第三章　计算机网络体系结构及协议

　　1、网络协议：为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合，协议总是指某一层的协议。准确地说，它是对同等层实体之间的通信制定的有关通信规则或约定的结合。

　　2、网络协议包括三个要素：语义：涉及用于协调与差错处理的控制信息；语法：涉及数据及可控制信息格式、编码及信号电平等、定时：涉及速度匹配及排序等。

　　3、网络的体系结构的划分所用的方法是分层划分，要遵循以下原则：每层的功能要明确并且相互独立、层间接口必须要清晰，跨越的信息量尽可能地少、层数适中。层次结构一般以垂直分层模型表示。

　　4、网络的体系结构的特点是：1、以功能作为划分层次的基础、2、第N层实体在实现自身定义的功能时，只能使用第N-1层提供的服务；3、N层向N-1层提供服务时，此服务不仅包含N层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能；4、仅在相邻层之间有接口，而且所提供的服务的具体实现细节对上层完全屏蔽。

　　5、OSI模型（开放系统互连模型）包括了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象。

　　6、OSI模型的七个模型：①物理层：作用是使原始数据比特流能在物理媒体上传输；②数据链路层：通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路，并进行流量控制；③网络层：为运输层实体提供端到端的交换网络数据传输功能，并进行路由选择、拥挤控制和网际互连等；④运输层：第一个端-端的层次，为会话层提供透明的、可靠的数据传输服务，并处理端到端的差错控制和流量控制问题；⑤会话层：组织和同步不同主机上的各种进程间的通信。；⑥表示层：为应用层用户提供共同的数据或信息的语法表示变换，如代码转换、格式转换、数据压缩和加密解密等；⑦应用层：开放系统互连环境的最高层，为OSI应用进程提供服务，不同的应用层为特定类型的网络的应用提供访问OSI环境的手段。

　　7、发送进程发送给接收进程中的数据，实际上是经过发送方各层从上到下传送到物理媒体，通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。

　　8、物理层的传输单位是比特，它是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接，它不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理媒体，物理层的作用是确保比特流能在物理信道上传输。

　　9、物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性。它直接面向实际承担数据传输的物理介质，物理层的传输单位是比特。比特流传输可以采用异步传输，也可采用同步传输。

　　10、DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）接口的各根导线的电气连接方式有非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种。

　　11、接口信号线按功能可分为：数据信号线、控制信号线、定时信号线、接地信号线。

　　12、EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA在1969年颁布的一种目前使用最广泛的串行物理接口标准，它利用公用电话网作为传输媒体，并通过调制解调器将远程设备连接起来。以下为四种特性：机械特性：25芯的标准连接器；电气特性：规定“1”的电平为-15至-5伏，“0”为+5至+15；功能特性：定义了25芯标准连接中的20根信号线；规程特性：规定工作过程是在各个控制信号线有序的ON和OFF状态的配合下进行的。

　　13、RS-449、RS-422、RS-423是保持与RS-232C的兼容性的前提下的改进。RS-449：使用了37芯和9芯的连接器，9芯用于辅信道的信号；RS-422：完全采用独立的双线平衡传输，信号电平的定义为±6伏（±2伏为过渡区域，平衡方式的电气标准）；RS-423：是非平衡电气标准，它采用单端发送器和差动接收器，电平为±6伏（±4伏为过渡区域）。

　　14、100系列接口标准：传输速率为200bps-9600bps时，采用25芯标准连接器，采用V.28建议；传输速率为48Kbps时，采用34芯连接器，控制信号使用V.28建议，数据线与定时线采用V.35建议。200系列接口标准：采用25芯标准连接器，电气特性采用V.28建议。

　　15、X.21建议是于1976年制定的DTE如何与数字化的DCE交换信号的数字接口标准。机械特性：采用15芯标准连接器，定义了八条接口线；电气特性：类似于RS-422的平衡接口；功能特性：按同步传输的全双工或半双工方式运行。

　　16、数据链路层最基本的服务是将源机网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。数据链路层以帧为传送单位。

　　1）帧同步问题就是能从比特流中区分出帧的起始和终止。

　　常用的帧同步方法是：字节计数法、字符填充法（使用字符填充的首尾定界符法）、比特填充法（使用比特填充的首尾标志法）和违法编码法。①字节计数法：以一个特殊字符表征帧的开始，并一个专门的字段标明帧内的字节数；②比特填充法：以一组比特模式（如011111110）来定界帧的起始于终止；③字符填充法：用一些特定的字符来定界；④违法编码法：例如曼彻斯特码，“高-高”“低-低”是违法的，借用其序列来定界帧的起始和终止，它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。目前较普遍使用的帧同步方法是比特填充法和违法编码法。

　　2）常见的差错控制方法有反馈检测法和自动重发请求。

　　反馈检测法无须使用任何特殊代码的差错检测法，数据传输时，接收方将收到的数据重新发回发送方，由发送包检查是否对，优点：原理简单、实现容易、可靠性好，缺点：信道利用率低。用于面向字符的异步传输；自动重发请求是指接收方根据检错码对数据帧进行差错控制，若发现错误，返回请求重发的应答让发送方重新传送该帧；空闲重发请求也称停等法，该方案规定发送方每发送一帧就要停下来等待接收方确认返回，仅当接收方确认正确接收后再继续发送下一帧。这种方案的收发双方都要设置一个帧的缓冲存贮空间，可有效实现重发而且不会出现重份；连续重发请求是指发送方可以连续发送一系列的帧，既不用等前一帧被确认就可发送下一帧，这种方法传输效率高，但增大了缓冲存贮空间；Go-Back-N的原理有两种含义：1、接收方检测出失序的信息帧后，要求发送方重发最后一个正确接收的信息帧之后所有未被确认的帧；2、当发送方发送了几个帧后，若发现该N帧的前几帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧及其后的帧被判定出错，就要重发；选择重发策略：出错的帧之后的帧可接收下来，存放在缓冲区中，同时要求发送方重新发送出错的那一帧，这种策略减少了浪费，但要求有足够大的缓冲空间。

　　流量控制是对发送方数据流量的控制，使其发送速率不致超过接收方所能承受的能力，流量控制并不是数据链路层所特有的功能，许多高层协议中也提供流量控制的功能。

　　常见的流量控制方案有：XON/XOFF方案和窗口机制。

　　①XON/XOFF方案使用一对控制字符来实现流量控制，当接收方过载时，可向发送方发送字符XOFF（DC3）暂停，待接收方处理完数据后，再向发送方发送字符XON（DC1），使之恢复发送数据；②窗口机制：其本质是在收到一个确定帧之前，对发送方可发送帧的数目加以限制，这是由发送方调整保留在重发表中的待确认帧来实现的，如接收方来不及处理，则接收方停止发送确认信息，发送表的重发表就增长，当达到重发表的限度时，发送方就不再发送新帧直到收到确认信息为止。

　　发送窗口和接收窗口的大小可以不同，但接收窗口的尺寸不能大于发送窗口，发送方和接收方的窗口尺寸不得大于信号范围的一半。发送窗口指发送方已发送但尚未确认的帧序号队列的界，上下界分别称上下沿，上沿、下沿的间距称为窗口尺寸。发送方每发一帧，待确认帧的数目加1，收到一个确认帧时，待确认帧的数目减1.当重发表的计数值（待确认帧的数目）等于发送窗口尺寸时，停止发送新帧。

　　以滑动窗口的观点来统一看待空闲的RQ、Go-Back-N和选择重发，则①空闲RQ：发送窗口=1，接收窗口=1；②Go-Back-N：发送窗口>1，接收窗口=1；③选择重发：发送窗口>1，接收窗口>1.

　　17、数据链路层连接的建立、维持和释放称为链路管理。

　　18、数据链路控制协议也称链路通信规程，也就是OSI参考模型中的数据链路层协议，链路控制协议分为异步协议和同步协议两类。

　　异步协议以字符为独立的信息传输单位，一般用于数据速率较低的场合。

　　同步协议是以帧为传输单位，同步协议能更有效地利用信道，也便于实现差错控制、流量控制等功能。同步协议分为三种类型：①面向字符的同步协议；②面向比特的同步协议；③面向字节的同步协议。

　　1）面向字符的同步控制协议①最早的同步协议、②典型的代表是IBM公司的BSC协议、③均由链路建立、数据传输、电路拆除三部分组成。

　　④BSC协议用ASCII或EBCDIC字符集定义的10个传输控制字符标识 名称 含义SOH 序始1 表示报文的标题和报头开始STX 文始2 标题结束或报文文本的开始ETX 文终3 报文文本的结束EOT 送毕4 一或多个文本块结束，拆除链路ENQ 询问5 询问，用于请求远程站给出响应ACK 确认6 接收方发出的正确接收的响应DLE 转义10 修改紧跟其后的N个字符的意义NAK 否认15 接收方发出的未正确接收的响应SYN 同步16 实现节点之间字符同步和无数据传输时同步ETB 块终17 报文分成多个数据块时一个数据块的结束⑤BSC协议将在链路上传输的信息分为数据报文和监控报文两类。

　　⑥数据报文一般由报头和文本组成，文本是要传送的有效数据信息，而报头有时也可不用，报文较长时，可分为多个块来发送，每一个块作为一个传输单位。发送方只有收到接收方返回的确认后，才能发送下一个数据块。

　　⑦BSC协议的数据块有四种形式（注解：BCC：块校验字符，校验范围：STX-ETX或STX-ETB，BSC协议中所有发送的数据均跟在至少两个SYN字符之后）：A：不带报头的单块报文或分组传输的最后一块：SYN SYN STX 报文 ETX BCC B：带报头的单块报文：SYN SYN SOH 报头 STX 报文 ETX BCC C：分块传输的第一块报文：SYN SYN SOH 报头 STX 报文 ETB BCC D：分块传输中的中间报文：SYN SYN STX 报文 ETB BCC⑧当发送的报文是二进制数据而不是字符串时，为使二进制数据中允许出现与传输控制字符相同的数据（即数据的透明性），可在各帧中真正的传输控制字符（SYN除外）前加上DLE转义字符。在发送时，若文本中也出现与DLE字符相同的二进制比特串，这可插入一个外加的DLE字符加以标记，接收方若发现单个DLE字符，则可知其后为传输控制字符，如发现连续两个DLE字符，则知道其后者为数据，在处理之前将其中一个删去。

　　⑨正反向监控报文有如下四种格式：A：肯定确认和选择响应：SYN SYN ACK；B：否定确认和选择响应：SYN SYN NAK；C：轮询/选择请求：SYN SYN P/S前缀 站地址 ENQ；D：拆链：SYN SYN EOT.⑩BSC协议与特定的字符编码集关系过于密切，所以兼容性较差。BSC是一个半双工协议，它的链路传输效率也很低。不过，由于BSC协议需要的缓冲存贮空间小，因而在面向终端的网络中被广泛使用。

　　19、面向比特的同步控制协议HDLC：①特点：A、不依赖于任何字符编码集；B、数据报文可透明传输；C、全双工通信；D、传输可靠性高（均采用CRC校验码）；E、传输控制功能与处理功能分离。

　　②HDLC的操作方式是某站点是以主站方式操作还是以从站方式操作，或者二者兼备。链路上用于控制目的的站称为主站，其他受主站控制的站称为从站。由主站发往从站的帧称为命令帧，由从站返回主站的帧称为响应帧。

　　HDLC中常用的操作方式有正常响应方式NRM、异步响应方式ARM、异步平衡方式ABM.③正常响应方式NRM是一种非平衡数据链路操作方式，在这种操作方式中，传输过程由主站启动，从站只有收到主站某个命令帧后，才能作为响应向主站传输信息，该操作方式适用于面向终端的点-点和一点到多点的链路。附：平衡操作：站可以兼备主站和从站的功能；非平衡操作：操作时有主站、从站之分的而且各自功能不同的站。

　　④异步响应方式ARM：也是一种非平衡数据链路操作方式，与正常响应方式NRM不同的是，ARM下的传输过程由从站启动，并控制超时和重发。该操作方式适用于采用轮询方式的多站链路。

　　⑤异步平衡方式ABM：它是一种允许任何节点来启动传输的操作方式。

　　⑦HDLC的帧类型：信息帧（I帧）、监控帧（S帧 00-接收就绪、01-拒绝、10-接收未就绪、11-选择拒绝）、和无编号帧（U帧）三种类型。

　　20、网络层是OSI参考模型中的第三层，是面向数据通信的低三层中最复杂、最关键的一层，网络层的主要功能是实现两个端系统之间的数据透明传输，具体功能包括路由选择、阻塞控制、网际互连等。

　　21、在分组交换方式中，通信子网向端系统提供虚电路和数据报两种网络服务，而通信子网内部的操作也有虚电路和数据报两种方式。

　　1）虚电路：在这种操作方式中，网络的源节点和目的节点间先要建立一条逻辑通路，称之为虚电路。虚电路的实际路径可能相同也可能不同，虚电路服务是网络层向运输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式，它是一种面向连接的服务。

　　2）数据报服务：在这种操作方式中，每个分组被称为一个数据报，若干个数据报构成一次要传送的报文和数据块。数据报的传送是被单独处理的，在传送过程中，网络结点要为每个数据报做路由选择，数据报服务是指端系统的网络层与网络结点中的网络之间一致地按照数据报操作方式交换数据，数据报服务是无连接的服务。

　　3）虚电路服务。即通信子网内部节点按数据报方式交换数据，而与端系统相连的网络节点则向端系统提供虚电路服务。

　　22、路由选择：是网络结点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送的路径。即根据一定的原则和算法在传输通路中选出一条通向目的节点的最佳路由。路由的好坏在很大程度上决定了网络的性能，如网络吞吐量、平均延迟时间等。

　　23、确定路由选择的策略称为路由算法，设置路由算法时的参考以下技术要素：①选择最短路由还是最佳路由；②通信子网是采用虚电路操作方式还是采用数据报的操作方式；③采用分布式路由算法还是采用集中式路由算法；④考虑关于网络拓扑、流量和延迟等网络信息的来源；⑤确定采用静态路由还是动态路由。

　　静态路由选择策略不用测量，也不需利用网络信息。这种策略按某种固定规则进行路由选择，包括泛射路由选择、固定路由选择算法。

　　24、动态路由选择策略：这种方法依靠网络当前的状态信息来决定路由，包括距离矢量路由算法和链路状态路由算法。

　　25、拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分及至整个网络性能下降的现象，严重时会出现死锁。

　　阻塞控制不同于流量控制，流量控制是基于平均值的控制，是指对一条通路上的通信量进行控制，主要解决一条通路上各接收节点接收能力不足的问题，阻塞多是由于某处峰值流量过高而发生，它与通信子网传送的分组总量有关。

　　拥塞控制问题的解决方案可以分为开环的和闭环的，一旦出现拥塞，有两种解决方法：增加资源或降低负载。

　　26、X.25协议描述了主机（DTE）与分组交换网（PSV）之间的接口标准，X.25包括物理层、数据链路层和分组层三个层次。（分组层相当于OSI参考模型中的网络层）其主要功能是向主机提供多信道的虚电路服务。

　　X.25分组级的功能是将链路层所提供的连接DTE-DCE的一条或多条物理链路复用成数条逻辑信道，并且对每一条逻辑信道所建立的虚电路执行与链路层单链路协议类似的链路建立、数据传输、流量控制、顺序和差错检测、电路的拆除等操作。

　　X.25提供虚呼叫和永久虚电路两种虚电路服务，规定的虚电路服务属于面向连接的服务。

　　在X.25的分组级上，所有信息都以分组为基本单位进行传输和处理，分组级包括RR、RNR、REJ三个分组，称为流量控制分组。

　　X.25确认分组用作呼叫建立和清除、数据和中断、流量控制和复位、重启动等。

　　27、网际互联的目的是使一个网络上的用户能访问其它网络上的资源，使不同网络上的用户相互通信和交换信息，网际互连不仅有利于资源共享，也可以从整体上提高网络的可靠性。实现网际互连的条件：A、在网络之间至少提供一条物理上连接的链路，并具有对这条链路的控制规程；B、在不同网络的进程之间提供合适的路由实现数据交换；C、有一个始终记录不同网络使用情况并维护该状态信息的统一的记费服务；C、在提供以上的服务时，尽可能不对互连在一起的网络的体系结构作任何修改。

　　局域网、广域网的网际互连有“LAN-LAN、LAN-WAN、WAN-WAN、LAN-WAN-LAN”四种形式。

　　28、网间连接器是指用于网络之间互连的中继设备，它可分为转发器、网桥、路由器和网关。

　　①转发器：在物理层间实现透明的二进制比特复制，以补偿信号衰减；②网桥：提供链路层间的协议转换，在局域网之间存储和转发帧；③路由器：提供网络层间的协议转换，在不同的网络之间存储和转发分组；④网关：提供运输层及运输层以上各层间的协议转换。

　　29、运输层是OSI七层模型中的第四层，运输层是OSI七层模型中最重要、最关键的一层，是唯一负责总体数据传输和控制的一层。

　　运输层的两个主要目的是：①提供可靠的端到端的通信；②向会话层提供独立于网络的运输服务。

　　运输层的主要功能是：对一个进行的对话和连接提供可靠的运输服务，在通向网络的单一物理连接上实现该连接的复用，在单一连接上提供端到端的信号与流量控制、端到端的差错控制以及恢复等服务。

　　运输层的服务包括的内容有：①服务类型：两大类，面向连接的服务和无连接的服务。②服务等级；③数据传输：一般采用全双工服务；④用户接口；⑤连接管理；⑥状态报告；⑦安全保密。

　　30、服务质量（QOS）是指在运输连接点之间看到的某些运输连接的特征，是运输层性能的度量，反映了传输质量及服务的可用性。根据用户要求和差错性质，网络服务按质量可划分为三种类型：①A型网络服务：具有可接受的残留差错率和故障通知率；②B型网络服务：具有可接受的残留差错率和不可接受的故障通知率；③C型网络服务：具有不可接受的残留差错率。

　　用户要求比较高，则一个网络可能归于C型。丢失数据对于电子邮件来说算是A型，而对于银行系统来说就是C型了。A型的服务质量最高。服务质量划分得较高的网络，仅需要较简单的协议级别，即：Aà0级协议（简单级）。

　　31、传输服务原语分为请求、指示、响应、确认四种类型。

　　32、在TCP/IP协议体系中，进程间的相互作用主要采用客户/服务器模式（原因是网络资源分布不均和网络环境中进程通信的异步性），客户/服务器模式采用“请求驱动”方式工作。

　　33、TCP协议的特点是面向连接服务、高可靠性、全双工通信、支持流传输、传输连接的可靠建立和释放、提供流量控制和拥塞控制。

　　34、会话层在传输层提供的服务上，加强了会话管理、同步和活动管理等功能。

　　会话层管理方法包括令牌与对话管理、活动与对话单元以及同步与重新同步等。

　　35、表示层的主要功能有：①语法转换：数据表示、数据压缩、网络安全和保密等；②语法协商；③连接管理。

　　36、应用层也成为应用实体（AE），它由若干个特定应用服务元素（SASE）和一个或多个公用应用服务元素（CASE）组成，每个SASE提供特定的应用服务，CASE提供一组公用的应用服务。

　　37、应用层常用的协议有：文件传送、访问和管理、虚拟终端（非对称模型和对称模型）、电子邮件和其他应用功能（目录服务、远程作业录入、图形、信息通信）。

　　38、TCP/IP协议是美国国防部高级计划研究局DARPA为实现ARPANET互联网而开发的，TCP/IP已成为一个事实上的工业标准，TCP/IP分层模型包括两方面内容：一是层次结构、二是各层功能的描述。TCP/IP参考模型可分为应用层、传输层、互连层、主机-网络层。

　　39、TCP/IP在传输层提供两个主要协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。

　　TCP提供的是一种可靠的数据流（虚电路）服务，TCP采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。TCP采用“滑动窗口”的流量控制机制提高网络的吞吐量。

　　UDP是对IP协议簇的补充，发送方通过它可以区分一台计算机上的多个连接者。UDP是依靠IP协议来传送报文，因而它的服务和IP的一样是不可靠的。

　　40、TCP/IP应用层包括下列四种协议：①文件传输协议FTP：它是网际提供的用于访问远程机器的一个协议，它使用户可以在本地机与远程机之间进行有关文件的操作。工作时建立两条TCP连接，一条用于传送文件，一条用于传送控制。

　　②远程终端访问TELNET③域名服务DNS④简单邮件传送协议STMP：它是一个简单的基于文本的协议，用于可靠、有效的数据传输。