第三章　計算機網絡體系結構及協議

　　1、網絡協議：為進行計算機網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定的集合，協議總是指某一層的協議。準確地說，它是對同等層實體之間的通信制定的有關通信規則或約定的結合。

　　2、網絡協議包括三個要素：語義：涉及用于協調與差錯處理的控制信息；語法：涉及數據及可控制信息格式、編碼及信號電平等、定時：涉及速度匹配及排序等。

　　3、網絡的體系結構的劃分所用的方法是分層劃分，要遵循以下原則：每層的功能要明確并且相互獨立、層間接口必須要清晰，跨越的信息量盡可能地少、層數適中。層次結構一般以垂直分層模型表示。

　　4、網絡的體系結構的特點是：1、以功能作為劃分層次的基礎、2、第N層實體在實現自身定義的功能時，只能使用第N-1層提供的服務；3、N層向N-1層提供服務時，此服務不僅包含N層本身的功能，還包含由下層服務提供的功能；4、僅在相鄰層之間有接口，而且所提供的服務的具體實現細節對上層完全屏蔽。

　　5、OSI模型（開放系統互連模型）包括了體系結構、服務定義和協議規范三級抽象。

　　6、OSI模型的七個模型：①物理層：作用是使原始數據比特流能在物理媒體上傳輸；②數據鏈路層：通過校驗、確認和反饋重發等手段，將不可靠的物理鏈路改造成對網絡層來說無差錯的數據鏈路，并進行流量控制；③網絡層：為運輸層實體提供端到端的交換網絡數據傳輸功能，并進行路由選擇、擁擠控制和網際互連等； ④運輸層：第一個端-端的層次，為會話層提供透明的、可靠的數據傳輸服務，并處理端到端的差錯控制和流量控制問題；⑤會話層：組織和同步不同主機上的各種進程間的通信。；⑥表示層：為應用層用戶提供共同的數據或信息的語法表示變換，如代碼轉換、格式轉換、數據壓縮和加密解密等；⑦應用層：開放系統互連環境的更高層，為OSI應用進程提供服務，不同的應用層為特定類型的網絡的應用提供訪問OSI環境的手段。

　　7、發送進程發送給接收進程中的數據，實際上是經過發送方各層從上到下傳送到物理媒體，通過物理媒體傳輸到接收方后，再經過從下到上各層的傳遞，更后到達接收進程。

　　8、物理層的傳輸單位是比特，它是指在物理媒體之上為數據鏈路層提供一個原始比特流的物理連接，它不是指具體的物理設備，也不是指信號傳輸的物理媒體，物理層的作用是確保比特流能在物理信道上傳輸。

　　9、物理層協議規定了與建立、維持及斷開物理信道所需的機械的、電氣的、功能的和規程的特性。它直接面向實際承擔數據傳輸的物理介質，物理層的傳輸單位是比特。比特流傳輸可以采用異步傳輸，也可采用同步傳輸。

　　10、DTE（數據終端設備）和DCE（數據通信設備）接口的各根導線的電氣連接方式有非平衡方式、采用差動接收器的非平衡方式和平衡方式三種。

　　11、接口信號線按功能可分為：數據信號線、控制信號線、定時信號線、接地信號線。

　　12、EIA RS-232C是由美國電子工業協會EIA在1969年頒布的一種目前使用更廣泛的串行物理接口標準，它利用公用電話網作為傳輸媒體，并通過調制解調器將遠程設備連接起來。以下為四種特性：機械特性：25芯的標準連接器；電氣特性：規定“1”的電平為-15至-5伏，“0”為+5至+15；功能特性：定義了25芯標準連接中的20根信號線；規程特性：規定工作過程是在各個控制信號線有序的ON和OFF狀態的配合下進行的。

　　13、RS-449、RS-422、RS-423是保持與RS-232C的兼容性的前提下的改進。RS-449：使用了37芯和9芯的連接器，9芯用于輔信道的信號；RS-422：完全采用獨立的雙線平衡傳輸，信號電平的定義為±6伏（±2伏為過渡區域，平衡方式的電氣標準）；RS-423：是非平衡電氣標準，它采用單端發送器和差動接收器，電平為±6伏（±4伏為過渡區域）。

　　14、100系列接口標準：傳輸速率為200bps-9600bps時，采用25芯標準連接器，采用V.28建議；傳輸速率為48Kbps時，采用34芯連接器，控制信號使用V.28建議，數據線與定時線采用V.35建議。200系列接口標準：采用25芯標準連接器，電氣特性采用V.28建議。

　　15、X.21建議是于1976年制定的DTE如何與數字化的DCE交換信號的數字接口標準。機械特性：采用15芯標準連接器，定義了八條接口線；電氣特性：類似于RS-422的平衡接口；功能特性：按同步傳輸的全雙工或半雙工方式運行。

　　16、數據鏈路層更基本的服務是將源機網絡層來的數據可靠地傳輸到相鄰節點的目標機網絡層。數據鏈路層以幀為傳送單位。

　　1）幀同步問題就是能從比特流中區分出幀的起始和終止。

　　常用的幀同步方法是：字節計數法、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標志法）和違法編碼法。①字節計數法：以一個特殊字符表征幀的開始，并一個專門的字段標明幀內的字節數；②比特填充法：以一組比特模式（如011111110）來定界幀的起始于終止；③字符填充法：用一些特定的字符來定界；④違法編碼法：例如曼徹斯特碼，“高-高”“低-低”是違法的，借用其序列來定界幀的起始和終止，它只適用于采用冗余編碼的特殊編碼環境。目前較普遍使用的幀同步方法是比特填充法和違法編碼法。

　　2）常見的差錯控制方法有反饋檢測法和自動重發請求。

　　反饋檢測法無須使用任何特殊代碼的差錯檢測法，數據傳輸時，接收方將收到的數據重新發回發送方，由發送包檢查是否對，優點：原理簡單、實現容易、可靠性好，缺點：信道利用率低。用于面向字符的異步傳輸；

　　自動重發請求是指接收方根據檢錯碼對數據幀進行差錯控制，若發現錯誤，返回請求重發的應答讓發送方重新傳送該幀；

　　空閑重發請求也稱停等法，該方案規定發送方每發送一幀就要停下來等待接收方確認返回，僅當接收方確認正確接收后再繼續發送下一幀。這種方案的收發雙方都要設置一個幀的緩沖存貯空間，可有效實現重發而且不會出現重份；

　　連續重發請求是指發送方可以連續發送一系列的幀，既不用等前一幀被確認就可發送下一幀，這種方法傳輸效率高，但增大了緩沖存貯空間；

　　Go-Back-N的原理有兩種含義：1、接收方檢測出失序的信息幀后，要求發送方重發更后一個正確接收的信息幀之后所有未被確認的幀；2、當發送方發送了幾個幀后，若發現該N幀的前幾幀在計時器超時后仍未返回其確認信息，則該幀及其后的幀被判定出錯，就要重發；

　　選擇重發策略：出錯的幀之后的幀可接收下來，存放在緩沖區中，同時要求發送方重新發送出錯的那一幀，這種策略減少了浪費，但要求有足夠大的緩沖空間。

　　流量控制是對發送方數據流量的控制，使其發送速率不致超過接收方所能承受的能力，流量控制并不是數據鏈路層所特有的功能，許多高層協議中也提供流量控制的功能。

　　常見的流量控制方案有：XON/XOFF方案和窗口機制。

　　①XON/XOFF方案使用一對控制字符來實現流量控制，當接收方過載時，可向發送方發送字符XOFF（DC3）暫停，待接收方處理完數據后，再向發送方發送字符XON（DC1），使之恢復發送數據；

　　②窗口機制：其本質是在收到一個確定幀之前，對發送方可發送幀的數目加以限制，這是由發送方調整保留在重發表中的待確認幀來實現的，如接收方來不及處理，則接收方停止發送確認信息，發送表的重發表就增長，當達到重發表的限度時，發送方就不再發送新幀直到收到確認信息為止。

　　發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發送窗口，發送方和接收方的窗口尺寸不得大于信號范圍的一半。發送窗口指發送方已發送但尚未確認的幀序號隊列的界，上下界分別稱上下沿，上沿、下沿的間距稱為窗口尺寸。發送方每發一幀，待確認幀的數目加1，收到一個確認幀時，待確認幀的數目減 1.當重發表的計數值（待確認幀的數目）等于發送窗口尺寸時，停止發送新幀。

　　以滑動窗口的觀點來統一看待空閑的RQ、Go-Back-N和選擇重發，則①空閑RQ：發送窗口=1，接收窗口=1；②Go-Back-N：發送窗口>1，接收窗口=1；③選擇重發：發送窗口>1，接收窗口>1.

　　17、數據鏈路層連接的建立、維持和釋放稱為鏈路管理。

　　18、數據鏈路控制協議也稱鏈路通信規程，也就是OSI參考模型中的數據鏈路層協議，鏈路控制協議分為異步協議和同步協議兩類。

　　異步協議以字符為獨立的信息傳輸單位，一般用于數據速率較低的場合。

　　同步協議是以幀為傳輸單位，同步協議能更有效地利用信道，也便于實現差錯控制、流量控制等功能。同步協議分為三種類型：①面向字符的同步協議；②面向比特的同步協議；③面向字節的同步協議。

　　1）面向字符的同步控制協議

　　①更早的同步協議、②典型的代表是IBM公司的BSC協議、③均由鏈路建立、數據傳輸、電路拆除三部分組成。

　　④BSC協議用ASCII或EBCDIC字符集定義的10個傳輸控制字符

　　標識 名稱 含義

　　SOH 序始1 表示報文的標題和報頭開始

　　STX 文始2 標題結束或報文文本的開始

　　ETX 文終3 報文文本的結束

　　EOT 送畢4 一或多個文本塊結束，拆除鏈路

　　ENQ 詢問5 詢問，用于請求遠程站給出響應

　　ACK 確認6 接收方發出的正確接收的響應

　　DLE 轉義10 修改緊跟其后的N個字符的意義

　　NAK 否認15 接收方發出的未正確接收的響應

　　SYN 同步16 實現節點之間字符同步和無數據傳輸時同步

　　ETB 塊終17 報文分成多個數據塊時一個數據塊的結束

　　⑤BSC協議將在鏈路上傳輸的信息分為數據報文和監控報文兩類。

　　⑥數據報文一般由報頭和文本組成，文本是要傳送的有效數據信息，而報頭有時也可不用，報文較長時，可分為多個塊來發送，每一個塊作為一個傳輸單位。發送方只有收到接收方返回的確認后，才能發送下一個數據塊。

　　⑦BSC協議的數據塊有四種形式（注解：BCC：塊校驗字符，校驗范圍：STX-ETX或STX-ETB，BSC協議中所有發送的數據均跟在至少兩個SYN字符之后）：

　　A：不帶報頭的單塊報文或分組傳輸的更后一塊：SYN SYN STX 報文 ETX BCC

　　B：帶報頭的單塊報文：SYN SYN SOH 報頭 STX 報文 ETX BCC

　　C：分塊傳輸的第一塊報文：SYN SYN SOH 報頭 STX 報文 ETB BCC

　　D：分塊傳輸中的中間報文：SYN SYN STX 報文 ETB BCC

　　⑧當發送的報文是二進制數據而不是字符串時，為使二進制數據中允許出現與傳輸控制字符相同的數據（即數據的透明性），可在各幀中真正的傳輸控制字符 （SYN除外）前加上DLE轉義字符。在發送時，若文本中也出現與DLE字符相同的二進制比特串，這可插入一個外加的DLE字符加以標記，接收方若發現單個DLE字符，則可知其后為傳輸控制字符，如發現連續兩個DLE字符，則知道其后者為數據，在處理之前將其中一個刪去。

　　⑨正反向監控報文有如下四種格式：A：肯定確認和選擇響應：SYN SYN ACK；B：否定確認和選擇響應：SYN SYN NAK；C：輪詢/選擇請求：SYN SYN P/S前綴 站地址 ENQ；D：拆鏈：SYN SYN EOT.

　　⑩BSC協議與特定的字符編碼集關系過于密切，所以兼容性較差。BSC是一個半雙工協議，它的鏈路傳輸效率也很低。不過，由于BSC協議需要的緩沖存貯空間小，因而在面向終端的網絡中被廣泛使用。

　　19、面向比特的同步控制協議HDLC：

　　①特點：A、不依賴于任何字符編碼集；B、數據報文可透明傳輸；C、全雙工通信；D、傳輸可靠性高（均采用CRC校驗碼）；E、傳輸控制功能與處理功能分離。

　　②HDLC的操作方式是某站點是以主站方式操作還是以從站方式操作，或者二者兼備。鏈路上用于控制目的的站稱為主站，其他受主站控制的站稱為從站。由主站發往從站的幀稱為命令幀，由從站返回主站的幀稱為響應幀。

　　HDLC中常用的操作方式有正常響應方式NRM、異步響應方式ARM、異步平衡方式ABM.

　　③正常響應方式NRM是一種非平衡數據鏈路操作方式，在這種操作方式中，傳輸過程由主站啟動，從站只有收到主站某個命令幀后，才能作為響應向主站傳輸信息，該操作方式適用于面向終端的點-點和一點到多點的鏈路。附：平衡操作：站可以兼備主站和從站的功能；非平衡操作：操作時有主站、從站之分的而且各自功能不同的站。

　　④異步響應方式ARM：也是一種非平衡數據鏈路操作方式，與正常響應方式NRM不同的是，ARM下的傳輸過程由從站啟動，并控制超時和重發。該操作方式適用于采用輪詢方式的多站鏈路。

　　⑤異步平衡方式ABM：它是一種允許任何節點來啟動傳輸的操作方式。

　　⑦HDLC的幀類型：信息幀（I幀）、監控幀（S幀 00-接收就緒、01-拒絕、10-接收未就緒、11-選擇拒絕）、和無編號幀（U幀）三種類型。

　　20、網絡層是OSI參考模型中的第三層，是面向數據通信的低三層中更復雜、更關鍵的一層，網絡層的主要功能是實現兩個端系統之間的數據透明傳輸，具體功能包括路由選擇、阻塞控制、網際互連等。

　　21、在分組交換方式中，通信子網向端系統提供虛電路和數據報兩種網絡服務，而通信子網內部的操作也有虛電路和數據報兩種方式。

　　1）虛電路：在這種操作方式中，網絡的源節點和目的節點間先要建立一條邏輯通路，稱之為虛電路。虛電路的實際路徑可能相同也可能不同，虛電路服務是網絡層向運輸層提供的一種使所有分組按順序到達目的端系統的可靠的數據傳送方式，它是一種面向連接的服務。

　　2）數據報服務：在這種操作方式中，每個分組被稱為一個數據報，若干個數據報構成一次要傳送的報文和數據塊。數據報的傳送是被單獨處理的，在傳送過程中，網絡結點要為每個數據報做路由選擇，數據報服務是指端系統的網絡層與網絡結點中的網絡之間一致地按照數據報操作方式交換數據，數據報服務是無連接的服務。

　　3）虛電路服務。即通信子網內部節點按數據報方式交換數據，而與端系統相連的網絡節點則向端系統提供虛電路服務。

　　22、路由選擇：是網絡結點在收到一個分組后，要確定向下一節點傳送的路徑。即根據一定的原則和算法在傳輸通路中選出一條通向目的節點的更佳路由。路由的好壞在很大程度上決定了網絡的性能，如網絡吞吐量、平均延遲時間等。

　　32、確定路由選擇的策略稱為路由算法，設置路由算法時的參考以下技術要素：①選擇更短路由還是更佳路由；②通信子網是采用虛電路操作方式還是采用數據報的操作方式；③采用分布式路由算法還是采用集中式路由算法；④考慮關于網絡拓撲、流量和延遲等網絡信息的來源；⑤確定采用靜態路由還是動態路由。

　　靜態路由選擇策略不用測量，也不需利用網絡信息。這種策略按某種固定規則進行路由選擇，包括泛射路由選擇、固定路由選擇算法。

　　23、動態路由選擇策略：這種方法依靠網絡當前的狀態信息來決定路由，包括距離矢量路由算法和鏈路狀態路由算法。

　　24、擁塞現象是指到達通信子網中某一部分的分組數量過多，使得該部分網絡來不及處理，以致引起這部分及至整個網絡性能下降的現象，嚴重時會出現死鎖。

　　阻塞控制不同于流量控制，流量控制是基于平均值的控制，是指對一條通路上的通信量進行控制，主要解決一條通路上各接收節點接收能力不足的問題，阻塞多是由于某處峰值流量過高而發生，它與通信子網傳送的分組總量有關。

　　擁塞控制問題的解決方案可以分為開環的和閉環的，一旦出現擁塞，有兩種解決方法：增加資源或降低負載。

　　25、X.25協議描述了主機（DTE）與分組交換網（PSV）之間的接口標準，X.25包括物理層、數據鏈路層和分組層三個層次。（分組層相當于OSI參考模型中的網絡層）其主要功能是向主機提供多信道的虛電路服務。

　　X.25分組級的功能是將鏈路層所提供的連接DTE-DCE的一條或多條物理鏈路復用成數條邏輯信道，并且對每一條邏輯信道所建立的虛電路執行與鏈路層單鏈路協議類似的鏈路建立、數據傳輸、流量控制、順序和差錯檢測、電路的拆除等操作。

　　X.25提供虛呼叫和永久虛電路兩種虛電路服務，規定的虛電路服務屬于面向連接的服務。

　　在X.25的分組級上，所有信息都以分組為基本單位進行傳輸和處理，分組級包括RR、RNR、REJ三個分組，稱為流量控制分組。

　　X.25確認分組用作呼叫建立和清除、數據和中斷、流量控制和復位、重啟動等。

　　26、網際互聯的目的是使一個網絡上的用戶能訪問其它網絡上的資源，使不同網絡上的用戶相互通信和交換信息，網際互連不僅有利于資源共享，也可以從整體上提高網絡的可靠性。實現網際互連的條件：A、在網絡之間至少提供一條物理上連接的鏈路，并具有對這條鏈路的控制規程；B、在不同網絡的進程之間提供合適的路由實現數據交換；C、有一個始終記錄不同網絡使用情況并維護該狀態信息的統一的記費服務；C、在提供以上的服務時，盡可能不對互連在一起的網絡的體系結構作任何修改。

　　局域網、廣域網的網際互連有“LAN-LAN、LAN-WAN、WAN-WAN、LAN-WAN-LAN”四種形式。

　　27、網間連接器是指用于網絡之間互連的中繼設備，它可分為轉發器、網橋、路由器和網關。

　　①轉發器：在物理層間實現透明的二進制比特復制，以補償信號衰減；

　　②網橋：提供鏈路層間的協議轉換，在局域網之間存儲和轉發幀；

　　③路由器：提供網絡層間的協議轉換，在不同的網絡之間存儲和轉發分組；

　　④網關：提供運輸層及運輸層以上各層間的協議轉換。

　　28、運輸層是OSI七層模型中的第四層，運輸層是OSI七層模型中更重要、更關鍵的一層，是唯一負責總體數據傳輸和控制的一層。

　　運輸層的兩個主要目的是：①提供可靠的端到端的通信；②向會話層提供獨立于網絡的運輸服務。

　　運輸層的主要功能是：對一個進行的對話和連接提供可靠的運輸服務，在通向網絡的單一物理連接上實現該連接的復用，在單一連接上提供端到端的信號與流量控制、端到端的差錯控制以及恢復等服務。

　　運輸層的服務包括的內容有：①服務類型：兩大類，面向連接的服務和無連接的服務。②服務等級；③數據傳輸：一般采用全雙工服務；④用戶接口；⑤連接管理；⑥狀態報告；⑦安全保密。

　　29、服務質量（QOS）是指在運輸連接點之間看到的某些運輸連接的特征，是運輸層性能的度量，反映了傳輸質量及服務的可用性。根據用戶要求和差錯性質，網絡服務按質量可劃分為三種類型：①A型網絡服務：具有可接受的殘留差錯率和故障通知率；②B型網絡服務：具有可接受的殘留差錯率和不可接受的故障通知率；③C型網絡服務：具有不可接受的殘留差錯率。

　　用戶要求比較高，則一個網絡可能歸于C型。丟失數據對于電子郵件來說算是A型，而對于銀行系統來說就是C型了。A型的服務質量更高。服務質量劃分得較高的網絡，僅需要較簡單的協議級別，即：Aà0級協議（簡單級）。

　　30、傳輸服務原語分為請求、指示、響應、確認四種類型。

　　31、在TCP/IP協議體系中，進程間的相互作用主要采用客戶/服務器模式（原因是網絡資源分布不均和網絡環境中進程通信的異步性），客戶/服務器模式采用“請求驅動”方式工作。

　　32、TCP協議的特點是面向連接服務、高可靠性、全雙工通信、支持流傳輸、傳輸連接的可靠建立和釋放、提供流量控制和擁塞控制。

　　33、會話層在傳輸層提供的服務上，加強了會話管理、同步和活動管理等功能。

　　會話層管理方法包括令牌與對話管理、活動與對話單元以及同步與重新同步等。

　　34、表示層的主要功能有：

　　①語法轉換：數據表示、數據壓縮、網絡安全和保密等；

　　②語法協商；

　　③連接管理。

　　35、應用層也成為應用實體（AE），它由若干個特定應用服務元素（SASE）和一個或多個公用應用服務元素（CASE）組成，每個SASE提供特定的應用服務，CASE提供一組公用的應用服務。

　　36、應用層常用的協議有：文件傳送、訪問和管理、虛擬終端（非對稱模型和對稱模型）、電子郵件和其他應用功能（目錄服務、遠程作業錄入、圖形、信息通信）。

　　37、TCP/IP協議是美國國防部高級計劃研究局DARPA為實現ARPANET互聯網而開發的，TCP/IP已成為一個事實上的工業標準， TCP/IP分層模型包括兩方面內容：一是層次結構、二是各層功能的描述。TCP/IP參考模型可分為應用層、傳輸層、互連層、主機-網絡層。

　　38、TCP/IP在傳輸層提供兩個主要協議：傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）。

　　TCP提供的是一種可靠的數據流（虛電路）服務，TCP采用“帶重傳的肯定確認”技術來實現傳輸的可靠性。TCP采用“滑動窗口”的流量控制機制提高網絡的吞吐量。

　　UDP是對IP協議簇的補充，發送方通過它可以區分一臺計算機上的多個連接者。UDP是依靠IP協議來傳送報文，因而它的服務和IP的一樣是不可靠的。

　　39、TCP/IP應用層包括下列四種協議：

　　①文件傳輸協議FTP：它是網際提供的用于訪問遠程機器的一個協議，它使用戶可以在本地機與遠程機之間進行有關文件的操作。工作時建立兩條TCP連接，一條用于傳送文件，一條用于傳送控制。

　　②遠程終端訪問TELNET

　　③域名服務DNS

　　④簡單郵件傳送協議STMP：它是一個簡單的基于文本的協議，用于可靠、有效的數據傳輸。