各种通信协议

分层及通信协议

协议软件是计算机通信网中各部分之间所必须遵守的规则的集合，它定义了通信各部分交换信息时的顺序、格式和词汇。协议软件是计算机通信网软件中最重要的部分。网络的体系结构往往都是和协议对应的，而且，网络管理软件、交换与路由软件以及应用软件等都要通过协议软件才能发生作用。

一、通信协议

1、什么是通信协议

通信协议(简称协议Protoco l)，是指相互通信的双方(或多方)对如何进行信息交换所一致同意的一整套规则。一个网络有一系列的协议，每一个协议都规定了一个特定任务的完成。协议的作用是完成计算机之间有序的信息交换。

通信网络是由处在不同位置上的各节点用通信链路连接而组成的一个群体。通信网必须在节点之间以及不同节点上的用户之间提供有效的通信，即提供有效的接入通路。在计算机通信网中，将这种接入通路称为连接(connection)。建立一次连接必需要遵守的一些规则，这些规则也就是通信网设计时所要考虑的主要问题。

(l)为了能在两个硬件设备之间建立起连接，应保证在源、宿点之间存在物理的传输媒介，在该通路的各条链路上要执行某种协议。

如果传输线路使用电话线，则要通过调制解调器将信号从数字转换成模拟的，并在接收端进行反变换。

如果用的是数字传输线路，则在数据处理设备和通信设备之间，必须有一个数字适配器，以便将数字信号的格式转换成两种设备各自所期望的形式。

为了在两个端设备之间互换数据，需要协调和同步，调制解调器和数字适配器必须执行它们自己的协议。

无论是模拟的还是数字的通信设备，调制解调器和数字适配器的状态必须由接到节点上的设备来控制，这里必定有一个物理的或电气的接口来执行这种功能，执行某种适当的协议来达到这一控制目的。

(2)在计算机通信网中，许多信息源都是突发性的(bursty)，问题是要利用信息的这种突发性质来降低消耗在线路上的费用，由此开发了许多共享通信资源的技术。所谓共享，是指允许多个用户使用同一通信资源，这就产生了多用户的接入问题。多路接入

技术必须与所使用的设备配合，也必须执行某种协议。

(3)将传输的比特组合成字符、帧、分组或报文等，并提供自动的差错处理，以保证所接收到的比特流是所发送的比特流的精确复制。极大多数的差错处理采用自动重发请求(ARQ)协议。以上这些功能的完成，也都是由两个端设备之间运行的协议来处理的。

(4)必须保证消息抵达正确的目的地。一些寻址和路由协议用来处理这项功能。

(5)在端节点或交换节点上存储所收到的信息，直至这些信息能够得到服务或再转发出去。缓冲器的大小，所希望的快速响应时间，对输入的信息流所需做的差错检验而无须额外的重发时间，都已导致了将长报文分割成分组，并再从分组组合成一个完整的报文的技术。为了达到这一点，两个端设备之间需要有良好的默契。

(6)必须进行流量控制，以避免缓冲器溢出，防止过分地拥挤，从而产生了流量控制协议。流控协议可能在网络的若干个层次上存在。

(7)最后，必须保证接入通路能与用户的特性相协调一致。例如消息的格式、字符编码、器件控制和数据库接入等。通常必须提供协议转换功能，以便处理这些不同的特性，并提供正确的数据表达形式。

应该指出，上面提到的这些功能，在通信的双方都必须具备，也就是说功能是成对的，而且，每一对的两个相同功能之间才相互通信。在某一处由协议加上去的额外的位(称为overhead)由另一处的相应协议加以解释。例如，寻址和路由所用的数据仅仅是为了寻找目的地址和路由控制，与其他功能无关，所以只在相应的协议之间才进行对等的通信(peer-to-peer communication)

图1 通信协议的类型

2、协议的分类

图1表示了通信协议的各种类型，其中包括以下几种。

(1)面向应用的协议：为完成某些特定应用而制定的协议。从分层的协议结构来看，包括应用层的专用服务元素，例如，TCP／IP协议模型中的FTP，TELNET，SMTP等，0SI ／RM中的FTAM，VT， JTM，MHS，DS等。面向应用的协议也可称为进程到进程的协议。

(2)系统到系统协议：支持端系统中特定应用进程之间的数据交换，为应用进程提供网络通信服务，包括应用层的公用服务元素、表示层协议(如完成数据的加密/解密)等。

(3)端到端协议：完成端到端的可靠传输，建立、保持及维护端到端连接，包括会话层协议(保持对话的同步等)、TCP和UDP等。

(4)其他网内协议：包括流控协议、寻址和路由控制等。

(5)点到点协议：实现直接相连的节点之间的数据传输，如数据链路层协议HDLC和Internet中的PPP协议等。

(6)网络接入协议：如介质接入控制(MAC)等。

(7)网间互联协议：从网络介质的延伸，不同网络用户的寻址，到异构网络间协议的转换。

从以上对协议的分类中可以看出，任何计算机(端系统)之间的通信，实际上是在不同层次上对等的通信单元(在分层体系结构中称为“实体”)的各自协调工作来配合完成的。对计算机通信网的研究都是基于这种功能上的通信概念，从而形成了分层的协议体系结构。

3、协议的三个要素

协议为传输的信息定义严格的格式(语法)和传输顺序(时序或同步)，而且，协议还定义所传输信息的词汇表和这些词汇所表示的意义(语义)。因此，任何协议都有下列三个要素：

(l)语法(Syntax)：指互通的信息结构，包括诸如数据格式、编码、有用信号电平的表示等。例如，IS08473规定的无连接网络层协议数据单元的格式有五个部分：①固定控制部分(9字节)；②地址部分(不定长)；③分段部分(6字节)；④选项部分(不定长)；

⑤数据部分(不定长)。其中前四个部分是控制部分，其最大长度不超过254字节，第五部分的最大长度不超过64，512宇节。

(2)语义(S emantics)：指所互换信号的意义，包括用于协调及差错处理的控制信息

等。例如，“ACK”可被定义为接收方正确收到数据包之后的应答，“NAK’’则可被定义为未正确接收到所期望的数据包或传输出错时的应答。

(3)时序(Timing)：指数据应传送或被接收机寻找的时间、信息的排序、速率匹配等。这是协议中最复杂、最关键的部分，它规定用什么样的方法和算法去完成所定义的协议功能。协议功能除了包括连接管理、通信方式管理、协议数据单元的发送和接收以及装配和拆卸等之外；还包括数据包的编码和解码、分解和组合、流量控制、拥塞控制、发送顺序控制、发送速率控制以及差错处理等，协议的时序用来完成这些工作。

3、RS-232、RS-485通信协议

RS-232、RS-485仅仅是一个电气接口标准，需自定义通信协议。通信协议分语法、语义及应答三部份。

语法指通信帧结构，一般帧幀格式：

起始命令（或地址）数据校验结束

STX CX DATA CRC-16 END 语义是对语法中每一个部份的解释

STX： 1字节的幀起始符， ASCII字符STX(0X02)；

CX： 1字节的命令符， ASCII字符，自定义；

DATA： 16进制BCD码数据，结构跟随命令符可有自己的定义；

CRC-16： 16位循环冗余校验；

END： 1字节的幀结束命令符(0X0D)；

ACK：收到幀，且CRC校验正确

NAK：出错。

例如：

对时幀：STX C0 年、月、日、时、分 CRC—16 END

校时幀：STX C1 年、月、日、时、分 CRC—16 END

数据幀：STX C2 幀号 DATA CRC—16 END

应答指通信双方的勾通（图2）

A、回应 ACK结束；

B、回应 NAK或 T时刻无回应就重发，重发N次仍回应NAK或仍无回应就出错结束。等)。

图2 等待式 ARQ方案中数据帧在链路上的传输

(a)正常情况 (b)数据帧出错 (c)数据帧丢失 (d)应答帧丢失

4、PELCO-D与PELCO-P协议介绍

图像监控系统中，硬盘录像机、矩阵、云台等均采用这两个协议。

（1）PELCO-D:

字格式：1位起始位、8位数据、1位停止位，无效验位。波特率：2400B/S

帧格式：

1、同步字节始终为FFH

2、地址码为摄像机的逻辑地址号，地址范围：00H–FFH

3、指令码表示不同的动作

4、数据码1、2分别表示水平、垂直方向速度（00-3FH）,FFH表示“turbo”速度

5、校验码 = MOD[（字节2 + 字节3 + 字节4 + 字节5 + 字节6）/100H]

以地址码0x01为例：

{0xff,0x01,0x00,0x08,0x00,0xff,0x08,}//上

{0xff,0x01,0x00,0x10,0x00,0xff,0x10,}//下

{0xff,0x01,0x00,0x04,0xff,0x00,0x04,}//左

{0xff,0x01,0x00,0x02,0xff,0x00,0x02,}//右

{0xff,0x01,0x00,0x20,0x00,0x00,0x21,}//变倍短

{0xff,0x01,0x00,0x40,0x00,0x00,0x41,}//变倍长

{0xff,0x01,0x00,0x80,0x00,0x00,0x81,}//聚焦近

{0xff,0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x02,}//聚焦远

{0xff,0x01,0x02,0x00,0x00,0x00,0x03,}//光圈小

{0xff,0x01,0x04,0x00,0x00,0x00,0x05,}//光圈大

{0xff,0x01,0x00,0x0b,0x00,0x01,0x0d,}//灯光关

{0xff,0x01,0x00,0x09,0x00,0x01,0x0b,}//灯光开

{0xff,0x01,0x00,0x07,0x00,0x01,0x09,}//转至预置点001

{0xff,0x01,0x00,0x03,0x00,0x01,0x05,}//设置预置点001

{0xff,0x01,0x00,0x05,0x00,0x01,0x07,}//删除预置点001

以上对应的停命令均是:

{0xff,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,}//停命令

（2）PELCO-P:

字格式：1位起始位、8位数据、1位停止位，无效验位。波特率：9600B/S

帧格式：

1、STX始终为A0H

2、地址码为摄像机的逻辑地址号，地址范围：00H–1FH

3、指令码表示不同的动作

4、数据码1、2分别表示水平、垂直方向速度（00-3FH）,在有关预制点的操作时，数据码2表示预制点值

5、ETX始终为AFH

6、校验码(XOR sum of Bytes 2-6) = 字节2 ^ 字节3 ^ 字节4 ^ 字节5 ^ 字节6

以地址码0x01为例：

{0xa0,0x01,0x00,0x08,0x00,0x30,0xaf,0x39,}//上

{0xa0,0x01,0x00,0x10,0x00,0x30,0xaf,0x21,}//下

{0xa0,0x01,0x00,0x04,0x10,0x00,0xaf,0x15,}//左

{0xa0,0x01,0x00,0x02,0x10,0x00,0xaf,0x13,}//右

{0xa0,0x01,0x00,0x40,0x00,0x00,0xaf,0x41,}//变倍短

{0xa0,0x01,0x00,0x20,0x00,0x00,0xaf,0x21,}//变倍长

{0xa0,0x01,0x02,0x00,0x00,0x00,0xaf,0x03,}//聚焦近

{0xa0,0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0xaf,0x00,}//聚焦远

{0xa0,0x01,0x08,0x00,0x00,0x00,0xaf,0x09,}//光圈小

{0xa0,0x01,0x04,0x00,0x00,0x00,0xaf,0x05,}//光圈大

无命令字发送//灯光关

无命令字发送//灯光开

{0xa0,0x01,0x00,0x96,0x00,0x20,0xaf,0xb7,}//自动巡航

{0xa0,0x01,0x00,0x99,0x00,0x20,0xaf,0xb8,}//关闭自动巡航

{0xa0,0x01,0x00,0x07,0x00,0x01,0xaf,0x07,}//转至预置点001

{0xa0,0x01,0x00,0x03,0x00,0x01,0xaf,0x03,}//设置预置点001

{0xa0,0x01,0x00,0x05,0x00,0x01,0xaf,0x01,}//删除预置点001

以上对应的停命令均是（上下左右、变倍、聚焦、光圈均有停命令）:

{0xa0,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0xaf,0x01,}

二、分层的协议体系结构

所谓体系结构(archit ec ture)，是指计算机通信网的分层、各层协议和层间接口的集合，也就是通信网及其部件所应完成的功能的精确定义。因此，体系结构是计算机通信网的一种抽象的、层次化的功能模型。

分层的协议体系结构将庞大复杂的协议分成不同的层次，每一层的功能是不同的，低层功能主要用来对用户提供通信连接，而高层功能保证数据以正确的形式进行互换并有序地处理数据。

分层结构的基本思想是把整套协议体系分成一些小块(层)，如同结构化程序设计中的子程序模块。下一层对其上一层提供服务，每一层本身的功能与下层提供的服务选加到一起，从而使最高层能为用户提供一组完整的服务，以便实现通信或分布应用。

分层的基本原则是定义每一层向上一层提供的服务，以保证每层的功能相互独立，但不规定如何完成这些服务，这样就允许每一层能改变其实现所规定的服务的方法，但

要求提供的服务不变，而且不影响其他层次。相反，若不采用分层式结构，某些细小的变化往往会要求变动整套网络软件。

1、常用术语

A、协议层接口：(In t erface)

对于复杂的数据通信过程，通常是利用不同层次的通信协议，把它化为一系列相互关联的子过程，即通常所说的层(Layer)。各层具有独立的功能，由相应的通信协议规定。在通信时，每一层各司其职，完成由该层协议现定的通信职能。同时，每一层又必须为上一层提供协议规定的服务，并接受来自下层的服务。

接通信协议的规定，各相邻的层次之间有明确的链接方式(链接控制)与服务信息，这种链接方式称为协议层接口(Interface)。

B、报文(Message)

报文(M e ssage)有时亦称为信息或信息块，是指用户或应用程序发送的一组数据，其长度由应用程序或用户决定，可以是任意长度，如传送一个数据库，完全不受通信协议的限制。

C、协议包(Packe t)

协议包(Packet)也称报文分组，是通信时各协议层的数据单元(PDU-Protocol Data Unit)， PDU由协议控制信息(PCI—Protocol Control Information)和数据单元(块)(Data Unit)二大部份组成，PCI包括地址信息、同步信息、正确性检验信息、流控制信息等，用于通信双方同层通信的正确性控制，数据单元是上一层的PDU，称为本层的服务数据单元(SDU-Service Data Unit)。

与Message不同，协议包Packet均有最大长度限制，其主要考虑如下：

* 系统效率：通信时，如果传送的数据有错，则必须重传，较小的PDU可避兔重传太多的数据，付出的代价是数据分段(将报文分成若干包)和传送附加的控制信息。

* 用户均等地占用信道：目前的计算机网络多属共享信道的方式，如以大网就是一种共享传输介质的网络，同一时刻一个网段只能为一个用户占用，较小的包可以使网上用户均等地占用网上资源。

* 放宽对网络资源的限制：较小包需要较小的接收缓冲区，这样可以放宽对RAM 的要求。

D、打包(Packet Asse m bly)

在通信过程中，发送方在任一层(N)均需将由上一层(N-1)传来的PDU加上本层的PCI，构成本层的PDU，这一过程称为打包(见图3)。

图3 打拆包示意图

(N+1)PDU = (N)SDU； (N)PCI + (N)SDU = (N)PDU = (N-1)SDU E、拆包(Pa c ket Disassembly)

数据通信时，在接收数据的一方，任一协议层(N)均需将下一层(N-l)传来的SDU(下层为上层提供的服务—SDU的含义)经正确性校验无误后，去掉包头PCI，构成本层(N)的SDU，这一过程称为拆包(见图3)。

本层的SDU即上层的PDU，拆包之后，协议软件(或硬件)再将这一SDU送往上一层。

2、数据通信的内部过程

在数据通信过程中，发送方和接收方执行完全相反的操作：

A、发送方执行如下的操作，完成数据的发送

* 数据的接收：此操作在网络体系结构的最上层(应用服务层)进行，该层首先接受应用程序的数据(AP Da t a)(字节流)，加上应用层包头AH(A一PCI)，构成应用层协议包A—PDU，再传到下层。

* 打包发送：中间各协议层接收上一层的PDU，加上本层的PCI（包头），构成本层的PDU，再由协议软件／硬件发往下一层。

* 数据分段：由于各协议层对本层PDU的大长度均有固定的长度限制，所以各协议层在收到由上层发来的数据时，首先检查包的长度，如超长，则按最大长度限制对其进行分段，并对各分段加上段标识，而后再对各分段打包送往下层。

* 位流传送(PHL)：在物理层，将DLL层传来的帧(Frame)以二进制位流的形式，经通信链路(线路)送住接收方的计算机。

B、接收方执行如下的操作：

* 接收位流：接收方物理层首先接收位流，并把它送交数据链路层。

* 正确性校验与要求重发：网络协议层接收来自下层的SDU后，首先进行正确性校验，例如核对接收包的CRC值，若CRC值不匹配，则会弃这一包。对于支持重发的协议(有连接服务)，则发出重发信息通知发送方重发这一包。

* 拆包与重组：网络协议层在对接收包进行正确性校验之后，若接收包正确无误，则去掉包头，完成拆包。如此层协议具有分段功能，则检查同步信息进行重组，以保证收、发双方在同一协议层收到的信息与送出的信息完全相同。从用户和软件的观点来看，对等层之间的通信行为犹如协议包直接从发送方传给接收方，这一观象称为对等层通信原则。

* 最后在应用层，协议软件把收到的应用层协议包还原为报文，传送给用户或应用程序。

在网络体系结构中，任一协议层均把其下层屏蔽起来，使其上层看不到下层的通信细节。因此上述的通信过程对用户来说是完全透明的，用户或应用程序看到的只是他的数据发到了对方，或由对方取出他所需的数据，具体的通信过程则茫然无知。

图4 数据通信的内部过程

数据通信的内部过程如图4所示，图中给出输出框(发送方)结构和输入框(接收方)结构，发送方的每一层均将上层的PDU打包(加上包头)，再送往下层，最后在物理层以位流的形式把包送往接收方的计算机；在接收方的每一层，均将来自下层的协议包去掉包头，送往上一层，最后在应用层把协议包还原为报文，传给用户或应用程序。

不同的网络体系结构包含不同的协议层次，层数和各层的功能也不完全相同，但就目前的情况来看，最低二层由硬件(网卡／通信适配卡)实现(特殊的网卡做到第三、四层)，高层协议由软件实现。

9．1．3 协议体系结构实例

最先提出计算机网络体系结构概念的是IBM公司，于1974年提出了系统网络体系结构 SNA(Systems Network Architecture)，这是世界上第一个按照分层方法制定的网络设计标准。之后，DEC公司于1975年提出了数字网络体系结构DNA(Digital Network Architecture)。其他计算机厂商也分别提出了各自的计算机网络体系结构。这些体系结构都采用了分层次的模型，但各有其特点以适应各公司的生产和商业目的。因此就造成了系统不兼容的问题，即不同厂家生产的计算机系统和网络设备不能互连成网。

国际标准化组织(IS0)在1978年提出了一套非常重要的网络互连标准的建议，称为开放系统互连OSI(0pen Systems Interconnection)参考模型(简称0SI／RM)，在文件IS07498中对它作了详细的规定和描述。此后IS0又陆续推出了有关协议的国际标准，从而确立了OSI网络体系结构。

(l)0SI／RM协议体系结构

开放系统是指遵从国际标准能够通过互连而相互作用的系统，OSI参考模型是基于国际标准化组织(IS0)的建议，作为分层协议的国际标准化的第一步而发展起来的，如图5所示。OSI／RM的体系结构有7层，各层的名称和功能简述如下：

图5 OSI／RM的体系结构

①物理层(physical layer)

物理层位于OSI的最低层。物理层保证通信信道上传输原始比特流，用以建立、维持和释放数据链路实体间的连接。物理层协议被设计来控制传输媒介，规定传输媒介本身及与其相连接接口的机械、电气、功能和过程特性，以提供传输媒介对计算机系统购独立性。传输媒介可以是双绞线、同轴电缆、光纤、通信卫星和微波等。这些接口和传输媒介必须保证发送和接收信号的一致性。计算机和调制解调器的串行接口 RS—232C 标准就是物理层协议的一个例子。

物理层要考虑的典型问题是码型编码；传输速率；传输是否在两个方向上同时进行；连接如何建立，通信后如何终止；网络接插件引脚以及各引脚的用途等。

物理层的功能之一是提供传送数据的通路，形成一条通路。物理连接使比特流透明地通过，对比特透明是指只认比特，而不管比特组成的字符或多字符组成的帧的含义。

物理层的另一个功能是传输数据。物理层包含了适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽，以减少信道上

的拥塞。

②数据链路层(data link layer)

数据链路层的功能是加强物理层原始比特流的传输功能，建立、维持和释放网络实体之间的数据链路连接，使之呈现为一条无差错通路。数据链路层的基本任务就是数据链路的激活、保持和去活，以及对数据的检错与纠错。

数据链路层中对应的传输单元是帧，将数据封装在不同的帧中发送，并处理接收端送回的确认帧。协议不同，帧的长短和分界也有差别，但无论如何必须对帧进行定界。因此，该层通过在帧的开头和结尾附加上特殊的二进制编码来产生和识别帧界。相邻节点之间的数据交换应保证帧同步和各帧的顺序传送，对损坏、丢失和重复的帧应能进行处理。差错检测可以采用奇偶校验码和循环冗余码来检测信道上数据的误码，而帧丢失或重复则用序号检测。发生错误后的修复常靠反馈重发机制来完成。另外，数据链路层必须保证相邻节点之间发送和接收速度的匹配，因此，该层协议还完成流量控制工作。

数据链路层将本质上不可靠的传输媒介变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE 802．3标准中，数据链路层分成了两个子层，一个是逻辑链路控制(LLC)，另一个是介质接入控制(MAC)。

独立的数据链路层产品中最常见的是网卡，网桥也是链路层上的网络互连产品。

③网络层(network laver)

网络层完成对通信子网的运行控制，提供交换和路由功能，以激活、保持和终止网络层连接。

网络层把高层发来的数据分组在通信子网的节点之间交换传送，交换过程中要解决的关键问题是选择路径。路径既可以是固定不变的(通过静态路由表实现)，也可以是根据网络的负载情况动态变化的。在广播式网络中，例如以太网，由于不存在路由选择问题，因此其网络层功能较弱。在选择路由时要考虑解决的问题是流量控制，防止网络中出现局部的拥挤或全面的阻塞。此外，网络层还应有统计功能，以便根据通信过程中交换的分组数(或字符数、比特数等)收费。

网络层具备服务选择功能，该层协议分别向高层提供面向连接方式和无连接方式网络服务。

当传送的分组需要跨越一个网络的边界时，网络层应该对不同网络中分组的长度、寻址方式、以及通信协议进行转换，使得异种网络能够互联。在具有开放特性的网络中的数据终端设备，都要配置网络层的功能。网络层的设备主要有路由器和网关。

④传输层(transport layer)

传输层(也称运输层)提供端到端的控制。它是源端到目的端对数据传送进行控制从低到高的最后一层，并把实际使用的通信子网与高层应用分开。

传输层还可进行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。采用分流／合流、复用／解复用技术优化网络的传输性能。当会话实体要求建立一条传输连接时，传输层就为其建一个对应的网络连接。如果要求较高的吞吐量，传输层可能为其建立多个网络连接(分流)。如果要求的传输速率不很高，单独创建和维持一个网络连接不合算，则传输层就可考虑把几个传输连接多路复用到一个网络连接上。这样的多路复用和分流对传输层以上是透明的。

传输层的服务可能是提供一条无差错按顺序的端到端连接，也可能是提供不保证顺序的独立报文传输，或多目标广播与组播。这些服务可由会话实体根据具体情况选用。传输连接在其两端进行流量控制，以免高速主机发送的信息流淹没低速主机。传输协议是真正的源端到目的端的协议，传输层以下的功能层协议都是通信子网中的协议。

⑤会话层( session laver)

会话层(也称会晤层)提供两个互相通信的应用进程之间的会话机制，即建立、组织和协调双方的交互(interaction)，并使会话获得同步。会话层、表示层、应用层构成开放系统的高三层，对应用进程提供分布处理、会话管理、信息表示、修复最后的差错等。会话层担负应用进程的服务要求，弥补传输层不能完成的剩余部分工作。该层的主要功能是对话管理、数据流同步和重新同步。

会话层服务之一是管理对话，除单程(只有一方)对话以外，还可以允许双程同时对话或双程交替对话。若属于后者，会话层将记录此时该轮到哪一方了。

另一类会话服务是控制两个表示层实体间的数据交换过程，例如分界、同步等。会话层提供一种同步点(也称作校验点)机制，可使通信会话在通信失效时从同步点继续恢复通信。这种能力对于传送大的文件极为重要。如果网络平均每小时出现一次故障，而两台计算机之间要进行的文件传输需要两小时，若每一次传输中途失败后，不得不重新传输整个文件，那么当网络再次出现故障时，又将半途而废了。为了解决这个问题，会话层在数据流中插入同步点，这样仅需要重传最后一个同步点之后的所有数据即可。

此外，会话层还提供了隔离功能，即会话用户可以要求在数据积累到一定数量之前，不把数据传送到目的地，在某一点以前或一个合法的进程之后所到达的数据都是无意义的。

⑥表示层( presentation layer)

表示层的作用之一是为异种主机通信提供一种公共语言，以便能进行互操作。这种类型的服务之所以需要，是因为不同的计算机系统使用的数据表示法不同。例如，IBM 主机使用EBCDIC编码，而大部分PC机使用的是ASCII码。在这种情况下，便需要表示层来完成这种转换。

通过前面的介绍，我们可以看出，包括会话层在内的下面五层完成了端到端的数据传送，并且是可靠无差错的有序传送。但是数据传送只是手段而不是目的，最终是要实现对数据的使用。由于各种系统对数据的定义并不完全相同，最易明白的例子是键盘，其上的某些键的含义在许多系统中都有差异。这自然给利用其他系统的数据造成了障碍。表示层和应用层就担负了消除这种障碍的任务。

对于用户数据来说，可以从两个侧面来分析，一个是数据含义被称为语义，另一个是数据的表示形式，称做语法。像文字、图形、声音、文种、压缩、加密等都属于语法范畴。表示层中定义了一种抽象语法(ASN．1)及其编码规则，包括三类15种功能单位，其中表示上下文(p resentation context)管理功能单位就是允许用户选择语法和转换，用来沟通用户间的数据编码规则，以便双方有一致的数据形式，能够互相认识。

表示层协议的主要功能有：(a)为用户提供执行会话层服务的手段；(b)提供描述数据结构的方法；(c)管理当前所需的数据结构集；（d）完成数据的内部格式与外部格式间的转换。另外，为了提高通信效率(压缩/解压)、增强安全性(加密／解密)等数据语法转换也是表示层的工作。

⑦应用层(application layer)

应用层是开放系统体系结构的最高层，这一层的协议直接为应用进程提供服务。应用层管理开放系统的互连，包括系统的启动、维持和终止，并保持应用进程间建立连接所需的数据记录，其他层都是为支持这一层的功能而存在的。一个应用是由一些合作的应用进程组成的，这些应用进程根据应用层协议相互通信。应用进程是数据交换的最终的源和宿，在OSI/RM中不作为应用层的主体。

应用层的作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务。这些服务按其向应用程序提供的特性分成组，称为服务元素。有些服务元素可由多种应用程序共同使用，称为公用服务元素(CASE)，有些则为特定的一种应用程序使用，称为专用服务元素(SASE)。

CASE提供最基本的服务，它成为应用层中任何用户和任何服务元素的服务提供者，

主要为应用进程通信、分布系统实现提供基本的控制机制。

SASE则要满足一些特定服务，如文件传送、访问管理、银行事务、订单输入、电子邮件等。这些服务的提供将涉及到虚拟终端、文件传送及访问管理、远程数据库访问、图形系统、目录管理等协议。

上述简略的归纳还是很粗浅的，更准确的概念将在今后的有关各章中给出。总而言之，低三层属于通信子网，涉及为用户间提供透明连接，操作主要以每条链路(hop-by-ho p)为基础，在节点间的各条数据链路上进行通信。由网络层来控制各条链路上的通信，但要依赖于其他节点的协调操作。高三层属于资源子网，主要涉及保证信息以正确可理解的形式传送。传输层是高三层和低三层之间的接口，它是第一个端到端的层次，保证透明的端到端连接，满足用户的服务质量( QoS)要求，并向高三层提供合适的信息形式。

国际标准化组织除了定义0SI参考模型之外，还开发了或正在开发着实现七个功能层次的各种协议和服务标准(通常和ITU—T合作)，这些协议和服务统称为“OSI协议”。OSI协议是一些已有的协议和IS0自己开发的协议的混合体，例如，大部分物理层和数据链路层协议是采纳了现有的协议，而数据链路层以上的协议是0SI自行起草的。产生0SI协议的目的是提出能满足所有组网需求的国际标准，但是实现这一目标需在各个国家及国际标准化组织和商业企业中取得一致的意见，而这个过程是漫长的。所以，许多0SI协议还停留在讨论和开发的阶段。

虽然0SI协议还没有完全实现，但是0SI／RM已得到了广泛的支持。和其他的协议一样，0SI协议是实现某些功能的过程的描述和说明，每一个OSI协议都详细地规定了特定层次的功能特性。 OSI协议的主要元素如图6所示，这些元素我们将在以后的章节中具体讨论。

图6 OSI协议集及对应的层次

三 TCP／IP体系结构

1、TCP／IP结构功能

TCP/IP是个协议簇。如图7所示，其各层的功能如下：

图7 TCP／IP和OS1网络体系结构

（1）应用层：提供各种符合TCP/IP标准的应用服务,包括文件传输、远程登录、

电子邮件等。

（2）传输层：提供应用程序之间端到端的通信。

（3）网络层：提供相邻计算机之间点到点的通信，主要功能包括：路由选择、IP

数据报的封装和拆卸、差错报告等。

（4）网络接口层：由各设备之间的物理链接构成，包含了OSI物理层和数据链路

层的功能。

2、TCP/IP协议数据

在TCP/IP各层中数据单位的名称随着相应协议的不同而不同，如图8所示。物理层用比特位串表示所有数据；数据链路层将数据帧作为数据单位；网络层将IP数据报作为数据单位；传输层采用TCP段、TCP传输报文或UDP数据报作为数据单位；应用层将应用报文作为数据单位。

图8 TCP／IP各层协议包格式

3、TCP/IP重要概念

1．面向连接和无连接协议

面向连接指在通信之前必须在信源端的应用程序和信宿端的应用程序之间建立—个连接即虚电路。面向连接的服务能够保证接收方收到的数据顺序与发送方发出的顺序—样。无连接协议在通信之前不用建立连接，每个报文必须包括完整的信息。无连接服务不提供数据的顺序到达。

2．字节流和数据报

字节流的协议将数据当作一串连续的字节进行传输，不要求传输数据的长度，发送方对数据不进行任何限制和处理。数据报的协议将数据看作一个独立的单元进行传输，数据报之间并不相互依赖，传送到同一信宿的多个数据报可能不按发送顺序到达。

3．网关(Gateway)

图9 IP网关的概念

网关指应用网关或IP网关，属网络互联设备。应用网关不仅具有数据转发和路由选择的功能而且还能进行协议(包括高层协议)转换，属于OSI第七层网络互联设备。IP 网关对数据进行转发和路由选择，工作在网络层，定义为OSI第三层网络互联设备。图

9描述了应用报文在主机A和主机B之间传输，应用报文经过IP网关G，由G的网络层进行转发，并不进入高层协议。

五、网络层协议

TCP/IP网络层协议的核心是IP(Internet Protocol)协议。它主要有两个作用：一是提供无连接的数据报传输机制；二是提供在同一物理网络中的点到点通信，决定一条从信源机到信宿机的传输路径。与之相关的协议和内容有IP地址、地址解析、差错控制协议和路由选择协议等。

1、IP地址

硬件物理地址能够唯一地标识网络上的某一台主机，但它不含任何位置信息，对路由选择非常困难，为此，推出了IP地址。

（1）IP地址格式

图10 IP地址结构

IP地址格式如图10所示。它是由NIC(Network Information Center)全球统一管理和分配。如果仅构造一个封闭的网络，也可自行分配。而主机号唯一地标识某一网络上的某一主机，可自行分配。

IP地址字长32位，通常用点分十进制(xxx．xxx．xxx．xxx)来表示，每8位1个字节用3位十进数代表，因此IP地址中每3位十进数只有0—255之间的值。但全0和全l的组合代表了网络地址和广播地址。

（2）IP地址分类

IP地址的分类如图11所示，其点分十进制表示见表1。

表1 IP地址点分十进制表

类范围网络地址主机地址

A 0-127(1.0.O.1-126.255.255.254) XXX XXX.XXX.XXX

B 128-191(128.O.O.1-191.255.255.254) XXX.XXX XXX.XXX

C 192-223(192.O.0.1-223.255.255.254) XXX.XXX.XXX XXX

D 224-239(224.0.O.0-239.255.255.255)

E 240-255

图11 IP地址类结构

A类地址用于拥有大量主机的网络;B类地址用于中等规模的网络;C类地址用于小型LAN;D类地址用于多点传送或组的寻址，是广播传输的一种形式，但局限于某个有限区域;E类地址保留使用。

IP地址中还留出了三类网络号，给不连到Internet上的专用网使用，分别用于A、B和C类IP网。任何人都可以自由地选择这些网络地址作为自己的网络地址。专用地址具体如下：(10.0.0.0-lO.255.255.255);(172.16.O.0-172.31.255.255);(192.168.O.O-192.168. 255.255)。

（3）子网和了网掩码

上述IP地址的分类方法存在不能充分利用IP地址空间的问题。如一些小网络，网络主机很少，申请个C类地址空间也显得太大(最多254个主机)，造成地址浪费；其次，随着网络规模的增大所需网络地址不断增加，因此路由表急剧膨胀，造成路由选择效率低、网络负担重。

为此，TCP/IP采用了子网(Subnet)技术，采用两级地址结构，将IP网络分为更小的单元(子网)，把主机地址空间拿出一部分作为子网地址，如图12所示。子网号在网络外是不可见的，仅仅在子网内部使用。子网内部用子网地址进行路由选择，使数据到达正确的信宿机。

图12采用子网的IP地址结构

为了反映出有多少位用于子网号，TC/PIP采用了子网掩码(Mask)。一个子网掩码有32位，其中网络号和子网号部分用二进制l表示，主机号部分用二进制0表示，将子网掩码和IP地址进行“与”运算就可得到网络号和子网号。例如，一个IP地址是128．10．1．O，子网掩码为255．255．255.0，则该B类网的第三个8位位组是子网号，网络号是128．10，子网号为1。

4、特殊IP地址

有些IP地址属于特殊情况，地址的含义和使用的方法都不同，其中“-l”表示各