网络协议与结构

1.9 计算机网络协议与结构 2006-12-17 09:19 三、网络协议与接口

在网络环境中，入网实体彼此合作，为网络用户提供全范围内的资源共享和信息交换服务。它们只能通过传输介质彼此传递信息，从而实现彼此合作。在通信前后、通信过程中，考虑到异构环境及通信介质的不可靠性，对方必须密切配合才能完成共同的任务。通信前，双方要取得联络、同步，确认对方，并协商通信参数、方式等；通信过程中，要控制流量和差错检测与恢复，保证所传信息不变形、不增生、不减少；通信后，要释放有关资源（如通信线路、收方缓冲区）。由于这种通信是在异构机之间进行的，故只能通过双方交换特定的控制信息或在数据报文中所含的控制信息达到上述目的。交换信息必须按一定的规则进行，只有这样双方才能保证同步，并理解对方的要求。因而，一般要对网络中同层通信实体间交换的报文的格式、如何交换以及必要的差错控制设施（如超时重发）作出全网一致的约定，这些约定（规则）统称为网络协议。

低层协议往往称为通信规程，这种通信是“水平方向”的。除最底层外，其它两个实体间没有直接的物理连接，不能直接交换信息，因则必须利用下一层实现的协议所提供的更为基本的服务来实现本层通信。而下一层实体在完成上一层交付的任务过程中，又有可能要向上一层实体汇报执行情况（如网络发现不可恢复差错，而拆除网络连接时，要向传输介质汇报）。由此可见，同一子系统上相邻实体从逻辑上也是并发执行的，它们通过特定的服务访问点交换相应作命令和执行结果（称为服务数据单元或服务原语）。这就要求对相邻层实体间合作所需交换的信息格式、交换规则及必要的差错控制也加以规定，这些规定称为接口。

相邻实体通过接口进行协作，这种通信是“垂直方向”的，接口也是一种特殊的协议，由于体系结构是分层的，因而协议也是分层的，并且，对模型中的每一层i，要根据该层的功能制定出相应的i层协议以及它与（i＋1）层、（i－1）层间的接口。事实上，网络体系结构设计的实质性工作就是划分协议层次，制定每层协议以及上下邻层间的接口。 协议层次的要点： ①i层协议向（i＋1）层协议提供自己实现的服务； ②i层实体在实现自己向（i＋1）层提供的服务时，必须通过i/（i－1）层接口使用（i－1）层协议提供的服务，与同层的另一个实体通信。i层只感知（i－1）层协议的服务，并不关心其内部结构及其实现。i层协议就是两个i层实体间通信规则集合。i层扩充了（i－1）层的服务功能，这些新服务由（i＋1）层通过（i＋1）/i层接口使用； ③i层协议与（i＋1）、（i－1）层协议有接口关系，接口是相邻层实体间通信规则的集合。用服务访问点定义接口。每层协议通常由语法与语义和计时机制组成。协议的语法（又称协议的逻辑描述）规定了同层实体间所交换的信息的格式和相应的逻辑含义。这些信息在OSI/RM中统称为协议数据单元或服务数据单元。 值得指出的是，协议数据单元在是同层往往具有不同的名字，如在物理层称为位流，数据链路层称为帧或包，网络层称为分组或包，传输层中称为数据报或报文段，应用层中称为报文等。协议的语义（又称协议的规程描述）规定了通信双方如何交换信息以及如何保证正确交换规程（或称为规程元素）。协议的语义是协议规程的集合。计时机制包括速率匹配、排序等。

四、计算机局域网体系结构 局域网是广泛使用的网络技术。因为LAN是一个通信网，所以它的协议应包括物理层、数据链路层和网络层这下三层。由于LAN没有路由问题，任何两点之间可用一条链路，所以可以不需要单独设置网络层，而将寻址、排序、流控、差错控制等功能要放在数据链路层中实现。

根据LAN的特点，将数据链路层分成逻辑链路控制和介质访问控制。 计算机局域网是一种特殊的计算机网络，它将小区域内的计算机系统、外设、通信设备通过某种传输介质互连起来。IEEE802将局域网定义为一种特殊的数据通信系统，它可提供系统内各种独立的数据设备间的相互通信。

与广域网（WAN）和市域网（MAN）相比，局域网具有下列一些特性： (1)地理范围较小，覆盖直径一般为几百米到几千米； (2)一般为某一单位或局部区域若干单位所共享，保密性能较好，利用较廉价的工作站共享网中较为昂贵的资源（如大容量磁盘、绘图仪、激光打印机以及其它各类软件和信息资源）； (3)数据传输速率较高，一般为1－100Mbps，且误码均率较低（18－8－10－11），传输延迟小，传输介质一般为宽带或基带CATV粗、细同轴电缆、双绞线、光纤、微波、红外、激光等。传输控制简单、通信费用低； (4)局域网协议一般比远程网协议简单，常用的介质访问协议包括载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）、令牌环、令牌总线、光纤分布数据接口FDDI及电缆分布数据接口CDDI。局域网可通过网桥、网关、路由器等智能设备支持网际互连。 (5)局域网可具有多媒体功能，可交换非数字信息，如语音、视频图像等； (6)局域网拓扑结构灵活多这，便于扩展、重构系统，易于管理； (7)从网络设备构成上看，局域网中一般不包括二级子网结构。入网智能终端（如x终端）及普通PC一般称为工作站，资源较丰富的主机（如高档微机、工作站及小型机）往往称为服务器，它们一般直接通过网络适配器连到传输设备或介质上。

局域网体系结构主要由网络拓扑、传输技术及介质访问控制方式确定，它们在很大程度上决定了数据类型、响应时间、吞吐率、线路利用率、网络应用等。局域网体系结构的标准化方面工作进展较快，比较著名的有IEEE802和IEC PROWAY。它们均遵循OSI/RM。与远程网协议的差别主要反映在物理层和数据链路层。 下面我们以IEEE 802.3为例介绍局域网体系结构。 TEEE 802委员会1980年2月成立，围绕局域网、城域网标准化方面做了卓有成效的工作，所制定的标准已为ISO采纳。 OSI物理层在局域网中被细分为MAU（介存访问部件）和物理层介质两部分。物理层主要处理在传输介质上传递非结构位流以及环、总线、树等拓扑结构的抉择。其大部分功能由MAU完成，如编码、译码、同步等。数据链路层在局域网中细分为MAC和LIC子层。局域网协议的异同主要反映在MAC，即介质访问控制子层所采用的协议上。在局域网中，传统的传输介质是各站点的共享资源，如何简单、有效、公平合理地将传输介质频带分配给各地点使用是介质访问控制协议要解决的问题。介质访问控制方法一般有多路复用（如时分、空分或频分）、探询(如轮询、标志（又称令牌））、随机访问（如CSMA/CA、CSMA/CD）。 IEEE 802.3已制定了三种典型的介质访问控制方法，即CSMA/CD、令牌环、令牌总线。此外，MAC子层还负责处理数据报的寻址、帧校验序列的生成等。LLG子层类同远程网数据链路层内容，即保证建立数据链路及可靠的数据传送服务。有两种控制类型：一种是无连接服务；另一种是面向连接的服务。后者可提供可靠的通信，其协议从HDLC发展而来，但帧格式、地址编码和多地址域、控制域含义、FCS的CRC生成多项式等与HDLC存在差异。

局域网的网络层协议较远程网网络层协议大大简化，一般它采用数据报服务而不是虚电路服务，路由选择对局域网变得极为简单。高层协议采用OSI的高层协议。IEEE 802标准的不同层（子层）实体间交换信息遵守特定的接口，也通过服务访问点（SAP）建立不同层实体间的通信联系。物理层与MAC子层以及MAC与LLC子层之间只有单个服务访问点，即PSAP、MCCSAP；LLC与网络层之间具有多个服务访问点，用来支持多种高层协议。同子层实体间存在通信协议，如LLC同等层协议、MAC同等层协议、MAU同等协议、PIPI传输信号规程等。 从实现角度看，局域网协议（尤其是低层协议）往往由网络适配器固化实现，以期适应高速数据和提高系统效率。例如，IBM PC宽带网的适配器实现了包括会话层协议在内的下五层协议，为每个工作站支持32个活动态会晤，将工作站从网络通信事务中解脱出来，为应用层协议开发提供了良好的基础。 LAN的层次功能如下： 1.物理层和OSI物理功能一样，主要处理在物理链路上传递非结构化的比特流\建立、维持、撤消物理链路，处理机械的、电气的和过程的特性。 2.介质访问控制层 主要功能是控制对传输介质的访问，不同类型的LAN需要采用不同的控制法。 3.逻辑链路控制层 可提供两种控制类，一种是无连接的服务，另一种是面向连接的服务，它可提供可靠的通信。

五、协议工程 如前所述，协议是实现计算机互连的前提，是计算机网络工作的基础。一旦确定网络体系结构，也就是确定网络协议分层结构及其每层功能后，就要详尽定义每层协议，而后必须证明其正确性，分析其性能，最后才予实现。所谓协议工程就是用形式化方法描述在协议设计和维护中的各项活动。 协议合成是相应于服务描述来形成协议描述，并保证正确操作的协议设计规则集。协议给证用来证明协议描述提供有服务正是服务描述中所要求的。一致性测试检查协议实现是否遵守独立于实现的协议描述。自动实现是一个由描述到实现的自动转换过程。性能分析通过对协议描述的分析，确定吞吐量、可靠性、有效性、公平性等协议特性。 我们下面着重介绍协议描述技术。协议描述又可细分为参考模型描述、服务描述、协议描述和实现描述四部分内容。 参考模型描述，主要指明本协议在层次模型是的地位、协议总的目的、选用范围、与上下邻层协议间的关系是协议总的概貌描述。描述工具多采用自然语言。 服务描述，侧重于定义本层子系统总的行为，突出为上层实体提供的服务的定义，即着重刻画几层实体与（n＋1）层实体间的信息交换。如服务原语的交换方向、格式、内容及含义、应答关系等。一般说来，服务原语总与服务访问点相关，故服务描述应包括在给定服务访问点上交换服务原语的规则。这些规则（常称为局部规则）可视为n/〔n＋1〕层接口的抽象描述。服务描述还包括涉及不同服务访问点的有关服务原语的交换规则）常称之产全局规则（，它们定义通信服务的端到端性质。举例说，传输层协议中，在某个给定的服务访问点上，SEND和RECEIVE服务原语必须在成功交换CONNECT原语之后才能出现，这个规则属于局部规则；而通信一方第i个RECEIVE原语中的用户信息应等于另一方的第i个SEND原语中指定的用户信息，这个规则属于全局规则。此外，服务描述还包括有关服务的量化标准的描述，如传输延迟、吞吐率、失效概率。 协议描述，就是定义本层两个分布实体间如何利用下层服务原语实现本层向上层提供的服务。本层实体行为的描述包括实体间如何交换本层协议数据单元，具体说包括： a、响应从上层实全那儿收到的命令（服务原语），并执行所要求的操作； b、响应处理对方实体发来的协议数据单元（从下层服务原语的用户信息域中得支），并控制下层实体 的交互行为； c、初始化动作。注意：协议描述只关心最基本的东西，即仅描述与通信实体间交互行为，忽略其它细 节。 实现描述，是协议描述的进一步细化。除了协议描述要描述的内容外，还包括： a、实体的行为细节特性，如缓冲区管理、流量控制、连接连接复用等； b、实体内部结构特征； c、实现服务访问点的上、下层接口细节； d、有时还包括实现协议规则的算法，如HDLC的CRC生成。 现在已有许多协议形成描述工具，可分为两大类： 一类是状态变迁技术（如Petri网、状态变迁图、状态变迁矩阵、有穷自动机等）； 另一类是高级语言（如国际标准Estelle、Lotos、SDL形式语言。高级程序设计语言、时态逻辑、进程 代数等）。 前一类技术的代表是Petri网。它具有下列突出优点： (1)具有典型的异步、并发、非确定性特征，非常适宜描述网络协议的这三个本质特征； (2)采用直观的图形表示，易学易懂；