第二章 TCPIP协议文档格式.docx
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负责接收IP数据报并通过网络发送之,或从网络上接收物理帧,抽出IP数据报,交给IP层。
接口类型:
设备驱动程序(如局域网的网络接口)含自身数据链路协议的复杂子系统(如X.25中的网络接口)
我们常常遇到学员问起路由器的工作原理,其实从TCP/IP的功能我们就可以得知:
在路由器中,如数据通信的原理一样,发端有数据buffer和发送buffer,收端有数据接收buffer和数据buffer,从网络物理通道上接收到数据逐层拆包,还原成IP的数据报后,路由器首先要判数据报的合法性,不合法的报就丢弃;
合法的报再判目的IP地址,若目的IP地址为本子网,即为落地报,则再拆包,去除IP报头,交传输层处理;
若非落地报,则查路由表,寻找下一跳的端口和IP地址,再逐层打包,交给物理层发送。
路由器的工作机制简单描述如上,实际上在TCP/IP协议中也有类似通信网的信令机制,ICMP协议起的作用与信令就很相似,但它没有通信系统的信令完善和复杂。
在上述的描述中,对于合法的IP包,还要区分其是ICMP的报文、网管的报文或是普通的IP数据报文,对于ICMP的报文路由器要处理;
对于网管的报文则拆包交UDP的161、162端口,由网管协议(SNMP)处理;
而普通的IP数据报则判其目的IP地址。
2.1.2TCP/IP协议簇及内部依赖关系
TCP/IP协议的四层结构及两大边界在1.3.1.2中已给出,在此不再叙述,TCP/IP协议簇及其内部依赖关系如图2.1所示。
2.1.3TCP/IP协议的层间操作实例
TCP/IP协议的层间操作实例见图2.2
2.2网络接口层的相关协议
2.2.1网络接口层的功能
2.2.1.1网络接口层的结构和功能
通过OSI的七层与TCP/IP的四层的比较,我们可以知道其网络接口层对应于OSI的物理层和数据链路层。
物理层主要是不同的传输媒体和传输方式,主要提供的是数据传输的物理通道。
而数据链路传输层则提供数据传输的通信方式、通信控制等功能。
在通信网中,由于ITU-T采用的是OSI的七层体系结构,绝大多数的通信标准将物理层和链路层分开,特别是通信网中的链路层较复杂,建立链路、保持链路、拆除链路等工作及各种各样的意外情况的处理均由链路层处理,其优势在于逻辑严谨,可靠性好,但这些是以牺牲网络的高效性为代价的。
在计算机网络中,由于其网络接口层已包含了物理层和数据链路层,且数据链路层与物理层是不严格区分的,所以在计算机网络中,其网络接口层的标准(IEEE802委员会定义的802规范)中,均包括不同物理媒介下的数据链路标准,且将数据链路层分成了逻辑链路控制层(LLC)和媒质接入控制层(MAC)两个子层。
在媒质接入控制(MAC)层中对不同媒质下的物理要求进行了定义。
关于802的标准具体见第三章内容。
网络接口层的功能在计算机网络和通信网中略有不同,但都具有形成帧和拆除帧,与不同物理媒介接口的功能。
只是不同的标准下,其帧的结构、物理媒介的标准、控制数据转发的方式是不同的。
2.2.1.2物理层的基本概念、传输媒体、传输方式、物理层标准
在计算机网络中,其物理的设备和传输的媒体的种类繁多,通信方式也是各种各样的,而物理层的重要作用即是尽可能的屏蔽掉这些差异,为不同的数据链路提供比特流的传输。
物理层的协议我们也常称为物理层规程。
物理层的主要任务是描述和确定与传输媒体的接口的一些特性。
比如:
机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。
数据的传输方式,按照通信双方的信息交互方式上分,有单工通信、半双工通信和全双工通信三种;
按照通信信号的形式上分,有模拟通信和数字通信两种,但模拟的信号和数字的信号可以通过调制和解调来互相转换,信号又可分成基带信号和宽带信号;
从通信的用户节点方式上看,又可分成点到点通信、点到多点通信和多点到多点通信三种;
从通信传播的方式上看,又有单播、组播和广播三种。
这些概念在今后的课程中频繁的用到,必须理解清楚。
在远距离通信中,常用的传输方式是串行传输,特别是异步的串行传输。
传输媒体即传输介质,在通信系统的传输中分有线传输和无线传输。
有线传输的传输媒体主要有三种,它们分别是:
双绞线、同轴电缆、光纤。
但近二年,磁介质作为传输媒体的应用也越来越广泛,特别是欧洲的德国和瑞典用电力线来进行宽带传输的应用。
双绞线(见图2.3)又分成屏蔽双绞线(STP)和无屏蔽双绞线(UTP)两种。
分别见图2.4和图2.5。
通信设备中,用户线(从用户到交换机)基本上用的都是双绞线。
绞合的结构可减少对相邻导线的电磁干扰。
1991年美国电子工业协会EIA和电信工业协图2.3双绞线示意图会TIA联合发布了一个标准EIA/TIA-568(即“商
屏蔽双绞线(STP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音。
非屏蔽双绞线(UTP)3类(16M)、5类(155M)、6类(1200M)双绞线外没有任何附加屏蔽
图2.4屏蔽双绞线图2.5非屏蔽双绞线
用建筑物电信布线标准”),规定了室内传输数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。
1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A,该标准规定了5类UTP标准,现在最常用的是5类线。
在1998年4月已有6类线的草案问世,现已有6类线的使用。
不同类型的双绞线只是线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度的不同,衡量双绞线的主要指标是其衰减特性和近端串扰,而其传输的最高速率则与数字信号的编码方法有关。
同轴电缆(见图2.6)由内导体铜质芯线(单股或多股绞合实芯线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及保护塑料外层组成,它有很好的抗干扰特性,广泛用于较高速的数据传输。
它与计算机的连接方式有T型分接头和插入式分接头两种。
按特性阻抗值的不同,同轴电缆分为两类:
基带同轴电缆(50Ω、以10Mb/s速率、可将基带数字信号传送1Km)和宽带同轴电缆(75Ω、用于模拟传输,是有线电视系统CATV的
图2.6同轴电缆示意图标准传输电缆。
传输模拟信号时,频率可达300~450MHz,传输距离可达100Km,现在最高已可达750MHz。
通常一条带宽为300MHz的电缆可以支持150Mb/s的数据率。
)基带同轴电缆又分成粗同轴(D=2.54cm)和细同轴(D=1.02cm)。
细同轴:
50Ω,D=1.02cm,10Mbps;
185m、4中继、5段(925m)优缺点:
价格低;
安装方便(T型连接器、BNC接头、Terminator);
抗干扰能力强;
距离短;
可靠性差。
粗同轴:
50Ω,D=2.54cm,10Mbps;
500m、4中继、5段(2500m)。
优缺点:
价格稍高;
安装方便(收发器、收发器电缆、Terminator);
抗干扰能力强;
距离中等;
可靠性好。
由于近二十年来,计算机的运行速度每十年提高十倍,而信息的传输速度差不多每十年提高100倍,光纤成为通信技术最主要传输媒体。
光纤通常有非常透明的石英玻璃拉成细丝。
光纤由可分成单模光纤和多模光纤两种(见图2.7)。
在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于0.85μm、1.30μm、1.55μm。
此三个波段都具有25000~30000GHz的带宽(受光电转换器件限制>
100Gb/s)。
光纤具有通信容量大、传输损耗小、中继距离长、远距离传输特别经济;
抗雷电和电磁干扰性能好;
无串音干扰、保密性好,不易被窃听或截取数据;
体积小,重量轻等优点,而其需要昂贵光电接口的缺点,随着价格的逐年下降已不成为缺陷。
正是因为此,目前我们可以从资料中得知:
欧美四十几个国家均将HTTH(光纤入户)作为其宽带通信发展的目标。
无线介质包括:
无线电、短波、微波、卫星和光波。
无线通信的传输手段主要是:
数字微波和卫星通信。
物理层的标准很多,我们常见的有RS-232、RS-485、RS-449、ITU-T的X..21、以太网的物理口10Base-T、100Base-T、100Base-F等。
2.2.1.3数据链路层的结构和功能
在此有必要先区分一下数据链路(datalink)和链路(link)这两个概念。
链路:
即一条无源的点到点的物理线路,其中间没有任何其他的交换节点。
由此可见一
条链路只是一条通路的一个组成部分。
数据链路:
是指除了必须有一条物理线路外,还必须有必要的规程(porcedure)来控制
这些数据的传输。
也就是在数据链路层能够通过一些协议,在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。
数据链路层的主要功能可归纳如下:
1、链路管理:
用于数据链路的建立、维持和释放。
2、帧同步:
由于在数据链路层,数据的传送单位是帧,因此收方要从收到的比特
流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方,此即为帧同步。
3、流量控制:
为了避免收方来不及接收,而发送方持续发送而造成地数据丢失。
4、差错控制:
通过检错重发机制来实现,或采用较复杂的前向纠错编码(FEC)来实现。
5、将数据和控制信息分开:
因为数据和控制信息在同一通道中甚至是同一帧中传送。
6、透明传输:
无论所传数据是什么样地的比特组合,都能正确地传送。
7、寻址:
在多点连接的情况下,必须保证每一帧都能送到正确地目的地,收方也知道是
那一个发送方发出的数据帧。
在帧中继中,数据链路层没有流量控制能力,其流量控制是由高层完成的。
但在帧中继中具有处理逻辑连接的复用和交换的能力。
在ATM中,由于光纤信道的误码率极低,其数据链路层不必进行差错控制和流量控制,其差错控制和流量控制的工作也是放在高层处理。
在计算机网中,数据链路层能实现的是帧校验,如CRC校验。
发现错误后,是在传输层实现重发的。
因此可以说在计算机网中数据链路层没有差错控制功能。
由上分析可以看出:
我们所列的数据链路层的功能,并不是每一种网络都必须具备的,各种网络根据其需要具有其部分功能。
2.2.1.4数据链路层的主要协议
在任何一种存储转发方式的通信中,其数据链路层的通信协议主要是:
自动反馈重发协议,也称为ARQ协议(AutomaticRepeatre-Quest)。
ARQ协议又可分为两种:
等待ARQ和连续ARQ协议。
等待ARQ协议:
即发送方每发送完一个数据帧,都要等待接收方的一个确认信号。
若发方收到ACK,则再发下一帧;
若发方收到NAK,则重发该数据帧。
下面图2.9和图2.10可以很好地描述该协议的算法。
(需要说明的是:
在进行存储转发的通信时,发方需要二个Buffer区:
一个是数据区,一个是发送缓冲区;
同样收方也需要二个Buffer区:
一个是数据区,一个是接收缓冲区。
)
关于发端算法的说明:
1、状态变量V(s)并作为发送序列号是为了解决重复帧差错。
2、在超时重发(后面有说明)情况下,若ACK丢失,则由于发送方超时重发就会导致收方收到重复帧。
但通过加上发送序列号就可以解决此问题。
收方发现发送序列号不等于接收序列号就可知道是重复帧,且可知道发送方没有收到自己的ACK,收方将丢弃此帧,并再次发送ACK给发送方。
3、设置超时定时器是解决死锁问题。
发送帧丢失导致收方等待发送数据而发送方等待
收方的应答会产生死锁,应答丢失同样会导致发送方等待而死锁。
使用超时定时
器后,等待一定的时间,发送方就重发缓冲区的数据,就避免了死锁的产生。
由此可知:
超时定时器的重发时间应仔细选择。
若重发时间太短则在正常情况下,
也有可能在ACK到达之前就过早地重发;
若重发时间太长则白白浪费时间。
一般
可将重发时间设置为:
略大于“从发送完数据帧到收到应答帧所需的平均时间”。
图2.9发送方算法。
图2.10接收方算法。
关于接收端算法的说明:
在接收端,每接收到一帧数据都要进行差错检验(比如用CRC)。
若发现错误,则发送NAK,让发送方重发此帧;
若检验正确,则检查发送序列号是否等于接收序列号,相等则说明数据帧正确,发送ACK让发送方继续发下一帧。
不等则说明是重复帧,同样要发送ACK让发送方继续发下一帧。
由于每发送一个数据帧都要等待应答,等待ARQ协议的缺点就是通信信道的利用率不高。
连续ARQ协议:
就是发送方在发送完一个数据帧后不是停下来等待应答,而是连续地发送完一个数据块的若干帧后,再根据从反向信道接收到的收端接收情况的信息,进行反馈重发。
这里需要特别注意连续ARQ协议的重发机制。
在收到NAK或者超时定时器时间到都要重发数据帧,而且是从NAK对应的那一帧或者没有收到应答的那一帧开始,重复发送往后所有的帧。
因此连续ARQ又称为Go-back-N,意思是在重传时,需要重传N帧。
可以看出,一方面连续ARQ协议由于连续发送数据帧而提高了效率,可另一方面,其重发机制又使效率降低。
由于下面两个原因,使用连续ARQ协议时,没有收到应答情况下,实际上不能无限制的发送数据帧:
1如果未应答的数据帧太多,一旦出了差错,就可能有很多的数据帧要重传,这样效率就可能很低,而且开销会增加。
2为了对已发送的大量数据帧进行编号,每帧的发送序列号就要占有较多的比特数,同样增加了开销。
因此在连续ARQ协议中,将已发送出去但未被应答的帧数加以限制,这就是滑动窗口机制。
发送方使用发送窗口来进行流量控制,其大小代表在没有收到应答情况下发方最多可以发送多少数据帧。
收方使用接收窗口来控制可以接收哪些而不接收哪些数据帧,只有发送序列号落入接收窗口内才接收,否则就丢弃。
2.2.2局域网的网络接口层及相关协议
局域网是小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。
其特点是:
1、覆盖范围小(10m-10Km);
2、传输速率高(1~20Mbps,高速可达100Mbps);
3、传输时延较低;
误码率低(10-8~10-9);
4、各站地位相同,非主从关系;
可广播和组播等。
随着局域网技术的发展,实际上局域网已不一定受地域范围的制约,比如虚拟局域网在地域上就可以是全球互联网的任一接入点。
另外在传输速率上,由于以太网技术的快速发展,现在1000Mbps的网络来构建局域网的也很多。
因此,希望读者不要局限于此定义。
2.2.2.1局域网的网络接口层功能
局域网的网络接口层的数据链路层被分为MAC子层(介质访问控制)和LLC子层(逻辑链路控制)两部分。
在电信网中,其网络接口层包括物理层和数据链路层;
在计算机网中,其MAC层的协议中包含有物理层的标准。
物理层的主要作用是确保二进制比特信号的正确传输,即比特流的正确发送和正确接收。
局域网物理层制定的标准规范主要包含如下一些内容:
1、局域网传输介质与传输距离。
2、物理接口的机械特性、电气特性、性能特性和规程。
3、传输信号的编码方案,局域网常用的编码方案有:
曼彻斯特码、差分曼彻斯特码、非归零码、4B/5B码、8B/10B等。
4、错误校验码以及同步信号的产生与删除。
5、传输速率。
6、拓扑结构。
7信令方式。
MAC子层位于数据链路层的下半层,直接与物理层相邻。
它的主要功能是进行合理的信道分配,解决信道竞争问题。
它在提供对LLC子层支持的同时,完成介质访问控制功能,为竞争的用户分配信道使用权,并具有管理多链路的能力。
MAC子层为不同的物理介质定义了介质访问控制标准。
目前,IEEE802已规定的介质访问控制标准有著名的带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)、令牌环(Token-Ring)和令牌总线(Token-Bus)等。
LLC子层在MAC子层的支持下向网络层提供服务。
可运行于所有802局域网和城域网协议之上的数据链路协议。
LLC子层与传输介质无关,它独立于介质访问控制方法,隐藏了各种802网络之间的差别,向网络层提供一个统一的格式和接口。
LLC子层的功能包括:
数据帧的组装与拆卸、帧的收发、差错控制、数据流控制和发送顺序控制等功能并为网络层提供两种类型的服务,面向连接服务和无连接服务。
2.2.2.2局域网的网络接口层的体系结构
IEEE于1980年2月成立了局域网标准委员会(简称IEEE802委员会),专门从事局域网标准化工作,并制定了IEEE802标准。
局域网的网络接口层的体系结构可由图2.11所示。
图2.11局域网的网络接口层的体系结构
2.2.2.3局域网的网络接口标准
IEEE802委员会自从成立以来制定了一系列的局域网标准,统称为802标准。
已经提交的标准有:
802.1—-局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联。
802.2----逻辑链路控制LLC。
提供OSI数据链路层的高子层功能;
提供LANMAC子层与高层协议间的一致接口。
802.3----以太网。
定义CSMA/CD总线的媒体访问控制MAC和物理层规范。
802.4----令牌总线网。
定义令牌传递总线的媒体访问控制MAC和物理层规范。
802.5----令牌环线网。
定义令牌传递环的媒体访问控制MAC和物理层规范。
802.6----城域网访问方法和物理层规范。
802.7----宽带技术咨询和物理层课题与建议实施。
802.8----光纤技术咨询和物理层课题。
802.9----综合话音/数据局域网(IVDLAN)。
定义综合话音/数据终端访问综合话音/数据网(包括IVDLAN,MAN和ISDN)的媒体访问控制MAC和物理层规范。
802.10----局域网安全。
802.11----无线局域网。
定义自由空间媒体的媒体访问控制MAC和物理层规范。
802.12----100VG-AnyLAN。
802.13----100VG-AnyLAN的编码。
802.14----CATV网。
802.15----无线个人区域网络(WPAN),在WPAN内对无线媒体接入控制(MAC)和物理层(PHY)进行规范。
802.16----宽带无线接入。
正在制定的新标准有:
802.17—ResilientPacketRing。
802.18—RadioRegulatoryTechnical。
802.19—CoexistenceTechnical。
802.20—MobileWirelessAccess。
2.2.3广域网的网络接口层及相关协议
广域网是由结点交换机及连接这些交换机的链路所组成的异地互连网络。
结点交换机执行将分组的数据存储转发到其它的结点。
其结点之间有点到点的通信,也有包交换的通信方式。
我国在1999年发布了中国的通信行业标准(YDN112-1999):
中国公用分组交换数据网的技术体制规范。
从此规范中,我们可以了解到中国的广域网,主要是以中国原有的长途通信的网络为主要基础来构成的。
但随着网通及其它通信公司的成立,我国的广域数据网成为了以SDH的光缆为传输主体、ATM交换机、帧中继、吉比特以太网交换共同构成的网络体系。
在层次上,局域网使用的协议主要在数据链路层以及少量的物理层,而广域网使用的协议主要在网络层。
在广域网中,最主要的问题是:
路由的选择、流量的控制、网络的管理。
支持中国的广域网的协议是ITU-T的X.25和IETF的TCP/IP协议两种,因此要求既提供面向连接的服务也提供无连接的服务,既提供永久虚电路PVC、暂时虚电路SVC、也提供驿站式的IP路由机制。
其路由的选择的功能在网络层完成;
流量的控制分端到端、结点到结点两种,由于采用的技术不同,可以在网络层、传输层、应用层完成;
而网络的管理目前基本上都是采用应用层的SNMP协议来完成的。
在中国公用分组交换网中,其的网内控制包括路由选择控制、流量和拥塞控制、顺序控制等。
1、路由选择控制:
路由选择原则CHINAPAC的网内控制包括路由选择控制、流量和拥塞控制、顺序控制等。
,分组路由选择、到外部网的呼叫路由选择、最多允许交换次数、“环绕”和“乒乓”现象的防止。
2、流量控制:
端到端流量控制、端到网路级的流量控制、交换网路级流量控制。
3、顺序控制:
进行分组顺序检测,修改顺序,废弃重复分组,恢复丢失分组。
由此可见,广域网和局域网在网络的应用和对象上、服务质量的要求上均有很大的不同点。
广域网中面向的是数据流,其主要作用是中继。
其特点是传输流量大,但并不需要了解传输的内容。
由此可以得知:
在广域网中要求其网络要有很好的可扩展性、高可靠性、且适用于采用区分业务模型的服务。
广域网和局域网的一个共同点是连在一个广域网或一个局域网上的计算机在进行通信时,只需要使用其网内的物理地址。
2.2.3.1广域网的网络接口层功能
由上述可知,广域网的网络接口层也是多种多样的,其网络接口层没有统一的标准。
比如在ATM网中,其链路层的协议数据单元(PDU)就是53个byte的ATM的信元;
而在帧中继中,其PDU就是FR的帧结构;
在吉比特以太网中就是802.3的以太网的帧结构。
在广域网中,不同的网络可以通过网络与网络接口设备(NNI)来进行互通。
在ITU-T的标准下,其大部分功能是由数据链路层来完成的,如ATM和FR均是这样的。
在计算机网络中,在网络接口层所完成的功能较通信网下则要少一些,且要简单得多。
比如差错控制和流量控制等方面。
但不管在怎样的网络中,其网络接口层的基本功能是相同的。
如数据的成帧、数据的传输、对分组的收发控制、对不同媒质的物理连接等方面。
总之,在广域网中,与局域网一样其网络接口层是可以不同的,且不同的广域网要通过专用的NNI接口来互通。
现在也有一种多业务接入平台的设备,可以支持多种标准,在一个平台下,达到互通的目的。
后面第五章介绍的MPLS技术,也可以通过多协议支持下的标签交换的方法来实现不同网络的互通互连。
2.2.3.2广域网的网络接口层的体系结构
广域网的网络接口层的体系结构,可见图2.12
ITU-TIETF
X.25或IP互连IP互连
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