思想(但與OSI參考模型有很大不同)，因此Internet仍屬于第三代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。1.2.4局域網(wǎng)的形成在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程中，另一個重要階段就是在20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的局域網(wǎng)。由于微型計算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用普及，人們迫切需要將眾多的微機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，局域網(wǎng)就是在一個有限區(qū)域范圍內(nèi)將眾多微型計算機(jī)連接在一起實(shí)現(xiàn)信息交換和信息共享的網(wǎng)絡(luò)。作為網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，局域網(wǎng)連網(wǎng)簡單，只要在微型計算機(jī)中插入一個接口板就能實(shí)現(xiàn)連網(wǎng)。由于局域網(wǎng)價格便宜，傳輸速率高，使用方便，因此在20世紀(jì)80年代開始得到了快速發(fā)展，特別是微機(jī)的大量推廣和普及，對局域網(wǎng)的應(yīng)用起到了很大的推動作用，對當(dāng)今計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。1.2.5Internet時代的到來進(jìn)入20世紀(jì)80年代末期以來，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最引人注目的就是起源于美國的Internet的飛速發(fā)展。Internet的原意就是互聯(lián)網(wǎng)，全國自然科學(xué)名詞審定委員會推薦的譯名是“因特網(wǎng)”。本書仍用英文原名。現(xiàn)在Internet已發(fā)展成為世界上最大的國際性計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)。Internet對世界的沖擊之大，影響之深是人們所未能預(yù)料的，這就使得20世紀(jì)90年代成為Internet時代。

Internet已經(jīng)成為世界上規(guī)模最大和增長速率最快的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，沒有人能夠準(zhǔn)確說出Internet究竟有多大。特別是到了20世紀(jì)90年代，Internet得到了迅猛發(fā)展，成指數(shù)級增長趨勢。1998年初的統(tǒng)計是：已有超過60萬個網(wǎng)絡(luò)連在Internet上，而上網(wǎng)的計算機(jī)超過2000萬臺；Internet上的數(shù)據(jù)通信量每月約增加10%；Internet已連通了世界上180多個國家和地區(qū)。由于Internet存在著技術(shù)上和功能上的不足，加上用戶數(shù)量猛增，使得現(xiàn)有的Internet不堪重負(fù)。因此1996年美國的一些研究機(jī)構(gòu)和34所大學(xué)提出研制和建造新一代Internet的設(shè)想。同年10月，美國宣布在今后5年內(nèi)用5億美元的聯(lián)邦資金實(shí)施“下一代Internet計劃”，即“NGI計劃”(NextGenerationInternetInitiative)。

NGI計劃要實(shí)現(xiàn)的一個目標(biāo)是：開發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以比現(xiàn)在的Internet高100倍的速率連接至少100個研究機(jī)構(gòu)，以比現(xiàn)在的Internet高1000倍的速率連接10個類似的網(wǎng)點(diǎn)；其端到端的傳輸速率要超過100?Mb/s至10?Gb/s。另一個目標(biāo)是使用更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)和開發(fā)許多帶有革命性的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、有關(guān)能源和地球系統(tǒng)的研究、高性能的全球通信、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、緊急情況處理等。NGI計劃將使用超高速全光網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)現(xiàn)更快速的交換和路由選擇，同時具有為一些實(shí)時應(yīng)用保留帶寬的能力。在整個Internet的管理和保證信息的可靠性和安全性方面也會有很大的改進(jìn)。1.2.6計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的前景計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過第一代、第二代和第三代的發(fā)展，表現(xiàn)出其巨大的使用價值和廣闊的應(yīng)用前景。從技術(shù)的發(fā)展看，推動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要因素是微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、光通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等。微電子技術(shù)用于通信，發(fā)展了數(shù)字電話、ISDN、數(shù)字移動電話、寬帶ISDN以及異步傳輸模式ATM等。光通信技術(shù)的發(fā)展提高了傳送速度和性能，預(yù)計到2010年傳輸速率可達(dá)到105Mb/s，傳輸性能達(dá)到50Mb·km/s(即50兆位千米每秒)。從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本身的發(fā)展來看，為了滿足日益增長的市場需求，以及迎接十分激烈的競爭和挑戰(zhàn)，在20世紀(jì)90年代人們主要通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳輸技術(shù)、交換技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理，從而提高性能、增加服務(wù)、減低成本、滿足用戶的需要，已經(jīng)定義了同步光纖網(wǎng)SONET標(biāo)準(zhǔn)，速率分別達(dá)到155?Mb/s、622?Mb/s和2.5?Gb/s的系統(tǒng)已經(jīng)推出，異步傳輸模式ATM已進(jìn)入實(shí)用階段，并開始用于寬帶ISDN和多媒體通信等高速網(wǎng)絡(luò)。高速網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)主要包括圖像、多媒體、實(shí)時系統(tǒng)和分布計算。圖像應(yīng)用包括圖像文本管理、可視化工具、醫(yī)療圖像、出版、計算機(jī)輔助設(shè)計和輔助制造、建筑設(shè)計制圖和指紋驗(yàn)證等。多媒體應(yīng)用包括計算機(jī)支持合作工作、會議系統(tǒng)、分布多媒體學(xué)習(xí)環(huán)境、電視點(diǎn)播系統(tǒng)等。實(shí)時系統(tǒng)應(yīng)用包括安全系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制和操作、在線事務(wù)處理等。分布計算應(yīng)用包括分布處理、分布數(shù)據(jù)庫、客戶/服務(wù)器系統(tǒng)等。由此可見，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正迅速朝著高速化、實(shí)時化、智能化、集成化和多媒體化的方向發(fā)展。1.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)1.3.1分層次的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要想使兩臺計算機(jī)進(jìn)行通信，必須使它們采用統(tǒng)一的信息交換規(guī)則。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，把用于規(guī)定信息格式以及如何發(fā)送和接收信息的一套規(guī)則(標(biāo)準(zhǔn)、約定)稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(或稱通信協(xié)議)。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵守一些事先約定好的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下三個要素組成：語法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)、格式和編碼。語義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種應(yīng)答。同步，即事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。由此可見，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不可缺少的組成部分。

2．協(xié)議分層為了減少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的復(fù)雜性，協(xié)議的設(shè)計者并不是設(shè)計一個單一、巨大的協(xié)議來為所有形式的通信規(guī)定完整的細(xì)節(jié)，而是把復(fù)雜的通信問題按一定層次劃分為許多相對獨(dú)立的子功能，然后為每一個子功能設(shè)計一個單獨(dú)的協(xié)議，即每層對應(yīng)一個協(xié)議。這樣做使得每個協(xié)議的設(shè)計、分析、編碼和測試變得簡單易行，這是協(xié)議分層的根本目的。從層次角度看，一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是按照分層次的方式來組織和實(shí)現(xiàn)的。狹義地說，協(xié)議分層就是按照信息的流動過程將網(wǎng)絡(luò)的整體功能分解為一個個的功能層，每個功能層用對應(yīng)的協(xié)議規(guī)定其功能，不同機(jī)器上的同等功能層之間采用相同的協(xié)議，同一機(jī)器上的相鄰功能層之間通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。為了便于理解協(xié)議分層的概念，在現(xiàn)實(shí)生活中可以找到許多協(xié)議分層思想，下面以郵政送遞系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。人們平常寫信時，實(shí)際上都有信件的格式和內(nèi)容約定。首先必須采用雙方都懂的語言文字和文體，開頭是對方稱謂，最后是落款等。這樣，對方收到信后，才可以看懂信中的內(nèi)容，知道是誰寫的，什么時候?qū)懙牡?。?dāng)然還可以有其他的一些特殊約定，如書信的編號、密寫手段等。信寫好之后，必須用信封將信件進(jìn)行封裝并交由郵局寄發(fā)。其次，寄信人和郵局之間也要有約定，即規(guī)定信封的寫法并貼足郵票。在中國寄信必須先寫收信人地址、姓名和郵編，然后才寫寄信人的地址、姓名和郵編。郵局收到信后，要按郵寄地點(diǎn)和信件種類進(jìn)行分揀和分類，打包并附上標(biāo)簽后，交付有關(guān)運(yùn)輸部門進(jìn)行運(yùn)輸，如航空信交民航，平信交鐵路、公路或水路等運(yùn)輸部門。同樣，郵局和運(yùn)輸部門也有約定，要規(guī)定打包標(biāo)簽上的格式，如到站地點(diǎn)、時間、包裹形式等。信件運(yùn)送到目的地后進(jìn)行相反的過程，最終將信件送到收信人手中，收信人依照約定的格式才能讀懂信件。如圖1-4所示，整個過程被劃分成三個子系統(tǒng)，即用戶子系統(tǒng)、郵政子系統(tǒng)和運(yùn)輸子系統(tǒng)。圖1-4郵政系統(tǒng)分層模型從上面例子可以看出，各種約定都是為了達(dá)到將信件從一個源地送到某一個目的地這個目標(biāo)而設(shè)計的，這就是說，它們是因信息的流動而產(chǎn)生的?？梢詫⑦@些約定分為同等機(jī)構(gòu)間的約定(如用戶之間的約定、郵政局之間的約定和運(yùn)輸部門之間的約定)以及不同機(jī)構(gòu)間的約定(如用戶與郵政局之間的約定、郵政局與運(yùn)輸部門之間的約定)。雖然兩個用戶、兩個郵政局、兩個運(yùn)輸部門分處甲、乙兩地，但它們都分別對應(yīng)同等機(jī)構(gòu)，同屬一個子系統(tǒng)；而同處一地的不同機(jī)構(gòu)則不在一個子系統(tǒng)內(nèi)，而且它們之間的關(guān)系是服務(wù)與被服務(wù)的關(guān)系。很顯然，這兩種約定是不同的，前者為部門內(nèi)部的約定，而后者是不同部門之間的約定。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，兩臺計算機(jī)中兩個進(jìn)程之間進(jìn)行通信的過程與郵政通信的過程十分相似。用戶進(jìn)程對應(yīng)于用戶，計算機(jī)中進(jìn)行通信的進(jìn)程對應(yīng)于郵局，通信設(shè)施對應(yīng)于運(yùn)輸部門。為了減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，人們往往按功能將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個不同的功能層。網(wǎng)絡(luò)中同等層之間的通信規(guī)則就是該層使用的協(xié)議，如有關(guān)第N層的通信規(guī)則的集合就是第N層的協(xié)議。而同一計算機(jī)的不同功能層之間的通信規(guī)則稱為接口，在第N層和第(N＋1)層之間的接口稱為N/(N＋1)層接口?？偟膩碚f，協(xié)議是不同機(jī)器同等層之間的通信約定，而接口是同一機(jī)器相鄰層之間的通信約定。不同的網(wǎng)絡(luò)，分層數(shù)量、各層的名稱和功能以及協(xié)議都各不相同。然而，在所有的網(wǎng)絡(luò)中，每一層的目的都是向它的上一層提供一定的服務(wù)。協(xié)議分層方法將整個網(wǎng)絡(luò)通信功能劃分為垂直的層次后，在通信過程中下層將向上層隱蔽其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。層次的劃分應(yīng)首先確定分層數(shù)以及每層應(yīng)完成的任務(wù)，原則上劃分時應(yīng)按邏輯組合功能，要有足夠的層次，以使每層易于處理，但層次也不能過多，以免產(chǎn)生難以負(fù)擔(dān)的處理開銷。協(xié)議層次化不同于程序設(shè)計中模塊化的概念。在程序設(shè)計中，各模塊可以相互獨(dú)立、任意拼裝或者并行，而協(xié)議層次則一定有上下之分，它是依數(shù)據(jù)流的流動而產(chǎn)生的。

3．網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中分層模型和各層協(xié)議的集合。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的描述必須包括足夠的信息，以方便為每一功能層進(jìn)行硬件設(shè)計或編寫程序，并使之符合相關(guān)協(xié)議。值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)不屬于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，因?yàn)樗鼈冸[含在機(jī)器內(nèi)部，對外部來說是不可見的?？傊?，體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實(shí)現(xiàn)則是具體的。為了加深對網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概念的理解，暫時回避OSI/RM和TCP/IP這些具體協(xié)議體系，這里先構(gòu)造一個原理性的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(如圖1-5所示)，雖然是原理性的(只有5層)，但它綜合了OSI和TCP/IP協(xié)議分層的優(yōu)點(diǎn)，既簡明又能將概念闡述清楚。各層的主要功能簡述如下。圖1-5一個原理性的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1)物理層物理層的任務(wù)就是透明地傳送比特流。在物理層上所傳數(shù)據(jù)的單位是比特，它關(guān)心的問題是：使用什么樣的物理信號來表示數(shù)據(jù)“0”和“1”；“0”和“1”持續(xù)的時間多長；數(shù)據(jù)傳輸是否可同時在兩個方向上進(jìn)行；最初的連接如何建立和完成通信后連接如何終止；物理接口(插頭和插座)有多少針以及各針的功能。該層還規(guī)定設(shè)計物理層接口的機(jī)械、電氣、功能和過程特性等通信工程領(lǐng)域的一些問題。傳遞信息所利用的一些物理介質(zhì)，如雙絞線、同軸電纜、光纜等，不屬于物理層范圍之內(nèi)，而在物理層的下面。

2)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)是在兩個相鄰結(jié)點(diǎn)間的線路上無差錯地傳送以幀(Frame)為單位的數(shù)據(jù)。每一幀包括數(shù)據(jù)和必要的控制信息。在傳送數(shù)據(jù)時，若接收結(jié)點(diǎn)檢測到所收到的數(shù)據(jù)中有差錯，就要通知發(fā)方重發(fā)這一幀，直到這一幀正確無誤地到達(dá)接收結(jié)點(diǎn)為止。在每一幀所包括的控制信息中，有同步信息、地址信息、差錯控制以及流量控制信息等。這樣，數(shù)據(jù)鏈路層就把一條有可能出差錯的實(shí)際鏈路轉(zhuǎn)變成為讓網(wǎng)絡(luò)層向下看起來好像是可靠的一條鏈路。

3)網(wǎng)絡(luò)層在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的兩個計算機(jī)之間可能要經(jīng)過許多個結(jié)點(diǎn)和鏈路，也可能還要經(jīng)過好幾個不同的通過路由器互連的通信子網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)的傳送單位是分組(或包)，因此要將發(fā)送方主機(jī)送來的報文分割成若干個分組。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)就是完成主機(jī)間的報文傳輸；選擇合適的路由，使發(fā)送方報文能夠正確無誤地按照地址找到目的站，并交付給目的站。這就是網(wǎng)絡(luò)層的尋址功能。如果在子網(wǎng)中出現(xiàn)過多的報文，子網(wǎng)可能形成擁塞，因此網(wǎng)絡(luò)層還要避免擁塞。在局域網(wǎng)中，由于沒有路由問題，網(wǎng)絡(luò)層是冗余的，因此可以沒有。

4)傳輸層傳輸層的任務(wù)是根據(jù)下面通信子網(wǎng)的特性最佳地利用網(wǎng)絡(luò)資源，并以可靠和經(jīng)濟(jì)的方式為兩端主機(jī)(也就是源站和目的站)的進(jìn)程之間建立一條傳輸連接，以透明地傳送報文?；蛘哒f，傳輸層為進(jìn)行通信的兩個進(jìn)程之間提供一個可靠的端到端的服務(wù)，使它們看不到傳輸層以下的數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)。在通信子網(wǎng)內(nèi)的各個交換結(jié)點(diǎn)以及連接各通信子網(wǎng)的路由器中都沒有傳輸層。傳輸層只能存在于通信子網(wǎng)外面的主機(jī)之中。傳輸層以上的各層就不再關(guān)心信息傳輸?shù)膯栴}了。正因?yàn)槿绱?，傳輸層就成為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中非常重要的一層。

5)應(yīng)用層應(yīng)用層在體系結(jié)構(gòu)中是最高層。它的任務(wù)是確定進(jìn)程之間通信的性質(zhì)以滿足用戶的需要。應(yīng)用層不僅要提供應(yīng)用進(jìn)程所需要的信息交換和遠(yuǎn)地操作，而且還要作為互相作用的應(yīng)用進(jìn)程的用戶代理，來完成一些為進(jìn)行語義上有意義的信息交換所必需的功能。應(yīng)用層直接為用戶的應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)。需要注意的是，應(yīng)用層協(xié)議并不是解決用戶各種具體應(yīng)用的協(xié)議。圖1-6說明了一個應(yīng)用進(jìn)程的數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程中所經(jīng)歷的變化。這里為簡單起見，假定兩個主機(jī)是直接相連的。圖1-6數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程假定計算機(jī)1的應(yīng)用進(jìn)程AP1向計算機(jī)2的應(yīng)用過程AP2傳送數(shù)據(jù)。AP1先將其數(shù)據(jù)交給第5層。第5層加上必要的控制信息H5就變成了下一層的數(shù)據(jù)單元。第4層收到這個數(shù)據(jù)單元后，加上本層的控制信息H4，再交給第3層，成為第3層的數(shù)據(jù)單元。依次類推。不過到了第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)后，控制信息分成兩部分，分別加到本層數(shù)據(jù)單元的首部(H2)和尾部(T2)，而第1層(物理層)由于是比特流的傳送，所以不再加控制信息。在OSI參考模型中，在對等層次上傳送的數(shù)據(jù)，其單位都稱為該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU，ProtocolDataUnit)。這個名詞現(xiàn)已被許多非OSI標(biāo)準(zhǔn)采用。當(dāng)這一串比特流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的物理介質(zhì)傳送到目的站時，就從第1層依次上升到第5層。每一層根據(jù)控制信息進(jìn)行必要的操作，然后將控制信息剝?nèi)ィ瑢⒃搶邮Ｏ碌臄?shù)據(jù)單元上交給更高的一層。最后，把應(yīng)用進(jìn)程AP1發(fā)送的數(shù)據(jù)交給目的站的應(yīng)用進(jìn)程AP2?？梢杂靡粋€簡單的例子來比喻上述過程。有一封信從最高層向下傳。每經(jīng)過一層就包上一個新的信封。包有多個信封的信傳送到目的站后，從第1層起，每層拆開一個信封后就交給它的上一層。傳到最高層后，取出發(fā)信人所發(fā)的信交給收信用戶。雖然應(yīng)用進(jìn)程數(shù)據(jù)要經(jīng)過如圖1-6所示的復(fù)雜過程才能送到對方的應(yīng)用進(jìn)程，但這些復(fù)雜過程對用戶來說，卻都被屏蔽掉了，以致應(yīng)用進(jìn)程AP1覺得好像是直接把數(shù)據(jù)交給了應(yīng)用進(jìn)程AP2。同理，任何兩個同樣的層次(例如在兩個系統(tǒng)的第4層)之間，也好像如同圖中的水平虛線所示的那樣，將數(shù)據(jù)(即數(shù)據(jù)單元加上控制信息)通過水平虛線直接傳遞給了對方。這就是所謂的“對等層”(PeerLayers)之間的通信。我們以前經(jīng)常提到的各層協(xié)議，實(shí)際上就是在各個對等層之間傳遞數(shù)據(jù)時的各項規(guī)定。在文獻(xiàn)中也還可以見到術(shù)語“協(xié)議?！?ProtocolStack)。這是因?yàn)閹讉€層次畫在一起很像一個堆棧(Stack)。1.3.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與實(shí)體服務(wù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中是一個極其重要的概念。在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，所謂服務(wù)，就是網(wǎng)絡(luò)中的各層向其相鄰上層提供一組操作，是相鄰兩層之間的界面。由于網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中的單向依賴關(guān)系，使得網(wǎng)絡(luò)中相鄰層之間的界面也是單向的，也就是說，下層是服務(wù)提供者，上層是服務(wù)用戶，而服務(wù)的表現(xiàn)是原語，比如庫函數(shù)或系統(tǒng)調(diào)用。另一方面，在研究網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換時，用實(shí)體(Entity)來表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件對象，每一層至少存在一個實(shí)體，在不同主機(jī)上同一層內(nèi)的實(shí)體稱為對等實(shí)體，N層實(shí)體實(shí)現(xiàn)的服務(wù)為N＋1層所利用，而N層則要利用N－1層所提供的服務(wù)。N層實(shí)體可以向N＋1層提供幾類服務(wù)。一定要弄清楚，協(xié)議和服務(wù)是兩個截然不同的概念。第一，協(xié)議的實(shí)現(xiàn)保證了能夠向上一層提供服務(wù)。本層的服務(wù)用戶只能看見服務(wù)而無法看見下面的協(xié)議，下面的協(xié)議對上面的服務(wù)用戶是透明的。第二，協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實(shí)體之間通信的規(guī)則。但服務(wù)是“垂直的”，即服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的。還應(yīng)注意到，并非在一個層內(nèi)完成的全部功能都稱為服務(wù)，只有那些能夠被高一層看得見的功能才能稱之為“服務(wù)”。上層使用下層所提供的服務(wù)必須通過與下層交換一些命令，這些命令稱為服務(wù)原語。在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實(shí)體進(jìn)行交互(即交換信息)的地方，通常稱為服務(wù)訪問點(diǎn)(SAP，ServiceAccessPoint)。服務(wù)訪問點(diǎn)(SAP)是一個抽象的概念，它實(shí)際上就是一個邏輯接口，有些像郵政信箱(寫信人和郵局的接口)，但和通常所說的兩個設(shè)備之間的硬件并行接口或串行接口不一樣。OSI將層與層之間交換的數(shù)據(jù)的單位稱為服務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU，ServiceDataUnit)，它可以與PDU不一樣。例如，可以由多個SDU合成為一個PDU，也可以將一個SDU劃分為幾個PDU。這樣，任何相鄰兩層之間的關(guān)系可概括為如圖1-7所示的那樣。這里要注意的是，某一層向上一層所提供的服務(wù)實(shí)際上已包括了在它以下各層所提供的服務(wù)。所有這些對上一層來說就相當(dāng)于一個服務(wù)提供者。在服務(wù)提供者上一層的實(shí)體，也就是“服務(wù)用戶”，它使用服務(wù)提供者所提供的服務(wù)。從通信的角度看，各層向其相鄰的上層所提供的服務(wù)可分為兩大類，即面向連接的服務(wù)(Connection-oriented)和無連接的服務(wù)(Connectionless)。所謂連接，就是兩個對等實(shí)體為進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而進(jìn)行的一種結(jié)合。面向連接的服務(wù)在數(shù)據(jù)交換之前必須先建立連接。在數(shù)據(jù)交換結(jié)束后，則應(yīng)終止這個連接。圖1-7相鄰兩層之間的關(guān)系面向連接的服務(wù)具有連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放這三個階段。在傳送數(shù)據(jù)時是按序傳送的，各數(shù)據(jù)包不需要攜帶目的地址，而使用連接號。這點(diǎn)和電路交換的許多特性很相似，因此面向連接服務(wù)在傳輸層中又稱為虛電路服務(wù)?！疤摗笔侵鸽m然在兩個服務(wù)用戶的通信過程中并沒有自始至終占用一條端到端的完整物理電路(注意：采用分組交換時，鏈路是逐段被占用的)，但卻好像一直占用了一條這樣的電路。面向連接的服務(wù)比較適合于在一定期間內(nèi)向同一目的地發(fā)送許多報文的情況。這種服務(wù)可以看做是電話系統(tǒng)服務(wù)模式的抽象。若兩個用戶需要經(jīng)常進(jìn)行頻繁的通信，則可以建立永久虛電路。這樣可免除每次通信時連接建立和連接釋放這兩個過程。這點(diǎn)和電話網(wǎng)中的專線通信十分相似。在無連接服務(wù)的情況下，兩個實(shí)體之間的通信不需要先建立好一個連接，因此每個報文要帶有完整的目的地址，每個報文在系統(tǒng)中獨(dú)立傳送。這種服務(wù)可以看做是郵政系統(tǒng)服務(wù)模式的抽象。在無連接服務(wù)模式下，不能保證報文到達(dá)的先后順序，原因是不同的報文可能經(jīng)不同的路徑到達(dá)目的地，所以先發(fā)的報文不一定先到。無連接服務(wù)也不對出錯報文進(jìn)行恢復(fù)或重傳，不能防止報文的丟失、重復(fù)或失序。換句話說，它不保證報文傳輸?shù)目煽啃?，因此這種無連接服務(wù)只適合于傳送少量零星的報文。1.3.3服務(wù)原語“服務(wù)”在形式上是用一組原語來描述的，這些原語供用戶和其他實(shí)體訪問該服務(wù)，或者向用戶實(shí)體報告某事件的發(fā)生。服務(wù)原語可以劃分為如表1-1所示的4類。服務(wù)用戶用“請求”原語提出某項服務(wù)請求，如請求建立連接和發(fā)送數(shù)據(jù)。服務(wù)提供者執(zhí)行這一請求后，將用“指示”原語通知接收方的用戶實(shí)體。例如，發(fā)出“連接請求”(CONNECT.request)原語之后，該原語地址段內(nèi)所指向的接收方的對等實(shí)體會得到一個“連接指示”(CONNECT.indication)原語，通知它有人想要與它建立連接。接收到“連接指示”原語的實(shí)體使用“連接響應(yīng)”(CONNECT.response)原語表示它是否愿意接受建立連接的建議。但無論接收方是否接受該請求，請求建立連接的一方都可以通過接收“連接確認(rèn)”(CONNECT.confirm)原語而獲知接收方的態(tài)度(事實(shí)上傳輸層及其他層的服務(wù)用戶要拒絕建立連接請求，不是采用CONNECT.response原語，而是采用DISCONNECT.request原語)。原語可以帶參數(shù)，而且大多數(shù)原語都帶有參數(shù)。“連接請求”原語的參數(shù)可以指明它要與哪臺機(jī)器連接，需要的服務(wù)類別和擬在該連接上使用的最大報文長度?！斑B接指示”原語的參數(shù)可以包含呼叫者的標(biāo)志，指明需要的服務(wù)類別、建議的最大報文長度。如果被呼叫的實(shí)體不同意呼叫實(shí)體建立的最大報文長度，它可能在“連接響應(yīng)”原語中提出一個新的建議，呼叫方會從“連接確認(rèn)”原語中獲知。這一協(xié)商過程的細(xì)節(jié)屬于協(xié)議的內(nèi)容。例如，在兩個關(guān)于最大報文長度的建議不一致的情況下，協(xié)議可能規(guī)定選擇較小的值。服務(wù)有“有確認(rèn)”和“無確認(rèn)”之分。有確認(rèn)的服務(wù)包括“請求”、“指示”、“響應(yīng)”和“確認(rèn)”四個原語。無確認(rèn)服務(wù)只有“請求”和“指示”兩個原語。建立連接的服務(wù)總是有確認(rèn)服務(wù)，可用“連接響應(yīng)”作肯定應(yīng)答,表示同意建立連接；或者用“斷連請求”(DISCONNECT.request)表示拒絕，作否定應(yīng)答。數(shù)據(jù)傳送既可以是有確認(rèn)的，也可以是無確認(rèn)的，這取決于發(fā)送方是否需要確認(rèn)。為了使服務(wù)原語的概念更具體化一些，舉一個電話系統(tǒng)的例子說明面向連接服務(wù)的應(yīng)用，有助于理解這些原語是如何應(yīng)用的。電話系統(tǒng)使用了下述8個服務(wù)原語。

(1)連接請求：服務(wù)用戶請求建立一個連接。

(2)連接指示：服務(wù)提供者向被呼叫方示意有人請求建立連接。

(3)連接響應(yīng)：被呼叫方用來表示接受建立連接的請求。

(4)連接確認(rèn)：服務(wù)提供者通知呼叫方建立連接的請求已被接受。

(5)數(shù)據(jù)請求：請求服務(wù)提供者把數(shù)據(jù)傳給對方。

(6)數(shù)據(jù)指示：表示數(shù)據(jù)到達(dá)。

(7)斷連請求：請求釋放連接。

(8)斷連指示：釋放連接請求到達(dá)對等端。在本例中，連接是有確認(rèn)服務(wù)((1)～(4)表明需要有一個明確的答復(fù))，而斷連是無確認(rèn)的((7)、(8)表明不需要應(yīng)答)?？疾橐幌翧打電話邀請B到家來喝茶的步驟：

(1)連接請求：A撥B家的電話號碼。

(2)連接指示：B家的電話鈴響了。

(3)連接響應(yīng)：B拿起了電話。

(4)連接確認(rèn)：A聽到響鈴?fù)Ｖ埂?/p>

(5)數(shù)據(jù)請求：A邀請B來喝茶。

(6)數(shù)據(jù)指示：B聽到了A的邀請。

(7)數(shù)據(jù)請求：B說她很高興來。

(8)數(shù)據(jù)指示：A聽到B接受邀請。

(9)斷連請求：A掛斷電話。

(10)斷連指示：B聽到了，也掛斷電話。圖1-8表示上面例子使用原語的時序。由以上例子可知，服務(wù)原語的每一步都涉及其中一臺計算機(jī)內(nèi)兩相鄰層之間的信息交換。每一個“請求”或“響應(yīng)”稍后都在對方產(chǎn)生一個“指示”或“確認(rèn)”動作。本例中服務(wù)用戶(A和B)在N＋1層，服務(wù)提供者(電話系統(tǒng))在N層。圖1-8服務(wù)原語的應(yīng)用1.3.4ISO-OSI的體系結(jié)構(gòu)前面一般性地討論了協(xié)議分層和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，下面將具體分析和討論兩個重要的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。自從ARPANET出現(xiàn)后，市場上推出了許多商品化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都是由各個公司自行設(shè)計開發(fā)的，在體系結(jié)構(gòu)上存在很大差異，導(dǎo)致它們相互之間不兼容，更難于互連。為此許多標(biāo)準(zhǔn)化組織積極開展了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化方面的工作，其中最有權(quán)威的就是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO提出的開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM。它的目標(biāo)是將各種開放式系統(tǒng)連接在一起。

OSI參考模型中采用了七個層次的體系結(jié)構(gòu)，也就是將前面所講的原理性體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層再劃分為三個層次。這三個層次從上到下的名稱是：應(yīng)用層、表示層和會話層。會話層不參與具體的數(shù)據(jù)傳輸，但它卻對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行管理。它在兩個互相通信的進(jìn)程之間建立、組織和協(xié)調(diào)其交互，例如確定是雙工工作(每一方同時發(fā)送和接收)還是半雙工工作(每一方交替發(fā)送和接收)。表示層主要解決用戶信息的語法表示。表示層將欲交換的數(shù)據(jù)從適合于某一用戶的抽象語法(AbstractSyntax)變換為適合于OSI系統(tǒng)內(nèi)部使用的傳送語法(TransferSyntax)。應(yīng)用層對應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行了抽象，它只保留應(yīng)用進(jìn)程中與進(jìn)程間交互有關(guān)的那些部分。經(jīng)過抽象后的應(yīng)用進(jìn)程就成為OSI應(yīng)用層中的應(yīng)用實(shí)體。OSI的應(yīng)用層并不是要把各種應(yīng)用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，而僅僅對一些應(yīng)用進(jìn)程經(jīng)常使用的功能以及實(shí)現(xiàn)這些功能所要使用的協(xié)議進(jìn)行描述。1.3.5TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)

TCP/IP最初是為ARPANET開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)主要由兩個重要協(xié)議，即TCP協(xié)議和IP協(xié)議而得名。實(shí)際上，TCP/IP體系包含了大量的協(xié)議和應(yīng)用，它是由大量協(xié)議組成的集合，簡稱為TCP/IP協(xié)議集。雖然TCP/IP不是ISO倡導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，但它有廣泛的商業(yè)應(yīng)用，因此TCP/IP是一種事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。由于Internet已經(jīng)得到了全世界的承認(rèn)，因而Internet所使用的TCP/IP體系在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中就占有特殊的重要地位。

TCP/IP協(xié)議體系分為四個層次(如圖1-9所示)。由于TCP/IP協(xié)議集中沒有考慮具體的物理傳輸介質(zhì)，因此在TCP/IP的標(biāo)準(zhǔn)中并沒有對數(shù)據(jù)鏈路層和物理層做出規(guī)定，而只是將最低的一層取名為網(wǎng)絡(luò)接口層，規(guī)定了與物理網(wǎng)絡(luò)的接口。這樣，如果不考慮網(wǎng)絡(luò)接口層，那么TCP/IP體系實(shí)際上就只有三個層次：應(yīng)用層、傳輸控制層和網(wǎng)絡(luò)互連層。

TCP/IP的最高層是應(yīng)用層。在這層中有許多著名協(xié)議，如遠(yuǎn)程登錄協(xié)議TELNET、文件傳送協(xié)議FTP、簡單郵件傳送協(xié)議SMTP等。再往下的一層是TCP/IP的傳輸控制層，也叫做主機(jī)到主機(jī)層。這一層可使用兩種不同的協(xié)議：一種是面向連接的傳輸控制協(xié)議(TCP，TransmissionControlProtocol)，另一種是無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP，UserDataProtocol)。傳輸層傳送的數(shù)據(jù)單位是報文(Message)或數(shù)據(jù)流(Stream)。報文也常稱為報文段(Segment)。傳輸層下面是TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)互連層，其主要的協(xié)議就是無連接的網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議(IP，InternetProtocol)。該層傳送的數(shù)據(jù)單位是分組(Packet)。與IP協(xié)議配合使用的還有三個協(xié)議，那就是Internet控制報文協(xié)議(ICMP，InternetControlMessageProtocol)、地址解析協(xié)議(ARP，AddressResolutionProtocol)和逆地址解析協(xié)議(RARP，ReverseAddressResolutionProtocol)。有關(guān)TCP/IP的詳細(xì)內(nèi)容在第8章做介紹。圖1-9給出了TCP/IP與OSI這兩種體系結(jié)構(gòu)的對比。值得注意的是，在一些問題的處理上，TCP/IP與OSI有很大不同。圖1-9TCP/IP與ISO-OSI體系結(jié)構(gòu)的對比

(1)?TCP/IP一開始就考慮到多種異構(gòu)網(wǎng)的互連問題，并將網(wǎng)際協(xié)議IP作為TCP/IP的重要組成部分。但I(xiàn)SO和CCITT最初只考慮到使用一種標(biāo)準(zhǔn)的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)將各種不同的系統(tǒng)互連在一起。后來，ISO認(rèn)識到了網(wǎng)際協(xié)議IP的重要性，然而已經(jīng)來不及了，只好在網(wǎng)絡(luò)層中劃分出一個子層來完成類似TCP/IP中IP的作用。

(2)?TCP/IP一開始就對面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)并重，而OSI在開始時只強(qiáng)調(diào)面向連接服務(wù)，一直到很晚OSI才開始制定無連接服務(wù)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。無連接服務(wù)的數(shù)據(jù)報對于互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳送以及分組話音通信(即在分組交換網(wǎng)里傳送話音信息)都是十分方便的。

(3)?TCP/IP有較好的網(wǎng)絡(luò)管理功能，而OSI到后來才開始考慮這個問題。當(dāng)然，TCP/IP也有不足之處。例如，TCP/IP的模型對“服務(wù)”、“協(xié)議”和“接口”等概念并沒有很清楚地區(qū)分開。因此在使用一些新的技術(shù)來設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)時，采用這種模型就可能會遇到一些麻煩。另外，TCP/IP模型的通用性較差，很難用它來描述其他種類的協(xié)議棧。還有，TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口層嚴(yán)格來說并不是一個層次而僅僅是一個接口，而其下根本沒有數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，但實(shí)際上這兩個層還是很重要的。最后要說一下，雖然OSI在一開始是由ISO來制定的，但后來的許多標(biāo)準(zhǔn)都是ISO與原來的國際電報電話咨詢委員會CCITT聯(lián)合制定的。從歷史上來看，CCITT原來從通信的角度考慮一些標(biāo)準(zhǔn)的制定，而ISO則關(guān)心信息的處理。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通信與信息處理的界限變得比較模糊了。于是，通信與信息處理就都成為CCITT與ISO所共同關(guān)心的領(lǐng)域。CCITT的建議書X.200就是關(guān)于開放系統(tǒng)互連參考模型的，它和上面提到的ISO7498基本上是相同的。1.4計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成1.4.1通信子網(wǎng)與資源子網(wǎng)從概念上講，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)兩部分構(gòu)成。通信子網(wǎng)負(fù)責(zé)計算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信，也就是信息的傳輸。通信子網(wǎng)覆蓋的地理范圍可能只是很小的局部區(qū)域，甚至就在一幢大樓內(nèi)或一間房間內(nèi)；也可能是遠(yuǎn)程的，甚至跨越國界，直至洲際或全球。通信子網(wǎng)中除了包括傳輸信息的物理介質(zhì)外，還包括中繼器(Repeater)、交換機(jī)(Switch)、路由器(Router)等各種通信設(shè)備。信息在通信子網(wǎng)中的傳輸方式可以從源出發(fā)經(jīng)過若干中間設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)或交換才最終到達(dá)目的地。通過通信子網(wǎng)互連在一起的計算機(jī)則負(fù)責(zé)運(yùn)行對信息進(jìn)行處理的應(yīng)用程序，它們是網(wǎng)絡(luò)中信息流動的源與宿，向網(wǎng)絡(luò)用戶提供可共享的硬件、軟件和信息資源，構(gòu)成資源子網(wǎng)。將網(wǎng)絡(luò)中純粹負(fù)責(zé)通信任務(wù)的子網(wǎng)與應(yīng)用部分的計算機(jī)工作站點(diǎn)分離開來，就可對這兩部分進(jìn)行單獨(dú)規(guī)劃和管理，使整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和運(yùn)行簡化。在近程的局部范圍內(nèi)，一個單位可同時擁有通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)，但是在遠(yuǎn)程廣域范圍內(nèi)則通常是另一種情況。比如說，通信子網(wǎng)可以由政府部門或電信經(jīng)營公司擁有并向社會公眾開放服務(wù)，如同電話交換網(wǎng)那樣。擁有計算機(jī)工作站點(diǎn)資源的單位希望連網(wǎng)的話，只要遵循通信子網(wǎng)所要求的接口標(biāo)準(zhǔn)，提出申請并付一定的費(fèi)用，都可以接入該通信子網(wǎng)，利用其提供的服務(wù)來實(shí)現(xiàn)特定資源子網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，這類通信子網(wǎng)稱為公用網(wǎng)。公用網(wǎng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字化的數(shù)據(jù)，為了與電話交換網(wǎng)這類傳輸如聲音數(shù)據(jù)的模擬網(wǎng)區(qū)分，有時也將其稱為公用數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN，PublicDataNetwork)。1.4.2因特網(wǎng)(Internet)目前世界范圍內(nèi)廣泛使用的一個最大的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是因特網(wǎng)(Internet)。Internet并不是一個單一的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，而是由許多網(wǎng)絡(luò)互連在一起的一個網(wǎng)際網(wǎng)。Internet的運(yùn)行和使用為全球信息基礎(chǔ)設(shè)施(即全球信息高速公路)的建立奠定了基礎(chǔ)。許多計算機(jī)正是通過因特網(wǎng)而和全球范圍內(nèi)的其他計算機(jī)互連的。在美國政府宣布其國家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NII，NationalInformationInfrastructure，俗稱信息高速公路)計劃后，又有人提出全球信息高速公路計劃，1995年召開的Internet年會的主題就是向全球信息高速公路進(jìn)軍。要更確切地了解Internet究竟是什么，最好先回顧一下該網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史。

Internet的起源可追溯到其前身ARPANET，它是美國1969年為支持國防研究項目而建立的一個試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將美國許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)從事國防研究的計算機(jī)連接到一起，是一個廣域網(wǎng)。20世紀(jì)70年代末，隨著大規(guī)模集成電路(LSI)技術(shù)的發(fā)展，大量小型和微型計算機(jī)涌現(xiàn)，許多局域網(wǎng)(LAN)技術(shù)開始發(fā)展，比主機(jī)多得多的小型和微型計算機(jī)在小范圍內(nèi)通過LAN互連，并產(chǎn)生了遠(yuǎn)程相互通信的需要。此時，ARPANET開始了一個稱為Internet的研究計劃，主要研究如何將各種LAN和廣域網(wǎng)(WAN)互連起來。參加該項目的研究人員都有一臺連接到Internet上的計算機(jī)，通過ARPANET相互通信而共同進(jìn)行研究。該項目的一個非常重要的成果就是稱為網(wǎng)際協(xié)議IP和傳輸控制協(xié)議TCP的兩個使不同的計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)可以相互通信的約定，即協(xié)議。這兩個協(xié)議和過去某些計算機(jī)公司自己開發(fā)和實(shí)現(xiàn)的協(xié)議不同點(diǎn)在于它是完全開放的，其所有的技術(shù)和規(guī)范都是公開的，任何公司都可以利用其來開發(fā)兼容的產(chǎn)品。以這兩個協(xié)議為核心，以ARPANET為主干網(wǎng)開始將許多不同的網(wǎng)絡(luò)互連在一起，就構(gòu)成了Internet的原型，并對TCP/IP協(xié)議及技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。到1983年，Internet已開始從一個試驗(yàn)型的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成一個實(shí)用型的網(wǎng)絡(luò)，其主干仍為ARPANET，其協(xié)議則以TCP/IP為核心。在Internet發(fā)展過程中，另一個值得一提的是NSFNET。NSFNET是在美國國家科學(xué)基金(NSF，NationalScienceFoundation)資助下建立的一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，最初用來連接全美的五個超級計算機(jī)中心，該網(wǎng)絡(luò)也使用TCP/IP協(xié)議，并和Internet相連，這樣使得在美國100多所大學(xué)的科研人員都可以通過NSFNET來使用超級計算機(jī)中心的資源分析其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。NSFNET也是一個廣域網(wǎng)，其能力不斷加強(qiáng)，到1988年已取代原有的ARPANET而成為Internet的主干網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)由長途電話公司MCI提供長途傳輸線路，計算機(jī)制造商IBM公司提供廣域網(wǎng)中的專用計算機(jī)和軟件，而由密執(zhí)安州的一個組織MERIT來管理。

由NSF資助建立的該網(wǎng)絡(luò)是向全社會(當(dāng)時主要還是學(xué)校和科研機(jī)構(gòu))開放的，成為全國性的學(xué)術(shù)研究和教育網(wǎng)絡(luò)，并得到了迅速發(fā)展。當(dāng)網(wǎng)上的流量接近線路的實(shí)際負(fù)載時，NSF批準(zhǔn)了對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輕微的重組，將每條干線的傳輸速率提高了三倍，達(dá)到1.544Mb/s，即1.544兆比特每秒，這也就是有些資料上常說的T1或者DS1的數(shù)據(jù)速率。1990年，在歷史上起過重要作用的ARPANET正式宣布關(guān)閉。

Internet發(fā)展太快了，到1991年底，NSFNET主干網(wǎng)也達(dá)到其極限。同時，NSF意識到單靠美國政府已很難擔(dān)負(fù)整個Internet的費(fèi)用，因而開始要求私人公司來承擔(dān)某些責(zé)任。1.4.3常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)適配器：又稱網(wǎng)絡(luò)接口控制器、網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC，NetworkInterfaceCard)，通常簡稱為網(wǎng)卡，它插在計算機(jī)的總線上，外面通過傳輸介質(zhì)(如雙絞線、同軸電纜和光纖等)將計算機(jī)連接到其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。網(wǎng)絡(luò)適配器中一般只實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器：是網(wǎng)絡(luò)適配器和傳輸介質(zhì)間的接口設(shè)備，它提供信號電平轉(zhuǎn)換和信號地的隔離。網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)轉(zhuǎn)換設(shè)備：是網(wǎng)絡(luò)中不同傳輸介質(zhì)間的轉(zhuǎn)換設(shè)備，如雙絞線和光纖、單模光纖和多模光纖間的轉(zhuǎn)換。多路復(fù)用器：是終端控制器的一種，用于提高通信信道的利用率。中繼器：通過將整形放大接收到的電信號再傳遞出去，延伸傳輸介質(zhì)的距離，如以太網(wǎng)中繼器就可用來連接不同的以太網(wǎng)段(每個網(wǎng)段有最大距離的限制)，以構(gòu)成一個以太網(wǎng)，有時也譯為轉(zhuǎn)發(fā)器。集線器：英文為HUB，可以看成是多端口中繼器(一般的中繼器是雙端口的)。網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)轉(zhuǎn)換設(shè)備、多路復(fù)用器和中繼器都是工作在物理層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。網(wǎng)橋：是工作在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，可將兩個局域網(wǎng)互連成一個邏輯上的局域網(wǎng)。交換機(jī)：早期的交換機(jī)實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個多端口網(wǎng)橋，可更明確地稱之為幀交換機(jī)。路由器：是工作在網(wǎng)絡(luò)層的多個網(wǎng)絡(luò)間的互連設(shè)備，它可在網(wǎng)絡(luò)間提供路徑選擇功能。網(wǎng)關(guān)：可以看成是多個網(wǎng)絡(luò)間互連設(shè)備的統(tǒng)稱，但一般專指在傳輸層以上實(shí)現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)互連的設(shè)備，又稱應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。1.5.1局域網(wǎng)局域網(wǎng)(LAN，LocalAreaNetwork)是指范圍在幾百米到十幾千米內(nèi)的辦公樓群或校園內(nèi)的計算機(jī)相互連接所構(gòu)成的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。計算機(jī)局域網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于連接校園、工廠以及機(jī)關(guān)的個人計算機(jī)或工作站，以利于個人計算機(jī)或工作站之間共享資源(如打印機(jī))和數(shù)據(jù)通信。局域網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)主要體現(xiàn)在下面三個方面：網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的物理范圍；網(wǎng)絡(luò)所使用的傳輸技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。1.5計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類

局域網(wǎng)中經(jīng)常使用共享信道，即所有的機(jī)器都接在同一條電線上。傳統(tǒng)局域網(wǎng)具有高數(shù)據(jù)傳輸率(10Mb/s或100Mb/s)、低延遲和低誤碼率的特點(diǎn)。新型局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)千兆位每秒甚至更高。局域網(wǎng)有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用的有總線型、星型和環(huán)型等(如圖1-10所示)。圖1-10局域網(wǎng)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.5.2城域網(wǎng)城域網(wǎng)(MAN，MetroPolitanAreaNetwork)所采用的技術(shù)基本上與局域網(wǎng)相類似，只是規(guī)模上要大一些。城域網(wǎng)既可以覆蓋相距不遠(yuǎn)的幾棟辦公樓，也可以覆蓋一個城市，既可以是專用網(wǎng)，也可以是公用網(wǎng)。城域網(wǎng)既可以支持?jǐn)?shù)據(jù)和話音傳輸，也可以與有線電視相連。

將城域網(wǎng)作為一種網(wǎng)絡(luò)類型的主要原因是其有標(biāo)準(zhǔn)并已推行，該標(biāo)準(zhǔn)的名稱為分布式隊列雙總線(DQDB，DistributedQueueDualBus)，它現(xiàn)在已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，編號為IEEE802.6。DQDB的工作范圍一般是160km，數(shù)據(jù)傳輸率為44.736Mb/s。

DQDB采用兩條平行的單向總線(如圖1-11所示)，這兩條平行的單向總線貫穿于整個城市，每個站點(diǎn)都同時與這兩條總線相連。其中每條總線都有一個端接點(diǎn)，各自產(chǎn)生一個53字節(jié)的信元流。每個信元都從端接點(diǎn)沿著總線往下傳，當(dāng)它到達(dá)終點(diǎn)時，就從總線中消失。圖1-11DQDB城域網(wǎng)示意圖每個信元帶有44字節(jié)的有效載荷，而且每個信元中帶有兩個標(biāo)志位：“忙”(Busy)位和“請求”(Request)位。當(dāng)“忙”標(biāo)志位為1時，表示該信元已被占用；當(dāng)某站點(diǎn)想發(fā)出請求時，將信元的“請求”標(biāo)志位設(shè)置為1。每個站點(diǎn)在發(fā)送信元之前必須知道目的站點(diǎn)是位于其左方還是右方。如果目的站點(diǎn)位于它的右方，發(fā)送站點(diǎn)使用總線A，否則使用總線B。在DQDB中，每個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)是通過“線或”電路輸入到相應(yīng)的總線中的，因此某個站點(diǎn)的失效不會造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。在IEEE802.6標(biāo)準(zhǔn)中，站點(diǎn)按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)行排隊發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時必須等到其下方的站點(diǎn)發(fā)送完后才能發(fā)送。這樣做的目的是為了防止離端接點(diǎn)最近的站點(diǎn)將經(jīng)過它的所有空閑信元全部捕獲并填入內(nèi)容，致使其他站點(diǎn)被拋棄。1.5.3廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)(WAN，WideAreaNetwork)通?？缃雍艽蟮奈锢矸秶缫粋€行業(yè)、一個國家。廣域網(wǎng)包含很多用來運(yùn)行用戶應(yīng)用程序的機(jī)器集合，通常把這些機(jī)器叫做主機(jī)(Host)。把這些主機(jī)連接在一起的是通信子網(wǎng)(CommunicationSubnet)，通信子網(wǎng)的作用是在主機(jī)之間傳送報文。廣域網(wǎng)通常將網(wǎng)絡(luò)中的純通信部分的子網(wǎng)與應(yīng)