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1、第三章 计算机网络体系结构计算机网络是一个十分复杂的系统，它涉及到计算机技术、通信技术等多个领域。特别是现代计算机网络已经渗透到工业、商业、政府、军事等各个行业以及生活中的各个方面，这样在一个庞大而又复杂的系统要有效而且可靠地运行，网络中的各个部门就必须遵守一套合理而严谨的结构化管理规则。计算机网络就是按照高度结构化的设计方法，采用功能分层原理来实现的，这也是计算机网络体系结构研究的内容。本章重点（1）掌握网络的基本组织方式（2）了解网络中层次结构的基本思想（3）掌握TCP/IP参考模型的体系结构第一节 网络体系结构网络体系结构（Network Architecture）是计算机网络的分层、各
2、层协议、功能和层间接口的集合。不同的计算机网络具有不同的体系结构，其层的数量、各层的名称、内容和功能以及各相邻层之间的接口不一样。然而，在任何网络中，每一层都是为了向它的邻接上层提供一定的服务而设置的，而且每一层都对上层屏蔽如何实现协议的具体细节。这样，网络体系结构就能做到与具体的物理实现无关，既使连接到网络中的主机和终端的型号及性能各不相同，只要它们共同遵守相同的协议就可以实现互通信和互操作。一、 协议 计算机网络基础教程P16电子工业出版社协议是用来描述通信进程之间信息交换过程的一个术语。在网络中，包含多种计算机系统，在硬件和软件系统各不相同，要使得它们之间相互通信，就必须有一套通信管理机
3、制，使通信双方能正确地接收信息，并理解对方所传输信息的含义。也就是说，当用户使用程序、文件传输信息包、数据库管理系统电子邮件等互相通信时，它们必须事先约定一种规则，这种规则可称为协议。准确地说，协议就是为实现网络中的数据交换而建立的规则标准或约定。计算机网络中，协议的定义是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合。协议有三个要素：（1）语法（Syntax）：数据与控制信息的格式、数据编码等。（2）语义（Semantics）：控制信息的内容，需要做出的动作及响应。（3）时序（Timing）：事件先后顺序和速度匹配。在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成，这些实体抽象地表示了通信时的软件元
4、素（如进程或子程序）或硬件元素（如智能I/O芯片等），也可以说，实体是通信时能发送和接收信息的任何硬软件设施。分层结构中相邻层之间有一接口，这定义了较低层向较高层提供的原始操作和服务。相邻层通过它们之间的接口交换信息，一般应使通过接口的信息量减到最少，这样使得两层之间尽可能保持其功能的独立性。二、协议分层为了降低设计的复杂性和便于维护，一般的网络设计都采用了层次结构，这里将用一个图来说明层次结构的通信原理，如图3.1.1所示。图3.1.1 协议层接口结构图协议层次化结构的优点：（1）各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，可以真正做到各司其职。（2）利于实现和维护，某个层次实现细节的变化
5、不会对其他层次产生影响。（3）易于标准化。层次结构虽然有它的优点，但是如果划分得不合理，反而会带来许多负面影响。如：层次的数量不能过多；层次的数量也不能过少；类似的功能放在同一层；在实现技术经常变化的地方增加层次；层次边界要选得合理，使层次之间的信息流量最小等。三、其他相关概念计算机网络中一些很关键的概念，除了前面讲的协议和协议分层以外，下面也对这几种协议做以讲解。1系统和实体系统是网络中有自治能力的计算机或交换设备，从拓扑学的角度讲往往把它叫做网络节点或简称节点。实体是指每个层次中能够发送和接收信息的任何东西。实体包括软件实体（如进程）和硬件实体（如智能I/O芯片）。位于不同系统的同一层次的
6、实体叫做对等实体。协议就是计算机网络中对等实体之间有关通信规则约定的集合。2服务原语服务原语（Service Primitive）是指服务用户与服务提供者之间进行交互时所要交换的一些必要信息。OSI/RM规定了四种服务原语类型，如表3.1所示。表3.1 四种服务原语及其意义服务原语类型意 义请求（Request）一个实体希望得到某种服务指示（Indication）把关于某一事件的信息告诉某一实体响应（Response）一个实体愿意响应某一事件证实（Confirm）把一个实体的服务请求加以确认并告诉它从使用服务原语的角度考虑，可将服务分为需要证实的服务和不需要证实的服务两大类，前者每次服务要使用
7、全部四种服务原语，而后者只使用两种服务原语，如图3.1.2所示。图3.1.2 服务原语关系图一个完整的服务原语应当包括原语名字、原语类型和原语参数三大部分，例如一个属于网络连接建立的请求服务原语的写法是： 3网络协议协议是用来描述两个进程之间信息交换规则的术语。在计算机网络中，相互通信的双方处在不同的地理位置，其上的两个进程相互通信，需要通过交换信息来协调它们的动作以致达到同步。而信息的交抽象必须按照预先约定好的规则进行，在计算机网络中通信双方都遵守的规则为网络协议。4服务和协议的关系服务是由一系列服务原语组成的，这位于层次接口的位置，表示底层为上层提供哪些操作功能，至于这些功能是如何实现的，
8、完全不是服务考虑的范畴；协议是同一层次对等实体之间的，有关协议数据单元的格式、意义以及控制规则的集合，实体使用协议的最终目的是为了实现它所要提供的服务，每一层可以根据需要选择和改变本层所使用的协议，而不影响高层的软件实现。第二节 OSI参考模型概述OSI参考模型是由国际标准化组织ISO在20世纪80年代初提出来的。ISO自从1946年成立以来，已经提出了5000多个标准，而最著名的是ISO/IEC 7498，这个关于网络体系结构的标准定义了网络互连的基本参考模型。 计算机网络基础教程P21电子工业出版社1974年IBM公司率先发表了系统网络体系结构SNA，后来相继出现了十多种网络体系结构，如数
9、字网络体系结构DNA、分布式计算机体系结构DCA、先进的网络系统体系结构ANSA、传输控制协议/互联网协议TCP/IP等。而这些网络体系结构所构成的网络之间无未能互通信和互操作。为了在更大范围内共享网络资源和相互通信，人们迫切需要一个共同的可以参照的标准，使得不同厂家的软硬件资源和设备能够互通信和互操作。为此，国际标准化组织ISO（International Standards Organization）于1977年成立了信息技术委员会，专门进行网络体系结构标准化的工作。在综合了已有的计算机网络体系结构的基础上，经过多次讨论研究，最后公布了网络体系结构的七层参考模型RM（Reference M
10、odel），即著名的开放式系统互连OSI（Open System Interconnection）参考模型，简称OSI/RM。OSI参考模型本身并不是网络体系结构。按照定义，网络体系结构是网络层次结构和相关协议的集合。其实，OSI参考模型并没有精确定义各层的协议，没有讨论编程语言、操作系统、应用程序和用户界面，只是描述了每一层的功能。但这并不妨碍ISO组织制定各层的标准，只不过这些标准不属于OSI参考模型本身。OSI参考模型具有七个层次的框架，自下而上分别称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图3.2.1所示。图3.2.1 OSI参考模型示意图一、物理层 计算机网络
11、基础教程P21电子工业出版社物理层是OSI参考模型中的最低层，也是最重要、最基础的一层。它是建立在通信介质基础上的、实现设备之间联系的物理接口。1基本概念 计算机网络基础P54电子工业出版社物理层既不是指连接计算机的具体物理设备，也不是指负责信号传输的具体物理介质，而是指在连接开放系统的物理介质上为上一层（数据链路层）提供传输比特流的一个物理连接。CCITT（国际电报电话咨询委员会）对物理层作了如下定义：利用物理的、电气的、功能和规程特性，在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。其中DTE指的是数据终端设备，是对所用连网的用户设备或工作站的能称，DTE既是信源，又是信宿，它具
12、有根据协议控制数据通信的功能。如：数据输入、输出设备、通信处理机、计算机等。DCE指的是数据电路端接设备或数据通信（传输）设备。物理层的主要任务是为物理上相互关联的通信双方提供物理连接（物理信道），并在物理连接上透明地传输比特流。2物理层的作用物理层是OSI参考模型的最底层，向下直接与物理传输介质相连接。物理层的作用是实现两个网络设备之间二进制位流的透明传输，对上层（数据链路层）屏蔽物理传输舒介质的差异。用户知道，主机、终端等用户设备需要通过通信接口设备才能连接到通信网。在OSI环境中，通常把具有一定数据处理能力的发送、接收数据的设备称为数据终端设备DTE（data terminal equi
13、pment），而把通信接口设备称为数据电路端连接设备DCE（data circuit-terminating equipment）。DCE的作用就是在DTE和通信网之间提供信号变换及编码功能，并负责建立、维护和释放物理连接。物理层的作用如图3.2.2所示。不改图3.2.2 物理层的作用3物理层接口特性除了不同的传输介质自身的物理特性外，物理层还对通信设备和传输媒体之间使用的接口作了详细的规定，主要体现在4个方面：（1）机械特性。机械特性规定了物理连接时所需接插件的规格尺寸、针脚数量列情况等。如EIA的RS-232C标准规定的D型25针接口，ITU-T X.21标准规定的15针接口等。（2）电气
14、特性。电气特性远规定了物理信道上传输比特流时信号电平的大小、数据的编码方式、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。比如，在使用RS 232 C接口且传输距离不大于15 m时，最大速率为19.2Kb/s。（3）功能特性。功能特性对接口各信号线的功能给出了确切的定义，说明某些连线上出现的某一电平的电压所不示的意义。与功能特性有关的国际标准主要有ITU-T的V.24和X.21。接口信号线按其功能一般可分为接地线、数据线、控制线、定时线等几类。（4）规程特性。规程特性规定了DTE和DCE之间各接口信号线实现数据传输的操作过程，也就是在物理连接的建立、维持和拆除时，DTE和DCE双方在各电路上的动作顺序以及维
15、护测试操作等。规程特性反映了在数据通信过程中，通信双方可能发生的各种可能事件。由于这些可能事件出现的先后顺序不尽相同，而且又有多种组合，因而规程特性往往比较复杂。常见的规程特性标准有ITU-T的V.24，V.25，V.54，X.20，X.21等。如表3.2所示，列出了CCITT建议中有关规程特性的建议。表3.2 CCITT建议中有关规程特性的建议CCITT建议说 明等效规程V.24规定了接口的功能特性和规程特性EIA RS-232-CEIA RS-449V.25使用自动呼叫设备（ACE）的规程EIA RS-366-AV.54维护测试环路的规程EIA RS-449V.20公用数据网异步工作规程X
16、.20b/s与V系列异号Modem接口的DTE在PDN中进行异步工作的规程EIA RS-232-CX.21公用数据网同步工作规程X.20b/s与V系列异号Modem接口的DTE在PDN中进行异步工作的规程EIA RS-232-CEIA RS-449X.22在PDN中，若干条电路进行时分复用的同步工作规程X.150公用数据网维护测试环路的规程4典型的物理层标准 计算机网络教程P72机械工业出版社（1）EIA RS 232-C接口标准。EIA RS 232-C是美国电子工业协会EIA制订的著名的物理层标准，简称RS 232-C。RS 232-C是DTE与DCE之间的接口标准，是目前各国厂家广泛使用
17、的国际标准。这里RS表示EIA的一种“推荐标准”，232是编号，C是版本，即RS 232修改的次数，C为第三次。RS 232-C可以直接用在计算机或终端与调制解调器之间的连接，即DTE与DCE的连接，也可以用在计算机与计算机（或终端）之间的直接连接，即DTE与DTE的连接，如图3.2.3所示。（a） DTE与DCE连接（b） DTE与DTE连接图3.2.3 RS 232-C的连接由于在RS 232-C接口中，发送信号针与接收信号针是不可以改变的，所以在DTE与DTE直接连接时就需要用两个接口过渡，实现发送与接收的连接，接口用MC来表示。用RS 232-C标准接口在DTE与DTE之间连接时，RS
18、 232-C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网络没有直接的关系。1）RS 232-C的机械特性，RS 232-C的引脚采用针式连接器，具有25针，各针的排列及针间距离、尺寸都有详细规定。2）RS 232-C的功能特性，在RS 232-C的25个针中，定义了21个交换电路，有以下功能：地线：保护地线与信号地线。数据线：发送数据与接收数据。控制线：请求，允许发送，数据设备准备，数据终端准备，数据设备接至地线，接收线路信号检测，信号质量检测，数据信号速率选择。定时线：传输信号与接收信号元件定时。辅信道线：辅信道线是发送和接收数据，清除发送和接收线路信号检测。3）R
19、S 232-C的电器特性。RS 232-C的电器特性采用非平衡驱动、非平衡接收的电路连接方式。信号驱动器的输出阻抗300 ，接收器输入阻抗为3 k 7 k 。信号电平-5 V-15 V代表逻辑“1”，+5 V+15 V代表逻辑“0”。在传输距离不大于15 m时，最大速率为19.2 Kb/s,如图3.2.4所示。图3.2.4 RS 232-C的电气特性4）RS 232-C的规程特性。对于RS 232-C的规程特性，这里以远程终端通过调制解调器与计算机之间实现的半双工通信为例进行讲解，如图3.2.5所示。图3.2.5 用RS 232-C实现的半双工通信过程第一步：接通线路，终端通知Modem要求接
20、通线路，功能针发出交变电平信号。第二步：Modem响应，回答Modem是否准备好，如果功能针用高电平回答，表示已准备好。第三步：请求发送，终端使接口请求发送针处于通状态，表示准备发送数据。第四步：允许发送，计算机接收到发送请求，通过接口功能指针响应，允许或不允许发送。允许发送，同时就表示已准备好。第五步：发送数据，对方Modem接收到载波后，向CPU发出信号，完成检测，接收数据载波和接收数据准备。第六步：接收数据，计算机接收数据，恢复原状。RS 232-C标准存在两大弱点：1）数据传输速率低，最高传输速率为20 Kb/s。2）传输距离短，连接电缆的最大长度不超过15 m。（2）EIA RS 4
21、49、RS 422-A和RS 423-A接口标准。由于RS 232-C协议的所有线路共用一个地线，是一种非平衡结构，因此可能在设备之间产生较多的串话干扰。另外，它规定的接口连线长度和传输速率都有限制。EIA在1977年推出了RS 449标准，其机械、功能、规程特性由RS 499定义，电气特性有两个不同的标准：RS 422-A（平衡型）和RS 423-A（半平衡型），该新标准大大提高了接口性能。RS 422-A在传输距离为10 m时，数据传输速率可达100 Kb/s；传输距离为100 m时，数据传输速率为10 Kb/s。RS 423-A在传输距离为10 m时，数据传输速率可达10 Mb/s；传输
22、距离为1 000 m时，数据传输速率为100 Kb/s。（3）ITU-T X.21接口标准，X.21协议是ITU-T于1976年推荐的一种数字接口标准。作为X.25协议的第一级，它规定了DCE如何与DTE通过交换信号来建立和拆除连接。计算机网络基础P59X.21接口标准采用15芯连接器，它只定义了8根信号线，如图3.2.6所示。X.21功能特性的目标之一是尽量减少接口线数目，特别是减少控制类接口线。因此，与RS 232-C相比，X.21的功能定义表要简单得多，如表3.3所示。表3.3 X.21功能表信号名信号方向名 称功能说明DCEDTEG信号地GaDTE公共回路地GbDCE公共回路地T发送线
23、用于传送数据和线路控制信息R接收线具体内容取决于C和I的状态C控制线DTE给DCE提供的控制信息I指示线DCE给DTE提供的线路状态信息S位定时线DCE提供的位定时信号B字节定时线DCE提供的字节定时信号X.21的连接方法如图3.2.6所示。其中传输线T、接收线R可以以同步方式在两个方向上同时传递信息，即可以进行全双工传输；S线提供数据位流动的定时功能；控制线C表示是否与网络连通；I则标志数据传输阶段是否开始。X.21接口的工作过程分为四个阶段：空闲阶段、呼叫建立阶段、数据传输阶段和拆线阶段。图3.2.6 x.21的DTE与DCE接口二、数据链路层数据链路层处于OSI参考模型的第二层。该层利用
24、物理层提供的位串传输功能，在相邻结点之间实现透明的高可靠性传输。1基本概念数据链路层主要是通过物理层进行数据通信，物理层通过通信介质实现实体之间链路的建立、维持和拆除，形成物理连接。物理层只是接收和发送一串比特流信息，不考虑信息的意义和信息的结构。它不能解决真正的传输与控制问题。为了真正有效地、可靠地传输数据，就需要对传输操作进行严格的控制和管理，这就是数据链路传输控制规程的任务，也就是数据链路层协议的任务。因此，数据链路层的主要任务就是检测并校正物理层传输介质上产生的传输差错。数据链路层负责数据链路信息从源点传输到目的点的数据传输与控制，如连接的建立、维护与拆除、异常情况处理、差错控制与恢复
25、、信息格式等。2数据链路层的作用（1）信息的帧化。在用数据链路传送信息时，为了便于计算机进行处理，将从物理层来的原始位流进行分割，按照一定的格式组成若干个“帧”（frame），以帧为单位进行传送。由于在物理层只发送接收一串二进制位流而不管其意义和结构，所以在链路层要建立和识别帧的边界，一般的做法是在帧的开始和结尾增加一些特殊的位组合来实现。（2）流量控制。流量控制是采用一定措施使通信网络中部分或全部链路或节点上的信息流量不超过某一限制值，来保证信息流动顺利通畅，以免由于信息流量过大而造成信息拥挤，使信息通过能力下降，甚至造成系统“死锁”。数据链路层采用简单的流量控制方式。流量控制，虽说发送一方
26、能够连续发送多个帧，但前提条件是接收一方能够与发送方的速度相匹配。不允许出现发送速度超过接收能力的现象，否则就可能丢失数据，这就是所谓流量控制。（3）差错控制手段。数据在物理层的传输难免出错，这时，发送端的数据链路层软件必须能够重发这个帧，直到最终收到接收方的正确应答为止。为此，帧结构中还必须包含校验位。差错主要表现在：节点失效、协议使用无效、传输干扰引起的差错以及信息丢失等。差错的出现一般都是突发性的，难以检查和纠正，所以，系统必须对差错进行及时的控制与恢复。常用的差错控制方法有两种：一种是反馈检测；另一种是检错重发。反馈检测是接收方收到有差错的数据帧时，能够自动将差错改正过来。反馈检测主要
27、用于面向字符的异步数据传输中，这种方法原理简单，实现容易，可靠性强，但其开销大，信道利用率低。反馈检测工作如图3.2.7所示。不改图3.2.7 反馈检测的工作过程检错重发是接收方可以检测出收到的数据（帧）中出现的差错，然后让发送方重新发送数据，直到接收到的数据是正确的数据为止，检错重发的工作流程，如图3.2.8所示。不改图3.2.8 检错重发的工作过程（4）数据链路管理。数据链路管理包括链路的建立、维护和拆除。在链路两端的节点进行通信前，必须首先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号进行初始化，然后再建立链路连接。在传输过程中还要能维持这种连接，如果出现差错，需要重新初始化，重
28、新自动建立连接。传输完毕后要拆除该连接。（5）透明传输。在数据链路层中，对所传输的数据无论它们是由什么样的比特组合起来的，在数据链路上都应该能够传输，这就是透明传输。为此，如果存在所传数据中的比特组合正好与某种控制信息完全一样，应该有措施把它与控制信息区分开，对在同一帧中的信息也要做到将数据与帧中所包含的控制信息分开，以保证数据在数据链路层的传输是透明的。（6）识别数据和控制信息。在多数情况下数据和控制信息处于同一帧中，并且它们由同一通信道传输，因此，要有使接收方能识别它们的方法和措施。（7）寻址。在多点连接进行数据传输时，要保证每一帧被送到正确的地方，接收方要能够知道谁是发送方，这就需要具有
29、寻址功能。3链路结构及特性 不改在数据沿链路进行传输的过程中，必须对链路进行控制才能实现上述功能。链路控制规则与链路的特性密切相关。因此，先来介绍链路的主要特征，主要包括链路的拓扑结构、链路传输的双工性。（1）链路的拓扑结构。是指一条链路上通信设备的连接方式，可以归纳为点一点链路和多点链路两类：1）点一点链路是在一条传输线上只连接了两个通信实体，这样链路就是点一点链路，如图3.2.9所示。图3.2.9 点一点链路点一点链路最典型的例子是交换网中的链路，另一个例子是计算机与多台终端组成的数据通信系统，每个终端都分别通过一条专用的线路与主机的一个I/O口相连，各自构成一条数据链路，如图3.2.10
30、所示。图3.2.10 星形点一点链路2）多个通信实体通过一条或多条传输线路互相连接起来，就构成多点链路。多个终端通过一条共享的链路与计算机的一个I/O端口相连，就构成了如图3.2.11所示的多点链路构型。图3.2.11 多点链路拓扑结构（2）数据链路的双工性。指一条链路上的数据流的方向及其时间关系。分为以下几种： 1）单工方式。在这种方式中，链路上的数据总是朝一个方向流动，不可反向流动。如：打印机、显示器之间的数据传输就是以单工方式进行的。 2）半双工方式。在半双工数据传输中，链路上的数据被允许在时间上不重叠地交替双向流动，但不可同时双向流动。半双工方式要求通信双方各具有不同时工作的发送和接收
31、部件。这种方式得到广泛的应用，因它具有控制简单、可靠，通信成本低，并可实现差错控制等优点。 3）全双工方式。在全双工数据传输中，链路上的数据被允许同时双向流动。全双工方式要求通信双方具有能同时工作的发送和接收部件，而且还要求具有两条性能对称的传输线路。这种方式广泛用于要求高效、大量双向信息传输的应用场合。在点一点链路上，链路的双工性比较简单，而对于多点链路，情况比较复杂。一条链路上的各通信实体，可能具有不同的双工性。归结起来，不外乎有以下三种情况，如图3.2.12所示。图3.2.12 多点链路传输方式4HDLC的配置与数据传输模式 计算机网络基础P62HDLC即高级数据链路控制规程。它是Hig
32、h-level Data Link Control的缩写。HDLC是面向比特的数据链路控制规程。HDLC规程具有透明传输、可靠性高、传输效率高、灵活性强等特点。HDLC协议是一种面向比特型的传输控制协议，其数据单位为帧，有一固定的统一格式。在链路上传输信息采用连续发送方式，即发送一帧信息后，不用等到对方的应答就可发送下一帧，直到接收端发出请求重发某一信息帧时才中断原来的发送。（1）三种类型的站。HDLC规定允许有三种类型的通信站：主站、次站和组合站。 1）主站：主站负责控制链路的操作与运行。主站向次站发送命令帧，并从次站接收响应帧。在多点链路中，主站负责管理与各个次站之间的链路。 2）次站：次
33、站的主要功能是发出响应帧，接收主站的命令帧，并配合主站参与差错恢复等链路控制。 3）组合站：组合站具有主站和次站的双重功能，既能发送、又能接收命令帧和响应帧，并负责整个链路的控制等。（2）链路结构。HDLC规定了两种链路结构：非平衡结构和平衡链路结构。 1）非平衡结构：由一个主站与一个以上次站构成。既可用于点到点链路，也可用于多点链路。主站控制次站并实现链路管理。非平衡结构如图3.2.13所示。图3.2.13 HDLC链路结构 2）平衡结构：由两个组合站构成，只能用于点到点链路。两个站的地位平等，每个站都有权发送命令帧要对方响应。（3）数据传输模式，HDLC有三种响应模式：正常响应模式、异步平
34、衡模式及异步响应模式。 1）正常响应模式（NRM）。用于不平衡链路结构，只有主站才能启动数据传输，从站仅当收到主站的询问命令后才能发送数据。从站的响应信息可由一个或多个帧组成，并指出哪一个是最后一帧，从站发出最后的响应帧后将停止发送。在这种模式中，主站负责管理整个链路，负责对超时、重发和各类恢复操作的控制，并有查询次站和查询次站向次站发送信息的权利。 2）异步平衡模式（ABM）。用于平衡链路结构。任何一个组合站不必事先得到对方许可，就可以开始传输过程。由于不需要提前查询，全双工点一点链路采用ABM模式可以达到较高的链路利用率。 3）异步响应模式（ARM）。这种方式用于不平衡链路结构。ARM方式
35、允许次站在事先未得到主站的允许下开始传输数据，主站仍然负责控制和链路管理。这种方式目前用得很少。5HDLC的帧类型HDLC帧中的控制字体段C有3种格式，相应地HDLC有3种帧：信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）。如图3.2.14所示为控制字段的3种格式，根据控制字段的第一、二两位来区分帧的类型：当首位为0时表示是信息帧；第一、二位为1，0时表示是监控帧；第一、二位为1时表示是无编号帧。图3.2.14 HDLC的类型N（S）表示发送信息帧的顺序号，顺序号从0开始，每发送一个信息帧，该号增1。因为N（S）占用3比特，因此顺序号只能是07，即发送信息帧以模8计数。具体使用时，如“012
36、345670”，这样重复循环序号。N（R）表示接收顺序帧的顺序号，即接收站希望接收的下一个信息帧的帧号。N（R）也占用3位，因此N（R）也是以模8计数。P/F表示查询/结束位。在命令帧中，以P位出现，即查询位，P被置“1”表示主站请求次站响应；而在响应帧中，以F位出现，即结束位，次站的F位置1，表示传输即将结束。S表示监控功能位，表示监控的命令和响应，占用两位，因此可有4种组合。M表示修改功能位，占用5位，表示附加的功能。（1）信息帧（I帧）。息帧中包括信息（I）字段，具有完全的控制顺序。发送站对发送的信息帧的顺序以模8计数，作为发送顺序号N（S）；接收站对接收信息帧的顺序计数，作为回答发送站
37、的接收顺序号N（R）。发送站发送一个I帧后，需要对方发送一个应答信息，以说明I帧是否已被正确接收。HDLC规定接收站不必单独为每一帧都回送应答信息，而是由N（R）指出下一个要接收的信息帧的应答信号，帧编号有3位，因此发送站在收到对方的应答信息之前可以最多连续发送7个帧。（2）监控帧（S帧）。监控帧中没有IP字段，用于完成链路的监控功能，监视链路上的常规操作。S帧可告辞发送方发送帧后接收方接收的情况及待接收的帧号。S帧的N（R），P/F的含义与I帧相同。S帧C字段第3、4位可组合成00，0，10，11四种情况，因此对应有四种不同的S帧，如表3.4所示。表3.4 S格式帧控制段的编码名 称命 令响
38、 应控制段各比特b1b2b3b4b5b6b7b8接收准备好RR001000P/FN（R）未准备接收RNR011010请求发送REJ101001选择重发SREJ111011 1）接必准备好（RR）帧：该帧的功能是期待接收第N（R）帧，并表示第N（R）-1号帧及以前各帧均已正确接收。 2）未准备接收（RNR）帧：该帧的功能是告知对方暂停发送第N（R）帧，并表示第N（R）-1号帧及以前各帧均已正确接收。 3）请求发送（REJ）帧：该帧的功能是告知对方将第N（R）帧及以后各帧重新发送，并表示第N（R）-1号帧及以前各帧均已正确接收。 4）选择重发（SREJ）帧：该帧的功能是告知对方只将第N（R）帧重机
39、新发送，并表示第N（R）-1号帧及以前各帧均已正确接收。（3）无编号帧，用于提供附加的链路控制功能的帧。该帧没有信息帧编号，因此可以表示各种无编号的命令和响应（一般情况下，各种命令和响应都是有编号的），以扩充主站和次站的链路控制功能。6HDLC的帧格式HDLC的帧格式如图3.2.15所示。图3.2.15 HDLC的帧格式图中F字段是由8位固定编码“”组成，表示帧的开始和结束。它也可兼做上一个帧的结束标志和下一个帧的开始标志，具有帧同步的作用。标志序列也可用作帧间填充字符。如果一个帧的长度小于32位（不包括标志序列在内），则认为该帧无效。本帧接收站（地址字段）A在命令帧中，给出执行该命令的次站地
40、址；在应答帧中，该字段给出做出应答的次站地址。通常地址字段A为8位，共有256种编址。为了适应特定的环境，允许采用扩充地址字段。具体办法是：保留每个8位地址的最低位为0来表示后面可以多次对地址字段进行扩充。控制字段C用于表示所使用帧的类型以及序列号。该字段也可以被用来去命令被选站执行某种操作，或传递被选站对主站命令的应答。信息字段I表示链路所要传输的实际信息，它不受格式或内容的限制，任何合适的长度（包括0在内）都可以。通常信息字段的实际长度往往与数据站设置的缓冲区有关，最大长度是通信信道差错率的函数。帧校验序列FCS可以使用16位或32位的帧校验序列，用于差错检测。7HDLC的数据传输过程按照
41、HDLC协议，两个站点使用交换线路的通信，可以分为五个阶段：建立连接、建立链路、数据传输、拆除链路、拆除连接。如果通信双方采用专线连接，则不需要建立连接和拆除连接。HDLC通信过程由3个阶段组成：建立连接阶段、数据传输阶段及释放数据链路阶段，如图3.2.16所示。图3.2.16 HDLC通信过程三、网络层 计算机网络基础P66电子工业出版社网络层的任务是分组传送、路由选择和流量控制，最主要的功能是实现端到端通信系统中中间节点的路由选择。从OSI/RM的通信角度来看，网络层所提供的服务主要有两大类：面向连接的网络服务和无连接的网络服务，这两种网络服务的具体实现就是所谓的虚电路服务和数据报服务。1
42、基本概念网络层也称通信子网层。网络层是通信子网的最高层，是高层与低层协议之间的界面层。网络层用于控制通信子网的操作，是通信子网与资源子网的接口。网络层关系到通信子网的运行控制，体现了网络应用环境中，资源子网访问通信子网的方式。网络层接收来自数据链路层的服务，同时向传输层提供服务。网络层的主要任务就是实现整个通信子网系统内的连接，为传输层提供整个网络范围内两个终端用户之间数据传输的通路。如果两用户之间的通路跨越多个网络，网络层还可提供正确的路由选择、数据交换服务等。2网络层的作用介绍了目前常用的几种数据交换方式，即线路交换方式、存储/转发方式及一些新的交换方式。相应地，常用通信子网有电话网（线路
43、交换）、公用数据网（分组交换）等。这些实际通信网是构成网络层的一个要素，常用“子网”一词表示，如图3.2.17所示。图3.2.17 网络层的作用（1）路径选择。路径选择也称路由选择，它就是根据一定的原则和路由选择算法在多节点的通信子网中选择一条从源节点到目的节点的最佳路径。当然，最佳路径是相对于几条路径中较好的路径而言的，一般是选择时延小、路径短、中间节点少的路径做最佳路径。通过路由选择，可使网络中的信息流量合理分配，减轻拥挤，提高传输效率。路径选择的策略有很多，这里不进行具体的讨论。应该指出的是，衡量一个路径选择策略的好坏与具体网络的不同服务项目和性能有很大的关系。归纳起来一个好的路径选择策
44、略应具有如下特性： 1）能正确、合理、迅速地传输信息。 2）能适应由于结点或链路故障引起的拓扑变化。 3）能适应网络通信流量的变化。 4）算法应该尽可能简单，以减少网络控制信息的开销。（2）流量控制。通信子网中的资源（如结点交换机的缓存空间、信道容量等）总是有限的，如果对进网的业务量不加以限制，就会出现由于资源过多而造成拥塞的现象。网络层流量控制是对进入通信子网的数据量加以控制，以防止拥塞现象的出现。流量控制的实现，要实现网络上的任意节点无失真地传输，并保证传输的可靠性，必须进行流量控制。信息在网络中流动要经过一系列节点，这些节点通常被分为信源主计算机、信宿主计算机、信源节点、信宿节点、中间节
45、点等。各种节点在通信信道中所处位置如图3.2.18所示。为此，通信和流量控制可以分三个层次进行。不改图3.2.18 各种节点在通信信道中所处位置信源主计算机目的计算机层。这一层的通信和流量控制由传输层（运输层）完成。信源节点信宿节点层。这一层的通信和流量控制由网络层完成。节点节点层。这一层的通信和流量控制由数据链路层完成。 1）相邻中转节点之间的流量控制，相邻中转节点产生的死锁主要有两种：直接死锁和间接死锁，如图3.2.19所示。图3.2.19 直接死锁和间接死锁示意图流量控制往往采用交互应答式。接收方用RR肯定就答或用RNR否定应答发送方。只有当发送方接收到RR后才继续发下一个报文分组。对每
46、个节点来说，它至少要保留一个缓存单元是空的。 2）信源节点与信宿节点间的流量控制，信源节点与信宿节点产生死锁，典型的是重装死锁，即多个报文发到一个存储空间内。防止重装死锁产生的流量控制方法是：在发报文分组前，约定存储空间。实现过程如图3.2.20所示。图3.2.20 防止重装死锁产生的流量控制方法 3）信源主计算机与信宿主计算机间的流量控制，分两种方式：一是预约方式。信源主计算机向信宿主计算机发报文之前，信宿主计算机将自己的缓冲容量告诉信源主计算机。二是传输前等待方式。当一台主计算机与多台主计算机通信时，缓冲区的分配由系统统一管理。另外，对各层进行流量控制都可以采用许可证法实现。即在网络内设置
47、固定数目的“许可证”每证允许携带一个报文分组。这种方法的缺点是进场延迟大，需进行多次检验。（3）组包/拆包，在网络层，数据的传输单位是分组（或包）。信息流动中，网络发送系统中数据从高层向低层流动到达网络层时，传输层的报文要分为多个数据块，在这些数据块的头/尾部加上一些相关控制信息（即分组头/尾）后，构成了分组，即组成了包。到达接收方系统，数据从低层向高层流动到达网络层时，要将各分组原来加上的分组头/尾等控制信息拆掉（即拆包），组合成报文，送给传输层。（4）清除子网的质量差异，在现实的通信环境中，由于电话网或分组交换网等通信网类型不同，通信质量存在差异，即使是类型相同的网，也会因国家、地区的不同而有差异。随着通信的不断普及，跨越不同国家、不同通信网的现象已越来越常见。消除各通