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8.2 网络协议与标准
在计算机网络中有许多不同厂商提供的计算机设备、网络设备，它们是靠什么如此有序地完成通信任务的呢？要想成功地通信，就必须具有相同的语言。交流什么、怎样交流、何时交流，都必须有一个两方都能够互相接受的规则。这些规则的集合就称为协议。它可以定义两个实体间控制数据交换的规则集合。
简单地说，网络通信协议，就是计算机网络通信实体之间的语言，就像人与人之间通信、交流所使用的语言一样。类似地，不同的网络结构可能使用不同的网络协议。
为了使不同厂商提供的计算机设备、网络设备互联互通，国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）在1979年建立了一个专门的分委员会来研究和制订一种开放的、公开的、标准化了的网络结构模型。这就是著名的“开放系统互连参考模型”（Open System Interconnection，OSI）的协议模型。它定义了一套用于连接异种计算机的标准框架。由于ISO组织的权威性，加上人们需要一个相互兼容、共同发展的。新的网络体系，所以OSI参考模型成为各大厂商努力遵循的标准。
时值今天，虽然许多网络协议并不是完全与它一致的，但由于都是根据它来制订的，所以确保了它们的开放性和兼容性。从某种意义上说，OSI参考模型已成为计算机网络协议的“金科玉律”。
OSI参考模型采用了一种分层结构对网络中两点之间的通信过程进行理论化的描述。它并不规定支持每一层的硬件或软件的模型，但是网络通信的每个过程均能与某一层相对应。
标准的OSI参考模型把网络通信的结构分成7层（如表8-1 所示）：应用层（ApplicationLayer）、表示层（Presentation Layer）、会话层（Session Layer）、传输层（Transport Layer）、网络层（Network Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、物理层（Physical Layer）。
表8-1 OSI七层结构
除了最低层物理层之外，每一层的功能都是建立在它的下层协议上的，每一层按照一定的接口形式向上一层提供一定的服务，而把实现这一服务的细节屏蔽。这样就可以保证每一层的工作与其他各层不重复，层次分明，既易于理解分析，又易于生产商提供相应的设备，每一层各司其职，经过逐层工作后，数据就可以在网络上传输了。OSI只是一个通信框架，并不在具体的通信过程中起作用，真正的通信是由适当的软、硬件实现的，它定义了：
（1）网络设备之间如何交互，如果使用不同的通信协议，如何通信；
（2）网络设备决定何时发送数据的具体方法；
（3）保证网络传输被正确接收的机制；
（4）网络拓扑结构设计的依据；
（5）如何确保网络设备提供一定的速率；
（6）网络传输介质上数据流的含义。
物理层（如图8-1所示）的所有协议就是人为规定了不同种类传输设备、传输媒介如何将数字信号从一端传送到另一端，而不管传送的是什么数据。
图8-1 物理层原理示意图
它是完全面向硬件的，它通过一系列协议定义了通信设备机械的、电气的、功能的、规程的特性。
（1）机械特性： 规定线缆与网络接口卡的连接头的形状、几何尺寸、引脚线数、引线排列方式、锁定装置等一系列外形特征；
（2）电气特性： 规定在传输过程中多少伏特的电压代表“1”，多少伏特代表“0”；
（3）功能特性： 规定连接双方每个连接线的作用，用于传输数据的数据线，用于传输控制信息的控制线，用于协调通信的定时线，用于接地的地线；
（4）过程特性： 具体规定了通信双方的通信步骤。
该层常见的网络设备有：中继器、集线器、调制解调器。
数据链路层（如图8-2所示），在物理层已能将信号发送到通信链路中的基础上，负责建立一条可靠的数据传输通道，完成相邻结点之间有效地传送数据的任务。
图8-2 数据链接层原理示意图
正在通信的两个站在某一特定时刻，一个发送数据，一个接收数据。数据链路层通过一系列协议将实现以下功能。
（1）封装成帧： 把数据组成一定大小的数据块，我们称之为帧。然后以帧为单位发送、接收、校验数据；
（2）流量控制： 对发送数据的一方，根据接收站的接收情况，实时地进行传输速率控制，以免出现发送数据过快，接收方来不及处理而丢失数据的情况；
（3）差错控制： 对接收数据的一方，当接收到数据帧后对其进行检验，如果发现错误，则通知发送方重传；
（4）传输管理： 在发送端与接收端通过某种特定形式的对话来建立、维护和终止一批数据的传输过程，以此对数据链路进行管理。
就发送端而言，数据链路层将来自上层的数据按一定规则将比特流送到物理层处理；就接收端而言，它通过数据链路层将来自物理层的比特流合并成完整的数据帧供上层使用。最典型的数据链路层协议是IEEE开发的802系列规范，在该系列规范中将数据链路层分成了两个子层：逻辑链路控制层（LLC）和介质访问控制层（MAC）。
（1）LLC层： 负责建立和维护两台通信设备之间的逻辑通信链路；
（2）MAC层： 就像交通指挥中心控制汽车通行的车道一样，控制多个信息复用一个物理介质。MAC层提供对网卡的共享访问与网卡的直接通信。网卡在出厂前会被分配唯一的由12位十六进制数表示的MAC地址，MAC地址可提供给LLC层来建立同一个局域网中两台设备之间的逻辑链路。
IEEE 802规范目前主要包括以下内容。
该层常见的网络设备有：网桥、交换机。
网络层，用于从发送端向接收端传送分组，负责确保信息到达预定的目标。看到这里，也许读者会觉得不可思议，不是数据链路层已经保证了相邻结点之间无差错传送数据帧了吗？那么网络层到底有什么用呢？它存在的主要目的就是解决以下问题。
（1）通信双方并不相邻的问题。 在计算机网络中，通信双方可能是相互邻接的，但也可能并不是邻接的，这样当一个数据分组从发送端发送到接收端的过程中，可能要经过多个其他网络结点，这些结点暂时存储“路过”的数据分组，再根据网络的“交通状况”选择下一个结点将数据分组发出去，直到发送到接收方为止。
（2）异构网络的互连问题。 正如前面所阐述的一样，由于OSI参考模型是出现在许多网络协议之后的，它就必须为使用这些已经存在的网络协议的计算机网络之间的相互通信做出贡献。事实上，网络层的一些协议解决了这样的异构网络的互连问题。
工作在网络层上的协议主要有IP协议和IPX协议，其工作原理如图8-3所示。
图8-3 网络层原理示意图
该层常见的网络设备有：路由器、三层交换机。
传输层，实现发送端和接收端的端口到端口的数据分组传送，负责保证实现数据包无差错、按顺序、无丢失和无冗余地传输。在传输层上，所执行的任务包括检错和纠错。它的出现是为了更加有效地利用网络层所提供的服务。它主要体现在以下两方面。
（1）将一个较长的数据分成几个小数据报发送。 这是由于实际在网络上传递的每个数据帧都是有一定大小限制的。假设如果我们要传送一个字串“123456789”，它太长了，网络服务程序一次只能传送一个数字（当然在实际中不可能这么小，这里仅是为了方便讲解而做的假设），网络就需要将其分成9次来传递。就发送端而言，当然是从1传到9，但是由于每个数据分组传输的路径不会完全相同（因为它是要根据当时的网络“交通状况”而选择路径的），先传送出去的包，不一定会先被收到，因此接收端所收到的数据的排列顺序是与发送的顺序不同的。传输层的协议就给每一个数据组加入排列组合的记号，以便接收端能根据这些记号将它们“重组”成原来的顺序。
（2）解决通信双方不只有一个数据连接的问题。 这个问题从字面上可能不容易理解，实际上就是指，比如我用电脑与另一台电脑连接复制数据的同时，又通过一些交谈程序进行对话。这个时候，复制的数据与对话的内容是同时到达的，传输的协议还负责将它们分开，分别传给相应的程序端口，这也就是端到端的通信。
工作在传输层的协议有：TCP、UDP、SPX，其中TCP和UDP都属于TCP/IP协议族。
会话层主要负责管理远程用户或进程间的通信。该层提供如名字查找和安全验证等服务，允许两个程序能够相互识别并建立和维护通信连接。会话层还提供数据同步和检查点功能，这样当网络失效时，会对失效后的数据进行重发。在OSI参考模型中，会话层的规范具体包括以下内容。
（1）通信控制；
（2）检查点设置；
（3）重建中断的传输链路；
（4）名字查找和安全验证服务。
表示层以下的各层只关心从源地到目的地可靠地传输数据，而表示层则关心的是所传送信息的语义与语法。它负责将收到的数据转换为计算机内的表示方法或特定的程序的表示方法。也就是说，它负责通信协议的转换、数据的翻译、数据的加密、字符的转换等工作。在OSI参考模型中表示层的规范具体包括以下内容。
（1）数据编码方式的约定；
（2）本地句法的转换。
各种表示数据的格式的协议也属于表示层，例如，MPEG、JPEG等。
应用层是直接提供服务给使用者的应用软件的层，比如电子邮件、在线交谈程序都属于应用层的范畴。应用层可实现网络中一台计算机上的应用程序与另一台计算机上的应用程序之间的通信，而且就像在同一台计算机上一样。在OSI参考模型中应用层的规范具体包括以下内容。
（1）各类应用过程的接口；
（2）提供用户接口。
首先，发送端由应用层的软件产生通信数据，然后各个层均对这些数据进行相应的处理，最后将它转换成比特流，通过物理层的传输介质来传送到接收端。接收端从物理层获得比特流，然后逐层分析，最后将发给相应层的数据，传给相应层。
最后，用表8-2对OSI模型进行小结。
表8-2 OSI参考模型总结
局域网技术由于具有规模小、组网灵活和结构规整的特点，所以极易形成标准。事实上，局域网技术也是所有计算机网络技术中标准化程序最高的一部分。国际电子电气工程师协议IEEE早在20世纪70年代就制订了三个局域网标准：IEEE 802.3（CSMA/CD，以太网）、802.4（Token Bus，令牌总线）、802.5（Token Ring，令牌环）。由于它已被市场广泛接受，所以IEEE 802系列标准已被ISO采纳为国际标准。而且随着网络技术的发展，又出现了像802.7（FDDI）、802.3u（快速以太网）、802.11（无线局域网）、802.12（100VG-AnyLAN）、802.3z（千兆以太网）等新一代网络标准。局域网协议是工作在数据链路层上的。
以太网采用的是“存取方法”，是带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD）技术。现在以太网主要包括以下三种类型，而且现在还在继续向前发展。
（1）存取方法。 虽然以太网技术已有了很大的发展，但是它们所采用的“存取方法”都是基于CSMA/CD发展而来的。CSMA/CD（Carrier-Sense Multiple Access withCollision Detection），载波侦听多路传送碰撞检测技术。它让整个网络上的设备都以竞争的方式来抢夺传送数据的权力，它的工作原理如下所述。
（2）802.3——10Mb/s以太网。 这个标准是由IEEE 802.3委员会根据以太网技术总结出来的一个标准。它定义了一系列面向不同的传输媒介的、传输速率为10Mb/s的以太网规范。用以下表示法来区别：
<用Mb/s计的传输速率><信号发式><用百米计的最大段的长度/线缆类型>
其中定义过10BASE5、10BASE2、10BASE-T、10BASE-F等几种（需要注明的是，其中10BASE-T与10BASE-F的最后一项就是以线缆类型进行命名的，其中T代表双绞线，F代表光纤）。表8-3是对它们进行的简单介绍。
表8-3 IEEE 802.3规范一览表
（3）802.3u——100Mb/s快速以太网。 随着计算机技术的不断发展，10Mb/s的网络传输速度实在无法满足日益增大的网络的需求。人们就开始寻求更高的网络传输速度。但是由于802.3已被广泛应用于实际中，所以为了能够在它的基础上进行轻松升级，802.3u充分考虑到了向下兼容性：它采用了非屏蔽双绞线（或屏蔽双绞线、光纤）作为传输媒介，采用与802.3一样的介质访问控制层——CSMA/CD。802.3u常称为快速以太网。
根据实现的介质不同，快速以太网可以分为100BaseTX、100BaseFX和100BaseT4三种，如表8-4所示。
（4）802.3z——1000Mb/s千兆以太网。 20世纪90年代中期，随着各种新的网络技术的推出，仅有100Mb/s传输速度的以太网似乎已经发展到了极限，“以太网被淘汰了”的说法让以太网技术一度低迷。许多对网络速度要求更高的计算机网络不得不采用一些新的网络技术（如ATM技术）来解决他们的问题。然而，1000Mb/s的千兆以太网的推出，如同给以太网技术注入一剂“强心针”，使以太网技术迅速重新崛起。
表8-4 IEEE 802.3u规范一览表
它在780nm光纤上或超5类非屏蔽双绞线上运行。值得一提的是，为了给千兆以太网提供更好的传输媒介，非屏蔽双绞线也推陈出新，不断地发展。首先是在5类双绞线的基础上进行改进，以适应千兆以太网的需要，接着又发展到了超5类、6类线。
IEEE 802.3z的出现向世人证明了以太网的“青春仍在”，而研究以太网技术的科学家们并没有因此而停止进一步研究，而是大胆地推进了万兆以太网的研究工作，我们拭目以待，相信以太网的奇迹仍然会出现。
令牌环网是业界老大IBM（国际商用机器）公司于20世纪70年代开发出来的，至今仍然沿用于IBM内部局域网的一种局域网技术。它在局域网中的流行性仅次于以太网。它还有一种变形，就是令牌总线/IEEE 802.4。
它的传输介质虽然没有明确定义，但主要基于屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线两种。它的拓扑结构可以有多种：环型（最典型，是原意）、星型（实际上采用得最多）、总线型（一种变形）。
（1）存取方法——令牌环控制。 首先，令牌环网在网络中传递一个很小的帧，称为“令牌”，只有拥有令牌环的工作站才有权力发送信息。
令牌在网络上依次按顺序传递。
当工作站要发送数据时，等待捕获一个空令牌，然后将要发送的信息附加到后边，发往下一站，如此直到目标站，将令牌释放。
如果工作站要发送数据时，经过的令牌不是空的，则等待令牌释放。
（2）与以太网的比较。 从上面的介绍中，我们明显感觉到令牌环网的缺点，那就是协议过于复杂，所以造成了不必要的带宽开支，使令牌环网的速度比以太网慢得多。
当然，令牌环网也有它的优点，它可以定制每个站持有令牌的时间，使整个网络是“确定性”的。
FDDI（Fiber Destributed Data Interface），光纤分布式数据接口。它是由美国国家标准协会X3T9.5委员会制订的光纤环网标准。FDDI采用了类似令牌环网的协议，用光纤作为传输介质，数据传输率可达到100Mb/s，环路长度可扩展到200km，连接的站点数可以达到1 000个。
FDDI网络在过去的10年中有了迅速的发展，主要的网络产品制造商有DEC、AT&T等，绝大部分的FDDI都是用于LAN的骨干网。
在地域分布很远、很分散，以致无法用直接连接来接入局域网的场合，广域网（WAN）通过专用的或交换式的连接把计算机连接起来。这种广域连接可以是通过公众网建立的，也可以是通过服务于某个专门部门的专用网建立起来的。
相对来说，广域网显得比较错综复杂，主要是用于广域传输的协议比较多：PPP（点对点协议）、DDN、ISDN（综合业务数字网）、X.25、FR（帧中继）、ATM（异步传输模式）等。
PPP点对点协议主要用于“拨号上网”这种广域连接模式。一般来说，一些无法使用专门的网络线连接的双方（比如说家庭用户、移动用户）需要广域相连接的时候，就可以借助分布最广的公用交换电话网来实现。
当我们要浏览互联网上的网页的时候，首先通过调制解调器连接到电话线上，然后将在远方服务器的内容通过电话线传送到自己的计算机中。或者当大家要发送电子邮件的时候，就可以将写好的电子邮件从电话线中传送出去。
另外，两个不同城市的两台计算机要互相传送数据，也可以通过装在两台计算机上调制解调器，让其中一台呼叫另一台（拨打它的电话号码），而建立点对点的连接来实现的。
迄今为止，拨号上网还是绝大多数的家庭用户和小型办公室用户广域连接的一种最常用的手段。但是因为传输线路是模拟线路，所以传输速度较慢。
ISDN经历了一个极为漫长的“进化”过程。如果你常看一些网络界的时报，一定不会在10年之前就对它有所耳闻。在它出现的时候，远程通信界的专家们都声称它是未来的公共电话、电信接口。但是它的不够经济却严重地阻碍了它的广泛应用。
中国电信用了一个形象的名字“一线通”描述出它的特点：ISDN将数据、声音、视频信号集成进一根数字电话线路，提供有效、经济的途径，将用户与高带宽数字服务相连。
ISDN可分为N-ISDN（窄带ISDN）和B-ISDN（宽带ISDN）两种。
其中常用于家庭及小型办公室的是N-ISDN，它提供的基本速率接口（BRI）服务由2个B信道和1个D信道组成（2B+D），其中B信道为64Kb/s，D信道为16Kb/s。
而B-ISDN提供的主要速率接口（PRI）则根据不同的国家而不尽相同。在北美、日本为23个速率64Kb/s的B信道和1个速率也为64Kb/s的D信道，总速率为1.544Mb/s，即23B+D。在欧洲、澳洲及其他国家，一般则是由30个速率64Kb/s的B信道和1个速率也为64Kb/s的D信道构成，总的接口速率可达到2.048Mb/s，也就是30B+D。
xDSL是DSL（Digital Subscriber Line）的统称，即数字用户线路，是以铜电话线为传输介质的传输技术组合。DSL技术主要分为对称和非对称两大类。
（1）HDSL（高速对称DSL）： 是xDSL技术中最成熟的，它利用两对双绞线传输，支持Nx64Kb/s和多种速率，最高可达E1速率。
（2）SDSL（对称DSL）： 利用单对双绞线传输，支持多种速率，最高到T1/E1。
（3）MVL： Paradyne公司开发的低成本对称DSL传输技术，可以提供上下行768Kb/s，传输距离可达6km。
（4）ADSL（非对称DSL）： 利用现有铜双绞线（即普通电话线），提高到8Mb/s下行速度，1Mb/s上行速度，传输距离3km到5km。
我国邮电部于1994年10月完成了全国数字数据骨干网的一期建设。这个网络是利用光纤、数字微波或卫星数字交驻连接设备组成的数字数据业务网。这些数字线路用于出租给最终用户。
由于在我们使用PPP协议拨号上网的时候，发送、接收数据所通过的电话线路是不明确的，速率根据当时线路的拥塞情况不同而不同，所以它的传输是低速且不稳定的。
对于某些需要更高的传输速度和质量的用户，就可以租用DDN线路来实现。租用了DDN线路，就等于在用户与电信局端直接用一条定制带宽的专用电话线路相连，显然这能大大提高整个数据传输的稳定性和速度。这项业务开通后，受到了用户的广泛好评，并且广泛被采用。
在DDN的客户端需要一个称为DDN MODEM的CSU/DSU设备，以及一个路由器，它的价格与DDN线路的带宽相关，一般来说，开通一个DDN客户端的费用在1.5万元左右。
X.25是历史最悠久的广域数据传输协议。尽管它是所有广域数据传输协议的鼻祖，而且也曾经为广域传输做出了很大的贡献，然而现在它似乎已经走到了尽头，X.25的应用越来越少了。
作为X.25网络协议的发展，帧中继是一种高性能的广域网协议。它是X.25的一个简化版本，省去了X.25的一些强制功能，如提供窗口技术和数据重发功能，这是因为帧中继的设计是以网络的传输环境已经有了很大的提高为前提的。
1990年，Cisco、Digital Equipment、Northern TeleCom和StartaCom等公司组成一个联合体，共同开发了帧中继技术。此后，帧中继技术有了迅猛发展。
从整个连接上，帧中继与X.25相当类似。但它在数据分组确认和差错校验方法上有了很大的简化，而且分组的转发也有了改变。帧中继只要接到分组头，就开始转发，这样进一步提高了速度。但是，需要强调的是，帧中继在网络环境不好的情况下，将无法像X.25那样提供较好的传输质量，而且可能会使用传输质量急剧下降。
ATM是这几年兴起的一种宽带网络技术。许多业界人士都认为ATM技术给计算机网络带来巨大的革新。甚至有些商家认为它是这10年来最有意义的网络技术。
虽然我们在这里将ATM技术划在广域网部分来介绍，但ATM却可以将局域网功能、广域网功能、语音、视频和数据集成进一个统一的协议。正是它的高度统一性和良好的可扩展性，给计算机网络技术掀开了新的一页，它具有以下优点。
（1）速度： ATM支持高达622Mb/s的传输率；
（2）可扩展性： ATM允许在现存结构中增加带宽和端口密度；
（3）高传输质量QoS： 它保证了传输服务的QoS，这也是一般网络技术所不具备的；
（4）一体化安装： ATM提供了端到端解决方案的潜力，这意味着它的应用可以从桌面到局域网，一直延伸到广域网。
根据ATM技术的特点与其约束，它可以适合于以下几种应用。
世界上最大的广域资源网就是Internet，即因特网。它的通信协议基础就是著名的TCP/IP协议族。