无线传输与组网3OSI分层.docx
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无线传输与组网3OSI分层
无线传输与组网:
3)OSI分层
分组交换以及OSI分层
1概述
2分组交换原理
3通信系统分层体系结构
思考题
1概述
•分组交换的产生背景:
•分组交换PS(PacketSwitching)技术的研究是从20世纪60年代开始的。
当时,电路交换技术已经得到了极大的发展,但人们越来越多地希望多个计算机之间能够进行资源共享,即能够进行数据业务的交换。
数据业务不像电话业务那样具有实时性,而是具有突发性的特点,并要求高度的可靠性。
传统的电路交换技术的缺点明显:
固定占用带宽,线路利用率低,通信的终端双方必须以相同的数据率进行发送和接收等。
所有这些都表明电路交换不适合于进行数据通信。
因此,人们开始研究一种新形式的、适合于进行远距离数据通信的技术——分组交换。
分组交换技术是一种存储—转发的交换技术,被广泛用于数据通信和计算机通信中。
它结合了电路交换和早期的存储—转发交换方式——报文交换的特点,克服了电路交换线路利用率低的缺点,同时又不像报文交换那样时延非常大。
因此,分组交换技术自从产生后便得到了迅速的发展。
2分组交换原理
分组交换不像电路交换那样在传输中将整条电路都交给一个连接,而不管它是否有信息要传送。
分组交换的基本思想是:
把用户要传送的信息分成若干个小的数据块,即分组(packet),这些分组长度较短,并具有统一的格式,每个分组有一个分组头,包含用于控制和选路的有关信息。
这些分组以“存储-转发”的方式在网内传输,即每个交换节点首先对收到的分组进行暂时存储,分析该分组头中有关选路的信息,进行路由选择,并在选择的路由上进行排队,等到有空闲信道时转发给下一个交换节点或用户终端。
显然,采用分组交换时,同一个报文的多个分组可以同时传输,多个用户的信息也可以共享同一物理链路,因此分组交换可以达到资源共享,并为用户提供可靠、有效的数据服务。
它克服了电路交换中独占线路、线路利用率低的缺点。
同时,由于分组的长度短,格式统一,便于交换机进行处理,因此它能比传统的“报文交换”有较小的时延。
分组交换的优缺点
•1.分组交换的优点
•与电路交换相比,分组交换的优点可以归纳如下:
•
(1)线路利用率较高。
分组交换在线路上采用动态统计时分复用的技术传送各个分组,因此提高了传输介质(包括用户线和中继线)的利用率。
每个分组都有控制信息,使终端和交换机之间的用户线上或者交换机之间的中继线上,均可同时有多个不同用户终端按需进行资源共享。
•
(2)异种终端通信。
由于采用存储—转发方式,不需要建立端到端的物理连接,因此不必像电路交换中那样,通信双方的终端必须具有同样的速率和控制规程。
•(3)数据传输质量好、可靠性高。
每个分组在网络内的中继线和用户线上传输时,可以逐段独立地进行差错控制和流量控制,因而网内全程的误码率较低,提高了传送质量且可靠性较高。
分组交换网内还具有路由选择、拥塞控制等功能,当网内线路或设备产生故障后,分组交换网可自动为分组选择一条迂回路由,避开故障点,不会引起通信中断。
•(4)负荷控制。
分组交换网中进行了逐段的流量控制,因此可以及时发现网络有无过负荷。
当网络中的通信量非常大时,网络将拒绝接受更多的连接请求,以使网络负荷逐渐减轻。
•(5)经济性好。
分组交换网是以分组为单元在交换机内进行存储和处理的,因而有利于降低网内设备的费用,提高交换机的处理能力。
此外,分组交换方式可准确地计算用户的通信量,因此通信费用可按通信量和时长相结合的方法计算,而与通信距离无关。
•由于分组交换技术在降低通信成本,提高通信可靠性等方面取得了巨大成功,因此20世纪70年代中期以后的数据通信网几乎都采用了这一技术。
30多年来,分组交换技术得到了较大的发展。
•2.分组交换的缺点
•上面介绍了分组交换的诸多优点,但任何技术在具有优点的同时都不可避免地具有一些缺点,分组交换也不例外。
它的这些优点都是有代价的。
•
(1)信息传送时延大。
由于采用存储—转发方式处理分组,分组在每个节点机内都要经历存储、排队、转发的过程,因此分组穿过网络的平均时延可达几百毫秒。
目前各公用分组交换网的平均时延一般都在数百毫秒,而且各个分组的时延具有离散性。
•
(2)用户的信息被分成了多个分组,每个分组附加的分组头都需要交换机进行分析处理,从而增加了开销。
因此,分组交换适宜于计算机通信等突发性或断续性业务的需求,而不适合于在实时性要求高、信息量大的环境中应用。
•(3)分组交换技术的协议和控制比较复杂.如我们前面提到的逐段链路的流量控制,差错控制,还有代码、速率的变换方法和接口,网络的管理和控制的智能化等。
这些复杂的协议使得分组交换具有很高的可靠性,但是它同时也加重了分组交换机处理的负担,使分组交换机的分组吞吐能力和中继线速率的进一步提高受到了限制。
•分组交换面临的问题
•从这些优缺点可以看出,分组交换技术对语音(电话)通信和高速数据通信(2.048Mb/s以上)是不适应的,它难以满足对实时性要求比较高的电话和视频等业务。
这是由于分组交换技术的产生背景是通信网以模拟通信为主的年代,用于传输数据的信道大多数是频分制的电话信道,这种信道的数据传输速率一般不大于9.6kb/s,误码率为10-4~10-5。
这样的误码率不能满足数据通信的要求,通过进行复杂的控制,一方面实现了信道的多路复用,同时把误码率提高到小于10-11的水平,满足了绝大多数数据通信的要求。
随着分组交换技术的发展,其性能在不断地提高,功能在不断地完善。
分组交换机的分组处理能力由初期的100个分组每秒发展到今天的几万个分组每秒,数据分组通过交换机的时延从几十毫秒缩短到不到1毫秒,分组交换机之间的中继线速率由9.6kb/s提高到2.048Mb/s。
但是到了20世纪90年代,用户对数据通信网的速率提出了更高的要求,而采用现有分组交换技术的分组交换系统的能力几乎达到了极限,因此人们又开始研究新的分组交换技术。
•为了进一步提高分组交换网的分组吞吐能力和传输速率,一方面要提高信道的传输能力,另一方面要发展新的分组交换技术。
光纤通信技术的发展为分组交换技术的发展开辟了新的道路。
光纤通信具有容量大(高速)、质量高(低误码率)等特点,光纤的数字传输误码率小于10-9,光纤数字传输系统能提供40Gb/s的速率,通常提供2Mb/s和34Mb/s信道。
在这种通信信道条件下,分组交换中逐段的差错控制、流量控制就显得没有必要,因此快速分组交换FPS(FastPacketSwitching)技术迅速地发展起来。
•快速分组交换可以理解为尽量简化协议,只具有核心的网络功能,可提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式。
帧中继作为快速分组交换FPS的一种,是在分组交换的基础上发展起来的,它对其复杂的协议进行了简化,可以更好地适应数字传输的特点,能够给用户提供高速率、低时延的业务,所以近年来得到了迅速的发展。
2.1统计时分复用
•正如绪论中所介绍的,在数字传输中,为了提高数字通信线路的利用率,可以采用时分复用的方法。
而时分复用有同步时分复用和统计时分复用两种。
分组交换中采用了统计时分复用的概念:
在给用户分配资源时,不像同步时分那样固定分配,而是采用动态分配(即按需分配),只有在用户有数据传送时才给它分配资源,因此线路的利用率较高。
•分组交换中,执行统计复用功能的是具有存储能力和处理能力的专用计算机——信息接口处理机(IMP)。
IMP要完成对数据流进行缓冲存储和对信息流进行控制的功能,以解决各用户争用线路资源时产生的冲突。
当用户有数据传送时,IMP给用户分配线路资源,一旦停发数据,则线路资源另作它用。
图5.1所示为3个终端采用统计时分方式共享线路资源的情况。
我们来看看具体的工作过程。
来自终端的各分组按到达的顺序在复用器内进行排队,形成队列。
复用器按照FIFO的原则,从队列中逐个取出分组向线路上发送。
当存储器空时,线路资源也暂时空闲,当队列中又有了新的分组时,又继续进行发送。
图5.1中,起初A用户有a分组要传送,B用户有1、2分组要传送,C用户有x分组要传送,它们按到达顺序进行排队:
a、x、1、2,因此在线路上的传送顺序为:
a、x、1、2,然后终端均暂时无数据传送,则线路空闲。
后来,终端C有y分组要送,终端A有b分组要送,则线路上又顺序传送y分组和b分组。
这样,在高速传输线上,形成了各用户分组的交织传输。
输出的数据不是按固定时间分配,而是根据用户的需要进行的。
这些用户数据的区分不像同步时分复用那样靠位置来区分,而是靠各个用户数据分组头中的“标记”来区分的。
•统计时分复用的优点是可以获得较高的信道利用率。
由于每个终端的数据使用一个自己独有的“标记”,可以把传送的信道按照需要动态地分配给每个终端用户,因此提高了传送信道的利用率。
这样每个用户的传输速率可以大于平均速率,最高时可以达到线路的总的传输能力。
如线路总的速率为9.6kb/s,3个用户信息在该线路上进行统计时分复用时的平均速率为3.2kb/s,而一个用户的传输速率最高时可以达到9.6kb/s。
•统计时分复用的缺点是会产生附加的随机时延并且有丢失数据的可能。
这是由于用户传送数据的时间是随机的,若多个用户同时发送数据,则需要进行竞争排队,引起排队时延;若排队的数据很多,引起缓冲器溢出,则会有部分数据被丢失。
2.2逻辑信道
在统计时分复用中,虽然没有为各个终端分配固定的时隙,但通过各个用户的数据信息上所加的标记,仍然可以把各个终端的数据在线路上严格地区分开来。
这样,在一条共享的物理线路上,实质上形成了逻辑上的多条子信道,各个子信道用相应的号码表示。
图5.2中在高速的传输线上形成了分别为三个用户传输信息的逻辑上的子信道。
我们把这种形式的子信道称为逻辑信道,用逻辑信道号LCN(LogicalChannelNumber)来标识。
逻辑信道号由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成,二者统称为逻辑信道号LCN。
在统计复用器STDM中建立了终端号和逻辑信道号的对照表,网络通过LCN就可以识别出是哪个终端发来的数据,如图5.2所示。
逻辑信道特点:
•
(1)由于分组交换采用动态统计时分复用方法,因此是在终端每次呼叫时,根据当时的实际情况分配LCN的。
要说明的是,同一个终端可以同时通过网络建立多个数据通路,它们之间通过LCN来进行区分。
对同一个终端而言,每次呼叫可以分配不同的逻辑信道号,但在同一次呼叫连接中,来自某一个终端的数据的逻辑信道号应该是相同的。
•
(2)逻辑信道号是在用户至交换机或交换机之间的网内中继线上可以被分配的、代表子信道的一种编号资源。
每一条线路上,逻辑信道号的分配是独立进行的。
也就是说,逻辑信道号并不在全网中有效,而是在每段链路上局部有效,或者说,它只具有局部意义。
网内的节点机要负责出/入线上逻辑信道号的转换。
•(3)逻辑信道号是一种客观的存在。
逻辑信道总是处于下列状态中的某一种:
“准备好”状态、“呼叫建立”状态、“数据传输”状态、“呼叫清除”状态。
2.3虚电路和数据报
如前所述,在分组交换网中,来自各个用户的数据被分成一个个分组,这些分组将沿着各自的逻辑信道,从源点出发,经过网络达到终点。
问题是:
分组是如何通过网络的?
分组在通过数据网时有两种方式:
虚电路VC(VirtualCircuit)方式和数据报DG(DataGram)方式。
两种方式各有其特点,可以适应不同业务的需求。
1.虚电路方式
两终端用户在相互传送数据之前要通过网络建立一条端到端的逻辑上的虚连接,称为虚电路。
一旦这种虚电路建立以后,属于同一呼叫的数据均沿着这一虚电路传送。
当用户不再发送和接收数据时,清除该虚电路。
在这种方式中,用户的通信需要经历连接建立、数据传输、连接拆除三个阶段,也就是说,它是面向连接的方式。
需要强调的是,分组交换中的虚电路和电路交换中建立的电路不同。
不同之处在于:
在分组交换中,以统计时分复用的方式在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路,两个用户终端之间建立的是虚连接;而电路交换中,是以同步时分方式进行复用的,两用户终端之间建立的是实连接。
在电路交换中,多个用户终端的信息在固定的时间段内向所复用的物理线路上发送信息,若某个时间段某终端无信息发送,其它终端也不能在分配给该用户终端的时间段内向线路上发送信息。
而虚电路方式则不然,每个终端发送信息没有固定的时间,它们的分组在节点机内部的相应端口进行排队,当某终端暂时无信息发送时,线路的全部带宽资源可以由其它用户共享。
换句话说,建立实连接时,不但确定了信息所走的路径,同时还为信息的传送预留了带宽资源;而在建立虚电路时,仅仅是确定了信息所走的端到端的路径,但并不一定要求预留带宽资源。
我们之所以称这种连接为虚电路,正是因为每个连接只有在发送数据时才排队竞争占用带宽资源。
(专家、学生同一路径问题)
如图3所示,网中已建立起两条虚电路,VC1:
A—1—2—3—B,VC2:
C—1—2—4—5—D。
所有A—B的分组均沿着VC1从A到达B,所有C—D的分组均沿着VC2从C到达D,在1—2之间的物理链路上,VC1、VC2共享资源。
若VC1暂时无数据可送时,网络将保持这种连接,但将所有的传送能力和交换机的处理能力交给VC2,此时VC1并不占用带宽资源。
•虚电路的特点是:
•
(1)虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候,在以后的传送过程中,路由不再改变,这可以减少节点不必要的通信处理。
•
(2)由于所有分组遵循同一路由,这些分组将以原有的顺序到达目的地,终端不需要进行重新排序,因此分组的传输时延较小。
•(3)一旦建立了虚电路,每个分组头中不再需要有详细的目的地地址,而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息,这可以减少每一分组的额外开销。
•(4)虚电路是由多段逻辑信道构成的,每一个虚电路在它经过的每段物理链路上都有一个逻辑信道号,这些逻辑信道级连构成了端到端的虚电路。
•(5)虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时,可能导致虚电路中断,必须重新建立连接。
•(6)虚电路的使用场合:
虚电路适用于一次建立后长时间传送数据的场合,其持续时间应显著大于呼叫建立时间,如文件传送、传真业务等。
•虚电路分为两种:
交换虚电路SVC(SwitchingVirtualCircuit)和永久虚电路PVC(PermanentVirtualCircuit)。
•交换虚电路SVC是指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求分组来临时建立虚电路的方式。
如果应用户预约,由网络运营者为之建立固定的虚电路,就不需要在呼叫时再临时建立虚电路,而可以直接进入数据传送阶段了,这种方式称之为PVC。
这种方式一般适用于业务量较大的集团用户。
2.数据报方式
•在数据报方式中,交换节点将每一个分组独立地进行处理,即每一个数据分组中都含有终点地址信息,当分组到达节点后,节点根据分组中包含的终点地址为每一个分组独立地寻找路由,因此同一用户的不同分组可能沿着不同的路径到达终点,在网络的终点需要重新排队,组合成原来的用户数据信息。
•如图5.4所示,终端A有三个分组a、b、c要送给B,在网络中,分组a通过节点2进行转接到达3,b通过1—3之间的直达路由到达3,c通过节点4进行转接到达3。
由于每条路由上的业务情况(如负荷量、时延等)不尽相同,三个分组的到达不一定按照顺序,因此在节点3要将它们重新排序,再送给B。
•数据报的特点是:
•
(1)用户的通信不需要有建立连接和清除连接的过程,可以直接传送每个分组,因此对于短报文通信效率比较高;
•
(2)每个节点可以自由地选路,可以避开网中的拥塞部分,因此网络的健壮性较好。
对于分组的传送比虚电路更为可靠,如果一个节点出现故障,分组可以通过其它路由传送。
•(3)数据报方式的缺点是:
分组的到达不按顺序,在终点各分组需重新排队;并且每个分组的分组头要包含详细的目的地址,开销比较大。
•(4)数据报的使用场合:
数据报适用于短报文的传送,如询问/响应型业务等。
复习:
电路和分组交换的比较(最终版)
1.电路交换
2.分组交换
电路交换
•当用户需要通信时,交换机就在收、发终端之间建立一条临时的电路连接,该连接在通信期间始终保持接通,直至通信结束才被释放。
•电路交换的特点:
–整个通信连接期间始终有一条电路被占用,即使在寂静期也是如此。
信息传输时延小。
–电路是“透明”的,即发送端用户送出的信息通过节点连接,毫无限制地被传送到接收端。
所谓“透明”是指交换节点未对用户信息进行任何修正或解释。
–对于一个固定的连接,其信息传输时延是固定的。
–固定分配带宽资源,信息传送的速率恒定。
•但是采用电路交换方式传送数据也有以下缺点:
–所分配的带宽是固定的,造成网络资源的利用率降低。
–通信的传输通路是专用的,即使在没有信息传送时别人也不能利用,所以采用电路交换进行数据通信的效率较低。
–通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等方面要完全兼容,这使不同速率和不同通信协议之间的用户无法接通。
–存在着呼损。
由于通信线路的固定分配与占用方式会影响其它用户的再呼入,因此造成线路利用率低。
•电路交换适合于电话交换、文件传送、高速传真业务使用,但它不适合突发业务和对差错敏感的数据业务使用。
分组交换
•1.报文交换
•2.分组交换
1.报文交换
•报文交换(messageswitching)是根据电报的特点提出来的。
交换机把来自用户的报文先暂时存在交换节点内排队等候,待交换节点出口上线路空闲时,就转发至下一节点,这种方式叫存储—转发(storeandforward)交换,报文在下一节点再存储—转发,直至到达目的节点。
在该方式中,信息是以报文为单位传输的。
•报文交换的优点是:
•报文交换不需要事先建立连接,并且可采用多路复用,因此不独占信道,从而可大大提高线路的利用率。
•用户不需要叫通对方就可发送报文,无呼损。
•容易实现不同类型终端之间的通信,输入/输出电路速率及电码格式可以不同。
•报文交换的主要缺点是:
•当长报文通过交换机存储并等待发送时,会在交换机中产生较大时延,不利于实时通信。
•要求交换机有高速处理能力及大的存储容量,增加了设备费用。
•报文交换适用于公共电报及电子信箱业务。
2.分组交换
•分组交换PS(PacketSwitching)把一份要发送的数据报文分成若干个较短的、按一定格式组成的分组(packet),然后采用统计时分复用将这些分组传送到一个交换节点。
交换节点仍然采用存储—转发技术。
分组具有统一格式并且长度比报文短得多,便于在交换机中存储及处理。
•分组交换存在如下优点:
•由于采用“存储—转发”,可以实现不同速率、不同代码及同步方式、不同通信规程的用户终端间的通信。
•采用统计时分复用技术,多个用户共享一个信道,通信线路利用率高。
•由于引入逐段差错控制和流量控制机制,使传输误码率大为降低,网络可靠性提高。
•分组交换也存在以下缺点:
•技术实现复杂。
分组交换机要提供存储—转发、路由选择、流量控制、速率及规程转换状态报告等,要求交换机具有较好的处理能力,所以软件较为复杂。
•网络附加的传输控制信息较多。
由于需要把报文划分成若干个分组,每个分组头又要加地址及控制信息,因此降低了网络的有效性。
•信息从一端传送到另一端,穿越网络越长,分组时延越大。
•这种传统的分组交换主要应用于数据通信,很难应用于实时多媒体业务。
3通信系统的分层体系结构
•数据通信过程涉及诸多操作,如比特流传送、同步、流量控制、拥塞控制、路由选择、对话过程管理和数据加密。
因此,寄希望由单一通信实体完成所有的操作是不切实际的,同时也不利于定义具体的操作功能,因此现代通信系统均采用了分层体系结构。
•3.1协议的基本概念
•3.2OSI协议参考模型
•3.3协议相关问题
•现代通信系统均采用分层体系结构,主要原因如下:
•1)分层可以降低网络设计的复杂度;
•2)方便异构网络设备间的互通互连;
•3)增加了网络的可升级性;
•4)促进了竞争和设备制造商的分工。
3.1协议的基本概念
•在分层体系结构中,通信协议是指位于一个系统上的第N层与另一个系统的第N层通信时所使用的一组规则或约定的集合。
一个通信协议主要包含以下内容:
•语法:
数据与控制信息的结构
和格式。
•语义:
需要发送何种控制信息,完成何种动作,以及做出何种应答;
•时序:
事件实现顺序的详细说明,包括同步和顺序控制。
通信协议的一个比喻
•要完成的任务--通信:
深圳的老总A要告诉北京的老总B:
货已发出。
•A用中文写好信;把信交给秘书;秘书把信投进邮筒;邮局根据收信人地址选择好信件的传递路线;把信件打包后交给火车站;火车站负责把信件运输到北京;
•北京的火车站收到信件后,以后的步骤是什么?
B怎么收到信息?
分析上述例子
(1)
•目的:
通信
•是怎么完成的通信?
–每个人遵守一定的规则
–A按一定的格式写好信
–秘书在信封上填好地址
–邮局根据邮件的处理方法发送邮件
–铁路有自己的运作方式
•以上每个人协同工作,相互依赖,完成同一件事:
通信
•每个人又相互独立
–明确分工
–秘书只需要知道把写好地址的信投到邮筒就行了
–邮递员不需要会开火车
5.3.2OSI协议参考模型
•什么是OSI,OSI是OpenSystemInterconnection的缩写,意为开放式系统互联参考模型。
•OSI模型的设计目的是成为一个所有销售商都能实现的开放网路模型,来克服使用众多私有网络模型所带来的困难和低效性。
•在设计OSI模型时,遵循以下原则:
–各层之间有清晰的边界,便于理解。
–各个层实现特定的功能。
–层次的划分有利于国际标准协议的制定。
–层的数目应该足够多,以避免各个层功能重复。
•OSI是在一个备受尊敬的国际标准团体的参与下完成的,这个组织就是ISO(国际标准化组织)。
•国际标准化组织(ISO)
•国际电子委员会(IEC)
•国际电信联盟(ITU)
•国际电报电话咨询委员会(CCITT)
OSI层
•应用层
•表示层
•会话层
•传输层
•网络层
•数据链路层
•物理层
物理层(Physical)
比喻:
信是用火车还是汽车运输?
•负责0和1的传送:
1.使用什么传输介质?
2.0和1在线路上如何表示?
3.线的接头是什么样的?
4.机械、电气、功能特性等
数据链路层(DataLink)
比喻:
信填好地址,封口之后,盖上邮戳
•帧的封装
–将传输数据增加同步信息、校验信息及地址信息后封装成数据帧。
•差错检测
–检错,不纠错
–循环冗余校验:
一种算法而已
网络层(Network)
比喻:
信从什么线路送到北京?
1.定址:
数据是谁发送的、发给谁?
如何表示不同的计算机?
例如:
IP地址(类似我们的通信地址)。
2.选择最佳路径将信息从最合适的路径
传送到接收端。
如右图:
从A到C有哪些路径?
哪条最好?
传输层(Transport)
比喻:
秘书发现对方没收到信,会设法再发一封?
⏹提供可靠(或者不可靠)的端到端服务。
⏹处理数据包错误、数据包次序,以及其他一些关键传输问题。
传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节
会话层(Session)
比喻:
发信
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