3.5 数据通信网络分类和通信协议

不同地域的诸多计算机和客户终端按照规定的通信协议，实现数据交换、资源共享、在线处理事务的系统，称为数据通信网络体系。

3.5.1 数据通信网络分类

数据通信网络已遍布全国各地和各家各户，由功能各异、规模不同、属性不同的各类通信网络互联构成，主要有以下几种分类方式：

1.按通信地域分布分类

（1）局域网（LAN）。局域网的分布区域从几米到几公里，传输覆盖区从家庭、办公室、大厦到园区，是使用最广泛的数据通信网。局域网的典型特性为：高数据率（1Mbit/s～10Gbit/s）、短距离（0.1～25km）和低误码率（10 ^-11 ～10 ^-8 ）。

（2）城域网（MAN）。城域网的分布区域从几公里到几百公里，传输覆盖区以城市为主，城域网以高速率、大容量宽带方式实现城域内的各个局域网互联和用户宽带接入业务。

（3）广域网（WAN）。广域网的地理分布范围从几百公里到数千公里，把各个城域网互联起来，采用大容量长途传输技术。跨网交换信息的网络称为互联网。

（4）国际互联网（Internet）。国际互联网又称因特网。它是全球最大的、开放的、由众多国际网络互联而成的计算机互联网。Internet国际互联网提供了极为丰富的信息资源和应用服务。

（5）内部网（Intranet）。内部网又称内联网，是专门为政府机关或企业网内部服务的网络。采用防止外部侵入的安全措施与外界联接。

（6）外部网（Extranet）。外部网又称外联网，它是以企业的内部网为基础，企业通过计算机技术形成扩展的企业网络，使企业延伸到客户、供应商、合作伙伴，从一个有形的企业变成一个更大的相关企业虚拟网络，改变了现有的人际交往和组织部门间的通信方式。

2.根据网络拓扑结构分类

“拓扑”这个名词是从几何学中借用来的。网络拓扑结构是指网络互联各种设备的物理布局，就是用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。主要有星形拓扑结构、环形拓扑结构、总线型拓扑结构、树形拓扑结构、网际拓扑结构等。

（1）星形拓扑结构。星形拓扑结构是以中央节点为中心与其他各节点相连组成，各节点与中央节点通过点对点方式连接，中央节点执行集中式通信控制，如图3-18所示。在星形结构的拓扑网络中，任何两个站点进行通信都必须经过中央节点控制。在文件服务器/工作站局域网中，中央节点为文件服务器，存放共享资源。中心点与多台计算机相连，大多采用集线器Hub连接。Hub具有信号再生转发功能，通常有4个、8个、12个、16个和24个端口等规格。

星形拓扑结构的特点是：网络结构简单、便于管理、集中控制、组网容易、网络延迟时间短、误码率低；但网络共享能力较差，通信线路的利用率不高、中央节点的负担过重。网络中可同时连接双绞线、同轴电缆及光纤等多种传输媒体。

（2）环形拓扑结构。环形拓扑结构中各节点通过环路接口连接在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何一个节点均可请求发送信息和接收信息。环形拓扑结构中的数据流既可单向传输（单环），如图3-19所示；也可以双向传输（双环）如图3-20所示。在双环环形拓扑结构中，数据信息流在一个环中按顺时针方向传输，在另一个环中按逆时针方向传输，任何一个环发生故障时，另一个可作为备份，如果两个环在同一点发生故障，则两个环可合成一个单环，但传输线长度几乎增加一倍。

由于环线是公用的，一个节点发出的数据信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中的目的地址与环上某个节点地址相符时，信息会被该节点的环路接口所接收，后面的信息继续流向下一个接口，直至回到发送该信息的环路接口节点为止。

环形网的特点是：信息在网络中沿固定方向流动，两个节点间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制。某个节点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高。当网络确定后，其延时也固定，实时性较强。但当环路节点过多时，影响传输效率，网络响应时间变长；此外，由于环路是封闭的，因此扩充不方便。

环形网是局域网常用的拓扑结构之一，适合于信息处理系统和工厂的自动化系统。1985年IBM公司推出的令牌环网（IBM Token Ring）是它的典范。它在FDDI（光纤分布式数据接口）中应用较广泛。

（3）总线型拓扑结构。用一条称为总线的中央主电缆将各计算机连接起来的布局称为总线型拓扑结构，如图3-21所示。

在总线型拓扑结构中，所有网上的计算机都通过相应的硬件接口直接连到总线上。任何一个节点的数据信息都可沿着总线向两个方向传输扩散，并能被总线上任何一个节点接收。

总线的长度有一定限制，一条总线只能连接一定数量的节点。在总线的两个端头，必须连接终端负载（末端阻抗匹配器），终端负载的大小应与总线的特性阻抗相符合，这样可达到最大限度地吸收传送到总线终端被反射回来的信号能量，避免反射回波的干扰。

总线型拓扑结构的特点是：结构简单灵活，便于扩充，可靠性高，网络响应速度快，价格低，便于安装，共享资源能力强，因此是目前使用最广泛的拓扑结构。

（4）树形拓扑结构。树形结构是总线型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路。树形网是一种分层网络，具有一定的容错能力，一般来说，一个分支或一个节点的故障不会影响另一个分支节点的工作，任何一个节点发送出的数据信息可以传遍整个传输介质，如图3-22所示。

（5）网际拓扑结构。在实际组网中，拓扑结构不一定是单一的，通常是几种结构的混用。还可将多个子网或多个局域网连接起来构成网际拓扑结构。

在子网中，用集线器（Hub）、中继器将多个设备连接起来。多个子网可用网桥（Bridge）、路由器（Router）、交换机（Switch）和网关（Gateway）等设备将子网连接起来，如图3-23所示。

3.5.2 互联网通信协议

采用共同遵守标准化协议的互联网络称为Internet（因特网），又称国际互联网。它是全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络。

因特网有五种类型的网络互联：①相同类型的局域网互联；②不同类型的局域网互联；③通过主干网将局域网互联；④通过广域网（WAN）将局域网互联；⑤局域网上的计算机访问外部网上的计算机系统。

不同地域的诸多计算机互联在一起的网络要进行通信，会遇到许多需要解决的问题。连接不同类型的网络时，会遇到更多复杂问题。例如：不同的网络结构；不同的传输规则；不同的寻址方案；不同的最大分组长度；不同的网络接入机制；不同的超时控制；不同的纠错方法；不同的路由选择；不同的用户接入控制；不同的管理和网络安全问题；等等。

要确保通信数据能顺利地传送到目的地，通信各方需要建立共同遵循的规则和约定，这些规则和约定称为通信协议（Communications Protocol）。

通信协议制定法则：把复杂的通信协调问题进行分解和分层处理，每一层实现相对独立的功能，上下层之间互相提供服务；使复杂问题简单化，便于对网络功能的理解和标准化。

1.互联网体系的七层协议

1979年国际标准化组织（ISO）成立了一个专门研究机构，提出了解决计算机在世界范围内互连互通的标准框架，即7层架构的“开放系统互连基本参考模型OSI/RMl”，简称OSI。通信双方（系统A主机和系统B主机）的每层都有自上而下和自下而上两种服务功能，如图3-24所示。

（1）物理层（Physical Layer）。物理层的作用是实现计算机间比特流的透明传送。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流不会发生变化。

（2）数据链路层（Data Link Layer）。数据链路层的任务是：解决同一网络内节点之间的通信问题，建立和管理节点间的链路，提供可靠的传输数据的方法。

具体工作是：

1）（自下往上传送时）装帧：接收来自物理层的比特数据流，并封装成MAC帧，并传送到上一层（网络层）或本层（局域网）寻址自用。

2）（自上往下传送时）拆帧：将来自上层的MAC数据帧，拆装为比特流数据并转发到物理层，以便提供可靠的数据传输。

（3）网络层（Network Layer）。网络层的主要任务是解决不同网络间的通信问题，通过路由选择算法，为报文或分组选择最适当的路径。

网络层把数据链路层的数据转换为IP（网络互联协议）数据包，然后通过路径选择、分段组合、顺序控制、进/出路由等控制，将信息从一个网络传送到另一个目的网络。

（4）传输层（Transport Layer）。传输层是OSI模型的第4层。主要任务是：为上、下两层提供可靠的数据传送，提供可靠的端到端的无差错和流量控制，保证报文的正确传输，监控服务质量。

自下往上传送时：向高层（会话层和应用层）透明地传送报文。TCP（传输控制协议，是一种面向连接的通信协议）和UDP（用户数据报协议），用来支持需要在计算机之间传输数据的网络。

自上往下传送时：从会话层获得数据，向网络层提供传输服务，这种服务在必要时，对数据进行分割，并确保数据能正确无误地传送到网络层。

（5）会话层（Session Layer）。会话层的任务就是组织和协调两个主机之间的会话进程通信，并对数据交换进行管理。当建立会话时，用户必须提供他们想要连接的远程地址。而这些地址与MAC地址或网络层的逻辑地址不同，它们是为用户专门设计的，更便于用户记忆。

（6）表示层（Presentation Layer）。表示层的主要功能是“处理用户信息的表示问题，对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传送给会话层。

（7）应用层（Application Layer）。负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。

2.什么是TCP/IP

在Internet没有形成之前，早在1969年各个地方就已经建立了很多小型的网络。但是各式各样的小型网络却存在不同的网络结构和数据传输规则，将这些小网连接起来后各网之间要通过什么样的规则来传输数据呢？就像世界上有很多个国家，各个国家的人说的是各自的语言，怎样才能互相沟通呢？如果全世界的人都能够说同一种语言（即世界语），这个问题不就解决了吗？TCP/IP就是Internet上的“世界语”，中文译名为传输控制协议/互联网络协议。

Internet实际上就是将全球各地的局域网连接起来而形成的一个“网际网”，简单地说，Internet就是由底层的IP和TCP组成的。

OSI 7层协议体系结构虽然概念清楚、理论完整、分工明确、各司其职，但实现起来太复杂，运行效率很低。要理解Internet不是一件容易的事。

TCP/IP的开发研制人员将互联网体系7层协议简化为便于理解的TCP/IP 5层体系结构，称为互联网分层模型或互联网分层参考模型。图3-25是OSI体系结构与TCP/IP体系结构的关系。

实际上TCP/IP 5层体系结构是OSI 7层协议体系模型的一个浓缩版本。现今已成为实际应用的互联网体系结构。

5层体系结构中，由于每层的数据交换方式不同，因此各层的数据交换单元格式也不一样。图3-25所示的TCP/IP体系结构图中，把物理层和数据链路层合并在一起，并统称为网络接入层。

第1层：物理层——比特流传输；

第2层：数据链路层——MAC帧（Frame）交换；

第3层：互连网络层（IP层）——IP数据包（Datagram）交换；

第4层：传输层（TCP层）——分组（Packet）交换；

第5层：应用层——报文（Message）交换。

几个专有名词说明：

1）报文（Message）。一段完整的数据信息称为报文，其长短不需一致。在应用层实现报文交付。

2）分组（Packet）。分组是传输层信息交换的数据单元。它是用户把发送的报文分成多个更小的数据段。在每个数据段的前面加上必要的控制信息组成首部，有时也会加上尾部，构成一个分组。

3）数据包（Datagram）。IP数据包是网络层信息交换的数据单元。包含一个包头（Header）和数据本身，其中包头描述了数据的目的地以及和其他数据之间的关系，如图3-10所示。

4）MAC帧（Frame）。MAC（媒体访问控制）帧是数据帧的一种，它包括三部分：帧头、数据部分、帧尾。其中，帧头和帧尾包含一些必要的控制信息，比如同步信息、地址信息、差错控制信息等，数据部分包含网络层传下来的数据。

3.TCP/IP体系的功能

（1）物理层。提供端到端的比特流传输。

（2）数据链路层。数据链路层的任务是：解决同一网络内（局域网）节点之间的通信问题。建立和管理节点间的链路，提供可靠的传输数据方法。

数据链路层的数据传输单元包括逻辑链路控制（LLC）和媒体访问控制（MAC）两个子层，如图3-26所示。

数据链路服务通过LLC子层为上面的网络层提供统一的接口。在LLC子层的下面是MAC子层，它将上层传入的数据添加一个头部和尾部，组成MAC帧。

1）如果通信双方在同一个局域网内，数据链路层通过MAC地址寻址。找到目的主机后，双方便可直接进行通信。

2）如果通信双方不在同一网络内，网络间的寻址通过IP地址（网络地址）首先寻找目的网位置，然后在目的网中根据MAC地址（目的主机地址）寻找目的主机。

因此，在跨网通信时，数据链路层的MAC帧还要添加IP地址，重新封装为新的“数据包”后再送到上面的网络层进行信息交换。

（3）网络层（又称IP层、网际层）。网络层的主要任务是：解决不同网络间的通信问题，IP寻址和路由选择、拥塞控制和网际互联等。网络层的数据传输单元是分组（Packet）。

送到网络层的数据包是经过数据链路层协议重新封装后的数据包。网络层数据包的包头包含源节点地址、目的节点的IP地址和控制数据。

网络层只是尽可能快地把分组（Packet）从源节点送到目的节点，提供网际互联、拥塞控制等，但是不提供可靠性保证，数据包在传输过程中可能会丢失。

（4）传输层（又称TCP层）。传输层的主要任务是通过TCP（传输控制协议）或UDP（用户数据报协议）向上层（应用层）提供可靠的端到端服务，确保“报文”无差错、有序、不丢失、无重复地传输，为端到端报文传递提供可靠传递和差错恢复。

1）TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）。TCP提供可靠的、面向连接的运输服务，在传输数据之前必须先建立连接，数据传输结束后要释放连接。因此增加了许多开销，如确认、流量控制、差错重传和连接管理等，使协议数据单元的首部增大很多，要占用许多处理器资源，此外，TCP不提供广播或多播服务。为避免TCP协议占用很多的处理器资源，网络层还可采用UDP用户数据报协议。

2）UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。UDP提供的是无连接的尽最大努力服务，在传输数据之前不需要先建立连接，但不保证可靠性交付。虽然UDP不提供可靠的交付，但在某些情况下，UDP是一种最有效的工作方式。

例如：DNS（Domain Name System，域名系统）和NFS（Network File System，网络文件系统）使用的就是UDP这种传输方式。此外，UDP还能在主机上识别多个目的地址，允许多个应用程序在同一台主机上工作，并能独立地进行数据包的发送和接收。图3-27是两种传输协议提供的逻辑通信信道。

（5）应用层。应用层的任务是向用户提供应用程序，包括：SMTP（电子邮件协议）、FTP（文件传输访问协议）、TELNET（远程登录协议）、HTTP（超文本传输协议，“超文本”是指页面内可以链接包含图片，甚至音乐、程序等非文字的元素）、SIP（会话初始协议）、RTP（实时传输协议）和RTCP（实时传输控制协议）等。表3-1是OSI 7层网络模型与TCP/IP 5层网络模型功能特性比较。

3.5.3 数据封装和数据包传送

为了可靠、准确地将数据发送到目的地，并能高效利用传输资源，每层需要在对应的“协议数据单元”（PDU）中添加协议头和尾。对各层数据包进行打包和拆分操作，称为数据封装。这个数据封装过程均由装在计算机内的Windows操作系统软件来完成。

1.发送方数据封装过程：每一层都添加一个包头

图3-28是发送方的数据封装过程：数据沿着协议栈向下逐层传输，直至到达物理层，数据被转换为比特流，通过介质传输给目的主机接收。

FCS（Frame Check Sequence，帧检验序列）用来判断数据帧是否出错。CRC校验可以100%检测出所有奇数个随机错误。

2.接收方数据拆封装过程

图3-29是接收方数据拆封装过程：每层剥掉一个相应的包头，到达目的主机后，将数据交给应用程序处理。

3.IP数据包的格式和路由选择

（1）IP数据包的格式。IP数据包（Datagram）是IP网络层（又称网际层）传输的数据单元，也是TCP/IP互连体系的基本传输单元。包括数据包包头（首部）和数据区两部分，如图3-30所示。

IP数据包首部由20B（160bit）的固定部分和可变长度的填充部分两者构成。

IP数据包首部的固定长度共20B（B即字节），首部中的源地址和目的地址都是IP地址（网际地址），是所有IP数据包必须具有的。在首部固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

1）其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度为48bit，是在网卡出厂时固化的。

2）目的地址之后为ARP地址解析协议和RARP逆地址解析协议，如果其长度不够46B时，要在后面补填充字节至46B。

3）MTU（Maximum Transmission Unit）是指一次传送的数据最大长度，不包括数据链路层的数据帧帧头。不同的网络类型有不同的MTU，如果一个数据包长度大于以太网链路的MTU时，则需要对数据包进行分片（Fragmentation），如图3-31所示。

以太网帧中的数据长度规定最小46B，最大1500B，1500B称为以太网的最大传输单元MTU。

（2）IP数据包的路由选择。

网络层（第3层）的路由选择是指为传送分组而选择一条路径的过程。路由选择可分为直接传送和间接传送两种方式。

①直接传送。当两台通信计算机连接在同一个物理传输系统（例如以太网）时，才能采用直接传送方式。直接传送不涉及路由器，以太网的传送方式是因特网通信的基础。

由于IP地址中包含网络地址（网际地址）和目的主机地址（MAC地址）两部分，连接到同一物理网上的计算机具有相同的网络地址，因此，通过判别网络地址就能确定源站和目的站计算机是否同在一个物理网络上。如果源站地址和目的站地址在同一个物理网络上，就可直接传送，如图3-32所示。

②间接传送。如果源站和目的站计算机不在同一个物理网络时，只能采用间接传送方式。发送方将数据包发送给一个网络节点后，要确定下一个节点的传送路径，就需要先选择路由，再进行传送。

当源站和目的站经由多个网络（多个路由器）互联时，发送主机通过网络将数据包传送给第一台路由器，该路由器将封装的数据包提取出来，并在通往目的站的路径上选择下一台路由器，直到数据包送到可以直接传送至目的站的路由器。

间接传送时涉及数据包的路由选择问题，确定最佳传输路径是通过网络路由器中的路由选择表和路由算法自动完成的，如图3-33所示。

4.TCP传输控制协议的数据格式

TCP（Transmission Control Protocol）传输控制协议是IP配套使用的一个传输层协议，在IP层（网络层）之后的TCP层（传输层）提供一个可靠的传输服务。

TCP提供可靠的、面向连接的运输服务，在传输数据之前必须先建立连接，数据传输结束后要释放连接。

TCP协议规定了怎样进行流量控制、拥塞控制、重传机制和恢复分组丢失。

（1）TCP报文段的首部。TCP报文段分为首部和数据两部分；TCP的全部功能都体现在它的首部各字段，首部的前20B是固定的，后面有4 N 个字节（ N 是整数），是根据需要可增加的选项。因此TCP首部的最小长度是20B，如图3-34所示。

TCP提供流量控制功能和可靠传输服务。

（2）流量控制与拥塞控制。为了提高报文段的传输效率，TCP采用大小可变的滑动（窗口）流量控制。发送窗口在建立连接时由双方商定。但在通信过程中，接收端根据资源情况，随时可以动态调整对方的发送窗口大小。

（3）TCP的重传机制。TCP的重传机制是每发送一个报文段就设置一次计时器。如果计时器设置的重传时间已到，还没有收到确认信息（ACK），那么，就要重传这一段报文。

TCP采用了一种自适应算法。这种算法记录每个报文段发出的时间和收到确认报文段的时间，这两个时间差称为报文段的往返延时。显然，计时器设置的重传时间应略大于平均往返延时。