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6 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 1.1 计 算 机 网 络 的 发 展 计 算 机 网 络 是 现 代 计 算 机 技 术 与 通 讯 技 术 相 结 合 的 产 物, 是 随 着 社 会 对 信 息 共 享 和 信 息 通 信 的 日 益 增 强 的 要 求 而 发 展 起 来 的 追 溯 计 算 机 网 络 的 发 展 历 史, 经 历 了 由 简 单 到 复 杂, 由 低 级 到 高 级 的 过 程 计 算 机 网 络 的 演 变 可 以 总 结 为 以 下 三 个 阶 段 : 第 一 阶 段 : 面 向 终 端 的 计 算 机 网 络 由 一 台 中 央 主 计 算 机 通 过 通 信 线 路 连 接 大 量 的 终 端 而 构 成 的 系 统, 用 户 通 过 终 端 共 享 使 用 主 机 ( 见 图 1-1) 这 种 终 端 通 信 线 路 计 算 机 的 系 统 构 成 了 早 期 的 计 算 机 网 络, 严 格 的 来 讲, 这 种 计 算 机 网 络 和 现 在 的 计 算 机 网 络 有 根 本 的 区 别 这 种 系 统 的 特 征 主 要 如 下 : 1 主 机 承 担 数 据 处 理, 终 端 没 有 自 主 处 理 功 能, 终 端 围 绕 主 机 分 布 在 各 地 2 随 着 终 端 数 目 的 增 多, 可 以 设 置 前 端 机 和 集 线 器, 从 而 减 轻 主 机 的 负 载 我 们 将 这 样 的 系 统 称 为 面 向 终 端 的 计 算 机 通 讯 网 络 图 1-1 面 向 终 端 的 计 算 机 通 讯 网 络 示 意 图 面 向 终 端 的 计 算 机 通 信 网 络 存 在 着 两 个 主 要 缺 点 : 1 终 端 没 有 数 据 处 理 功 能, 主 机 既 要 承 担 数 据 处 理 任 务, 又 要 承 担 网 络 通 信 任 务, 负 担 较 重 2 终 端 设 备 独 占 通 信 线 路, 使 线 路 利 用 率 较 低 第 二 阶 段 : 以 通 讯 子 网 为 中 心 的 计 算 机 网 络 面 向 终 端 的 计 算 机 通 讯 网 络 是 以 单 个 主 机 为 中 心 的 星 型 拓 扑, 终 端 通 过 通 信 线 路 直 接 共 享 主 机 的 硬 件 与 软 件 资 源, 其 交 换 技 术 为 电 路 交 换, 从 资 源 分 配 的 角 度 看, 电 路 交 换 是 一 种 预 先 分 配 传 输 带 宽 的 交 换 技 术, 类 似 于 电 话 网 络 的 工 作 方 式 用 户 在 开 始 通 信 之 前, 首 先 要 申 请 建 立 一 条 从 发 送 端 到 接 收 端 的 物 理 链 路, 只 有 在 此 物 理 链 路 建 立 之 后, 双 方 才 能 进 行 通 信, 在 整 个 通 信 过 程 中, 用 户 始 终 占 用 端 到 端 的 固 定 传 输 带 宽, 这 种 交 换 方 式, 对 于 以 突 发 式 间 歇 性 通 信 为 主 的 计 算 机 网 络 通 信 而 言 是 一 种 严 重 的 浪 费 为 了 提 高 计 算 机 网 络 的 通 信 线 路 利 用 率, 一 种 新 的 交 换 方 式 分 组 交 换 技 术, 首 先 在

7 2 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 1969 年 建 立 的 美 国 ARPANET(Advanced Research Projects Agency Network) 网 中 得 到 采 用 该 网 络 的 基 本 构 成 为 : 主 机 通 过 接 口 信 息 处 理 机 (IMP. Interface Message Processor) 相 联, 各 地 的 终 端 均 与 本 地 的 主 机 连 接,IMP 实 现 网 络 中 信 息 的 路 由 存 储 与 转 发 1972 年 ARPANET 又 增 设 了 终 端 接 口 处 理 机 (TIP) 实 现 与 终 端 的 直 接 相 联 ( 见 图 1-2) 当 用 户 需 要 访 问 远 程 主 机 信 息 时, 先 经 本 地 主 机 将 信 息 传 送 到 本 地 的 IMP, 再 从 IMP 传 送 到 目 的 地 的 IMP, 最 后 送 达 目 的 主 机 图 1-2 具 有 交 换 功 能 的 计 算 机 网 络 示 意 图 ARPNET 是 由 一 种 通 信 子 网 (Communication Subnet) 和 资 源 子 网 (Resource Subnet) 组 成 的 两 级 结 构 的 计 算 机 网 络 由 接 口 报 文 处 理 机 IMP(Interface Message Processor) 和 它 们 之 间 互 联 的 通 信 线 路 一 起 负 责 主 机 Host 之 间 的 通 信 任 务, 构 成 了 通 信 子 网, 实 现 信 息 传 输 与 交 换 由 通 信 子 网 互 联 的 主 机 组 成 资 源 子 网, 它 负 责 信 息 处 理 运 行 用 户 应 用 程 序 向 网 络 用 户 提 供 可 共 享 的 软 硬 件 资 源 当 某 主 机 ( 例 如 H1) 要 与 远 地 另 一 主 机 ( 例 如 H2) 通 信 交 换 信 息 H1 首 先 将 信 息 送 至 本 地 直 接 与 其 相 联 的 IMP 暂 存, 通 过 通 信 线 路 沿 着 适 当 的 路 径 ( 按 一 定 原 则 静 态 或 动 态 的 选 择 的 ) 转 发 至 下 一 IMP 暂 存, 依 次 经 过 中 间 的 IMP 中 转, 最 终 传 输 至 远 地 的 目 的 IMP, 并 送 入 与 之 直 接 相 联 的 目 的 主 机 如 此, 由 IMP 组 成 的 通 信 子 网, 完 成 信 息 在 通 信 双 方 各 IMP 之 间 的 存 储 / 转 发 (Store And Forward) 任 务 采 用 这 种 方 式, 使 通 信 线 路 不 为 某 对 通 信 双 方 所 独 占, 大 大 提 高 昂 贵 的 通 信 线 路 的 利 用 效 率 ARPANET 中 存 储 / 转 发 的 信 息 基 本 单 元 是 分 组 (Packet), 它 是 将 整 个 要 交 换 的 信 息 报 文 (Message) 分 成 若 干 信 息 分 组, 对 每 个 分 组 按 存 储 / 转 发 的 方 式 在 通 信 子 网 上 传 输, 因 此 把 这 种 以 存 储 / 转 发 方 式 传 输 分 组 的 通 信 子 网 又 称 为 分 组 交 换 数 据 网 (PSDN) ARPANET 不 仅 开 创 第 二 代 计 算 机 网 络 它 的 影 响 之 深 远, 还 在 于 由 它 开 始 发 展 成 今 天 在 世 界 范 围 广 泛 应 用 的 国 际 互 联 网 络 Internet 它 的 TCP/IP 协 议 族 就 已 成 为 事 实 上 的 国 际 标 准 从 资 源 分 配 的 角 度 看 : 分 组 交 换 的 核 心 思 想 是 存 储 转 发, 即 采 用 动 态 分 配 传 输 带 宽 的 方 法 使 用 通 信 线 路 这 对 于 传 送 突 发 式 的 计 算 机 网 络 数 据 是 非 常 适 合 的, 它 大 大 提 高 了 通 信 线 路 的 利 用 率 在 基 于 分 组 交 换 的 计 算 机 网 络 中,IMP TIP 以 及 通 信 链 路 构 成 了 分 组 交 换 网

8 1.2 计 算 机 网 络 的 定 义 和 功 能 3 的 通 信 子 网 采 用 分 组 交 换 的 计 算 机 网 络 由 早 期 以 主 机 为 中 心 的 星 型 网 络 拓 扑 结 构 演 变 为 以 通 信 子 网 为 中 心 的 网 状 结 构 主 机 和 终 端 处 在 网 络 的 外 围, 构 成 用 户 资 源 子 网, 用 户 不 仅 可 以 共 享 通 信 子 网 的 资 源, 而 且 可 以 共 享 用 户 资 源 子 网 的 硬 件 和 软 件 资 源 第 三 阶 段 : 开 放 式 标 准 化 的 计 算 机 网 络 诚 然, 这 些 大 量 出 现 的 第 二 代 计 算 机 网 络, 促 进 了 计 算 机 网 络 的 发 展 和 应 用 但 由 于 这 些 网 络 大 多 是 由 研 究 单 位 大 学 应 用 部 门 或 计 算 机 公 司 各 自 研 制 开 发 利 用 的, 没 有 统 一 的 网 络 体 系 结 构 如 果 要 在 更 大 的 范 围 内, 把 这 些 网 络 互 联 起 来, 实 现 信 息 交 换 和 资 源 共 享, 有 着 很 大 困 难 客 观 需 要 计 算 机 网 络 体 系 结 构 要 由 封 闭 式 走 向 开 放 式 国 际 标 准 化 组 织 ISO (International Standards Organization) 及 下 属 的 计 算 机 与 信 息 处 理 标 准 化 技 术 委 员 会 TC97, 经 过 多 年 卓 有 成 效 的 努 力, 于 1984 年 正 式 颁 布 了 一 个 称 为 开 放 系 统 互 联 基 本 参 考 模 型 OSI(Open System Interconnection Basic Reference Model) 的 国 际 标 准 ISO/OSI 7498 自 此, 计 算 机 网 络 开 始 了 走 向 国 际 标 准 化 网 络 的 时 代 国 际 标 准 化 网 络 将 具 有 统 一 的 网 络 体 系 结 构, 遵 循 国 际 标 准 化 的 协 议 目 的 是 能 支 持 各 厂 商 生 产 的 计 算 机 系 统 互 联 这 个 阶 段 的 计 算 机 网 络 解 决 了 计 算 机 网 络 与 互 联 标 准 化 的 问 题, 提 出 了 计 算 机 网 络 开 放 式 系 统 互 联 参 考 模 型 (OSI/RM), 从 而 极 大 地 促 进 了 计 算 机 网 络 技 术 的 发 展 20 世 纪 90 年 代 以 后 计 算 机 网 络 向 现 代 网 络 技 术 和 协 同 计 算 技 术 方 向 发 展, 随 着 计 算 机 网 应 用 业 务 的 增 长, 地 理 范 围 的 扩 大, 联 网 站 点 数 的 增 加, 网 络 产 品 的 层 出 不 穷, 促 使 网 络 互 联 迅 速 发 展 通 过 网 络 互 联 把 各 种 信 息 孤 岛 连 接 成 超 级 网 络 实 现 其 互 操 作 和 协 同 工 作 成 为 人 们 研 究 如 何 利 用 网 络 支 持 协 同 工 作 的 一 个 方 向 计 算 机 支 持 的 协 同 工 作 CSCW 这 一 概 念 最 早 是 在 1984 年 由 美 国 MIT 的 Irene Greif 和 DEC 的 Paul Cashman 这 两 位 研 究 人 员 用 于 描 述 他 们 正 在 组 织 安 排 的 有 关 如 何 用 计 算 机 支 持 交 叉 学 科 的 人 们 共 同 工 作 的 课 题 时 提 出 来 的 计 算 机 支 持 的 协 同 工 作 定 义 为 : 地 域 分 散 的 一 个 群 体 借 助 计 算 机 及 其 网 络 技 术, 共 同 协 调 与 协 作 来 完 成 一 项 任 务 它 包 括 协 同 工 作 系 统 的 建 设 群 体 工 作 方 式 研 究 和 支 持 群 体 工 作 的 相 关 技 术 研 究 应 用 系 统 的 开 发 等 部 分 通 过 建 立 协 同 工 作 的 环 境, 改 善 人 们 进 行 信 息 交 流 的 方 式, 消 除 或 减 少 人 们 在 时 间 和 空 间 上 的 相 互 分 隔 的 障 碍, 节 省 工 作 人 员 的 时 间 和 精 力, 提 高 群 体 工 作 质 量 和 效 率, 从 而 提 高 企 业 机 关 团 体 乃 至 整 个 社 会 的 整 体 效 益 和 人 类 的 生 活 质 量 例 如, 共 享 文 件 系 统 提 供 的 资 源 共 享 能 力, 电 子 邮 件 和 多 媒 体 会 议 系 统 提 供 的 人 与 人 之 间 的 通 信 支 持 功 能, 工 作 流 和 决 策 支 持 系 统 的 组 织 管 理 功 能, 一 个 企 业 如 果 有 效 地 利 用 这 些 基 本 工 具 构 造 其 企 业 协 同 管 理 信 息 系 统, 必 将 提 高 企 业 的 管 理 水 平 和 效 益 我 们 把 支 持 协 同 工 作 的 计 算 机 软 件 称 为 群 件 (Groupware) CSCW 是 一 个 多 学 科 交 叉 的 研 究 领 域, 不 仅 需 要 计 算 机 网 络 与 通 信 技 术 多 媒 体 技 术 等 计 算 机 技 术 的 支 持, 还 需 要 社 会 学 心 理 学 管 理 科 学 等 领 域 学 者 共 同 协 作 计 算 机 协 同 工 作 将 计 算 机 技 术 网 络 通 信 技 术 多 媒 体 技 术 以 及 各 种 社 会 科 学 紧 密 地 结 合 起 来, 向 人 们 提 供 了 一 种 全 新 的 交 流 方 式 1.2 计 算 机 网 络 的 定 义 和 功 能 随 着 技 术 的 进 步 应 用 的 扩 大, 计 算 机 网 络 技 术 也 在 不 断 发 展 这 里, 我 们 按 照 计 算 机 网 络 所 具 有 的 特 性 来 定 义 : 计 算 机 网 络 是 通 过 通 信 设 施 ( 通 信 网 络 ), 将 地 理 上 分 散 的 具 有 自 治 功 能 的 多 个 计 算 机 系 统 互 联 起 来, 进 行 信 息 交 换, 实 现 资 源 共 享 互 操 作 和 协 同 工 作 的 系 统

9 4 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 这 是 一 个 广 义 的 定 义, 它 具 有 这 样 的 一 些 特 征 : 首 先, 计 算 机 网 络 是 一 互 联 的 计 算 机 系 统 的 群 体 这 些 计 算 机 系 统 在 地 理 上 是 分 布 的, 可 能 在 一 个 房 间 内, 在 一 个 单 位 里 的 楼 群 里, 一 个 或 几 个 城 市 里, 甚 至 在 全 国 乃 至 全 球 范 围 其 次, 这 些 计 算 机 系 统 是 自 治 的, 即 每 台 计 算 机 是 独 立 工 作 的, 它 们 是 在 网 络 协 议 控 制 下 协 同 工 作 的 第 三, 系 统 互 联 要 通 过 通 信 设 施 ( 网 ) 来 实 现 通 信 设 施 一 般 都 由 通 信 线 路 相 关 的 传 输 交 换 设 备 等 组 成 第 四, 系 统 通 过 通 信 设 施 执 行 信 息 交 换 资 源 共 享, 互 操 作 和 协 作 处 理, 实 现 各 种 应 用 要 求 互 操 作 (Interoperation 或 Interoperability) 和 协 作 处 理 (Interworking) 是 计 算 机 网 络 应 用 中 更 高 层 次 的 要 求 特 性 它 需 要 有 一 种 机 制 能 支 持 互 联 网 络 环 境 下 的 异 种 计 算 机 系 统 之 间 的 进 程 通 信 互 操 作, 实 现 协 同 工 作 和 应 用 集 成 不 同 的 计 算 机 网 络 是 为 不 同 的 目 的 需 求 而 设 计 和 组 建 的, 它 们 所 提 供 的 服 务 和 功 能 也 有 所 不 同 下 面 列 举 了 计 算 机 网 络 可 能 提 供 的 一 些 功 能 : 1 数 据 通 信 : 终 端 与 计 算 机 计 算 机 与 计 算 机 之 间 能 够 进 行 通 信, 相 互 传 送 数 据, 从 而 方 便 地 进 行 信 息 收 集 处 理 交 换 例 如, 文 件 传 输 (FTP) 电 子 信 箱 ( ) 网 络 传 呼 (QICQ) 网 络 浏 览 (WWW) 等 2 资 源 共 享 : 用 户 可 以 共 享 计 算 机 网 络 范 围 内 的 系 统 硬 件 软 件 数 据 信 息 等 各 种 资 源 3 网 络 计 算 : 提 供 分 布 处 理 和 均 衡 计 算 机 负 荷 的 功 能, 降 低 软 件 设 计 复 杂 性, 提 高 系 统 效 率 4 集 中 控 制 : 通 过 计 算 机 网 络 可 对 地 理 上 分 布 的 系 统 进 行 集 中 控 制, 对 网 络 资 源 进 行 集 中 的 分 配 和 管 理 5 提 高 系 统 的 可 靠 性 : 借 助 冗 余 和 备 份 的 手 段 提 高 系 统 可 靠 性 在 计 算 机 网 络 中, 各 台 计 算 机 可 以 互 为 后 备, 资 源 冗 余 以 及 结 构 上 可 动 态 重 组, 这 样 提 高 了 计 算 机 系 统 的 可 靠 性 6 网 络 新 服 务 : 开 辟 大 量 新 的 应 用 服 务 项 目 1.3 计 算 机 网 络 的 拓 扑 及 分 类 计 算 机 网 络 的 拓 扑 结 构 是 指 网 络 中 各 个 节 点 的 地 理 分 布 和 互 联 关 系 上 的 几 何 图 形 下 面 介 绍 6 种 常 见 的 网 络 拓 扑 结 构 : 星 型 树 型 总 线 型 环 型 混 合 型 以 及 全 连 接 结 构 星 型 结 构 星 型 拓 扑 是 由 中 央 节 点 和 通 过 点 到 点 的 链 路 与 中 心 站 相 连 的 各 个 站 点 组 成 图 1-3 给 出 了 星 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 示 意 图 星 型 网 采 用 的 交 换 方 式 有 电 路 交 换 和 报 文 交 换 两 种 星 型 拓 扑 结 构 的 优 点 是 : 控 制 简 单 故 障 诊 断 容 易 方 便 服 务 很 容 易 在 网 络 中 增 加 新 的 站 点 数 据 的 安 全 性 和 优 先 级 容 易 控 制 缺 点 是 : 中 心 节 点 负 担 较 重, 一 旦 发 生 故 障 会 引 起 整 个 网 络 瘫 痪

10 1.3 计 算 机 网 络 的 拓 扑 及 分 类 5 图 1-3 星 型 结 构 树 型 结 构 图 1-4 给 出 了 树 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 图 1-4 树 型 结 构 树 型 结 构 可 以 看 成 是 星 型 拓 扑 结 构 的 扩 展, 并 不 是 所 有 的 设 备 都 直 接 连 接 到 中 央 控 制 器 上, 绝 大 多 数 的 设 备 是 首 先 连 接 到 一 个 次 级 控 制 器 上, 再 由 次 级 控 制 器 连 接 到 中 央 控 制 器 上 树 型 拓 扑 结 构 的 优 点 和 缺 点 基 本 与 星 型 拓 扑 相 似, 但 次 级 控 制 器 的 引 入 带 来 两 个 优 势 : 1 允 许 更 多 的 设 备 相 联 并 且 增 加 了 数 据 传 输 距 离 2 允 许 网 络 隔 离 不 同 计 算 机 的 通 信 以 及 为 不 同 计 算 机 设 定 通 信 的 优 先 级 例 如, 一 台 连 到 某 个 次 级 控 制 器 的 计 算 机 可 能 获 得 比 连 接 在 另 一 个 次 级 控 制 器 上 的 计 算 机 更 高 的 优 先 级 总 线 型 结 构 总 线 拓 扑 结 构 采 用 一 个 信 道 作 为 传 输 媒 体, 网 络 中 所 有 的 站 点 共 享 这 一 条 数 据 传 输 媒 体, 该 媒 体 称 为 总 线, 任 何 一 个 站 点 发 送 的 信 号 都 沿 着 传 输 媒 体 传 播, 而 且 被 其 他 站 点 所 接 收, 图 1-5 给 出 了 总 线 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 总 线 型 网 络 安 装 简 单 方 便, 需 要 铺 设 的 电 缆 最 短, 成 本 低, 某 个 站 点 的 故 障 一 般 不 会 影 响 整 个 网 络, 但 介 质 的 故 障 会 导 致 整 个 网 络 瘫 痪, 总 线 网 的 安 全 性 较 低, 传 输 距 离 有 限 监 控

11 6 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 比 较 困 难, 增 加 新 站 点 也 不 如 星 型 容 易 图 1-5 总 线 型 结 构 环 型 结 构 环 型 拓 扑 结 构 由 站 点 通 过 通 信 介 质 连 成 一 个 封 闭 的 环 形 图 1-6 给 出 了 环 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 每 个 站 点 能 够 接 收 一 端 链 路 传 来 的 数 据, 并 以 同 样 的 速 度 把 数 据 送 到 另 一 端 链 路 信 号 在 闭 环 中, 按 照 设 备 连 接 顺 序 单 向 传 输 环 形 网 的 优 点 是 容 易 安 装 和 监 控, 可 以 使 用 光 纤 或 者 电 缆, 每 一 个 节 点 都 可 以 中 继 信 号, 通 讯 距 离 较 长 缺 点 是 容 量 有 限, 故 障 检 测 困 难, 一 旦 节 点 发 生 故 障 会 引 起 全 网 络 的 瘫 痪 图 1-6 环 型 结 构 混 合 型 结 构 图 1-7 给 出 了 混 合 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 通 常 一 个 网 络 会 将 几 个 不 同 拓 扑 结 构 的 子 网 连 接 在 一 起, 组 成 一 个 大 的 网 络, 整 个 网 络 连 接 成 一 个 混 合 型 的 拓 扑 结 构

12 1.3 计 算 机 网 络 的 拓 扑 及 分 类 7 图 1-7 混 合 型 结 构 全 连 接 结 构 图 1-8 给 出 了 全 连 接 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 图 图 1-8 全 连 接 结 构 任 意 两 个 节 点 间 都 存 在 一 条 直 接 路 经 ( 即 直 连 两 个 节 点 的 路 径 ), 这 就 是 说, 如 果 网 络 中 总 共 有 n 个 节 点, 总 的 路 径 数 将 是 n(n-1)/2 全 连 接 结 构 优 点 是 健 壮 性 安 全 性 和 私 有 性 缺 点 是 费 用 昂 贵 而 且 安 装 和 重 新 配 置 十 分 困 难 计 算 机 网 络 的 分 类 一 个 计 算 机 网 络 可 以 从 地 域 范 围 拓 扑 结 构 信 息 传 输 交 换 方 式 或 协 议 网 络 组 建 属 性 或 用 途 等 不 同 角 度 加 以 分 类

13 8 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 1. 按 地 域 范 围 分 类 按 照 网 络 的 作 用 与 地 理 范 围 来 分, 计 算 机 网 络 类 型 大 致 可 分 为 以 下 3 大 类 : (1) 局 域 网 LAN(Local Area Network) 一 般 限 定 在 较 小 的 区 域 内, 小 于 10 km 的 范 围, 通 常 是 一 个 办 公 室, 一 个 建 筑 物 或 是 校 园 内, 最 常 见 的 局 域 网 拓 扑 图 有 星 型 总 线 型 和 环 型 (2) 城 域 网 MAN(Metropolis Area Network) 规 模 局 限 在 一 座 城 市 的 范 围 内,10~100 km 的 区 域 城 域 网 可 以 是 单 一 的 网 络, 也 可 以 是 通 过 许 多 局 域 网 络 连 接 成 一 个 更 大 的 网 络 (3) 广 域 网 WAN(Wide Area Network) 网 络 跨 越 国 界 洲 界, 甚 至 全 球 范 围 广 域 网 通 常 利 用 电 信 部 门 提 供 的 分 组 交 换 网 卫 星 通 信 信 道 和 无 线 分 组 交 换 网 等, 将 分 布 在 不 同 的 地 区 的 计 算 机 系 统 互 联 起 来, 达 到 资 源 共 享 的 目 的 目 前 局 势 网 和 广 域 网 是 计 算 机 网 络 的 热 点 局 域 网 是 组 成 其 他 两 种 类 型 网 络 的 基 础, 城 域 网 一 般 都 加 入 了 广 域 网, 广 域 网 的 典 型 代 表 是 Internet 网 2. 按 拓 扑 结 构 分 类 网 络 拓 扑 结 构 是 从 网 络 拓 扑 的 观 点 来 讨 论 和 设 计 网 络 的 特 性 也 就 是 讨 论 网 络 中 的 通 信 节 点 和 通 信 线 路 或 信 道 的 连 接 所 构 成 的 各 种 网 络 几 何 构 形, 用 以 反 映 出 网 络 各 组 成 成 分 之 间 的 结 构 关 系, 从 而 反 映 了 整 个 网 络 的 整 体 结 构 外 貌 实 际 上, 这 儿 考 虑 的 得 更 多 的 是 通 信 子 网 的 拓 扑 结 构 问 题 一 般 地 讲, 通 信 子 网 可 以 设 计 成 两 种 通 信 ( 信 道 ) 类 型 : 点 对 点 通 信 (Point-to-Point) 和 广 播 通 信 (Broadcast) 点 对 点 信 道 : 其 特 点 是 一 条 线 路 连 接 一 对 节 点 两 台 主 机 常 常 经 过 几 个 节 点 相 连 接 信 息 的 传 输 采 用 存 储 转 发 方 式 这 种 信 道 成 的 通 信 子 网 常 见 的 拓 扑 结 构 有 :1 星 型,2 树 型, 3 全 连 接 型,4 不 规 则 形 式 分 布 式 广 播 信 道 : 其 特 点 是 只 有 一 条 供 诸 结 点 共 享 的 通 信 信 道 由 这 种 信 道 构 成 的 通 信 子 网 的 拓 扑 结 构 可 有 三 种 形 式 :1 总 线 型,2 环 型,3 卫 星 或 无 线 广 播 通 信 方 式 3. 按 信 息 传 输 交 换 方 式 分 类 根 据 信 息 在 网 内 传 输 交 换 方 式, 可 分 为 : 电 路 交 换 和 存 储 转 发 交 换 而 存 储 转 发 又 可 以 分 为 报 文 交 换 和 分 组 交 换 分 组 交 换 包 括 数 据 报 交 换 和 虚 电 路 交 换 电 路 交 换 是 通 信 双 方 建 立 一 条 物 理 连 接 后, 数 据 沿 着 该 连 接 到 达 目 的 地, 数 据 传 送 时 独 享 该 连 接 ; 存 储 转 发 指 数 据 被 分 成 若 干 段, 每 段 按 照 交 换 设 备 选 定 的 路 由 独 立 地 从 源 到 目 的 地 4. 按 网 络 组 建 属 性 分 类 一 个 计 算 机 网 络, 根 据 其 组 建 经 营 和 用 户, 特 别 是 它 的 数 据 传 输 和 交 换 系 统 的 拥 有 性, 可 以 分 为 公 用 网 和 专 用 网 两 类

14 1.4 计 算 机 网 络 的 组 成 计 算 机 网 络 的 组 成 计 算 机 网 络 从 其 构 成 的 软 硬 件 可 以 分 为 传 输 / 交 换 设 备 用 户 设 备 和 网 络 软 件 传 输 / 交 换 设 备 : 线 路 设 备 互 联 设 备 传 输 设 备 一 般 包 括 双 绞 线 同 轴 电 缆 和 光 纤 等 交 换 设 备 一 般 包 括 网 桥 中 继 器 网 关 交 换 机 和 路 由 器 等 用 户 设 备 : 主 机 终 端 服 务 器 网 络 软 件 : 网 络 操 作 系 统 网 络 协 议 软 件 用 户 程 序 1.5 计 算 机 网 络 协 议 标 准 化 计 算 机 网 络 协 议 标 准 可 分 为 两 类 : 1 事 实 标 准 (From The Fact) 由 厂 家 制 定 的, 未 经 有 关 标 准 化 组 织 审 定 通 过, 但 由 于 广 泛 使 用 形 成 了 事 实 标 准 2 法 定 标 准 (By Law) 经 有 关 标 准 化 组 织 审 定 通 过 的 标 准 相 关 标 准 化 组 织 国 际 电 信 联 盟 (ITU,International Telecommunication Union) 它 的 任 务 是 国 际 电 信 的 标 准 化 它 有 3 个 主 要 的 部 门 :ITU-R,Radio Communications Sector;ITU-T, Telecommunications Sector;ITU-D,Development Sector ITU-T 的 工 作 为 电 信 标 准 化, 它 的 前 身 为 CCITT 它 的 成 员 为 政 府 部 门 和 电 信 厂 商 国 际 标 准 化 组 织 (ISO,International Standards Organization), 它 的 成 员 为 国 家 标 准 化 组 织, 如 美 国 的 ANSI(American National Standards Institute) 它 的 标 准 化 程 序 : 从 CD(Committee Draft) 到 DIS (Draft International Standard), 再 到 IS(International Standard) Internet 体 系 结 构 委 员 会 (IAB,Internet Architecture Board), 它 是 一 个 非 正 式 的 标 准 化 组 织 它 分 成 IRTF(Internet Research Task Force) 和 IETF(Internet Engineering Task Force), 前 者 关 注 长 期 的 研 究, 后 者 处 理 短 期 的 工 程 问 题 它 的 标 准 化 程 序 : 草 案 标 准 (DS,Draft Standard) 到 RFC (Request For Comments), 再 到 IS(Internet Standards)

15 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 2.1 协 议 与 分 层 结 构 计 算 机 网 络 由 若 干 个 相 互 联 接 的 点 组 成, 这 些 节 点 之 间 要 不 断 地 进 行 数 据 交 换 为 达 到 正 确 的 数 据 交 换 目 的, 它 们 之 间 必 须 具 有 共 同 的 语 言 交 换 什 么, 怎 么 交 换, 何 时 交 换, 每 个 节 点 必 须 遵 守 一 些 事 先 约 定 好 的 通 信 规 则, 这 些 规 则 就 是 网 络 协 议 (Protocol) 网 络 协 议 是 这 些 为 了 计 算 机 网 络 中 的 数 据 交 换 而 建 立 的 规 则 标 准 或 约 定 的 集 合 网 络 协 议 主 要 由 下 列 三 个 基 本 要 素 组 成 : 1 语 法 (Syntax): 涉 及 数 据 与 控 制 信 息 的 结 构 或 格 式 如 数 据 格 式 编 码 和 信 号 电 平 等 规 定 2 语 义 (Semantics): 用 于 协 调 和 差 错 处 理 而 发 出 控 制 信 息 描 述 控 制 信 息 的 含 义 完 成 何 种 动 作, 以 及 作 出 何 种 应 答 等 3 时 序 (Time): 即 事 先 顺 序 的 详 细 说 明, 包 括 速 度 匹 配 和 顺 序 由 于 计 算 机 网 络 是 一 个 复 杂 的 系 统, 分 层 是 系 统 分 解 的 最 好 方 法 之 一 网 络 协 议 通 常 采 用 层 次 结 构 网 络 协 议 分 层 有 以 下 几 点 好 处 : 1 各 层 之 间 是 独 立 的 一 个 层 次 不 需 要 知 道 它 下 面 的 一 层 是 如 何 实 现 的, 而 仅 需 知 道 该 层 通 过 层 间 的 接 口 所 提 供 的 服 务, 及 调 用 此 程 序 所 需 要 的 格 式 和 参 数 2 灵 活 性 好 当 任 何 一 层 发 生 变 化 时, 只 要 接 口 关 系 保 持 不 变, 则 其 他 层 次 均 不 受 影 响 3 结 构 上 可 分 隔 开 各 层 可 以 采 用 合 适 的 技 术 来 实 现 4 易 于 实 现 和 维 护 这 种 结 构 使 得 一 个 复 杂 系 统 的 实 现 和 调 试 变 得 简 单, 因 为 整 个 系 统 已 被 分 解 为 若 干 个 小 的 易 于 处 理 的 部 分 5 有 利 用 标 准 化 工 作 每 一 层 的 功 能 以 及 向 其 他 层 所 提 供 的 服 务 都 有 了 精 确 的 说 明, 因 此 对 于 标 准 化 工 作 是 十 分 方 便 的 计 算 机 网 络 各 个 层 次 之 间 的 关 系 及 其 相 关 协 议 的 集 合 称 为 网 络 体 系 结 构 网 络 体 系 结 构 与 其 他 具 体 实 现 是 不 同 的 网 络 体 系 结 构 是 抽 象 的, 是 对 功 能 的 精 确 描 述 而 实 现 是 具 体 的, 是 真 正 运 行 的 硬 件 和 软 件 划 分 层 的 原 则 : 1 当 需 要 由 一 个 不 同 等 级 的 抽 象 时 就 应 当 有 一 个 相 应 的 层 次 2 每 一 层 的 功 能 应 当 时 非 常 明 确 的 3 层 与 层 的 边 界 应 选 择 的 使 通 过 这 些 边 界 的 信 息 量 尽 量 少 些, 否 则 不 方 便 4 层 数 太 少, 会 使 每 一 层 的 协 议 太 复 杂, 但 层 数 太 多 又 会 在 描 述 和 综 合 各 层 功 能 的 系 统 工 程 任 务 时 遇 到 较 多 的 困 难

16 2.2 OSI 参 考 模 型 OSI 参 考 模 型 计 算 机 网 络 在 20 世 纪 70 年 代 迅 速 发 展, 特 别 在 ARPANET 建 立 以 后, 世 界 上 许 多 计 算 机 大 公 司 都 先 后 推 出 了 自 己 的 计 算 机 网 络 体 系 结 构 例 如 IBM 公 司 的 系 统 网 络 结 构 SNA, DEC 公 司 的 分 布 式 网 络 结 构 DNA 等, 但 这 些 网 络 体 系 结 构 具 有 封 闭 的 特 点, 它 们 只 适 合 于 本 公 司 的 产 品 连 网, 其 他 公 司 的 计 算 机 产 品 很 难 入 网, 这 就 妨 碍 了 实 现 异 种 计 算 机 互 联 以 达 到 信 息 交 换 资 源 共 享 分 布 处 理 和 分 布 应 用 的 需 求 客 观 需 求 迫 使 计 算 机 网 络 体 系 结 构 由 封 闭 走 向 开 放 式 国 际 标 准 化 组 织 ISO(International Standards Organization) 在 1979 年 建 立 了 一 个 分 委 员 会 来 专 门 研 究 一 种 用 于 开 放 系 统 互 联 的 体 系 结 构 (Open Systems Interconnection) 简 称 OSI 经 过 多 年 努 力 于 1984 年 提 出 了 开 放 系 统 互 联 基 本 参 考 模 型 ISO/OSI-RM, 从 此 开 始 了 有 组 织 有 计 划 地 制 定 一 系 列 网 络 国 际 标 准 图 2-1 OSI 体 系 结 构 的 参 考 模 型 ISO 7498 信 息 处 理 系 统 开 放 系 统 互 联 基 本 参 考 模 型 (ISO 7498,Information Processing Systems Open Systems Interconnection Basic References Model) 是 OSI 标 准 中 最 基 本 的 一 个 它 从 OSI 体 系 结 构 方 面 规 定 了 开 放 系 统 在 分 层 相 应 层 对 等 实 体 的 通 信 标 识 符 服 务 访 问 点 数 据 单 元 层 操 作 OSI 管 理 等 方 面 的 基 本 元 素 组 成 和 功 能 等, 并 从 逻 辑 上 把 每 个 开 放 系 统 划 分 为 功 能 上 相 对 独 立 的 七 个 有 序 的 子 系 统 所 有 互 联 的 开 放 系 统 中, 对 应 的 各 子 系 统 结 合 起 来 构 成 开 放 系 统 互 联 基 本 参 考 模 型 中 的 一 层 这 样,OSI 体 系 结 构 就 由 如 图 示 功 能 上 相 对 独 立 的 7 个 层 次 组 成

17 12 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 图 2-2 OSI 体 系 结 构 的 参 考 模 型 的 信 息 格 式 开 放 的 意 思 是 只 要 遵 循 OSI 体 系 结 构 的 标 准, 一 个 系 统 可 以 和 位 于 世 界 上 任 何 地 方 的, 也 遵 循 OSI 标 准 的 其 他 任 何 系 统 进 行 互 联 国 际 标 准 化 组 织 经 过 反 复 研 究, 在 已 有 的 网 络 体 系 结 构 ( 如 DNA SNA 等 ) 的 基 础 上, 制 定 了 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型 (Open Systems Inter Connection Reference Model;OSI/RM) 即 OSI 参 考 模 型,OSI 包 括 体 系 结 构 服 务 定 义 和 协 议 规 范 三 级 抽 象 OSI 体 系 结 构 定 义 了 一 个 7 层 模 型, 如 图 所 示, 分 别 是 物 理 层 数 据 链 路 层 网 络 层 传 输 层 会 话 层 表 示 层 和 应 用 层 OSI 的 服 务 定 义 描 述 了 各 层 所 提 供 的 服 务 以 及 层 与 层 之 间 的 抽 象 接 口 和 交 互 使 用 的 服 务 原 语 OSI 的 协 议 规 范 精 确 的 定 义 了 控 制 信 息 的 发 送 和 解 释, 它 只 是 一 个 为 定 制 标 准 而 提 供 的 概 念 性 框 架 OSI7 层 模 型 的 主 要 功 能 如 下 : 1 物 理 层 (Physical): 物 理 层 的 任 务 就 是 为 它 的 上 一 层 提 供 一 个 物 理 连 接, 定 义 了 为 建 立 维 护 和 拆 除 物 理 链 路 所 需 的 机 械 的 电 气 的 功 能 的 和 规 程 的 特 性 如 规 定 使 用 电 缆 和 接 口 的 类 型, 传 送 信 号 的 电 压 等 物 理 层 使 用 原 始 的 数 据 位 流, 传 输 数 据 单 位 是 比 特 2 数 据 链 路 层 (Data Link): 它 把 相 邻 两 个 节 点 间 不 可 靠 的 物 理 链 路 变 成 可 靠 的 无 差 错 的 逻 辑 电 路, 数 据 链 路 层 传 输 信 息 的 单 位 是 帧 (Frame) 每 帧 包 括 一 定 数 量 的 数 据 和 一 些 必 要 的 控 制 信 息, 在 每 帧 的 控 制 信 息 中, 包 括 同 步 信 息 地 址 信 息 差 错 控 制 信 息 流 量 控

18 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 13 制 信 息 等 数 据 链 路 层 负 责 建 立 维 护 和 释 放 数 据 链 路 数 据 链 路 层 还 要 协 调 收 发 双 方 的 数 据 传 输 率, 进 行 流 量 控 制 3 网 络 层 (Network): 网 络 层 将 数 据 链 路 层 提 供 的 帧 组 成 数 据 分 组 (Packet) 进 行 传 输 主 要 任 务 是 要 选 择 合 适 的 路 由 交 换 结 点, 完 成 任 意 两 个 结 点 之 间 的 连 接 主 要 解 决 如 何 使 数 据 分 组 跨 越 通 信 子 网, 从 源 节 点 传 送 到 目 的 节 点 的 问 题 数 据 包 中 封 装 有 网 络 层 包 头, 其 中 含 有 逻 辑 地 址 信 息, 源 站 点 和 目 的 站 点 的 网 络 地 址 以 上 三 层 组 成 网 络 的 通 信 子 网, 通 信 子 网 负 责 把 一 个 地 方 的 数 据 可 靠 地 传 送 到 另 一 个 地 方, 但 并 未 实 现 两 个 主 机 进 程 之 间 的 通 信 通 信 子 网 的 主 要 功 能 是 面 向 通 信 的 4 传 输 层 (Transport): 传 输 层 是 资 源 子 网 与 通 信 子 网 的 桥 梁 完 成 资 源 子 网 中 两 个 节 点 的 通 信 真 正 地 实 现 了 端 到 端 的 连 接, 即 主 机 之 间 的 连 接 把 数 据 可 靠 地 从 一 方 的 用 户 进 程 传 送 到 另 一 方 的 用 户 进 程 这 一 层 的 控 制 通 常 由 通 信 两 端 的 计 算 机 完 成, 中 间 节 点 一 般 不 提 供 这 一 层 的 服 务, 传 输 层 传 送 的 信 息 单 位 是 报 文 (Message) 传 输 层 向 上 层 提 供 一 个 可 靠 的 端 到 端 服 务, 使 上 一 层 看 不 到 下 面 几 层 的 通 信 细 节 因 此, 传 输 层 是 网 络 体 系 结 构 中 最 为 关 键 的 一 层 有 时 又 称 为 中 间 层 5 对 话 层 (Session): 又 称 会 话 层 主 要 功 能 是 组 织 和 同 步 不 同 主 机 上 各 种 进 程 间 的 通 信, 负 责 两 个 会 话 层 实 体 之 间 进 行 对 话 连 接 的 建 立 和 拆 除, 双 方 相 互 确 认 身 份, 协 商 对 话 连 接 的 细 节 ; 还 可 管 理 对 话 是 双 向 的, 还 是 单 向 的 对 话 层 还 提 供 在 数 据 流 中 插 入 同 步 点 机 制, 在 每 次 网 络 出 现 故 障 后 可 以 返 重 传 最 近 一 个 同 步 点 以 后 的 数 据, 而 不 必 从 头 开 始 6 表 示 层 (Presentation): 主 要 解 决 用 户 信 息 的 语 法 表 示 问 题 表 示 层 将 数 据 从 适 合 于 某 一 系 统 的 语 法 转 变 为 适 合 于 OSI 系 统 内 部 使 用 的 语 法 具 体 地 讲, 表 示 层 对 传 送 的 用 户 数 据 进 行 翻 译 或 解 释 编 码 和 变 换, 使 得 不 同 类 型 的 机 器 对 数 据 信 息 的 不 同 表 示 方 法 可 以 相 互 理 解 数 据 加 密 解 密 信 息 压 缩 等 都 是 表 示 层 的 典 型 功 能 7 应 用 层 (Application): 应 用 层 的 主 要 任 务 是 确 定 进 程 之 间 通 信 的 性 质 以 满 足 用 户 需 要, 以 及 提 供 网 络 与 用 户 应 用 软 件 之 间 的 接 口 服 务 例 如, 虚 拟 终 端 协 议 文 件 传 送 协 议 电 子 邮 件 等 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 所 谓 网 络 体 系 结 构 (Architecture), 是 指 计 算 机 网 络 的 分 层 各 层 协 议 和 层 间 接 口 的 集 合, 也 就 是 网 络 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 网 络 的 一 种 抽 象 的 层 次 化 的 功 能 模 型 下 面 我 们 以 OSI/RM 为 主, 介 绍 网 络 体 系 结 构 的 一 些 基 本 概 念 基 本 概 念 1.(N) 层 子 系 统 ( N ) 实 体 我 们 知 道,OSI 参 考 模 型 的 基 本 构 造 技 术 是 分 层 它 将 开 放 系 统 的 全 部 功 能 划 分 为 7 个 层 次, 每 个 划 分 称 为 一 个 子 系 统 处 于 参 考 模 型 (N) 层 的 子 系 统 记 为 (N) 子 系 统, 同 一 开 放 系 统 的 相 邻 层 及 其 子 系 统 分 别 用 (N+1) ( N ) ( N - 1 ) 层 子 系 统 来 表 示 ( N ) 层 表 示 某 一 特 定 的 层, 那 么 (N+1) 表 示 相 邻 高 层,( N - 1 ) 表 示 相 邻 低 层 此 种 表 示 方 法 也 适 用 于 与 这 些 层 有 关 的 概 念, 如 (N) 协 议 ( N+1) 服 务 ( N - 1 ) 实 体 等

19 14 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 图 2-3 子 系 统 图 2-4 开 放 系 统 子 系 统 实 体 协 议 和 层 的 关 系 一 个 (N) 子 系 统 在 逻 辑 上 可 认 为 由 一 个 或 多 个 实 体 (Entity) 组 成 或 者 说,( N ) 实 体 是 (N) 子 系 统 内 的 活 动 元 素, 执 行 (N) 层 的 功 能 它 具 有 两 个 方 面 : 类 型 和 一 组 实 例 ( N ) 实 体 类 型 是 指 该 ( N ) 实 体 所 能 执 行 的 (N) 层 功 能 的 特 定 集 合 ( N ) 实 体 类 型 的 实 例 是 指 在 与 该 (N) 实 体 类 型 相 关 的 开 放 系 统 中 对 该 (N) 实 体 类 型 ( 即 功 能 ) 的 一 次 特 定 的 调 用 在 不 同 的 开 放 系 统 中, 同 一 层 的 实 体 称 为 对 等 实 体 (Peer Entites) 2.(N) 服 务 与 (N) 协 议 每 一 个 (N) 实 体, 只 能 与 同 一 开 放 系 统 中 上 一 个 相 邻 实 体 即 (N+1) 实 体 和 下 一 相 邻 实 体 即 (N-1) 实 体 通 过 它 们 的 共 同 边 界 直 接 通 信 ; 而 同 层 内 处 于 不 同 开 放 系 统 的 通 信 必 须 通 过 相 邻 的 低 层 及 其 以 下 各 层 的 通 信 来 完 成 的 从 最 高 层 应 用 层 起, 依 次 类 推, 直 到 最 低 层 物 理 层 物 理 层 内 两 个 对 等 实 体 则 通 过 它 们 的 物 理 媒 体 直 接 通 信 在 此 我 们 看 到, 对 等 (N+1) 实 体 间 的 通 信 只 能 通 过 相 邻 的 对 等 (N) 实 体 完 成 ( N )

20 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 15 实 体 向 (N+1) 实 体 提 供 它 们 间 的 通 信 能 力 的 一 组 业 务 (Facilities) 称 为 (N) 服 务 因 此, (N+1) 实 体 必 须 请 求 (N) 实 体 的 服 务 才 能 完 成 通 信 而 (N) 实 体 提 供 给 (N+1) 实 体 的 服 务 则 是 通 过 调 用 (N-1) 实 体 提 供 的 服 务 和 执 行 (N) 层 内 的 功 能 来 实 现 (N) 实 体 在 执 行 (N) 层 功 能 时, 确 定 (N) 对 等 实 体 间 通 信 行 为 的 一 组 规 则 ( 语 义 ) 和 格 式 ( 语 法 ) 称 为 (N) 协 议 因 此,( N ) 层 ( N - 1 ) ( N+1) 之 间 协 议 和 服 务 的 关 系 是 :( N ) 层 实 体 利 用 (N-1) 层 提 供 的 服 务 和 执 行 (N) 层 协 议 来 对 (N+1) 提 供 服 务 3.(N) 层 服 务 访 问 点 (N)-SAP 和 (N) 服 务 原 语 (N) 层 实 体 向 (N+1) 层 实 体 提 供 服 务,( N+1) 层 实 体 向 (N) 层 实 体 请 求 服 务, 从 概 念 上 讲, 这 是 通 过 位 于 (N) 层 和 (N+1) 层 的 界 面 上 的 服 务 访 问 点 ( N )-SAP(N-Service Access Point) 来 实 现 的 ( N ) -SAP 是 一 个 访 问 工 具, 由 一 组 服 务 元 素 和 抽 象 操 作 组 成, 并 由 (N+1) 实 体 在 该 点 调 用 我 们 把 (N) 层 中 提 供 (N) 服 务 的 那 些 (N) 实 体 总 称 为 (N) 服 务 提 供 者 ; 而 把 调 用 (N) 服 务 的 (N+1) 实 体 称 为 (N) 服 务 用 户, 如 图 2-5 所 示 图 2-5 服 务 模 型 服 务 的 请 求 与 提 供 是 通 过 在 服 务 访 问 点 SAP 上 服 务 原 语 (Primitive) 的 发 送 与 接 收 来 实 现 的 这 要 求 (N)- 服 务 用 户 与 (N)- 服 务 提 供 者 跨 服 务 访 问 点 (N)-SAP 进 行 交 互, 它 指 出 了 相 应 的 服 务 和 必 须 执 行 的 抽 象 操 作 服 务 原 语 是 一 种 原 子 动 作, 它 由 服 务 用 户 发 出 也 可 由 服 务 提 供 者 发 起 原 语 所 描 述 的 交 互 只 是 一 种 抽 象 的 交 互, 并 不 涉 及 交 互 实 体 在 服 务 访 问 点 (N)-SAP 上 如 何 具 体 交 换 信 息 从 实 现 的 角 度 看, 一 个 服 务 要 求 可 能 包 含 着 一 组 原 语 的 调 用 和 在 一 定 的 时 间 内 执 行 一 系 列 的 交 互 例 如, 连 接 建 立 服 务 元 素 调 用 相 关 服 务 原 语 的 情 形 : 开 放 系 统 A 的 (N+1) 实 体 欲 与 开 放 系 统 B 的 (N+1) 实 体 建 立 连 接, 则 A 的 (N+1) 实 体 通 过 (N)-SAP 发 出 (N) 连 接 建 立 请 求 (N)CONNECTION.request 原 语 ;(N) 实 体 ( 即 (N) 服 务 提 供 者 ) 接 受 此 原 语, 执 行 相 应 的 (N) 协 议 功 能 及 有 关 操 作, 在 B 的 (N)-SAP 处 向 (N+1) 实 体 发 出 (N+1) 连 接 建 立 指 示 (N)CONNECTION.indication 原 语, 指 出 A 的 (N+1) 实 体 欲 与 其 建 立 (N) 连 接 若 B 的 (N+1) 实 体 同 意 建 立 连 接, 则 通 过 (N)-SAP 向 (N) 实 体 发 出 连 接 建 立 响

21 16 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 应 (N)CONNECTION.response 原 语, 执 行 (N) 协 议 功 能 及 相 关 操 作, 在 A 的 (N)-SAP 处 (N) 服 务 提 供 者 向 (N+1) 实 体 发 出 (N) 连 接 建 立 确 认 (N)CONNECTION.confirm 原 语, 至 此, 对 等 实 体 (N+1) 实 体 间 的 (N+1) 连 接 建 立 图 2-6 服 务 请 求 与 提 供 的 过 程 示 意 A 图 2-7 服 务 请 求 与 提 供 的 过 程 示 意 B 服 务 元 素 类 型 : 通 信 双 方 实 体 对 的 交 互 关 系 需 要 有 不 同 类 型 的 服 务 元 素 有 3 种 类 型 服 务 元 素 : 确 认 服 务 非 确 认 服 务 仅 由 服 务 提 供 者 发 起 的 服 务, 如 图 2-8 所 示 通 过 以 上 讨 论, 我 们 可 以 明 确 一 个 完 整 的 服 务 定 义 应 包 含 以 下 几 个 方 面 : 1 服 务 元 素 集 合 2 哪 些 服 务 元 素 是 必 有 的 或 由 服 务 提 供 者 可 选 的 或 由 服 务 用 户 可 选 的 3 服 务 元 素 是 确 认 型 非 确 认 型 或 由 提 供 者 发 起 的 4 服 务 原 语 及 相 关 的 参 数 5 在 SAP 发 出 的 原 语 的 应 用 限 制

22 6 服 务 提 供 者 处 理 服 务 原 语 的 队 列 模 型 7 服 务 质 量 QOS(Quality Of Service) 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 17 图 2-8 服 务 元 素 类 型 及 相 应 原 语 调 用

23 18 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 4. 连 接 连 接 端 点 地 址 如 前 所 述, 对 等 (N+1) 实 体 间 的 彼 此 通 信 交 换 信 息 是 通 过 调 用 相 应 (N)-SAPs 上 的 ( N ) 服 务 来 实 现 的 连 接 是 其 中 的 一 项 重 要 服 务 它 是 根 据 (N+1) 对 等 实 体 的 要 求, 由 (N) 对 等 实 体 的 (N)-SAPs 间 建 立 的 一 种 逻 辑 连 接 每 条 (N) 连 接 由 两 个 连 接 点 (N)CEPs (Connection End Points) 及 相 应 的 连 接 端 点 标 识 符 (N)CEPs-identifiers 加 以 定 义, 如 图 2-9 所 示 这 样 有 关 (N) 连 接 可 用 3 个 属 性 加 以 描 述 : (1) 标 题 与 标 题 域 图 2-9 (N) 连 接 与 (N)CEP 标 题 (Title) 是 一 个 实 体 的 永 久 标 识 符 在 OSI 环 境 中, 用 以 命 名 该 实 体 命 名 实 体 的 所 有 标 题 的 集 合 称 为 全 局 标 题 域 或 标 题 空 间 标 题 空 间 的 任 一 子 集 称 为 标 题 域 因 此, 标 题 域 可 以 包 含 在 全 局 标 题 域 内, 也 可 以 包 含 在 另 一 个 标 题 域 内 为 了 标 识 标 题 域, 需 要 给 标 题 域 命 名, 它 是 OSI 环 境 中 唯 一 标 识 该 标 题 域 的 标 识 符 因 此, 标 题 有 全 局 标 题 和 局 部 标 题 之 分, 它 们 应 该 是 无 歧 义 的 全 局 标 题 可 以 由 标 题 域 名 和 该 标 题 域 内 的 局 部 标 题 组 成 在 OSI 环 境 内, 分 层 的 标 题 域 中, 全 局 标 题 可 以 由 该 层 的 标 题 域 名 和 该 层 内 的 局 部 标 题 组 成 例 如, 会 话 层 局 部 标 题 为 abc 的 实 体, 它 的 全 局 标 题 则 为 Sabc 运 输 层 内 端 点 的 实 体, 它 的 局 部 标 题 也 可 为 abc, 但 其 全 局 标 题 则 为 Tabc 因 此, 会 话 层 和 运 输 层 中 的 实 体, 它 们 各 自 目 的 局 部 标 题 相 同, 但 它 们 在 不 同 的 层 中, 因 此 而 它 们 在 OSI 环 境 中 的 全 局 标 题 则 是 不 相 同 的, 表 2-1 列 出 了 这 些 情 况

24 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 19 表 2-1 标 题 与 标 题 城 的 关 系 特 定 层 名 标 题 域 名 局 部 标 题 实 体 相 应 的 全 局 标 题 Application A e1,e2 Ae1,Ae2 Presentation P e3 Ae3 Session S Abc Sabc Transport T Abc Tabc Network N Data-link DL Physical PH (2) 地 址 也 称 (N) 服 务 访 问 点 地 址, 是 用 来 标 识 (N) 服 务 访 问 点 的 标 识 符, 它 标 识 了 连 接 某 个 (N+1) 实 体 的 一 个 特 定 的 (N) 服 务 访 问 点 当 该 (N+1) 实 体 从 这 个 服 务 访 问 点 脱 开 时, 该 (N) 地 址 不 再 提 供 对 该 (N+1) 实 体 的 访 问 若 该 ( N ) 服 务 访 问 点 又 新 连 到 一 个 不 同 的 ( N+1) 实 体, 则 该 (N) 地 址 标 识 了 这 个 新 的 (N+1) 实 体, 而 不 是 原 来 的 那 个 (N+1) 实 体 一 个 (N+1) 实 体 可 以 通 过 一 个 或 多 个 (N)SAP 与 一 个 或 多 个 (N) 实 体 相 连, 如 图 2-10 所 示 图 2-10 实 体 SAP Address 关 系 图 (3) 连 接 端 点 标 识 符 (N)-CEP indentifier 用 来 标 识 (N) 连 接 端 点 (N)-CEP 当 (N+1) 实 体 与 某 一 个 对 等 (N+1) 实 体 建 立 (N) 连 接 时, 支 持 该 (N) 连 接 的 每 个 (N) 实 体 将 赋 予 相 应 的 (N+1) 实 体 一 个 (N) 连 接 端 点 标 识 符 一 个 (N) 服 务 访 问 点 内 可 以 有 多 个 (N) 连 接 端 点, 但 每 个 连 接 端 点 标 识 符 在 该 (N) 服 务 访 问 点 内 则 是 唯 一 的 因 此,( N ) 连 接 端 点 标 识 符 由 两 部 分 组 成 : 即 该 (N) 连 接 端 点 所 在 的 (N) 服 务 访 问 点 地 址 (N)-address 和 该 (N) 连 接 端 点 后 缀, 它 唯 一 地 标 识 在 该 (N) 服 务 访 问 点 的 一 个 连 接 端 点 这 样 一 个 (N) 连 接 端 点 标 识 符 可 表 示 为 [(N)address,(N)CEP-suffix] 有 序 二 元 组 对 于 每 条 (N) 连 接 有 两 个 (N) 连 接 端 点 及 相 应 的 两 个 (N) 连 接 端 点 标 识 符, 为 了 标 识 (N) 连 接, 用 一 个 (N) 连 接 标 识 符 来 表 示

25 20 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 5. 数 据 单 元 在 OSI 环 境 内, 信 息 传 送 发 生 在 一 层 的 已 建 立 起 连 接 的 对 等 实 体 之 间, 也 可 发 生 在 同 一 开 放 系 统 相 邻 子 系 统 的 实 体 之 间 因 此, 采 用 不 同 类 型 的 数 据 单 元 来 表 示 这 种 不 同 传 送 方 式 的 信 息 (1)( N ) 协 议 数 据 单 元 (N)PDU 已 建 立 起 连 接 的 同 层 对 等 (N) 实 体 间 交 换 信 息 的 单 元 称 为 ( N ) 协 议 数 据 单 元 (N)-PDU [(N)Protocol Data Unit] 每 一 个 (N)-PDI 有 两 个 主 要 部 分 组 成 : 协 议 控 制 信 息 (N)-PCI 和 用 户 数 据 (N)-UD (N)-UD 是 (N) 实 体 从 其 用 户 [ 即 (N+1) 实 体 ] 接 收 到 的 内 容 一 旦 收 到 (N)-UD,( N ) 实 体 就 用 ( N ) -PCI 为 用 户 数 据 加 上 前 缀, 形 成 (N) 的 协 议 数 据 单 元 (N)-PDU ( N ) -PCI 中 通 常 包 含 (N) 协 议 标 识 符 ( N ) -PDU 类 型 地 址 信 息 及 其 他 有 关 信 息 等 对 等 (N) 实 体 间 的 通 信 不 是 直 接 进 行 的, 而 是 通 过 相 邻 层 及 以 下 各 层 来 进 行 的, 即 源 系 统 发 送 实 体 (N) 的 PDU, 要 经 过 逐 层 的 PCI 的 封 装, 到 达 物 理 层, 通 过 物 理 媒 体 把 信 息 传 送 目 的 系 统 的 物 理 层, 然 后 逐 层 向 上 脱 掉 其 各 层 的 PCI, 最 后 到 达 目 的 系 统 接 收 实 体 (N) ( 2 )( N ) 服 务 数 据 单 元 (N)-SDU 从 相 邻 两 层 实 体 交 换 信 息 是 服 务 提 供 者 与 服 务 用 户 之 间 交 换 信 息 的 角 度 来 考 虑 引 入 (N) 服 务 数 据 单 元 (N)SDU 概 念 ( N ) 实 体 通 过 ( N ) SDU 在 (N)-SAP 向 (N+1) 实 体 提 供 服 务, 或 者 说 (N+1) 实 体 在 (N)-SAP 从 (N)SDU 索 取 (N) 实 体 的 服 务, 如 图 2-11 所 示 图 2-11 (N) 服 务 数 据 单 元 (N)SDU

26 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 21 (3)( N ) 接 口 数 据 单 元 (N)IDU 由 上 可 知,( N+1) 实 体 与 (N) 实 体 的 信 息 交 换 形 成 (N+1)PDU 与 SDU 的 变 换, 这 是 发 生 在 跨 越 (N+1) 层 与 (N) 层 的 接 口 上, 因 此, 需 要 有 一 种 接 口 控 制 信 息 ICI 来 协 调 这 种 联 合 操 作 因 这 发 生 在 (N+1) 与 (N) 层 边 界 上, 把 (N+1) 实 体 与 (N) 实 体 交 换 的 信 息 通 称 为 (N) 接 口 数 据, 记 为 (N)ID, 相 应 的 ICI 记 为 (N)ICI ( N ) ICI 与 (N)ID 组 成 了 (N) 接 口 数 据 单 元 (N)IDU, 如 图 2-12 所 示 一 个 (N)ID 可 以 是 一 个 (N)SDU, 也 可 以 是 部 分 (N)SDU, 或 者 一 个 (N)SDU 可 以 分 为 一 个 或 多 个 (N)IDU 图 2-12 接 口 数 据 单 元 (N)IDU 层 操 作 要 素 对 于 面 向 连 接 的 通 信 中, 连 接 建 立 数 据 传 送 和 连 接 释 放 是 层 操 作 中 三 个 最 主 要 的 公 共 操 作 1. 连 接 建 立 (N) 对 等 实 体 间 的 ( N ) 连 接 建 立 是 作 为 向 (N+1) 实 体 提 供 的 一 种 服 务, 以 便 使 (N+1) 实 体 之 间 能 交 换 信 息 建 立 (N) 连 接 要 具 备 两 个 条 件 : 1 支 持 该 (N) 连 接 的 实 体 之 间 存 在 着 可 用 的 (N-1) 连 接 ; 2 对 等 (N) 实 体 都 处 于 能 够 执 行 连 接 建 立 的 状 态 如 果 尚 无 可 用 的 (N-1) 连 接, 则 先 要 建 立 (N-1) 层 对 等 实 体 间 的 (N-1) 连 接, 这 时, 所 要 求 的 条 件 和 上 述 1,2 两 条 件 相 同 如 此, 这 两 个 条 件 递 归 调 用, 直 到 有 可 用 的 连 接, 或 直 遇 到 OSI 的 物 理 介 质 为 止 (N) 连 接 是 一 种 确 认 型 的 服 务, 如 图 2-13 所 示 其 一 组 原 语 为 (N)CONNECTION.request (N)CONNECTION.indication (N)CONNECTION.response (N) CONNECTION.confirm

27 22 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 图 2-13 N+1 实 体 通 过 调 用 N 连 接 建 立 原 语 组 来 建 立 N 连 接 2. 连 接 释 放 已 经 建 立 了 (N ) 连 接 的 对 等 (N+1) 实 体, 由 于 下 列 原 因 之 一, 需 要 释 放 它 们 之 间 的 (N ) 连 接 (1) 正 常 释 放 当 对 接 (N+1) 实 体 间 完 成 数 据 传 送, 任 何 一 方 (N+1) 实 体 可 以 发 起 释 放 它 们 之 间 的 ( N ) 连 接, 如 图 2-14 所 示 正 常 释 放 原 语 为 (N) DISCONNECT.request 以 及 (N) DISCONNECT.indication (2) 有 序 释 放 在 OSI 的 某 些 层, 设 有 释 放 权 标 一 种 有 权 发 起 释 放, 只 有 持 有 释 放 权 标 的 (N+1) 实 体 才 可 以 发 起 释 放 (N) 连 接, 如 图 2-15 和 图 2-16 所 示 有 序 释 放 原 语 有 : (N) RELEASE-request (N) RELEASE-indication (N) RELEASE-(accept)response (N) RELEASE-(accept)confirm (N) RELEASE-(reject)response (N) RELEASE-(reject)confirm

28 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 23 图 2-14 正 常 释 放 N 连 接 图 2-15 有 序 释 放 N 连 接 被 接 受 图 2-16 有 序 释 放 N 连 接 被 拒 绝 (3) 异 常 释 放 当 发 生 异 常 情 况, 不 再 进 行 (N) 连 接 上 的 数 据 传 送, 必 须 立 即 发 起 释 放 (N) 连 接 根 据 发 生 异 常 情 况 位 置 的 不 同, 可 有 两 种 异 常 释 放, 即 (N) 服 务 用 户 发 起 异 常 释 放 ( 如 图 2-17)

29 24 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 和 (N) 服 务 提 供 者 发 起 的 异 常 释 放 ( 如 图 2-18) 异 常 释 放 原 语 有 : (N) 服 务 用 户 发 起 释 放 (N) -U-ABORT.request (N) -U-ABORT.indication (N) 服 务 提 供 者 发 起 释 放 (N) -P-ABORT.indication 图 2-17 服 务 用 户 发 起 释 放 图 2-18 服 务 提 供 者 发 起 释 放 3. 传 送 数 据 建 立 (N) 连 接 后, 对 接 的 (N+1) 实 体 间 可 调 用 数 据 传 送 原 语 组 来 传 送 数 据 所 传 送 的 数 据 有 常 规 数 据 加 速 数 据 特 权 数 据 等 几 类 : (1) 常 规 数 据 传 送 (N+1) 实 体 调 用 (N)-DATA.request 原 语 向 (N) 实 体 请 求 发 送 数 据, 接 收 方 (N) 实 体 接 收 发 送 过 来 的 数 据 DT(N)PDU, 产 生 相 应 的 (N) 服 务 原 语 (N)-DATA.0indication, 送 给 其 相 应 的 (N+1) 实 体, 完 成 了 (N) 连 接 上 的 数 据 传 送 但 在 运 输 层 网 络 层 数 据 链 路 层 中, 为 了 保 证 数 据 传 输 的 可 靠 性, 接 收 (N) 实 体 对 接 受 到 的 数 据 单 元 DT(N)PDU 是 否 正 确 收 妥 产 生 确 认 信 息 给 发 方 (N) 实 体 若 是 正 确 收 到, 则 发 送 一 个 确 认 数 据 单 元 ACK(N)PDU 若 接 收 的 DT(N)PDU 发 生 某 种 错 误, 则 接 收 方 (N) 实 体 不 产 生

30 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 25 (N)-DATA-indication 原 语, 而 是 对 接 收 的 DT(N)PDU 产 生 一 个 拒 收 的 (N) 协 议 数 据 单 元 RJ(N)PDU 给 发 送 方 (N) 实 体, 并 要 求 重 发 该 DT(N)PDU, 如 图 2-19 图 2-20 和 图 2-21 所 示 图 2-19 无 确 认 数 据 传 送 图 2-20 确 认 数 据 传 送 图 2-21 拒 绝 确 认 数 据 (2) 加 速 数 据 传 送 加 速 数 据 传 送 是 传 送 比 常 规 数 据 特 权 数 据 优 先 级 高 的 服 务 数 据 单 元 加 速 数 据 传 送 服 务 常 用 于 传 送 数 据 和 中 断, 它 的 传 送 不 受 数 据 权 标 的 控 制 加 速 数 据 传 送 也 有 是 否 需 要 妥 收 确 认 回 答 的 问 题

31 26 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 (3) 特 权 数 据 传 送 在 OSI 某 些 层 中 ( 如 会 话 层 ), 对 数 据 传 送 服 务 可 以 设 置 一 个 数 据 权 标, 它 是 该 层 的 一 种 属 性 在 某 一 时 刻 它 被 动 态 地 分 配 给 一 个 服 务 用 户, 表 示 该 用 户 允 许 使 用 数 据 传 送 服 务 不 分 配 有 数 据 权 标 的 服 务 用 户 不 允 许 使 用 数 据 传 送 服 务 在 一 个 (N) 连 接 上, 只 允 许 存 在 一 个 权 标, 分 配 给 一 个 (N) 服 务 用 户 因 此, 持 有 数 据 权 标 的 服 务 用 户 具 有 数 据 传 送 服 务 的 独 占 使 用 权 但 是, 不 持 有 数 据 权 标 的 服 务 用 户 可 以 通 过 某 种 手 段 获 得 数 据 权 标 例 如, 具 有 数 据 权 标 的 (N) 服 务 用 户 即 (N+1) 实 体, 通 过 调 用 转 让 权 标 原 语 (N)-TOKEN GIVE, 把 数 据 权 标 送 给 对 等 (N+1) 实 体, 然 后 该 对 等 (N+1) 实 体 就 可 传 送 数 据 了 因 此 具 有 数 据 权 标 控 制 的 数 据 传 送 可 以 实 现 数 据 的 半 双 工 传 送 连 接 映 射 特 性 复 用 与 解 复 用 分 流 与 合 流 (N) 实 体 在 (N) 连 接 上 为 (N+1) 实 体 提 供 的 (N) 服 务 是 通 过 在 (N-1) 连 接 上 的 服 务 实 现 的 ( N ) 连 接 上 的 服 务 被 变 换 为 (N-1) 连 接 上 的 (N-1) 服 务, 而 (N) 连 接 则 被 映 射 为 (N-1) 连 接 如 此,( N - 1 ) 连 接 被 映 射 为 (N-2) 连 接, 等 等 映 射 可 能 是 以 下 三 种 之 一 1. 一 对 一 映 射 一 条 (N) 连 接 被 映 射 成 唯 一 的 (N-1) 连 接, 如 图 2-22 所 示 图 2-22 一 对 一 映 射 2. 多 对 一 映 射 多 个 (N) 连 接 被 映 射 成 一 个 (N-1) 连 接 这 时, 在 发 送 方, 一 个 (N-1) 连 接 支 持 多 个 (N) 连 接, 称 为 (N) 实 体 的 多 个 (N) 连 接 复 用 一 个 (N-1) 连 接 (Multiplexing) 在 接 收 方 必 须 要 有 一 个 解 复 用 (de-multiplexing) 的 过 程 复 用 可 以 更 有 效 和 经 济 地 使 用 连 接, 如 图 2-23 所 示

32 2.4 TCP/IP 参 考 模 型 27 图 2-23 多 对 一 映 射 3. 一 对 多 映 射 一 个 (N) 连 接 被 映 射 成 多 个 (N-1) 连 接 这 时, 在 发 送 方, 用 多 个 (N-1) 连 接 支 持 一 个 (N) 连 接,( N ) 实 体 的 这 种 功 能 称 为 分 流 (Splitting), 如 图 2-24 所 示 在 接 收 方 就 需 要 一 个 叫 做 合 流 的 过 程 (Recombining) 使 用 分 流 和 合 流 功 能 可 以 提 高 可 靠 性 和 吞 吐 量 图 2-24 一 对 多 映 射 2.4 TCP/IP 参 考 模 型 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 的 简 写, 中 文 译 名 为 传 输 控 制 协 议 / 互 联 网 络 协 议,TCP/IP 协 议 是 美 国 国 防 部 高 级 计 划 研 究 局 DARPA 为 实 现 ARPANET 互 联 网 而 开 发 的 目 前, 众 多 的 网 络 产 品 厂 家 都 支 持 TCP/IP 协 议,TCP/IP 实 际 上 已 经 成 为 互 联 网 通 信 的 标 准, 作 为 互 联 网 上 的 传 输 协 议,TCP/IP 使 得 全 球 范 围 以 内 的 计 算 机 能 够 互 相 通 信 TCP/IP 的 参 考 模 型 TCP/IP 协 议 的 参 考 模 型 通 常 分 为 4 个 层 次, 如 图 2-25 所 示

33 28 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 应 用 层 传 输 层 网 络 层 网 络 接 层 Telnet FTP DNS HTTP SMTP 和 TCP 和 UDP IP ICMP ARP RARP 设 备 驱 动 和 接 口 卡 图 2-25 TCP/IP 协 议 族 的 4 个 层 次 每 一 层 具 有 不 同 的 功 能 : 1 网 络 接 口 层 : 通 常 包 括 操 作 系 统 中 的 设 备 驱 动 程 序 和 计 算 机 中 对 应 的 网 络 接 口 卡 它 们 组 合 一 起 处 理 与 电 缆 ( 或 其 他 任 何 传 输 媒 介 ) 的 物 理 接 口 细 节 2 网 络 层 有 时 也 称 为 互 联 网 际 层, 处 理 分 组 在 网 络 中 的 传 输 例 如, 分 组 的 路 由 在 TCP/IP 协 议 族 中, 网 络 层 协 议 包 括 IP 协 议 ( 网 际 协 议 ) ICMP 协 议 (Internet 互 联 网 控 制 报 文 协 议 ), 以 及 IGMP 协 议 (Internet 组 管 理 协 议 ) 等 3 传 ( 运 ) 输 层 : 主 要 为 两 台 主 机 上 的 应 用 程 序 提 供 端 到 端 的 通 信 在 TCP/IP 协 议 族 中, 有 两 个 不 同 的 传 输 层 协 议 :TCP( 传 输 控 制 协 议 ) 和 UDP( 用 户 数 据 报 协 议 ) 在 应 用 进 程 中 两 种 运 输 层 协 议 具 有 不 同 的 用 途 TCP 为 两 台 主 机 提 供 高 可 靠 性 的 数 据 通 信 UDP 则 为 应 用 层 提 供 一 种 非 常 简 单 快 捷 的 服 务 4 应 用 层 : 负 责 处 理 特 定 的 应 用 程 序 细 节, 处 理 用 户 和 网 络 的 应 用 接 口 TCP/IP 提 供 下 面 这 些 通 用 的 应 用 程 序 : Telnet: 远 程 登 录 FTP: 文 件 传 输 协 议 SMTP: 简 单 邮 件 传 送 协 议 SNMP: 简 单 网 络 管 理 协 议 TCP/IP 协 议 族 是 一 组 不 同 的 协 议 组 合 在 一 起 构 成 的 协 议 族, 尽 管 通 常 称 该 协 议 族 为 TCP/IP 协 议, 但 TCP/IP 只 是 其 中 的 两 种 协 议 在 TCP/IP 协 议 族 中, 网 络 层 IP 提 供 的 是 一 种 不 可 靠 的 服 务 它 只 是 尽 可 能 快 地 把 分 组 从 源 结 点 传 送 到 目 的 结 点, 但 是 并 不 提 供 任 何 可 靠 性 保 证 TCP 在 不 可 靠 的 IP 层 上 提 供 了 一 个 可 靠 的 传 输 层 为 了 提 供 这 种 可 靠 的 服 务,TCP 采 用 了 超 时 重 传, 发 送 和 接 收 端 到 端 的 确 认 等 机 制 由 于 运 输 层 提 供 了 高 可 靠 的 端 到 端 的 通 信, 因 此 应 用 层 可 以 忽 略 网 络 通 信 的 细 节 由 此 可 见, 传 输 层 和 网 络 分 别 负 责 不 同 的 功 能 TCP/IP 的 协 议 族 TCP/IP 协 议 是 由 很 多 种 协 议 组 成, 称 为 TCP/IP 协 议 族 图 2-26 给 出 了 这 些 协 议 之 间 的 关 系 网 络 接 口 层 定 义 了 地 址 解 析 协 议 ARP(Address Resolution Protocol) 和 逆 向 地 址 解 析 协 议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol) 来 提 供 TCP/IP 协 议 的 数 据 结 构 和 实 际 物 理 网 络 之 间 的 接 口, 进 行 IP 层 和 实 际 的 物 理 网 络 地 址 间 的 转 换 IP(Internet Protocol) 网 际 协 议 是 工 作 在 网 络 层 上 的 主 要 协 议, 同 时 被 TCP 和 UDP 所 使 用 TCP 和 UDP 的 数 据 包 都 是 通 过 端 系 统 和 中 间 路 由 器 中 的 IP 层 在 互 联 网 中 进 行 传 输 ICMP(Internet Control Message Protocol) 网 际 控 制 报 文 协 议, 是 IP 协 议 的 附 属 协 议,IP 层 用 它 来 与 其 他 主 机 或 路 由 器 交 换 错 误 报 文 和 其 他 控 制 信 息 尽 管 ICMP 主 要 被 IP 使 用, 但 应 用 程 序 也 有 可 能 访 问 它 诊 断 程 序 Ping 和 Traceroute 都 使 用 了 ICMP ICMP(Internet Croup Message Protocol) 是 网 际 组 管 理 协 议, 主 要 用 来 把 一 个 UDP 数 据 报 多 播 到 多 个 主 机

34 2.4 TCP/IP 参 考 模 型 29 用 户 进 程 用 户 进 程 用 户 进 程 用 户 进 程 应 用 层 TCP UDP 传 输 层 ICMP IP ICMP 网 络 层 ARP 硬 件 接 口 RARP 网 络 接 口 层 图 2-26 TCP/IP 协 议 族 中 不 同 层 次 的 协 议 关 系 TCP(Transmission Control Protocol) 传 输 控 制 协 议 和 UDP(User Datagram Protocol) 用 户 数 据 报 协 议 是 两 个 最 为 常 用 的 传 输 层 协 议,TCP 提 供 一 种 面 向 连 接 的 可 靠 的 传 输 层 服 务 UDP 提 供 一 种 面 向 非 连 接 的, 不 可 靠 的 传 输 层 服 务, 它 不 能 保 证 数 据 报 能 安 全 无 误 地 到 达 最 终 目 的 TCP/IP 定 义 了 很 多 应 用 层 协 议, 包 括 SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 简 单 邮 件 传 送 协 议 DNS(Domain Nome Service) 域 名 服 务 FTP(File Transfer Protocol) 文 件 传 输 协 议 Telnet 远 程 终 端 访 问 协 议 SNMP(Simple Network Manager Protocol) 简 单 网 络 管 理 协 议 HTTP(Hypertext Transfer Protocol) 超 文 本 传 输 协 议, 等 等

35 第 3 章 数 据 通 信 基 础 3.1 数 字 信 号 富 氏 变 换 分 析 在 19 世 纪 初 期, 法 国 数 学 家 吉 傅 立 叶 (Jean-Baptiste Fourier) 证 明 : 任 何 正 常 的 周 期 为 T 的 函 数 g(t), 都 可 以 由 ( 无 限 个 ) 正 弦 和 余 弦 函 数 合 成 在 数 据 通 信 中, 要 通 过 抽 样 量 化 将 模 拟 信 号 数 字 化 那 么, 抽 样 信 号 和 原 来 的 连 续 时 间 信 号 是 否 等 效 呢? 这 就 是 抽 样 定 理 所 要 回 答 的 通 过 傅 立 叶 分 析 的 方 法 可 以 证 明, 一 个 信 号 的 频 谱 如 果 只 在 一 个 有 限 的 频 率 范 围 内, 它 就 可 以 由 一 定 间 隔 的 抽 样 信 号 完 全 确 定, 这 就 是 抽 样 定 理 的 内 容 抽 样 定 理 在 时 域 上 表 述 为 : 设 有 一 个 频 带 限 制 在 0~f m Hz 内 的 模 拟 信 号 x(t) 进 行 等 间 隔 抽 样, 则 x(t) 可 被 所 得 到 的 抽 样 值 完 全 地 确 定, 或 者 说 可 以 通 过 这 些 抽 样 值 无 失 真 地 重 建 x(t) 满 足 上 述 抽 样 定 理 的 抽 样 频 率 是 f s >=2f m, 称 为 奈 奎 斯 特 频 率 (Nyquist Frequency) 应 当 指 出, 抽 样 频 率 f s 不 是 越 高 越 好,f s 太 高 时, 将 会 降 低 信 道 的 利 用 率, 也 会 增 加 设 备 的 复 杂 性, 所 以 只 要 能 满 足 f s >2f m, 并 有 一 定 频 带 的 防 卫 带 即 可 3.2 数 据 通 信 基 本 原 理 数 据 通 信 定 义 与 分 类 1. 通 信 的 定 义 人 类 在 长 期 的 社 会 活 动 中 需 要 不 断 地 交 往 和 传 递 信 息 这 种 传 递 信 息 的 过 程 就 叫 做 通 信 在 古 代, 通 信 的 方 式 非 常 简 单, 人 与 人 之 间 的 交 往 主 要 是 靠 手 势 动 作 和 表 情 来 实 现 的 ; 但 随 着 科 技 的 日 益 发 展, 通 信 这 一 概 念 无 论 从 手 段 方 法 内 容, 还 是 从 技 术 上 来 说, 都 产 生 很 大 变 化, 已 经 形 成 了 一 门 独 立 的 学 科 特 别 是 在 社 会 已 步 入 信 息 时 代 的 今 天, 通 信 技 术 与 电 子 技 术 计 算 机 技 术 自 动 控 制 技 术 和 人 工 智 能 等 高 新 技 术 紧 密 结 合, 广 泛 地 应 用 于 社 会 各 个 方 面, 业 已 成 为 人 们 生 活 中 不 可 缺 少 的 组 成 部 分, 并 且 在 国 民 经 济 中 扮 演 着 越 来 越 重 要 的 角 色 2. 信 息 系 统 的 模 型 随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展, 人 们 传 递 信 息 的 手 段 也 在 不 断 进 步, 从 本 质 上 说, 无 论 是 电 话 电 报 图 像 计 算 机 还 是 短 波 与 移 动 通 信 等, 都 可 以 抽 象 地 概 括 为 图 3-1 所 示 的 一 般 通 信 系 统 模 型 下 面 就 通 信 系 统 模 型 中 的 各 个 组 成 部 分 及 其 功 能 予 以 简 单 介 绍

36 3.2 数 据 通 信 基 本 原 理 31 图 3-1 通 信 系 统 一 般 模 型 需 要 指 出 的 是, 图 3-1 所 示 的 通 信 系 统 是 一 个 一 对 一 的 单 向 通 信 系 统, 实 际 的 通 信 系 统 往 往 是 双 向 的 ; 另 外, 当 有 多 个 信 源 对 多 个 信 宿 进 行 通 信 时, 为 了 有 效 地 利 用 线 路, 通 常 要 在 信 道 中 加 入 交 换 设 备, 这 也 就 构 成 了 通 信 网 络 此 外, 还 应 指 出 的 是 图 3-1 是 适 于 各 类 通 信 系 统 的 一 个 抽 象 模 型, 它 概 括 地 反 映 各 种 通 信 系 统 的 共 性, 根 据 研 究 对 象 与 研 究 问 题 的 不 同, 还 会 有 不 同 形 式 的 具 体 通 信 系 统 的 模 型, 这 些 将 在 后 续 的 相 关 章 节 中 给 出 (1) 信 源 顾 名 思 义, 是 信 息 产 生 的 源 泉 它 可 以 是 人 或 者 机 器, 所 发 出 的 信 息 可 以 是 多 种 多 样 的, 如 语 音 文 字 图 像 数 据 等, 这 些 信 息 可 以 是 离 散 的, 也 可 以 是 连 续 的 (2) 发 送 器 发 送 器 有 很 多 种 类 型, 所 要 完 成 的 功 能 也 很 多, 如 调 制 放 大 滤 波 发 射 等 等, 在 数 字 通 信 系 统 中 还 要 编 码 一 般 地, 发 送 器 含 有 与 传 输 线 路 匹 配 的 接 口, 其 基 本 作 用 是 将 信 源 发 出 的 信 息 变 换 成 一 种 便 于 传 输 的 信 号 即 所 谓 的 编 码 对 于 模 拟 和 数 字 通 信 系 统, 发 送 器 的 功 能 有 很 大 不 同 (3) 信 道 是 传 递 信 息 的 通 道, 又 是 传 递 物 质 信 号 的 设 施, 信 道 可 以 是 明 线 电 缆 波 导 光 纤 无 线 电 波, 等 等 (4) 干 扰 源 它 是 整 个 系 统 噪 声 与 干 扰 的 总 折 合, 用 以 表 征 信 息 在 信 道 上 传 输 时 受 到 的 干 扰 情 况 对 于 任 何 通 信 系 统 来 说, 干 扰 的 性 质 与 大 小 都 是 影 响 系 统 性 能 的 重 要 因 素 (5) 接 收 器 其 作 用 与 发 送 器 的 作 用 相 反, 主 要 是 将 信 道 中 的 信 号 接 收 下 来, 并 将 其 变 换 成 与 发 送 时 物 理 形 式 相 同 的 信 息, 再 传 给 信 宿, 即 完 成 所 谓 的 译 码 过 程 对 接 收 器 的 基 本 要 求 是 能 够 从 受 干 扰 的 信 号 中 最 大 限 度 地 提 取 信 源 输 出 的 信 息, 并 尽 可 能 复 现 信 源 的 输 出 (6) 信 宿 它 是 信 息 传 输 过 程 中 的 接 收 者, 即 接 收 消 息 的 人 或 机 器 消 息 定 义 如 前 所 述, 通 信 系 统 所 传 输 的 消 息 是 多 种 多 样 的, 但 是, 就 其 特 性 来 说, 都 可 以 把 它 们 归 纳 为 两 类 : 连 续 消 息 与 离 散 消 息 连 续 消 息 又 称 模 拟 消 息, 它 是 指 状 态 连 续 变 化 的 消 息, 如 语 音 信 号 和 图 像 信 号 等 ; 离 散 消 息 又 称 数 字 消 息, 是 指 状 态 变 化 为 可 数 或 离 散 型 的 消 息, 如 符 号 文 字 和 数 据, 等 等 通 常, 人 们 所 说 的 信 息 就 蕴 藏 在 这 些 被 传 递 的 消 息 之 中 既 然

37 32 第 3 章 数 据 通 信 基 础 通 信 系 统 的 作 用 就 是 用 来 传 递 信 息 的, 那 么, 在 传 送 时, 代 表 各 种 消 息 的 语 音 文 字 图 像 或 编 码 都 必 须 首 先 被 转 换 成 电 信 号 才 能 被 传 送 给 收 信 者 所 以, 不 难 建 立 这 样 一 个 概 念 : 信 息 寄 寓 于 消 息 之 中, 消 息 又 以 电 信 号 作 为 载 体 依 据 用 来 传 递 消 息 的 电 信 号 有 模 拟 信 号 与 数 字 信 号 之 分, 通 信 系 统 可 以 分 为 模 拟 通 信 和 数 字 通 信 两 大 类 1. 模 拟 通 信 模 拟 通 信 是 指 在 通 信 系 统 中 所 传 输 的 是 模 拟 信 号 具 体 的 模 拟 通 信 系 统 的 框 图 参 见 图 3-2 图 中, 信 源 传 出 的 是 模 拟 信 号, 即 其 状 态 变 化 为 连 续 的 图 形 发 送 器 被 简 化 为 调 制 器, 接 收 端 设 备 简 化 为 解 调 器 事 实 上, 图 3-2 中 还 应 有 放 大 滤 波 变 频 等 过 程, 这 里 将 它 们 都 合 并 到 信 道 中 去 以 强 调 调 制 在 模 拟 通 信 系 统 中 的 重 要 作 用 因 为 从 根 本 上 说, 只 有 调 制 和 解 调 才 对 信 号 的 变 换 起 着 决 定 性 作 用, 并 且 是 保 证 通 信 质 量 的 关 键 图 3-2 模 拟 通 信 系 统 框 图 2. 数 字 通 信 数 字 通 信 是 指 在 通 信 系 统 内 所 传 输 的 是 二 进 制 或 多 进 制 数 字 信 号 的 一 种 通 信 方 式 它 的 主 要 特 点 是 在 实 现 调 制 之 前 要 经 过 两 次 编 码, 相 应 地, 在 收 端 解 调 后 也 要 有 两 次 译 码, 图 3-3 为 数 字 通 信 系 统 的 原 理 框 图 图 3-3 数 字 通 信 系 统 的 原 理 框 图 数 字 通 信 具 有 抗 干 扰 能 力 强 易 于 保 密 灵 活 性 高 和 设 备 简 单 经 济 便 于 集 成 等 特 点, 近 年 来 发 展 十 分 迅 速, 在 通 信 领 域 中 占 有 越 来 越 大 的 比 例 特 别 是 随 着 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展, 数 字 通 信 可 与 计 算 机 网 络 技 术 完 全 融 合, 通 信 的 数 字 化 将 成 为 通 信 的 主 导 数 据 通 信 系 统 的 基 本 构 成 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 和 计 算 机 技 术 与 通 信 技 术 结 合 的 日 益 紧 密, 在 通 信 领 域 中 又 产 生 了 一 个 分 支, 即 数 据 通 信 所 谓 数 据 通 信 是 指 信 源 本 身 发 出 的 就 是 数 字 形 式 的 消 息, 如 电 报 计 算 机 数 据 及 指 令, 等 等 数 据 通 信 系 统 框 图 与 数 字 通 信 系 统 的 类 似, 仍 可 用 图 3-1 表 示 它 与 数 字 通 信 系 统 之 间 最 大 的 不 同 点 在 于, 其 信 源 发 出 的 为 数 字 信 号, 无 需 经 过 模 / 数 转 换, 而 只 需 考 虑 对 信 源 进 行 压 缩 编 码 以 降 低 信 源 的 冗 余 度, 提 高 有 效 性

38 3.2 数 据 通 信 基 本 原 理 33 数 据 通 信 的 信 道 可 以 为 模 拟 的, 也 可 以 为 数 字 的 特 别 是 在 远 程 通 信 时 多 采 用 模 拟 方 式 这 主 要 是 考 虑 经 济 的 原 因, 应 尽 量 利 用 原 有 信 道 但 随 着 数 据 通 信 业 务 的 增 长, 以 及 对 通 信 速 率 要 求 的 不 断 提 高, 数 据 通 信 的 信 道 越 来 越 倾 向 于 宽 带 化 高 速 率 化, 而 现 有 的 模 拟 信 道 已 远 远 不 能 满 足 相 应 的 要 求 因 此, 数 据 通 信 和 数 字 通 信 是 密 不 可 分 的 技 术 整 体, 可 以 说, 数 字 通 信 是 数 据 通 信 的 技 术 基 础, 数 据 通 信 是 数 字 通 信 技 术 与 计 算 机 技 术 结 合 的 成 果 数 据 通 信 系 统 的 基 本 构 成 1. 协 议 在 计 算 机 网 络 中, 不 同 系 统 的 实 体 之 间 将 会 发 生 通 信 一 个 通 信 实 体 是 指 能 够 发 送 和 接 收 信 息 的 任 何 事 物 例 如, 应 用 程 序 文 件 传 输 包 浏 览 器 数 据 库 管 理 系 统 以 及 电 子 邮 件 软 件 一 个 系 统 是 包 含 有 一 个 或 多 个 实 体 的 物 理 对 象, 例 如 计 算 机 和 终 端 但 是 两 个 实 体 间 仅 发 送 二 进 制 位 就 指 望 对 方 能 理 解 所 传 送 的 信 息 的 内 容 是 不 可 能 的 为 了 进 行 通 信, 实 体 之 间 一 定 要 达 成 一 个 协 议 正 如 在 数 据 通 信 组 成 部 分 中 所 定 义, 协 议 就 是 控 制 数 据 通 信 的 一 组 规 则 一 个 协 议 定 义 了 通 信 内 容 是 什 么, 通 信 如 何 进 行 以 及 何 时 进 行 协 议 的 关 键 要 素 是 语 法 语 义 和 时 序 (1) 语 法 语 法 是 指 数 据 的 结 构 或 格 式, 指 数 据 表 示 的 顺 序 例 如, 一 个 简 单 的 协 议 可 定 义 数 据 的 前 八 个 比 特 是 发 送 者 地 址, 第 二 组 八 个 比 特 是 接 收 者 地 址, 而 剩 下 的 比 特 流 就 是 消 息 本 身 (2) 语 义 语 义 指 比 特 流 每 部 分 的 含 义 一 个 特 定 的 比 特 模 式 该 如 何 理 解? 基 于 这 样 的 理 解 该 采 取 何 种 动 作? 例 如, 一 个 地 址 指 的 是 要 经 过 的 路 由 器 还 是 消 息 的 目 的 地 址? (3) 时 序 时 序 包 括 两 方 面 的 特 性 : 数 据 何 时 发 送 以 及 以 多 快 的 速 率 发 送 例 如, 如 果 发 送 方 以 100 Mbps 速 率 发 送 数 据 而 接 收 方 仅 能 处 理 1 Mbps 速 率 的 数 据, 这 样 的 传 输 将 使 接 收 者 负 载 过 重 并 导 致 大 量 数 据 丢 失 在 数 据 通 信 中, 一 个 协 议 是 一 组 用 来 控 制 信 息 通 信 的 各 个 方 面 的 规 则 2. 标 准 出 于 有 多 种 因 素 要 求 同 步, 即 使 排 除 传 输 正 确 性 和 效 率 因 素, 仅 仅 考 虑 通 信 的 建 立, 在 网 络 节 点 之 间 的 大 量 协 调 也 是 必 需 的 一 个 小 生 产 厂 商 可 以 使 它 自 己 的 产 品 协 作 得 很 好, 但 如 果 某 些 满 足 用 户 需 求 的 最 好 的 部 件 并 不 是 出 自 一 家 厂 商 生 产 的 呢? 如 果 一 台 电 视 机 仅 能 接 收 某 些 频 率 的 信 号, 而 当 地 电 视 台 根 本 不 播 送 这 些 信 号 又 如 何? 没 有 标 准, 就 出 现 了 困 难 数 据 通 信 标 准 可 以 分 为 两 大 类 : 事 实 标 准 和 法 定 标 准 法 定 标 准 是 那 些 被 官 方 认 可 的 组 织 制 订 的 未 被 官 方 认 可 的 但 却 在 实 际 应 用 中 被 广 泛 采 用 的 标 准 称 为 事 实 标 准 事 实 标 准 通 常 都 是 那 些 试 图 对 新 产 品 进 行 功 能 定 义 的 生 产 厂 商 建 立 的 事 实 标 准 可 以 进 一 步 分 为 两 类 : 私 有 的 和 非 私 有 的 私 有 标 准 是 最 初 由 一 个 企 业 组 织 为 本 身 产 品 的 操 作 制 订 的 基 础 因 为 该 标 准 由 制 订 它 的 企 业 完 全 拥 有, 所 以 称 为 私 有 标 准 这 些 标 准 也 被 称 做 封 闭 式 标 准, 因 为 它 不 提 供 与 别 的 厂 商 产 品 间 的 通 信 能 力 非 私 有 标 准 是 最 初 由 某 些 组 织 或 委 员 会 制 订 并 推 向 公 共 领 域 的 标 准, 他 们 也 被 称 为 开 放 标 准, 因 为 他 们 提 供

39 34 第 3 章 数 据 通 信 基 础 了 不 同 系 统 之 间 的 通 信 能 力 3. 标 准 化 组 织 标 准 是 由 标 准 化 委 员 会 论 坛 以 及 政 府 管 理 机 构 共 同 合 作 制 订 的 (1) 标 准 化 委 员 会 尽 管 同 时 存 在 着 许 多 标 准 化 组 织, 但 是 北 美 的 数 据 和 电 信 方 面 的 标 准 主 要 依 据 于 以 下 一 些 机 构 : 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 (ITU-T, 原 为 CCITT) 美 国 国 家 标 准 化 协 会 (ANSI) 电 气 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 电 子 工 业 联 合 会 (EIA) 贝 尔 中 心 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 成 员 主 要 由 世 界 各 个 国 家 的 政 府 的 标 准 制 订 委 员 会 的 成 员 参 加, 是 一 个 国 际 性 组 织 1 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 (ITU-T, 原 为 CCITT) ITU-T 制 订 的 标 准 中 最 广 为 人 知 的 是 : 规 定 了 通 过 电 话 线 进 行 的 数 据 通 信 标 准 的 V 系 列 标 准 (V.32,V.33,V.42); 规 定 了 通 过 公 用 数 字 网 络 进 行 传 输 的 标 准 的 X 系 列 标 准 (X.25,X.400,X.500); 电 子 邮 件 和 目 录 服 务 标 准 以 及 包 含 了 其 他 标 准 系 列 的 部 分 内 容, 并 规 定 了 国 际 数 字 网 络 融 合 标 准 的 综 合 服 务 数 字 网 (ISDN) 标 准 现 在 正 在 进 行 的 项 目 包 括 ISDN 标 准 的 一 个 扩 展 宽 带 ISDN, 也 就 是 通 常 所 说 的 信 息 高 速 公 路 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 (ITU-T) 是 与 联 合 国 有 关 的 制 订 电 信 业 标 准 的 国 际 标 准 组 织 它 制 订 的 两 个 普 及 的 标 准 系 列 有 V 系 列 和 X 系 列 标 准 2 美 国 国 家 标 准 化 协 会 (ANSI) ANSI 的 成 员 来 自 专 家 团 体 工 业 协 会 政 府 和 管 制 机 构 以 及 顾 客 群 体 当 前 讨 论 的 领 域 包 括 网 际 互 联 工 程 及 规 划 ISDN 业 务 信 令 以 及 体 系 结 构 以 及 光 纤 系 列 (SONET) 美 国 国 家 标 准 化 协 会 (ANSI) 是 在 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 和 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 (ITU-T) 中 全 权 代 表 美 国 的 非 赢 利 机 构 3 电 气 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 电 气 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 是 世 界 上 最 大 的 专 业 工 程 师 社 团 IEEE 关 注 着 在 计 算 和 通 信 领 域 的 国 际 标 准 的 发 展 和 采 纳 应 用 完 成 了 802 项 目 ( 例 如, 标 准 ) 的 委 员 会 就 是 IEEE 中 为 局 域 网 设 立 的 一 个 专 门 委 员 会 电 气 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 是 最 大 的 制 订 计 算 通 信 电 子 工 程 以 及 电 子 方 面 标 准 的 国 际 专 业 组 织 4 电 子 工 业 联 合 会 (EIA) 与 ANSI 结 盟 的 电 子 工 业 联 合 会 (EIA) 是 一 个 致 力 于 促 进 电 子 产 品 生 产 的 非 赢 利 组 织 电 子 工 业 联 合 会 (EIA) 是 美 国 电 子 产 品 生 产 商 的 联 合 会 它 负 责 制 订 EIA-232-D 和 EIA-530 等 标 准 5 贝 尔 中 心 指 贝 尔 通 信 研 究 所, 是 贝 尔 实 验 室 的 一 个 派 生 机 构 贝 尔 中 心 为 电 信 技 术 的 改 进 提 供 研 究 和 开 发 的 资 源 它 是 ANSI 的 标 准 草 案 的 重 要 提 供 方 (2) 论 坛 电 信 技 术 的 发 展 速 度 远 远 超 过 了 标 准 化 组 织 批 准 标 准 的 能 力 标 准 化 组 织 是 严 格 程 序 化

40 3.3 信 道 和 信 道 参 数 35 的 机 构, 因 而 进 展 迟 缓 为 了 满 足 对 实 际 模 型 和 协 定 的 需 求 和 推 动 标 准 化 进 程, 许 多 有 专 门 兴 趣 的 团 体 成 立 了 许 多 由 感 兴 趣 的 公 司 组 成 的 论 坛 论 坛 与 高 等 院 校 和 用 户 一 起 协 作 来 测 试 评 价 和 标 准 化 某 些 新 技 术 通 过 把 注 意 力 集 中 到 特 定 的 技 术 上, 论 坛 能 够 加 速 这 些 技 术 在 电 信 团 体 内 的 推 广 和 应 用 过 程 论 坛 会 将 他 们 的 结 论 提 交 给 标 准 化 组 织 电 信 领 域 重 要 的 论 坛 包 括 : 帧 中 继 论 坛 ATM 论 坛 和 ATM 协 会 国 际 互 联 网 社 团 和 国 际 互 联 网 工 程 任 务 组 1 帧 中 继 论 坛 帧 中 继 论 坛 是 由 DEC 北 方 电 信 Cisco 网 络 公 司 和 StrataCoM 公 司 共 同 组 建, 目 的 在 于 促 进 帧 中 继 技 术 的 实 现 和 推 广 的 组 织 目 前, 它 已 经 拥 有 来 自 北 美 欧 洲 和 环 太 平 洋 地 区 的 40 多 个 成 员 机 构 正 在 审 议 的 发 布 文 稿 包 括 流 控 制 封 装 和 多 点 投 递, 其 结 果 被 提 交 给 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 2 ATM 论 坛 和 ATM 协 会 ATM 论 坛 和 ATM 协 会 是 为 了 异 步 传 输 模 式 (ATM) 技 术 的 推 广 和 应 用 而 成 立 的 ATM 论 坛 由 用 户 前 端 设 备 ( 例 如 PBX 系 统 ) 提 供 商 和 中 央 交 换 部 门 ( 例 如 电 话 交 换 局 ) 提 供 商 组 成 它 主 要 关 心 保 证 互 操 作 性 的 各 项 业 务 的 标 准 化 ATM 协 会 由 支 持 ATM 技 术 的 软 硬 件 产 品 的 供 应 商 组 成 3 国 际 互 联 网 社 团 和 国 际 互 联 网 工 程 任 务 组 国 际 互 联 网 社 团 国 际 互 联 网 工 程 任 务 组 (IETF) 关 注 于 加 速 国 际 互 联 网 通 信 技 术 的 成 长 和 演 化 国 际 互 联 网 社 团 集 中 关 心 包 括 TCP/IP 协 议 的 增 强 在 内 的 用 户 事 务 国 际 互 联 网 工 程 任 务 组 (IETF) 是 国 际 互 联 网 自 身 的 标 准 化 组 织 它 审 查 国 际 互 联 网 的 软 硬 件 技 术, 其 主 要 贡 献 包 括 简 单 网 管 协 议 (SNMP) 和 网 桥 路 由 器 和 路 由 协 议 的 性 能 标 准 审 核 (3) 管 理 机 构 所 有 的 通 信 技 术 都 要 受 到 诸 如 美 国 的 联 邦 通 信 委 员 会 (FCC) 的 政 府 机 构 的 管 束 这 些 机 构 的 目 的 是 通 过 对 无 线 电 电 视 和 有 线 通 信 的 管 束 来 保 护 公 共 利 益 联 邦 通 信 委 员 会 (FCC) 在 与 通 信 有 关 的 国 际 国 内 商 务 领 域 具 有 权 威 性 任 何 一 项 通 信 技 术 在 推 向 市 场 前 必 须 获 得 FCC 的 同 意 ( 在 电 话 机 底 部 可 以 见 到 FCC 认 可 标 志 ) FCC 的 责 任 范 围 包 括 : 审 查 电 报 电 话 供 应 商 的 收 费 率 和 收 费 状 况 审 查 通 信 硬 件 的 技 术 特 性 规 定 合 理 的 通 信 公 司 平 均 利 润 率 划 分 和 分 配 无 线 电 频 率 段 为 无 线 电 和 电 视 广 播 分 配 载 波 频 率 3.3 信 道 和 信 道 参 数 信 道 定 义 信 道 是 信 号 从 发 送 端 到 接 收 端 之 间 进 行 传 输 的 路 径 这 一 术 语 也 是 线 路 电 路 链 路 数 据 链 路 通 路 等 术 语 的 同 义 语 这 个 术 语 实 际 上 是 指 把 两 种 DCE 通 信 设 备 连 接 起 来 的 设 施, 包 括 传 输 介 质 和 有 关 中 间 通 信 设 备 但 信 道 概 念 的 含 义, 并 不 是 实 际 的 电 缆 电 线 等, 而 是 指 数 据 流 过 的 由 介 质 提 供 的 路 径

41 36 第 3 章 数 据 通 信 基 础 信 道 参 数 作 为 信 道 组 成 的 传 输 介 质 分 有 线 和 无 线 两 类, 这 些 传 输 介 质 有 以 下 特 性 : 信 息 流 方 向 : 单 工 半 双 工 全 双 工 传 送 信 号 的 类 型 : 模 拟 的 和 数 字 的 传 输 速 率 : 用 比 特 率 和 波 特 率 表 示 带 宽 : 在 通 信 信 道 上 可 以 传 输 的 频 率 范 围 称 带 宽 不 同 的 介 质 有 不 同 的 带 宽 一 般 带 宽 越 宽, 可 在 该 介 质 上 发 送 的 传 输 速 率 越 高 带 宽 也 决 定 信 道 的 容 量, 如 果 将 传 输 速 度 ( 以 比 特 每 秒 计 ) 提 高 到 超 过 信 道 可 以 处 理 的 容 量 时, 将 会 增 大 对 方 接 收 时 的 差 错 量 信 道 的 基 本 特 性 可 以 用 带 宽 和 容 量 来 说 明 1. 带 宽 (Band Width) 带 宽 就 是 信 道 的 通 带 (Pass Band), 由 上 下 限 截 止 频 率 fc1 和 fc2 来 限 定 一 条 传 输 信 道 上 允 许 传 输 信 息 的 频 率 范 围, 即 能 从 信 道 上 通 过 的 最 高 信 号 频 率, 是 传 输 系 统 的 一 个 重 要 指 标, 系 统 所 追 求 的 带 宽 是 系 统 应 用 的 函 数 系 统 带 宽 由 传 输 介 质 接 口 部 件 传 输 设 备 传 输 协 议 及 传 输 信 息 的 特 性 等 因 素 所 决 定 为 了 发 送 一 个 理 想 的 方 波, 就 需 要 发 送 无 穷 多 的 频 率 通 过 发 送 介 质, 但 这 是 不 可 能 的, 所 有 的 发 送 介 质, 不 管 发 送 者 或 接 收 者, 它 所 能 通 过 的 频 率 都 是 受 到 限 制 的 一 根 导 线 和 一 台 设 备 所 能 容 纳 的 频 率 的 范 围, 其 最 高 和 最 低 频 率 之 差 就 叫 做 带 宽 带 宽 可 能 是 一 种 设 备 的 物 理 性 质, 或 是 以 相 应 的 理 由 所 强 加 的 限 制 ( 此 话 有 点 别 扭 ) 例 如, 人 耳 仅 能 听 到 声 音 的 频 率 范 围 大 约 在 20~ Hz, 其 实 际 值 取 决 于 各 个 人 和 其 年 龄, 因 此 其 带 宽 即 为 20~ Hz 实 际 上 人 耳 的 频 率 范 围 是 从 300~3 400 Hz, 带 宽 为 Hz, 其 范 围 是 根 据 实 际 需 要 加 以 限 制 的 如 果 该 设 备 或 介 质 的 带 宽 受 到 限 止, 这 意 味 着 组 成 方 波 的 某 些 成 分 不 能 通 过 该 设 备 或 介 质 由 于 一 些 组 成 部 分 的 波 被 消 除, 减 少 了 频 率 阶 次, 方 波 将 变 形 如 果 足 够 多 的 组 成 部 分 的 波 不 能 通 过 介 质, 则 所 接 收 到 的 波 将 难 于 辨 认, 因 此 用 来 发 送 信 息 的 设 备 和 介 质 必 须 具 有 足 够 的 带 宽, 允 许 足 够 的 波 的 组 成 部 分 通 过, 以 使 接 收 器 能 正 确 地 识 别 该 信 号 其 实 际 所 需 带 宽 值 取 决 于 在 发 送 之 后 怎 么 能 容 易 识 别 信 号 频 率 范 围 的 要 求, 限 制 了 我 们 能 通 过 任 何 介 质 发 送 的 方 波 的 频 率 方 波 的 频 率 越 高, 则 主 要 的 组 成 部 分 的 单 一 波 频 率 越 高, 其 所 需 要 的 带 宽 越 宽 所 以 波 形 的 带 宽 值 是 一 个 频 率 范 围, 在 此 频 率 范 围 内 分 布 着 这 个 波 形 的 绝 大 部 分 能 量 或 功 率 频 率 宽 度 定 义 有 多 种, 最 常 用 的 定 义 是 3dB 带 宽 由 于 10lg(1/2)=-3, 所 以 沿 频 率 轴 的 正 半 轴 单 边 频 率 函 数 的 值 在 两 边 下 降 到 其 最 大 值 的 一 半 的 两 个 点 所 对 应 的 频 率 差, 被 定 义 为 3dB 带 宽 该 定 义 的 优 点 是 带 宽 可 直 接 从 单 边 频 率 函 数 的 图 形 上 读 出 但 若 图 形 下 降 很 缓 慢, 则 此 定 义 就 与 在 带 宽 范 围 内 包 含 波 形 的 绝 大 部 分 能 量 或 功 率 的 要 求 有 所 出 入 此 外 若 图 形 具 有 多 峰 值, 按 此 定 义 可 能 导 致 某 些 非 唯 一 的 结 果 另 一 种 定 义 是 把 单 边 频 率 函 数 和 横 轴 之 间 的 面 积 的 90% 所 对 应 的 频 率 范 围 定 义 为 带 宽, 利 用 此 定 义 所 得 的 带 宽 结 果 总 是 唯 一 的, 但 对 于 尾 部 下 降 缓 慢 的 单 边 频 率 而 言, 不 易 计 算 准 确

42 3.4 数 据 信 息 传 输 的 基 本 形 式 信 道 容 量 (Capacity) 信 道 容 量 是 指 它 每 秒 能 传 输 的 最 大 比 特 数, 即 信 道 的 极 限 传 输 速 率 比 特 传 输 率 越 高, 信 道 的 容 量 也 就 越 大 (1) 连 续 信 道 的 信 道 容 量 根 据 香 农 (Shannon) 定 律, 在 高 斯 白 噪 声 干 扰 下 的 信 道 中, 信 道 容 量 为 C=Blg(1+S/N) (b/s) 式 中 :B 为 信 道 带 宽 ;S 为 信 号 功 率 ;N 为 白 噪 声 功 率 白 噪 声 是 指 在 所 有 频 率 上 噪 声 强 度 都 一 样, 就 像 白 光 所 包 含 的 各 种 频 率 的 光 波 基 本 上 都 一 样 强 那 样, 而 且 服 从 高 斯 型 的 概 率 分 布 这 就 是 小 幅 度 的 噪 声 出 现 的 概 率 较 大, 大 幅 度 噪 声 出 现 的 概 率 急 剧 下 降 (2) 离 散 信 道 的 信 道 容 量 根 据 取 样 定 理, 可 以 得 到 无 噪 声 的 信 道 容 量, 这 是 因 为 已 把 信 道 的 带 宽 与 信 道 上 传 送 的 最 大 符 号 率 建 立 了 关 系 在 只 有 两 个 离 散 值 的 二 元 信 道 中, 即 一 个 符 号 以 1 比 特 发 送, 那 么 信 道 就 能 发 送 2 Bb/s 当 符 号 具 有 L 个 离 散 值 时, 无 噪 声 信 道 容 量 为 C=2Blog2L (b/s) 在 有 噪 声 的 情 况 下, 要 造 成 传 输 差 错, 损 失 信 息 和 降 低 信 道 容 量 以 二 元 信 道 为 例, 通 过 理 论 计 算, 得 出 信 道 收 到 的 一 个 符 号 的 信 息 量 最 大 值 是 : pelb (1 pe) lb (b) p 1 p e 式 中 :Pe 为 发 生 差 错 的 概 率 上 式 计 算 的 条 件 是 原 发 符 号 中 出 现 1 和 0 的 概 率 都 是 1/2, 后 面 两 项 是 信 号 损 失, 因 此 这 种 二 元 信 道 的 信 道 容 量 为 1 1 C = 2B[1 Pe lb (1 pe ) lb ]( b / s) (3-1) p 1 p e 若 假 设 Pe=0.1 则 由 上 式 算 出 C=0.53(2B), 这 说 明 一 个 二 进 制 符 号 只 能 传 输 0.53 b 的 信 息, 使 有 效 的 信 息 速 率 降 低 一 半 3.4 数 据 信 息 传 输 的 基 本 形 式 e e 调 制 基 本 概 念 调 制 是 使 载 波 信 号 的 幅 度 频 率 或 相 位 ( 其 中 的 一 种 或 几 种 ) 随 发 送 信 号 变 化 的 过 程 载 波 信 号 是 利 用 信 号 发 生 器 产 生 的 高 频 正 弦 波 发 送 信 号 ( 模 拟 数 据 或 数 字 数 据 ) 一 经 调 制, 就 将 作 为 模 拟 信 号 ( 已 携 带 发 送 信 号 的 载 波 已 调 波 ), 通 过 送 信 介 质 发 送 出 去 在 接 收 端 接 收 后 要 进 行 解 调 ( 从 已 调 波 中 取 出 发 送 信 号 的 过 程 ), 再 变 换 成 原 来 的 信 号 形 式 基 带 传 输 由 计 算 机 或 终 端 产 生 的 信 号, 包 含 有 直 流 低 频 和 高 频 等 分 量 是 一 串 脉 冲 信 号, 随 着 频

43 38 第 3 章 数 据 通 信 基 础 率 的 升 高, 其 相 应 幅 度 减 小, 最 后 趋 于 零 这 种 由 计 算 机 或 终 端 产 生 的 频 谱 从 零 开 始, 而 未 经 调 制 的 数 字 信 号 所 占 用 的 频 率 范 围 就 叫 基 本 频 带 ( 这 个 频 带 从 直 流 起 可 高 到 数 百 千 赫, 甚 至 若 干 兆 赫 ), 简 称 基 带 (Base Band), 这 种 数 字 信 号 就 称 基 带 信 号 例 如, 在 有 线 信 道 中, 直 接 用 电 传 打 字 机 进 行 通 信 时, 其 传 输 的 信 号 就 是 基 带 信 号 传 送 数 据 时, 以 原 封 不 动 的 形 式, 把 基 带 信 号 送 入 线 路, 称 为 基 带 传 输 基 带 传 输 不 需 要 调 制 解 调 器, 设 备 花 费 小, 适 用 于 短 距 离 的 数 据 传 输 中, 如 在 一 个 企 业 工 厂 内, 可 以 来 用 这 种 方 式 将 大 量 终 端 接 于 主 计 算 机 局 域 网 中 采 用 基 带 同 轴 电 缆 作 传 输 介 质 进 行 数 据 传 输 频 带 传 输 在 计 算 机 远 程 通 信 线 路 中, 不 能 直 接 传 达 原 始 的 电 脉 冲 信 号 ( 即 基 带 信 号 ) 因 此 除 市 内 线 路 外, 不 能 传 输 近 似 于 零 频 率 的 分 量 为 此 需 要 利 用 频 带 传 输, 就 是 用 基 带 脉 冲 对 载 波 波 形 的 某 些 参 量 进 行 控 制, 使 这 些 参 量 随 基 带 脉 冲 变 化, 也 就 是 调 制 经 过 调 制 的 信 号 称 为 已 调 信 号 已 调 信 号 通 过 线 路 传 输 到 接 收 端, 然 后 经 过 解 调 恢 复 为 原 始 基 带 脉 冲 频 带 传 输 不 仅 克 服 了 目 前 许 多 长 途 电 话 线 路 不 能 直 接 传 输 基 带 信 号 的 缺 点, 而 且 能 实 现 多 路 复 用 的 目 的, 从 而 提 高 了 通 信 线 路 的 利 用 率 不 过 频 带 传 输 在 发 送 端 和 接 收 端 都 要 设 置 调 制 解 调 器 宽 带 传 输 所 谓 宽 带, 是 指 比 音 频 带 宽 (4 khz) 更 宽 的 频 带, 包 括 大 部 分 电 磁 波 频 谱 使 用 这 种 宽 频 带 进 行 传 输 的 系 统, 称 为 宽 带 传 输 系 统, 它 可 以 容 纳 全 部 广 播, 并 可 进 行 高 速 数 据 传 输 对 于 局 域 网 来 说, 宽 带 这 个 术 语 专 门 用 于 使 用 传 输 模 拟 信 号 的 同 轴 电 缆 可 见 宽 带 传 输 系 统 是 模 拟 信 号 传 输 系 统, 它 允 许 在 同 一 信 道 上 进 行 数 字 信 息 和 模 拟 信 息 服 务 基 带 和 宽 带 的 区 别 还 在 于 数 据 传 输 速 率 的 不 同 基 带 数 据 传 输 速 率 为 0~10 Mb/s, 更 典 型 的 是 1~2.5 Mb/s, 通 常 用 于 传 输 数 字 信 息 宽 带 是 传 输 模 拟 信 号, 数 据 传 输 速 率 范 围 为 0~400 Mb/s, 而 通 常 使 用 的 传 输 速 率 是 5~10 Mb/s 而 且 一 个 宽 带 信 道 可 以 被 划 分 为 多 个 逻 辑 基 带 信 道 这 样 就 能 把 声 音 图 像 和 数 据 信 息 的 传 输 综 合 在 一 个 物 理 信 道 中 进 行, 以 满 足 办 公 自 动 化 系 统 中 电 话 会 议 图 像 传 真 电 子 邮 件 事 务 数 据 处 理 等 服 务 的 需 要 因 此 宽 带 传 输 一 定 是 采 用 频 带 传 播 技 术 的, 但 频 带 传 输 不 一 定 就 是 宽 带 传 输 3.5 数 据 编 码 技 术 数 据 通 信 编 码 作 用 在 数 据 通 信 中, 编 码 的 作 用 是 用 信 号 来 表 示 数 字 信 息 例 如, 单 极 性 编 码 极 化 编 码 双 极 性 编 码 等 数 据 通 信 中 还 有 另 一 类 编 码, 称 为 差 错 控 制 编 码 它 的 作 用 是 通 过 对 信 息 序 列 作 某 种 变 换, 使 原 来 彼 此 独 立 相 关 性 极 小 的 信 息 码 元 产 生 某 种 相 关 性, 从 而 在 接 收 端 就 利 用 这 种 特 性, 来 检 查 或 进 而 纠 正 信 息 码 元 在 信 道 传 输 中 所 造 成 的 差 错 正 如 我 们 前 面 所 讨 论 的, 在 通 过 通 信 媒 体 发 送 信 息 之 前, 信 息 必 须 被 编 码 形 成 信 号 当 我 们 将 数 据 由 一 地 传 送 到 另 一 地 时, 必 须 将 其 转 换 为 信 号 信 息 的 编 码 方 式 依 赖 于 它 的 原 始 的 格 式 和 通 信 硬 件 采 用 的 格 式 如 果 用 户 想 用 烟 火 信 号 来 发 送 一 封 情 书, 必 须 在 点 起 火 堆 之 前 知 道 哪 一 种 烟 火 模 式 对 应 用 户 的 消 息 中 的 哪 一 个 词

44 3.5 数 据 编 码 技 术 39 词 是 数 字 信 息 而 一 股 烟 则 是 信 息 的 数 字 化 表 示, 所 以 定 义 烟 火 的 模 式 是 一 种 数 字 数 字 编 码 方 式 通 信 技 术 与 此 具 有 基 本 相 同 的 要 求, 只 是 增 加 了 一 种 选 择 常 见 数 据 通 信 编 码 1. 单 极 性 矩 形 码 单 极 性 编 码 是 最 简 单 最 基 本 的 单 极 性 编 码 的 名 称 就 是 指 它 的 电 压 只 有 一 极 因 此, 二 进 制 的 两 个 状 态 只 有 一 个 进 行 了 编 码, 通 常 是 1 另 一 个 状 态, 通 常 是 0, 由 零 电 压 或 是 线 路 空 闲 态 来 代 表 图 3-4 揭 示 了 单 极 性 编 码 的 思 想 在 这 个 例 子 中,1 由 一 个 正 电 压 编 码 而 0 是 空 闲 态 除 简 单 直 接 外, 单 极 性 编 码 还 具 有 实 现 廉 价 的 优 点 图 3-4 单 极 性 编 码 (1) 直 流 分 量 单 极 化 编 码 信 号 的 平 均 振 幅 不 是 零 这 引 起 了 一 个 称 为 直 流 分 量 ( 频 率 为 0 的 分 量 ) 的 因 素 当 一 个 信 号 含 有 直 流 分 量 时, 它 不 能 由 没 有 处 理 直 流 分 量 能 力 的 媒 体 传 输, 比 如 微 波 或 变 压 器 (2) 同 步 当 一 个 信 号 不 发 生 改 变 时, 接 收 端 无 法 知 晓 每 比 特 的 开 始 和 结 束 所 以, 在 单 极 性 编 码 中 的 同 步 问 题 会 在 数 据 流 中 任 意 一 个 具 有 连 续 0 或 1 比 特 的 时 候 发 生 数 字 编 码 方 法 采 用 电 压 的 改 变 来 指 示 比 特 位 的 改 变 一 个 信 号 发 生 改 变 同 时 也 说 明 了 一 个 比 特 位 结 束 而 下 一 个 比 特 位 开 始 但 是, 在 单 极 性 编 码 中, 一 串 相 同 的 比 特, 例 如 7 个 1 比 特, 以 没 有 电 压 变 化 的 方 式 出 现, 只 是 一 个 不 间 断 的, 具 有 7 倍 于 单 个 比 特 时 延 的 正 电 压 当 没 有 信 号 变 化 来 指 明 下 一 个 比 特 的 开 始 时, 接 收 方 只 能 依 赖 于 时 间 因 素 给 定 一 个 期 望 比 特 率 为 bps, 如 果 接 收 方 检 测 到 一 个 s 长 度 的 正 电 压, 则 每 s 读 入 一 个 1, 也 就 是 5 个 1 不 幸 的 是, 传 输 延 时 会 使 信 号 时 序 发 生 扭 曲 举 例 来 说, 数 据 流 中 的 5 个 1 可 能 被 拉 长 为 s, 从 而 导 致 接 收 方 多 读 入 了 一 个 1 这 个 额 外 的 1 在 被 错 误 解 码 后 可 能 导 致 错 误 除 此 之 外 接 收 方 的 时 钟 可 能 不 同 步, 从 而 导 致 接 收 方 错 误 地 读 入 比 特 流 解 决 单 极 性 传 输 的 同 步 控 制 问 题 的 一 个 方 案 是 利 用 一 条 独 立 并 行 的 线 路 来 传 输 时 钟 脉 冲, 从 而 使 接 收 设 备 可 以 根 据 信 号 对 本 身 时 钟 进 行 重 向 步 但 是 将 使 用 的 传 输 线 路 加 倍 增 加 了 开 销, 是 不 经 济 的 极 化 编 码 采 用 两 个 电 压 值 : 一 个 正 电 压, 一 个 负 电 压 通 过 使 用 两 个 电 压, 在 大 多 数 极 化 编 码 技 术 中 线 路 上 的 平 均 电 压 值 下 降 了, 减 轻 了 单 极 性 编 码 中 的 直 流 分 量 问 题 在 曼 彻 斯 持 编 码 和 差 分 曼 彻 斯 持 编 码 中, 每 比 特 均 含 有 正 电 压 和 负 电 压, 从 而 彻 底 解 决 了 直 流 分 量 问 题

45 40 第 3 章 数 据 通 信 基 础 极 化 编 码 有 两 个 电 压 值 ( 一 正 一 负 ) 的 振 幅 在 所 有 极 化 编 码 的 变 形 中, 如 图 3-5 所 示, 我 们 只 讨 论 三 种 最 普 遍 的 : 非 归 零 法 (NRZ) 归 零 法 (RZ), 以 及 双 相 位 编 码 非 归 零 编 码 有 两 种 : 非 归 零 电 平 编 码 和 非 归 零 反 相 编 码 双 相 位 编 码 同 样 有 两 种 方 法 : 第 一 种 曼 彻 斯 特 编 码, 用 在 以 太 局 域 网 中 ; 第 二 种 差 分 曼 彻 斯 特 编 码, 用 在 令 牌 环 局 域 网 中 图 3-5 极 化 编 码 分 类 (1) 非 归 零 编 码 在 非 归 零 编 码 方 式 中, 信 号 的 电 压 位 或 正 或 负 与 采 用 线 路 空 闲 态 代 表 0 比 特 的 单 极 性 编 码 法 不 同, 在 非 归 零 编 码 系 统 中, 如 果 线 路 空 闲 意 味 着 没 有 任 何 信 号 正 在 传 输 中 以 下 讨 论 了 两 种 最 常 见 的 非 归 零 传 输 方 法 1 非 归 零 电 平 编 码 (NRZ-L) 任 NRZ-L 编 码 方 式 中, 信 号 的 电 平 是 根 据 它 所 代 表 的 比 特 位 决 定 的 一 个 正 电 压 值 代 表 比 特 1, 而 一 个 负 电 压 值 代 表 比 特 0, 从 而 信 号 的 电 平 依 赖 于 所 代 表 的 比 特 2 非 归 零 反 相 编 码 (NRZ-I) 在 NRZ-I 编 码 方 式 中, 信 号 电 平 的 一 次 反 转 代 表 比 特 1 就 是 说 是 从 正 电 平 到 负 电 平 的 一 次 跃 迁, 而 不 是 电 压 值 本 身, 来 代 表 一 个 比 特 1 0 比 特 由 没 有 电 平 变 化 的 信 号 代 表 非 归 零 反 相 编 码 相 对 非 归 零 电 平 编 码 的 优 点 在 于 : 因 为 每 次 遇 到 比 特 1 都 发 生 电 平 跃 迁, 这 能 提 供 一 种 同 步 机 制 一 串 7 个 比 特 1 会 导 致 7 次 电 平 跃 迁 每 次 跃 迁 都 使 接 收 方 能 根 据 信 号 的 实 际 到 达 来 对 本 身 时 钟 进 行 重 同 步 调 整 根 据 统 计, 连 续 的 比 特 1 出 现 的 几 率 比 连 续 的 比 特 0 出 现 的 几 率 大, 因 此 对 比 特 1 的 连 续 串 进 行 同 步 就 在 保 持 整 体 消 息 同 步 上 前 进 了 一 大 步 一 串 连 续 的 比 特 0 仍 会 造 成 麻 烦, 但 由 于 连 续 0 串 出 现 不 频 繁, 对 于 解 码 来 说 其 妨 碍 就 小 了 许 多 在 非 归 零 反 相 编 码 (NRZ-I) 中 如 果 遇 到 比 特 1, 信 号 电 平 被 反 转 图 3-6 表 现 了 对 同 一 串 比 特, 非 归 零 电 平 编 码 (NRZ-L) 和 非 归 零 反 相 编 码 (NRZ-I) 的 结 果 在 NRZ-L 编 码 序 列 中, 正 负 电 平 有 特 定 的 含 义 : 正 代 表 比 特 1, 负 代 表 比 特 0 在 NRZ-I 编 码 序 列 中, 每 一 间 隙 的 电 压 值 是 没 有 意 义 的 相 反, 接 收 端 以 检 测 电 平 的 跳 变 来 作 为 识 别 比 特 1 的 基 础

46 3.5 数 据 编 码 技 术 41 图 3-6 非 归 零 电 平 编 码 (NRZ-L) 和 非 归 零 反 相 编 码 (NRZ-I) (2) 归 零 编 码 如 图 3-6 所 示, 出 现 连 续 的 1 或 0 的 任 何 时 候, 接 收 端 都 会 失 同 步 像 我 们 在 单 极 性 编 码 中 所 提 到 的, 有 一 种 保 证 同 步 的 方 法 是 在 一 条 独 立 的 信 道 上 发 送 单 独 的 定 时 信 号 但 是, 这 个 方 案 并 不 经 济, 又 易 于 出 错 一 个 更 好 的 方 案 是 让 编 码 信 号 本 身 携 带 同 步 信 息, 就 如 同 非 归 零 反 相 编 码 (NRZ-I) 技 术 中 使 用 的 方 案, 但 是 同 时 还 需 要 提 供 对 连 续 比 特 0 的 同 步 为 保 证 同 步, 在 每 个 比 特 中 都 必 须 有 信 号 变 化 接 收 端 可 以 利 用 这 些 跳 变 来 建 立 更 新 和 同 步 它 的 时 钟 和 我 们 在 以 上 论 述 中 所 见 一 样,NRZ-I 编 码 技 术 对 于 连 续 的 比 特 1 实 现 了 这 一 目 标 但 是 为 了 在 每 比 特 都 有 信 号 变 化, 我 们 需 要 多 于 两 个 的 电 压 值 一 种 方 案 是 归 零 编 码 (RZ), 它 使 用 了 三 个 电 平 : 正 电 平 负 电 平 和 零 在 归 零 编 码 (RZ) 中, 信 号 变 化 不 是 发 生 在 比 特 之 间 而 是 发 生 在 比 特 内 和 NRZ-L 一 样, 正 电 平 代 表 比 特 1, 负 电 平 代 表 比 特 0 但 是 与 NRZ-L 不 同 的 是, 任 何 比 特 间 隙 的 中 段, 信 号 将 归 零 一 个 比 特 1 实 际 是 由 正 电 压 到 零 的 跳 变 代 表, 而 比 特 0 则 是 由 负 电 压 到 零 的 跳 变 代 表, 而 不 仅 仅 是 通 过 电 平 正 负 来 表 示, 图 3-7 描 述 了 这 一 概 念 归 零 (RZ) 编 码 的 主 要 缺 陷 在 于 它 每 比 特 位 需 要 两 次 信 号 变 化 从 而 增 加 了 占 用 的 带 宽 但 是 相 对 于 我 们 已 经 研 究 的 三 种 方 式, 它 是 最 有 效 的 一 个 编 码 良 好 的 数 字 信 号 必 须 携 带 同 步 信 息 图 3-7 归 零 (RZ) 编 码

47 42 第 3 章 数 据 通 信 基 础 (3) 双 相 位 编 码 很 可 能 现 在 对 同 步 问 题 最 好 的 解 次 方 案 就 是 双 相 位 编 码 在 这 种 方 式 下, 信 号 在 每 比 特 间 隙 中 发 生 改 变 但 并 不 归 零 相 反, 它 转 为 相 反 的 一 极 像 在 归 零 编 码 (RZ) 中 一 样, 这 种 中 间 跳 变 使 同 步 变 得 可 能 和 早 些 提 到 的 一 样, 当 今 正 在 网 络 中 使 用 的 两 种 双 相 位 编 码 方 式 是 : 曼 彻 斯 特 编 码 和 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 1 曼 彻 斯 特 编 码 在 每 个 比 特 间 隙 中 间 引 入 跃 迁 来 同 时 代 表 不 同 比 特 和 同 步 信 息 一 个 负 电 平 到 正 电 平 的 跳 变 代 表 比 特 1 而 一 个 正 电 平 到 负 电 平 的 跳 变 则 代 表 比 特 0 通 过 这 种 跃 迁 的 双 重 作 用, 曼 彻 斯 特 编 码 获 得 了 与 归 零 编 码 相 同 的 同 步 效 果 但 仅 需 要 两 种 电 平 振 幅 在 曼 彻 斯 特 编 码 中, 比 特 中 的 跃 迁 同 时 是 同 步 信 息 和 比 特 编 码 2 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 在 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 中, 比 特 间 隙 中 间 的 跃 迁 用 于 携 带 同 步 信 息, 但 是 在 比 特 间 隙 开 始 位 置 又 一 个 附 加 的 跃 迁 用 来 表 示 不 同 比 特 开 始 位 置 有 跃 迁 代 表 比 特 0, 没 有 则 代 表 比 特 1 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 需 要 两 个 信 号 变 化 来 表 示 二 进 制 0, 但 对 于 二 进 制 1 只 需 要 一 个 在 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 中, 比 特 间 隙 中 的 电 平 跃 迁 只 用 来 表 示 同 步 信 息 不 同 比 特 通 过 在 比 特 开 始 位 置 有 无 电 平 反 转 表 示 图 3-8 显 示 了 对 于 同 一 个 比 特 模 式 的 曼 彻 斯 特 编 码 和 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 图 3-8 曼 彻 斯 特 编 码 和 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 2. 双 极 性 矩 形 码 双 极 性 编 码, 像 归 零 编 码 (RZ) 一 样, 也 是 用 三 个 电 平 值 : 正 电 平 负 电 平 和 零 但 是 与 归 零 RZ 编 码 不 同 的 是, 电 平 值 0 在 双 极 性 编 码 中 是 代 表 二 进 制 0 的 正 负 电 平 交 替 代 表 比 特 1 如 果 第 一 个 比 特 1 由 正 电 平 表 示, 则 第 二 个 由 负 电 平 表 示, 第 三 个 仍 用 正 电 平 表 示, 等 等 这 种 交 替 甚 至 在 比 特 1 并 不 连 续 时 仍 出 现 三 种 双 极 性 编 码 在 数 据 通 信 行 业 得 到 广 泛 应 用 : 信 号 交 替 反 转 码 (AMI),8 零 替 换 编 码 (B8ZS) 以 及 高 密 度 双 极 性 3 零 编 码 (HDB3) 例 如 : 比 较 曼 彻 斯 特 编 码 和 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 所 需 的 带 宽, 假 设 两 者 都 处 于 最 坏 状 况 下

48 3.6 多 路 复 用 技 术 43 对 于 曼 彻 斯 特 编 码 来 说 的 最 坏 状 况 是 出 现 连 续 1 或 是 连 续 0 对 于 每 比 特 ( 每 个 比 特 周 期 ) 此 时 需 要 两 次 交 换 差 分 曼 彻 斯 特 编 码 的 最 坏 状 况 是 出 现 每 比 特 ( 每 个 比 特 周 期 ) 需 要 两 次 变 换 的 连 续 0 所 以, 由 于 带 宽 与 比 特 率 成 正 比, 两 者 所 需 的 带 宽 是 一 样 的 3.6 多 路 复 用 技 术 多 路 复 用 概 念 多 路 复 用 (MUX) 这 一 术 语 来 源 于 拉 丁 词 Multi( 许 多 ) 和 Plex( 混 合 ) 多 路 复 用 指 的 是 复 用 信 道, 即 是 利 用 一 个 物 理 信 道 同 时 传 输 多 个 信 号, 以 提 高 信 道 利 用 率, 使 得 一 条 线 路 能 同 时 由 多 个 用 户 使 用 而 互 不 影 响 多 路 复 用 器 连 接 许 多 条 低 速 线 路, 并 将 它 们 各 自 所 需 的 传 输 容 量 组 合 在 一 起 后, 在 一 条 速 度 较 高 的 线 路 上 传 输 也 即 低 速 线 路 在 其 远 端 合 并, 仅 由 一 条 较 高 速 度 的 线 路 传 输 所 有 信 息, 而 不 是 在 一 个 发 送 端 和 接 收 端 之 间 连 接 着 许 多 低 速 线 路, 如 图 3-9 所 示 图 3-9 多 路 复 用 技 术 多 路 复 用 的 优 点 是 : 仅 需 一 条 传 输 线 路, 所 需 介 质 较 少, 所 用 的 传 输 介 质 的 容 量 可 以 得 到 充 分 利 用 从 而 降 低 了 设 备 费 用, 提 高 了 工 作 效 率 而 且 用 户 不 需 要 进 行 任 何 实 际 的 修 改, 多 路 复 用 系 统 对 用 户 是 透 明 的, 每 个 很 远 的 地 点 都 好 像 仍 然 直 接 接 到 总 部 所 在 地 同 时, 由 于 线 路 中 用 的 缓 冲 部 件 较 少, 时 间 延 迟 较 少 多 路 复 用 技 术 1. 空 分 复 用 空 分 复 用 是 指 通 过 信 号 在 空 间 上 的 分 离 来 达 到 信 道 的 复 用 例 如, 在 光 纤 通 信 中, 空 分 复 用 包 括 两 个 方 面 : 一 是 光 纤 的 复 用, 即 将 多 根 光 纤 组 合 成 束 ; 二 是 在 一 根 光 纤 中 的 光 束 沿 空 间 分 割 的 一 种 多 维 通 信 方 式 可 以 引 入 多 维 相 干 度 调 制 与 解 调 的 新 概 念 来 实 现 多 路 空 分 复 用 通 信 传 像 速 是 一 种 特 殊 的 空 分 复 用 方 式 它 是 将 图 像 采 用 空 分 复 用 方 式 传 输, 使 其 传 输 速 度 成 数 量 级 地 提 高 几 十 万 个 像 素 的 多 芯 传 象 光 纤 已 相 当 成 熟 其 色 保 持 特 性 和 透 光 性 已 相 当 令 人 满 意, 是 空 分 复 用 的 一 个 发 展 方 向 2. 频 分 复 用 频 分 复 用 的 典 型 例 子 有 许 多, 如 无 线 电 广 播 无 线 电 视 中 将 多 个 电 台 或 电 视 台 的 多 组 节 目 对 应 的 声 音 图 像 信 号 分 别 载 在 不 同 频 率 的 无 线 电 波 上, 同 时 在 同 一 无 线 空 间 中 传 播, 接 收 者 根 据 需 要 接 收 特 定 的 某 种 频 率 的 信 号 收 听 或 收 看 同 样, 有 线 电 视 也 是 基 于 同 一 原 理 总 之, 频 分 复 用 是 把 线 路 或 空 间 的 频 带 资 源 分 成 多

49 44 第 3 章 数 据 通 信 基 础 个 频 段 ( 带 ), 将 其 分 别 分 配 给 多 个 用 户, 每 个 用 户 终 端 的 数 据 通 过 分 配 给 它 的 子 通 路 ( 频 段 ) 传 输, 主 要 用 于 电 话 和 电 缆 电 视 (CATV) 系 统 在 FDM 频 分 复 用 中, 各 个 频 段 ( 带 ) 都 有 一 定 的 带 宽, 称 之 为 逻 辑 信 道 ( 有 时 简 称 为 信 道 ) 为 了 防 止 相 邻 信 道 信 号 频 率 覆 盖 造 成 的 干 扰, 在 相 邻 两 个 信 号 的 频 率 段 之 间 设 立 一 定 的 保 护 带, 保 护 带 对 应 的 频 谱 不 被 使 用, 以 保 证 各 个 频 带 互 相 隔 离 不 会 交 叠 3. 时 分 复 用 时 分 多 路 复 用 是 将 传 输 信 号 的 时 间 进 行 分 割, 使 不 同 的 信 号 在 不 同 时 间 内 传 送, 即 将 整 个 传 输 时 间 分 为 许 多 时 间 间 隔 ( 称 为 时 隙 时 间 片 等,Slot Time) 每 个 时 间 片 被 一 路 信 号 占 用 换 句 话 说,TDM 就 是 通 过 在 时 间 上 交 叉 发 送 每 一 路 信 号 的 一 部 分 来 实 现 一 条 线 路 传 送 多 路 信 号 线 路 上 的 每 一 时 刻 只 有 一 路 信 号 存 在, 而 频 分 是 同 时 传 送 若 干 路 不 同 频 率 的 信 号 因 为 数 字 信 号 是 有 限 个 离 散 值, 所 以 适 合 于 采 用 时 分 多 路 复 用 技 术, 而 模 拟 信 号 的 传 输 一 般 采 用 频 分 多 路 复 用 TDM 又 分 为 同 步 时 分 复 用 (Synchronous Time Division Multiplexing) 和 异 步 时 分 复 用 (ATDM) ( 1 ) 同 步 时 分 复 用 同 步 时 分 复 用 采 用 固 定 时 间 片 分 配 方 式, 即 将 传 输 信 号 的 时 间 按 特 定 长 度 连 续 地 划 分 成 特 定 时 间 段, 再 将 每 一 时 间 段 划 分 成 等 长 度 的 多 个 时 隙 ( 时 间 片 ), 每 个 叫 隙 以 固 定 的 方 式 分 配 给 各 路 数 字 信 号, 各 路 数 字 信 号 在 每 一 时 间 段 都 顺 序 分 配 到 一 个 时 隙 通 常 与 复 用 器 相 连 接 的 是 低 速 设 备 ( 如 终 端 ), 复 用 器 将 低 速 设 备 送 来 的 在 时 间 上 连 续 的 低 速 率 数 据 经 过 提 高 传 输 速 率, 将 其 压 缩 到 对 应 时 隙, 使 其 变 为 在 时 间 上 间 断 的 高 速 时 分 数 据, 以 达 到 多 路 低 速 设 备 复 用 高 速 链 路 的 目 的 所 以 与 复 用 器 相 联 的 低 速 设 备 数 目 及 速 率 受 复 用 群 反 复 用 传 输 速 率 的 限 制 由 于 在 同 步 时 分 复 用 方 式 中, 时 隙 预 先 分 配 且 固 定 不 变, 无 论 时 间 片 拥 有 者 是 否 传 输 数 据 都 占 有 一 定 时 隙, 形 成 了 时 隙 浪 费, 其 时 隙 的 利 用 率 很 低, 为 了 克 服 STDM 的 缺 点, 引 入 了 异 步 时 分 复 用 (ATDM) 技 术 (2) 异 步 时 分 复 用 异 步 时 分 复 用 技 术 又 被 称 为 统 计 时 分 复 用 (Statistical Time Division Multiplexing) 或 智 能 时 分 复 用 (ITDM), 它 能 动 态 地 按 需 分 配 时 隙, 避 免 每 个 时 间 段 中 出 现 空 闲 时 隙 ATDM 就 是 只 有 某 一 路 用 户 有 数 据 要 发 送 时 才 把 时 隙 分 配 给 它 当 用 户 暂 停 发 送 数 据 时 不 给 它 分 配 线 路 资 源 ( 时 隙 ) 线 路 的 空 闲 时 隙 可 用 于 其 他 用 户 的 数 据 传 输 所 以 每 个 用 户 的 传 输 速 率 可 以 高 于 平 均 速 率 ( 即 通 过 多 占 时 隙 ), 最 高 可 达 到 线 路 总 的 传 输 能 力 ( 即 占 有 所 有 的 时 隙 ) 如 线 路 总 的 传 输 能 力 为 28.8 Kbps,3 个 用 户 公 用 此 线 路, 在 同 步 时 分 复 用 方 式 中, 则 每 个 用 户 的 最 高 速 率 为 bps, 而 在 ATDM 方 式 时, 每 个 用 户 的 最 高 速 率 可 达 28.8 Kbps 4. 码 分 复 用 码 分 复 用 (CDMA) 与 前 面 介 绍 的 信 道 分 配 方 法 完 全 不 同 前 面 所 介 绍 的 方 法 中, 有 些 是 将 信 道 分 成 频 率 段, 对 它 们 进 行 静 态 分 配 (FDM), 另 外 的 方 法 则 是 根 据 帧 来 分 配 信 道, 将 整 个 信 道 静 态 地 ( 具 有 固 定 时 隙 的 TDM) 码 分 复 用 允 许 所 有 站 点 同 时 在 整 个 频 段 上 进 行 传 输, 多 路 的 问 时 传 输 采 用 编 码 原 理 加 以 区 分 码 分 复 用 假 定 多 重 信 号 是 线 性 叠 加 的 在 研 究 码 分 复 用 的 算 法 之 前, 先 考 虑 一 下 信 道 访 问 的 鸡 尾 酒 会 原 理 : 在 一 个 大 房 间 里, 许 多 对 人 正 在 交 谈 TDM 就 是 房 间 里 有 人 依 次 讲 话, 一 个 结 束 后 另 一 个 再 接 上 FDM 就 是

50 3.6 多 路 复 用 技 术 45 所 有 的 人 分 成 不 同 的 组, 每 个 组 同 时 进 行 自 己 的 交 谈, 但 依 旧 独 立 码 分 复 用 就 是 房 间 里 的 不 同 对 的 人 分 别 用 不 同 的 语 言 进 行 交 谈, 讲 法 语 的 人 只 理 会 法 语, 其 他 的 就 当 作 噪 音 不 加 理 会 因 此, 码 分 复 用 的 关 键 就 是 能 够 提 取 出 所 需 的 信 号, 同 时 将 其 他 的 一 切 当 作 随 机 噪 声 抛 弃 在 CDMA 中, 每 比 特 时 间 被 分 成 m 个 短 的 时 间 段, 称 为 芯 片 (Chip) 通 常 情 况 下, 每 比 特 有 64 个 或 128 个 芯 片 但 在 下 面 的 例 子 中, 为 了 简 化 问 题, 假 定 每 比 特 有 8 个 芯 片 每 个 站 点 被 指 定 一 个 唯 一 的 m 位 的 代 码 或 芯 片 序 列 (Chip Sequence) 当 发 送 比 特 1 时, 站 点 就 发 送 其 芯 片 序 列, 想 发 送 比 特 0 时, 站 点 就 发 送 其 芯 片 序 列 的 补 码 除 此 之 外, 没 有 其 他 任 何 格 式 因 此, 假 如 站 点 A 的 芯 片 序 列 被 指 定 为 , 发 送 就 表 示 发 送 比 特 1, 发 送 就 表 示 发 送 比 特 0 只 有 在 带 宽 增 加 到 m 倍 的 情 况 下, 发 送 的 信 息 量 才 能 从 b b/s 增 加 到 mb 芯 片 /s 这 使 CDMA 成 为 一 种 扩 频 方 式 的 通 信 ( 假 设 调 制 及 编 码 技 术 不 变 ) 假 如 l00 个 站 点 共 用 1 MHz 的 带 宽, 在 使 用 FDM 时 传 输 速 率 为 10 k/s( 假 定 1b/ 比 ) 以 CDMA 方 式, 每 个 站 点 使 用 完 整 的 1 MHz 的 带 宽, 芯 片 速 率 就 为 1 M 片 /s 假 如 每 比 特 少 于 100 片, 那 么 CDMA 中 每 站 的 有 效 带 宽 就 高 于 FDM, 于 是 信 道 分 配 问 题 也 就 解 决 了, 这 一 点 下 面 很 快 就 会 看 到 为 了 讲 解 上 的 方 便, 这 里 采 用 了 双 极 型 的 形 式, 就 是 二 进 制 0 由 -1 代 替, 二 进 制 1 由 +1 代 替 书 写 时, 将 芯 片 序 列 用 括 号 括 起 来, 比 如 站 点 1 的 芯 片 序 列 为 ( ) 图 3-10 (a) 中, 给 出 了 4 个 站 点 的 二 进 制 芯 片 序 列, 图 3-10 (b) 给 出 了 它 们 的 双 极 型 形 式 图 3-10 (a) 4 个 站 点 的 二 进 制 芯 片 序 列 图 3-10 (b) 双 极 性 芯 片 序 列 每 个 站 点 都 有 自 己 唯 一 的 芯 片 序 列 这 里 用 符 号 S 来 表 示 站 点 S 的 m 维 芯 片 矢 量,-S 为 它 的 反 所 有 的 芯 片 序 列 都 是 两 两 正 交 的, 也 就 是 说 任 意 两 个 不 同 的 芯 片 序 列 S 和 T 的 内 标 积 ( 写 为 S T) 均 为 0 数 学 上 的 表 示 方 法 为 : m 1 ST = S i T i = 0 (3-2) m i= 1 其 正 交 特 性 是 极 其 关 键 的 只 要 S T = 0, 那 么 S -T = 0 任 何 芯 片 序 列 与 自 己 的 标 积 均 为 1: S S = ( ± 1) = 1 m m m m 2 SiSi = Si = i= 1 m i= 1 m i= 1 上 式 成 立 是 因 为 内 标 积 中 的 m 项 的 每 一 个 都 为 1, 因 此 和 为 m 另 外 还 要 注 意 S -S =-1

51 46 第 3 章 数 据 通 信 基 础 在 每 个 比 特 时 间 内, 站 点 可 以 发 送 其 芯 片 序 列 表 示 发 送 1, 可 以 发 送 其 序 列 的 反 码 表 示 发 送 0, 也 可 以 保 持 沉 默 什 么 都 不 干 这 里 假 定 所 有 的 站 点 在 时 间 上 都 是 同 步 的 因 此 所 有 芯 片 序 列 都 是 在 同 一 时 刻 开 始 若 两 个 或 两 个 以 上 的 站 点 同 时 开 始 传 输, 它 们 的 双 极 性 信 号 就 线 性 相 加 例 如, 在 某 一 芯 片 内,3 个 站 点 输 出 +1, 一 个 站 点 输 出 -1, 那 么 结 果 就 为 +2 读 者 可 把 它 想 象 为 电 压 相 加 : 3 个 站 点 输 出 电 压 为 +1 伏, 另 一 个 站 点 输 出 为 -1 伏, 最 终 输 出 电 压 就 为 +2V 图 3-10 (c) 中, 给 出 了 站 点 同 时 发 送 的 6 个 例 子 第 1 个 例 子 中, 只 有 C 发 送 了 1 位, 所 以 结 果 只 有 C 的 芯 片 序 列 第 2 个 例 子 中,B 和 C 均 发 送 1, 因 此 结 果 为 它 们 序 列 之 和, 即 : ( ) + (-l ) = ( ) 图 3-10 (c) 发 送 的 6 个 例 子 第 3 个 例 子 中, 站 点 A 发 送 1, 站 点 B 发 送 0, 其 余 保 持 沉 默 第 4 个 例 子 中, 站 点 A, 站 点 C 发 送 1, 站 点 B 发 送 0 第 5 个 例 子 中,4 个 站 点 均 发 送 1 最 后 一 个 例 子 中, 站 点 A, 站 点 B 和 站 点 D 发 送 1, 站 点 C 发 送 0 应 该 注 意 的 是, 图 3-10 (c) 中 给 出 的 从 序 列 S 1 到 序 列 S 6 任 一 序 列 仅 占 用 一 个 比 特 时 间 要 从 信 号 中 还 原 出 单 个 站 点 的 比 特 流, 接 收 方 必 须 事 先 知 道 该 站 点 的 芯 片 序 列 通 过 计 算 收 到 的 芯 片 序 列 ( 所 有 站 点 发 送 的 线 性 总 和 ) 和 欲 还 原 站 点 的 芯 片 序 列 的 内 标 积, 就 可 还 原 出 原 比 特 流 假 设 收 到 的 芯 片 序 列 为 S, 接 收 方 想 收 听 的 站 点 芯 片 序 列 为 C, 只 需 计 算 它 们 的 内 标 积 S C, 就 可 得 出 原 比 特 流 下 面 解 释 一 下 上 述 方 法 的 原 理 假 设 站 点 A, 站 点 C 均 发 送 1, 站 点 B 发 送 0, 接 收 方 收 到 的 总 和 为 S = A + (-B) + C, 计 算 : S C=[A +(-B)+C] C=A C +(-B) C + C C = =1 式 中 的 前 两 项 消 失, 因 为 所 有 的 芯 片 序 列 都 经 过 仔 细 地 挑 选, 确 保 它 们 两 两 正 交, 现 在, 用 户 肯 定 已 清 楚, 为 什 么 要 给 芯 片 序 列 强 加 上 这 个 条 件 可 以 用 另 一 种 方 式 考 虑 一 下 这 种 情 况, 想 象 3 个 芯 片 序 列 是 分 开 的, 并 没 有 进 行 累 加 接 收 方 分 别 与 每 一 个 完 成 内 标 积 计 算 后 进 行 累 加 由 于 正 交 特 性, 除 了 C C 之 外, 其 余 的 内 标 积 全 为 0 累 加 后 计 算 内 标 积 和 计 算 内 标 积 后 再 累 加, 实 际 上 是 一 回 事 为 了 使 解 码 过 程 更 具 体 一 些, 考 虑 一 下 图 3-10 (d) 中 的 6 个 例 子 假 设 接 收 方 想 从 S1 ~S 6 的 6 个 序 列 中 还 原 出 站 点 C 发 送 的 信 号 它 分 别 计 算 接 收 到 的 S 与 C 向 量 两 两 相 乘 的 积, 再 取 结 果 的 1/8( 因 为 m=8), 即 为 站 点 C 所 发 送 的 比 特 值 如 图 3-10(d) 所 示, 每 个 时 刻 的 信

52 号 均 被 还 原, 如 同 讲 法 语 的 情 况 一 样 3.6 多 路 复 用 技 术 47 图 3-10(d) 站 点 C 的 信 号 复 原 理 想 状 态 下, 无 噪 声 的 CDMA 系 统 的 容 量 ( 即 站 点 的 数 量 ) 可 以 任 意 大, 就 像 无 噪 声 的 尼 奎 斯 特 信 道 在 对 采 样 使 用 多 比 特 编 码 情 况 下 其 容 量 任 意 大 一 样 但 在 实 际 中, 由 于 物 理 条 件 的 限 制, 容 量 大 打 折 扣 首 先, 这 里 假 定 所 有 的 芯 片 在 时 间 上 都 是 同 步 的, 但 在 实 际 中, 这 是 不 可 能 的 在 实 际 应 用 中, 发 送 方 发 送 一 个 足 够 长 的 已 知 接 收 方 可 以 锁 定 的 芯 片 序 列, 使 发 送 方 和 接 收 方 同 步 其 他 的 所 有 传 送 ( 非 同 步 的 ) 都 被 认 为 是 随 机 噪 声 只 要 非 同 步 传 送 不 是 太 多 的 话, 基 本 的 解 码 算 法 的 工 作 效 果 仍 然 相 当 好 关 于 芯 片 序 列 叠 加 以 至 成 为 噪 声, 有 一 大 套 理 论 (Pickholtz 等 1982) 大 家 可 以 推 断 出 : 芯 片 序 列 越 长, 正 确 地 从 噪 声 中 探 测 到 的 可 能 性 就 越 大, 要 获 得 额 外 的 安 全 性, 比 特 序 列 可 以 采 用 纠 错 码, 但 芯 片 序 列 却 从 不 使 用 纠 错 码 上 述 讨 论 隐 含 了 一 个 假 定, 这 就 是 接 收 方 从 所 有 站 点 收 到 的 功 率 都 是 同 一 等 级 的 CDMA 适 用 的 无 线 网 系 统, 通 常 由 一 个 基 站 和 许 多 距 离 不 等 的 移 动 站 点 构 成 基 站 接 收 到 的 功 率 取 决 于 发 送 方 的 远 近, 于 是 CDMA 中 采 取 了 一 种 效 果 良 好 的 试 探 法 每 个 移 动 站 点 根 据 它 从 基 站 收 到 的 功 率 大 小 进 行 发 送, 收 到 基 站 信 号 较 弱 的 移 动 站 点 会 使 用 比 收 到 较 强 信 号 时 更 大 的 功 率 进 行 发 送 另 外, 基 站 也 可 以 明 确 地 命 令 移 动 站 点 增 强 或 减 小 发 送 功 率 另 外, 这 里 还 假 定 接 收 方 知 道 谁 是 发 送 方 理 论 上 说, 只 要 计 算 能 力 足 够, 接 收 方 就 可 以 同 时 并 行 地 对 所 有 站 点 进 行 解 码 但 是 说 起 来 容 易 做 起 来 难, 现 实 中 很 难 实 现 另 外,CDMA 还 有 许 多 其 他 复 杂 的 因 素 在 这 里 还 未 曾 涉 及 尽 管 如 此,CDMA 仍 是 无 线 移 动 通 信 中 迅 速 发 展 的 一 种 比 较 巧 妙 的 方 法 5. 波 分 复 用 在 光 纤 信 道 上 使 用 的 是 频 分 多 路 复 用 的 一 个 变 种, 即 波 分 多 路 复 用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 图 3-11 即 一 种 在 光 纤 上 获 得 WDM 的 简 单 方 法 在 这 种 方 法 中, 两 根 光 纤 连 到 一 个 棱 柱 ( 或 更 可 能 是 衍 射 光 栅 ), 每 根 的 能 量 处 于 不 同 的 波 段 两 束 光 通 过 棱 柱 或 光 栅, 合 成 到 一 根 共 享 的 光 纤 上, 传 送 到 远 方 的 目 的 地, 随 后 再 将 它 们 分 解 开 来

53 48 第 3 章 数 据 通 信 基 础 图 3-11 波 分 多 路 复 用 这 里 没 有 使 用 什 么 新 的 技 术, 由 于 每 个 信 道 有 自 己 的 频 率 范 围, 而 且 所 有 的 范 围 都 是 分 隔 的, 所 以 它 们 可 以 被 多 路 复 用 到 长 距 离 的 光 纤 上 与 电 子 的 FDM 不 同 的 唯 一 的 区 别 是 : 光 纤 系 统 使 用 的 衍 射 光 栅 是 完 全 无 源 的, 因 此 极 其 可 靠 应 该 注 意 到,WDM 很 流 行 的 原 因 是 一 根 光 纤 上 的 能 量 常 常 仅 仅 有 几 GHz 宽, 因 为 现 在 不 可 能 在 光 电 介 质 间 作 更 快 的 转 换 而 一 根 光 纤 的 带 宽 大 约 是 GHz, 因 此 可 以 将 很 多 信 道 复 用 到 长 距 离 光 纤 上, 当 然 前 提 条 件 是 所 有 的 输 入 信 道 都 应 使 用 不 同 的 频 率 WDM 一 个 可 能 的 应 用 是 FTTC 系 统 最 初, 电 话 公 司 可 以 从 一 个 端 局 向 一 个 邻 接 的 接 线 盒 引 一 根 光 纤, 在 接 线 盒 处 用 多 根 双 绞 线 引 入 各 个 家 庭 数 年 以 后, 当 光 纤 的 成 本 降 下 来 而 对 它 的 需 求 上 升 时, 就 可 以 用 光 纤 代 替 双 绞 线, 这 样 所 有 的 本 地 回 路 都 利 用 WDM 连 接 到 通 向 端 局 的 光 纤 上 3.7 计 算 机 数 据 传 输 与 控 制 方 式 数 据 传 输 方 式 1. 并 行 数 据 传 输 由 0 和 1 组 成 的 二 进 制 值 可 以 组 成 n 比 特 的 位 组 计 算 机 使 用 和 生 成 以 比 特 组 为 单 位 的 数 据, 就 像 我 们 在 英 语 会 话 时 用 词 而 不 是 一 个 个 的 字 母 来 交 流 一 样 通 过 分 组, 我 们 可 以 一 次 发 送 n 个 比 特 而 不 是 一 个 比 特, 这 称 为 并 行 传 输 从 概 念 上 说, 并 行 传 输 的 机 制 很 简 单 : 一 次 使 用 n 条 导 线 来 传 输 n 个 比 特 这 种 方 式 下, 每 个 比 特 都 使 用 专 用 的 线 路, 而 一 组 中 的 n 个 比 特 就 可 以 在 每 个 时 钟 脉 冲 从 一 个 设 备 传 输 到 另 一 个 设 备 并 行 传 输 的 优 势 在 于 速 度 当 其 他 因 素 相 同 时, 并 行 传 输 将 比 串 行 传 输 的 速 度 快 n 倍, 但 同 时 也 存 在 一 个 严 重 缺 点 : 费 用 高 为 进 行 数 据 传 输, 并 行 传 输 需 要 M 条 通 信 线 路 ( 可 能 是 导 线 或 其 他 媒 介 ) 并 行 传 输 通 常 被 限 制 在 最 长 25 英 尺 的 距 离 内 2. 串 行 数 据 传 输 在 串 行 传 输 中, 比 特 是 一 个 一 个 依 次 发 送 的, 因 此 在 两 个 通 信 设 备 之 间 传 输 数 据 只 需 要 一 条 通 信 信 道, 而 不 是 n 条, 如 图 3-12 所 示

54 3.7 计 算 机 数 据 传 输 与 控 制 方 式 49 串 行 传 输 相 对 于 并 行 传 输 的 优 点 是 : 因 为 只 需 要 一 条 通 信 信 道, 串 行 传 输 的 费 用 大 约 只 是 并 行 传 输 的 n 分 之 一 因 为 在 设 备 内 部 的 传 输 是 并 行 的, 所 以 在 发 送 端 和 线 路 之 间 以 及 接 收 端 和 线 路 之 间 的 接 口 上, 都 需 要 有 转 换 器 ( 前 者 是 并 / 串 转 换, 后 者 是 串 / 并 转 换 ) 图 3-12 串 行 传 输 数 据 传 输 控 制 方 式 1. 单 工 在 单 工 方 式 中, 通 信 是 单 向 进 行 的, 就 像 是 单 行 道 一 条 链 路 的 两 个 站 点 中 只 有 一 个 可 以 进 行 传 输, 另 一 个 只 能 接 收, 如 图 3-12 所 示 键 盘 和 传 统 监 视 器 都 是 单 工 设 备 的 例 子 键 盘 只 能 接 受 输 入, 监 视 器 只 能 接 受 输 出 信 号 图 3-13 单 工 方 式 2. 半 双 工 在 半 双 工 方 式 下, 每 个 站 点 都 可 以 发 送 和 接 收, 但 是 不 能 同 时 发 送 和 接 收 当 其 中 一 个 设 备 在 发 送 时, 另 一 个 只 能 接 收, 反 之 亦 然, 如 图 3-14 所 示 半 双 工 方 式 像 只 有 一 个 车 道 的 双 向 交 通 当 车 辆 朝 某 个 方 向 行 驶 时, 向 另 一 方 向 行 驶 的 必 须 等 待 在 半 双 工 方 式 中, 无 论 那 一 方 开 始 传 输, 就 使 用 信 道 的 整 个 带 宽 对 讲 机 和 民 用 无 线 电 即 是 半 双 工 系 统

55 50 第 3 章 数 据 通 信 基 础 图 3-14 半 双 工 方 式 3. 全 双 工 在 全 双 工 方 式 中 ( 也 叫 双 工 方 式 ), 两 个 站 点 同 时 都 可 以 进 行 发 送 和 接 收, 如 图 3-15 所 示 全 双 工 方 式 像 同 时 允 许 两 个 方 向 的 车 辆 通 行 的 双 车 道 公 路 交 通 在 全 双 工 方 式 下, 两 个 方 向 的 信 号 共 享 链 路 带 宽 这 种 共 享 可 以 两 种 方 式 进 行 : 一 是 链 路 具 有 两 条 物 理 上 独 立 的 传 输 路 径, 一 条 发 送 一 条 接 收 ; 二 是 为 同 时 传 输 两 个 方 向 的 信 号 将 信 道 的 带 宽 一 分 为 二 图 3-15 双 工 方 式 3.8 检 错 纠 错 技 术 按 照 差 错 控 制 编 码 的 不 同 功 能, 可 以 将 其 分 为 检 错 码 纠 错 码 检 错 码 仅 能 检 测 误 码 ; 纠 错 码 则 兼 有 纠 错 和 检 错 能 力, 当 发 现 不 可 纠 正 的 错 误 时 可 以 发 出 错 误 指 示 按 照 信 息 码 元 和 附 加 的 监 督 码 元 之 间 的 检 验 关 系, 又 可 分 为 线 性 码 和 非 线 性 码 若 信 息 码 元 与 监 督 码 元 之 间 的 关 系 为 线 性 关 系, 即 满 足 一 组 线 性 方 程 式, 则 称 为 线 性 码 反 之, 则 称 为 非 线 性 码 常 用 的 差 错 控 制 编 码 一 般 均 为 线 性 码, 其 中 包 含 分 组 码 和 卷 积 码 分 组 码 一 个 (n,k) 分 组 码, 其 码 字 长 度 为 n 个 比 特, 信 息 位 有 k 位, 监 督 码 元 有 n-k 位, 分 组 码 可 以 看 作 是 从 2 k 个 长 为 n 的 码 字 中 选 择 其 中 2 k 个 码 字, 作 为 许 用 码 字 与 2 k 个 信 息 码 字 一 一 对 应, 其 余 2 n -2 k 个 码 字 为 禁 用 码 字 1. 分 组 码 的 基 本 参 数 (n,k) 分 组 码 的 编 码 率 定 义 为 Rc=k/n, 任 一 个 码 字 所 含 的 非 0 元 素 的 个 数, 称 为 该 码 字 的 汉 明 重 量, 每 个 码 字 均 有 其 重 量 两 个 码 字 的 对 应 位 为 不 同 码 元 的 个 数, 则 被 称 为 两 个 码 字 之 间 的 汉 明 距 离 在 (n,k) 线 性 分 组 码 中, 任 意 两 个 不 同 码 字 之 间 的 距 离 最 小 值, 称 为 该 分 组 码 的 最 小 汉 明

56 3.8 检 错 纠 错 技 术 51 距 离 dmin, 它 表 征 了 各 码 字 之 间 的 差 异 程 度, 若 dmin 越 大, 分 组 码 字 之 间 差 别 越 大, 则 发 生 差 错 的 概 率 越 小, 纠 检 错 的 能 力 超 强, 实 际 上 dmin 与 分 组 码 的 纠 检 错 能 力 存 在 以 下 关 系 : 1dmin>=e+1 时, 可 检 出 e 个 错 码 ; 2dmin>=2t+l 时, 具 有 纠 正 t 个 错 误 的 能 力 ; 3dmin>=t+e+1(e>t), 具 有 同 时 检 e 个 错, 纠 t 个 错 的 能 力 2. 校 验 矩 阵 与 生 成 矩 阵 引 入 检 验 矩 阵 和 生 成 矩 阵 的 概 念, 以 说 明 线 性 分 组 码 的 编 码 原 理 构 造 一 个 (7,4) 分 组 码, 设 四 个 信 息 元 为 C 6, C5, C4, C3, 三 个 监 督 码 元 为 C 2, C1, C0, 该 码 字 为 C =[ C 6, C 5,, C 0 ] 由 生 成 矩 阵 G 可 以 求 得 2, C1, C0 取 生 成 矩 阵 C 式 中 : I k 为 k*k 阶 的 单 位 方 阵,k 位 码 字 的 信 息 位 数, 此 处 k=4 g i,i=1,2,,4 为 G 的 行 向 量 则 编 码 码 字 (3-3) C = [ C, C,, C ] = [ C, C,, C ] G (3-4) 当 信 息 位 [ C 6, C 5,, C 3 ] = [1,1,0,0] 时, 有 C = [1100] G = g + g = [ ] (3-5) 1 2 此 处 加 法 应 按 模 2 法 则, 本 节 中 此 类 运 算 均 应 如 此 处 理 在 收 信 端 利 用 一 致 校 验 矩 阵 H 可 以 判 定 收 码 字 的 正 确 性,H 也 称 为 监 督 矩 阵 有 式 中 : 符 号 T 表 示 矩 阵 的 转 置,r 为 监 督 位 的 位 数 应 有 (3-6)

57 52 第 3 章 数 据 通 信 基 础 当 C 在 传 输 中 发 生 错 码 时, 则 上 述 结 果 不 为 零 (3-7) 3. 校 正 子 发 送 码 组 C 在 传 输 过 程 中 可 能 发 生 误 码 设 收 到 的 码 字 为 R= [ rr r ] 则 收 发 码 字 之 差 为 称 E 为 错 误 图 样, R C = E (3-8) E = [ ee e ] e i =0, 表 示 i 位 无 错 e i =1, 则 表 示 I 位 有 错 利 用 E 可 到 处 校 正 子 S 为 S T = E H (3-9) 当 E 取 不 同 的 错 误 图 样 时, 可 得 各 个 对 应 的 校 正 子 当 然,E 可 取 的 错 误 类 型 应 限 制 在 该 编 码 的 纠 错 能 力 之 内, 否 则 将 得 到 多 个 相 同 的 S, 失 去 应 用 价 值 为 了 进 行 纠 错, 接 收 端 对 收 码 字 R 进 行 下 述 运 算, 有 S' = R H = C H T T = ( C + E) H + E H T T = E H T (3-10) 收 端 将 S' 与 事 先 算 得 的 S 进 行 比 较, 即 可 确 定 E 根 据 式 (3-9) 和 模 2 加 法 规 则, 有 C= R+E 其 中,C 即 为 R 的 译 码 输 出, 并 纠 正 了 R 中 的 误 码 至 此 已 从 数 学 上 证 明 了 纠 错 编 码 的 可 实 现 性 汉 明 码 1950 年 由 汉 明 提 出 纠 正 单 一 随 机 错 误 的 线 性 分 组 码, 称 汉 明 码 因 其 编 译 码 器 结 构 简 单, 而 得 到 广 泛 应 用 它 具 有 以 下 特 点 : 码 长 :n=2m-1 信 息 位 数 :k=2m-m-1 监 督 位 数 :r=n-k,r>=3

58 3.8 检 错 纠 错 技 术 53 最 小 汉 明 距 离 :dmin=3 纠 错 能 力 :t=l 给 定 生 成 矩 阵, 即 可 构 成 具 体 的 汉 明 码, 下 面 以 (7,4) 汉 明 码 为 例, 讨 论 编 译 码 器 的 组 成 实 际 上 可 以 验 证 上 一 节 所 举 (7,4) 分 组 码 的 例 子 即 是 一 个 汉 明 码, 因 此, 以 式 作 为 生 成 矩 阵, 可 导 出 编 码 方 程 组 C2 = C6 + C5 + C4 C1 = C5 + C4 + C3 (3-11) C0 = C6 + C5 + C3 根 据 上 式 可 组 成 图 3-16 中 的 汉 明 码 编 码 器 实 际 上 这 种 编 码 器 也 可 以 用 查 表 法 实 现 对 于 每 一 个 可 能 的 信 息 码 字, 事 先 算 出 它 的 编 码 码 字, 然 后 存 入 以 信 息 码 字 为 地 址 的 ROM( 只 读 存 储 器 ) 信 息 码 字 输 入 后, 送 至 ROM 的 地 址 输 入 端, 则 可 由 ROM 送 出 对 应 的 码 字 监 督 位 2C1C0 C, 如 图 3-16 (b) 所 示 上 一 小 节 已 经 在 数 学 上 证 明 译 码 的 可 行 性 可 以 利 用 式 (3-10) 导 出 计 算 S' 的 方 程 组, 算 出 S' 其 后 的 译 码 步 骤 可 参 照 上 一 小 节 的 内 容 进 行 这 些 步 骤 显 然 也 是 可 以 利 用 一 些 数 字 逻 辑 电 路 完 成 的 汉 明 码 的 编 码 率 R c k n r r = = = 1, 实 际 上 若 n 很 长, 则 Rc 接 近 1, 所 以 汉 明 码 n n n 是 一 类 高 效 码, 但 其 纠 错 能 力 较 差 图 3-16 汉 明 码 编 码 器 奇 偶 校 验 码 奇 偶 校 验 码 是 最 简 单 的 检 错 码, 由 于 实 现 起 来 比 较 容 易 而 被 广 泛 采 用 这 种 码 的 校 验 关 系 可 以 用 一 个 简 单 的 方 程 来 表 示 设 要 传 送 五 比 特 信 息 为 C 1C2C3C4C5, 其 中 C i 取 值 0 或 1 经 过 编 码 以 后 变 成 六 比 特 编 码 码 字, 其 中 校 验 位 C 6 应 满 足 下 列 关 系 : C + C + C + C + C + C 0 ( 或 1) (3-12) =

59 54 第 3 章 数 据 通 信 基 础 式 中 的 加 法 是 模 2 加 上 式 的 右 边 等 于 零 称 为 偶 校 验, 此 时 等 式 的 右 边 含 偶 数 个 1; 等 于 1 就 是 奇 校 验, 则 含 奇 数 个 l 在 接 收 端, 将 收 到. C 1, C 2,, C 6 比 特 进 行 累 加, 检 查 其 是 否 符 合 式 (3-12) 的 关 系 如 果 收 到 的 码 组 符 合 奇 偶 校 验 关 系, 则 认 为 传 输 没 有 错 应 当 指 出, 这 里 只 是 说 认 为 传 输 没 有 错, 实 际 上, 它 是 可 能 错 的 因 为, 如 果 偶 数 位 发 生 错 误, 则 接 收 端 根 据 奇 偶 校 验 关 系 仍 然 认 为 没 有 错 误 奇 偶 校 验 码 可 以 发 现 所 有 奇 数 个 错 误 在 上 例 中, 信 息 位 数 k=5, 码 组 位 数 n=6, 所 以 编 码 率 Rc=5/6 奇 偶 校 验 码 的 编 码 率 可 以 做 得 很 高 水 平 垂 直 校 验 码 水 平 垂 直 校 验 码 是 在 两 维 上 的 奇 偶 校 验 码 为 增 加 检 测 出 多 比 特 错 误 和 突 发 错 误 的 可 能 性, 需 要 通 过 对 数 据 中 每 个 比 特 扫 描 两 次 来 加 大 校 验 的 复 杂 性 水 平 垂 直 校 验 码 按 照 预 定 数 目 将 数 据 单 元 组 成 一 个 数 据 块, 每 个 数 据 单 元 本 身 都 有 一 个 奇 偶 校 验 码 的 校 验 位 每 个 数 据 单 元 的 对 应 位 ( 所 有 第 一 位, 所 有 第 二 位, 等 等 ) 将 通 过 一 个 生 成 器 来 生 成 每 一 个 位 置 上 的 对 应 校 验 位 每 个 位 置 因 此 得 到 了 本 身 的 一 个 校 验 位 所 有 位 置 的 校 验 位 又 组 成 了 一 个 新 的 数 据 单 元, 并 附 加 在 数 据 块 的 最 后 当 数 据 块 到 达 接 收 方 时, 它 将 通 过 一 个 校 验 器 包 括 奇 偶 校 验 码 和 水 平 垂 直 校 验 码 在 内 的 所 有 校 验 位 必 须 与 预 期 的 校 验 符 合, 根 据 采 用 的 方 式 不 同, 要 么 都 是 偶 校 验, 要 么 都 是 奇 校 验 接 收 方 于 是 丢 弃 校 验 码 并 接 受 数 据 如 果 任 何 一 个 值 发 生 错 误, 接 收 方 立 即 知 道 数 据 块 的 某 一 部 分 在 传 输 中 被 破 坏 并 因 此 拒 绝 接 收 整 个 数 据 块 循 环 码 循 环 码 是 分 组 码 的 一 个 重 要 分 支 因 为 它 具 有 许 多 特 殊 的 代 数 性 质, 这 些 性 质 有 助 于 简 化 编 译 码 方 法 1. 循 环 码 的 特 点 一 个 (n,k) 循 环 码 除 了 具 有 线 性 分 组 码 的 性 质 外, 其 主 要 特 点 是 任 何 一 个 码 字 向 左 或 向 右 循 环 移 位 后, 仍 是 该 码 字 集 合 中 的 码 字 如 果 C = [ Cn 1, Cn 2,, C1, C0] 是 一 个 码 字, 则 向 左 循 环 移 一 位 ( 用 L(C) 表 示 ) 得 L1( C) = [ Cn 2, Cn 3,, C0, Cn 1] 仍 是 一 个 码 字 同 理 L2( C) = [ Cn 3, Cn 4,, C0, Cn 1, Cn 2],, L ( C) = [ C, C,, C, C ] 等 都 是 该 码 集 合 中 的 码 字 n 1 0 n 循 环 码 的 最 大 循 环 周 期 和 码 长 n 相 同 它 的 一 个 码 字 可 用 多 项 式 表 示 为 n Cx ( ) = C x + C x + + Cx+ C (3-13) n 1 2 n 1 n i n C(x) 称 为 码 多 项 式 码 字 C 向 左 循 环 移 i 位 相 当 于 XCx ( ) [ 模 x 1], 向 右 循 环 移 i 位 i 相 当 于 x Cx ( ) n [ 模 ( x 1) ] 式 (3-4) 生 成 矩 阵 中 的 一 行 g1=[ ] 也 可 以 写 成 多 项 式 形 式, 称 为 生 成 多 项 式

60 3.8 检 错 纠 错 技 术 gx ( ) = x + x + 1 (3-14) 一 个 码 字 中 的 信 息 码 元 部 分 和 监 督 码 元 部 分, 也 可 以 分 别 写 成 信 息 码 元 多 项 式 m(x) 和 监 督 码 元 多 项 式, 若 m=[ CCCC ]=[1010], 则 m(x)= x 3 +x, rx ( ) 可 以 类 似 的 方 法 得 到 此 时 循 环 码 的 编 译 码 均 可 经 码 多 项 式 的 代 数 运 算 求 得 2. 循 环 码 编 译 码 原 理 任 何 循 环 码 都 可 唯 一 地 由 生 成 多 项 式 g(x) 确 定 求 监 督 码 元 多 项 式 的 过 程 由 下 式 确 定, γ ( x) = x γ mx ( )[mod gx ( )] (3-15) 其 中, 为 监 督 位 的 位 数 上 式 的 含 义 是 可 以 用 信 息 码 元 多 项 式 m(x) 乘 r x, 然 后 用 g(x) 除, 就 求 得 余 式, 即 为 监 督 位 多 项 式 由 可 求 得 监 督 位 由 此 可 以 求 得 编 码 后 得 到 的 码 字 多 项 式 为 : γ Cx ( ) = x mx ( ) + γ( x) (3-16) r x 乘 m(x) 相 当 于 将 信 息 码 字 左 移 位, 若 m=[1010], =3, 令 m 3 = x r m(x), 则 m3 = [ ] 右 边 的 3 位 可 用 于 加 上 监 督 码 元 这 种 信 息 码 元 在 前, 监 督 码 元 在 后 的 形 式 一 股 称 为 系 统 码 由 于 在 r r x m(x) 的 基 础 上 加 上 x m(x)/g(x) 的 余 式, 显 然 c(x) 应 该 能 被 g(x) 整 除 收 端 利 用 此 性 质 可 以 判 定 收 码 多 项 式 R(x) 的 正 确 性, 若 传 输 过 程 中 无 错 码, 有 R(x)=C(x),R(x) 能 被 整 除 若 R(x) 有 错 码, 则 R(x)=c(x)+E(x),E(x) 可 称 为 错 误 图 样 多 项 式 由 E(x) 可 定 义 校 正 子 多 项 式, 常 称 为 伴 随 式 S(x)=E(x)/g(x) 在 纠 错 能 力 范 围 内,S(x) 和 E(x) 有 一 一 对 应 的 关 系 利 用 下 式 可 实 现 纠 错, Rx ( ) Cx ( ) Ex ( ) Ex ( ) S'( x) = = + = [mod gx ( )] (3-17) gx ( ) gx ( ) gx ( ) gx ( ) 求 得 S'(x) 以 后 与 S(x) 比 较, 可 确 定 E(x), 并 进 行 纠 错 3. 编 译 码 电 路 编 译 码 器 电 路 中 多 项 式 乘 除 法 可 以 利 用 移 位 寄 存 器 实 现 例 如,(7,4) 循 环 汉 明 码,g(x)= 3 x +x+l 其 编 码 电 路 如 图 3-17 所 示 g(x) 决 定 了 图 中 D 触 发 器 输 入 / 出 端 连 线 的 接 法, 多 项 式 中 各 项 与 连 线 的 关 系 已 在 图 中 标 出, 其 编 码 过 程 如 图 3-17 所 示

61 56 第 3 章 数 据 通 信 基 础 图 3-17 (7,4) 循 环 码 编 码 器 1 D 0, D 1, D 2 初 态 为 0, 门 1 接 通, 门 2 断 开, 信 息 组 以 m=( m 3, m2, m1, m0 ) 顺 序 送 人 电 路, 信 息 一 方 面 经 或 门 输 出, 一 方 面 送 入 g(x) 除 法 电 路 右 端, 这 相 应 于 完 成 m(x)x 的 乘 法 运 算 2 四 次 移 位 后, 信 息 组 全 部 通 过 或 门 输 出, 它 就 是 系 统 码 的 前 4 个 信 息 码 元, 且 全 部 进 入 g(x) 除 法 电 路, 完 成 除 法 运 算 此 时 移 存 器 中 的 存 数 就 是 余 数 式 r(x) 的 系 数, 也 就 是 码 的 校 验 元 ( C2, C1, C 0) 3 门 2 接 通, 门 1 断 开, 再 经 三 次 移 位 后, 移 存 器 中 的 校 验 元 C2, C1, C 0跟 在 信 息 元 之 后, 形 成 一 个 码 字 输 出 ( m3, m2, m1, m0, C2, C1, C 0) 4 门 1 接 通, 门 2 断 开, 送 入 第 二 组 信 息 纽, 重 复 上 述 过 程 设 m(x)= x 3 +x, 其 编 码 过 程 如 表 3-1 所 示, 编 出 的 码 字 是 , 前 面 4 位 是 信 息 元 故 为 系 统 码 表 3-1 中 给 出 除 法 电 路 中 移 位 寄 存 器 D 0, D1, D2 输 出 端 的 数 据 变 化 过 程 表 3-1 (7,4) 循 环 码 的 编 码 过 程 节 拍 信 息 组 输 入 移 存 器 内 容 D 0 D 1 D 输 出 码 字 循 环 码 译 码 器 也 可 用 除 法 电 路 组 成 由 于 循 环 码 的 码 字 都 是 g(x) 的 倍 式, 能 被 g(x) 整 除, 即 余 式 为 0 因 此, 可 根 据 接 收 的 码 字 能 否 被 g(x) 整 除, 来 判 断 接 收 码 字 是 否 有 错 设 发 送 的 码 字 是 C(x), 由 信 道 噪 声 引 起 的 错 误 图 样 是 E(x), 则 译 码 器 收 到 的 码 字 为 R(x)=C(x)+E(x) 译 码 器 的 主 要 任 务 就 是 如 何 从 R(x) 中 得 到 E(x), 然 后 求 得 C(x), 最 后 得 到

62 3.8 检 错 纠 错 技 术 57 信 息 码 m(x) 循 环 码 的 译 码, 包 括 以 下 3 个 步 骤 :1 由 所 收 到 的 R(z) 计 算 伴 随 式 S(x);2 根 据 伴 随 式 S(z) 求 出 错 误 图 样 E(z);3 计 算 R(x)-E(x)=C(x), 得 到 译 码 器 输 出 的 估 值 码 字 C'(x) 如 果 C'=C, 则 译 码 正 确, 否 则 译 码 错 误 若 C 是 非 系 统 码, 则 必 须 由 C 求 出 估 值 信 息 m, 若 为 系 统 码,C 中 的 前 k 位 即 为 信 息 m 4. 循 环 冗 余 校 验 码 (CRC) CRC 码 利 用 循 环 码 的 误 码 检 测 特 性 进 行 误 码 检 测, 它 是 从 循 环 差 错 控 制 编 码 中 分 出 的 一 类 检 错 码 循 环 码 的 已 编 码 码 字 可 被 生 成 多 项 式 g(x) 整 除 收 端 可 以 利 用 这 一 特 点 进 行 检 错, 若 收 码 字 不 能 被 g(x) 整 除, 则 有 错 由 (n,k) 循 环 码 可 以 导 出 循 环 冗 余 检 错 码 CRC-m 这 种 表 示 方 式, 其 中 m=n-k 常 用 CRC-m 编 码 的 生 成 多 项 式 列 于 表 3-2 检 错 码 CRC-4 CRC-12 CRC-16 表 3-2 常 用 CRC 码 生 成 多 项 式 x 4 +x+1 x 12 +x 11 +x 3 +x 2 +1 x 16 +x 15 +x 2 +1 原 CCITT 建 议 速 率 为 2048 kbit/s 的 基 群 设 备 采 用 CRC-4 方 案 一 个 CRC 块 的 信 息 位 数 为 2048 比 特 在 发 端 采 用 循 环 码 编 码 的 生 成 校 验 位 C1, C2, C3, C 4和 信 息 比 特 一 起 发 往 收 端 收 端 将 信 息 比 特 取 出, 经 再 次 编 码 得 校 验 位 C11, C12, C13, C 14 比 较 两 组 校 验 码 字, 也 可 确 定 传 输 信 道 的 误 码 特 性 卷 积 码 卷 积 码 和 分 组 码 的 不 同 之 处 是 它 在 任 意 给 定 时 间 单 元 内, 编 码 器 的 n 个 输 出 不 仅 与 本 时 间 单 元 的 k 个 输 入 码 元 有 关, 而 且 和 前 (m-1) 个 时 间 单 元 的 输 入 码 元 有 关,m 称 为 约 束 度 此 种 约 束 关 系 使 已 编 码 序 列 的 相 邻 码 字 之 间 存 在 某 种 相 关 性, 又 称 记 忆 特 性, 使 该 序 列 可 以 看 成 是 输 入 序 列 经 某 种 卷 积 运 算 的 结 果, 因 此 而 得 名 利 用 此 种 相 关 性 又 导 出 了 维 特 比 (Viterbi) 译 码 算 法 它 是 一 种 最 佳 的 译 码 方 法, 并 具 有 一 定 的 克 服 突 发 错 误 的 能 力, 在 GSM 和 CDMA 移 动 通 信 系 统 和 无 线 接 入 网 中 都 有 应 用 卷 积 编 码 器 和 网 格 图 一 个 (n,k,m) 卷 积 码 的 编 码 器 可 以 用 有 k 个 输 入 端 n 个 输 出 端 的 m 级 存 储 器 的 线 性 时 序 电 路 来 实 现, 通 常 k < n, 且 为 整 数 编 码 率 Rc = k/n 图 3-18 所 示 (2,1,3) 卷 积 码 编 码 器 中, 每 输 入 一 个 信 息 比 特 经 编 码 产 生 两 个 输 出 比 特 且 每 一 个 输 出 码 字 不 仅 和 本 码 字 时 间 单 元 内 的 输 入 信 息 比 特 有 关, 还 和 前 两 个 时 间 单 元 内 的 输 入 信 息 比 特 有 关, 使 输 出 序 列 的 相 邻 码 字 之 间 存 在 某 种 相 关 性 图 中 m 为 输 入 信 号 序 列, 可 以 求 出 : i 0 Ci = mi 2 mi C = m m m 1 i i 2 i 1 i (3-18)

63 58 第 3 章 数 据 通 信 基 础 由 此 可 得 此 处 约 束 度 M=3, 编 码 输 出 与 三 个 时 间 单 元 内 的 输 入 有 关 图 3-18 (2,1,3) 卷 积 编 码 器 若 用 1 0 DD 的 输 出 值 表 示 编 码 器 的 状 态, 则 在 插 入 信 息 码 元 的 作 用 下 可 以 画 出 该 编 码 器 1 0 的 状 态 转 移 图 表 3.3 中 给 出 编 码 器 的 初 始 状 态 DD 的 值, 输 入 信 息, 和 i i 输 入 后 D D 1 0 i + 1 i + 1的 1 0 值 及 其 对 应 的 CC 的 值 由 表 3-3 可 得 到 图 3-19 编 码 器 的 状 态 转 移 图, 它 给 出 编 码 器 的 状 i i 1 0 态 在 信 息 比 特 输 人 前 后 的 变 化 情 况, 及 其 在 不 同 状 态 下 所 对 应 的 输 出 码 组 CC 图 中 实 线 表 示 输 入 信 息 值 m i =0, 虚 线 表 示 mi =1 m i 输 入 前 后 两 状 态 间 连 线 上 的 代 码 为 编 码 输 出 码 字, i i 此 连 线 可 称 为 支 路 表 3-3 状 态 转 移 表 DD 1 0 i i m i D D 1 0 i + 1 i + 1 CC 1 0 i i

64 3.9 异 步 同 步 传 输 基 本 概 念 59 图 3-19 状 态 转 移 图 将 这 一 节 状 态 转 移 图 不 断 延 伸, 就 得 到 编 码 器 的 网 格 图 考 虑 到 编 码 器 从 状 态 00 启 动, 因 此 未 将 前 2 节 的 支 路 标 全 网 格 图 随 信 号 序 列 的 输 入, 应 无 限 延 伸 网 格 图 给 出 任 意 信 号 序 列 输 入 时 所 有 可 能 的 编 码 输 出 序 列, 因 此 它 所 包 含 的 信 息 量 很 大, 图 形 较 复 杂 但 是 当 输 入 信 息 序 列 确 定, 初 始 状 态 给 定 时, 则 网 格 图 中 只 有 某 一 条 确 定 的 路 径 与 其 对 应, 即 网 格 图 限 定 了 输 出 码 序 列 所 对 应 的 路 径 路 径 一 般 由 多 根 支 路 组 成 网 格 图 是 分 析 卷 积 码 的 性 能 和 维 特 比 译 码 算 法 的 基 础 3.9 异 步 同 步 传 输 基 本 概 念 由 传 输 介 质 联 接 起 来 进 行 数 据 交 换 的 两 台 设 备, 其 工 作 必 须 密 切 配 合 每 次 经 过 介 质 发 送 的 各 位 数 据, 其 定 时 对 发 送 机 和 接 收 机 必 须 是 相 同 的, 即 相 互 是 同 步 的 要 定 时 就 要 考 虑 速 率 持 续 时 间 和 间 隔 因 此, 同 步 就 是 接 收 端 要 按 照 发 送 端 所 发 送 的 每 个 码 元 的 起 止 时 刻 和 重 复 频 率 来 接 收 数 据, 两 者 时 间 上 必 须 取 得 一 致 传 输 数 据 的 同 步 方 式 有 两 种 : 异 步 传 输 与 同 步 传 输 1. 异 步 传 输 在 异 步 传 输 ( 图 3-20) 方 式 中, 每 次 传 送 一 个 字 符 (5~8 位 ), 都 在 每 个 字 符 代 码 前 加 一 起 始 位, 表 示 该 字 符 代 码 的 开 始 在 字 符 和 校 验 码 后 加 一 停 止 位, 以 示 该 代 码 的 结 束 所 以 又 称 起 止 式 同 步, 起 始 位 编 码 为 0, 持 续 一 位 时 间, 停 止 位 编 码 为 1 持 续 l~2 位 当 不 发 送 数 据 时, 发 送 端 连 续 地 发 送 停 止 码 1 接 收 端 一 旦 接 收 到 从 1 到 0 信 号 跳 变, 便 知 道 要 开 始 新 字 符 的 发 送, 利 用 这 种 极 性 的 改 变 便 可 启 动 定 时 机 构, 实 现 同 步

65 60 第 3 章 数 据 通 信 基 础 图 3-20 异 步 传 输 当 接 收 到 接 收 停 止 位, 就 将 定 时 机 构 复 位, 准 备 接 收 下 一 个 字 符 代 码 在 异 步 传 输 中 不 需 要 传 输 时 钟 脉 冲 由 于 这 种 方 式 的 字 符 发 送 是 相 互 独 立 的, 故 称 为 异 步 方 式 异 步 通 信 设 备 易 于 安 装, 维 护 简 单 且 价 格 便 宜 ; 但 异 步 方 式 由 于 每 一 个 字 符 都 引 入 起 始 和 停 止 位, 所 以 开 销 大 效 率 低 速 率 低, 常 用 于 低 速 传 输, 如 b/s 或 更 低 的 速 度 分 时 终 端 与 计 算 机 的 通 信 一 般 是 异 步 的 2. 同 步 传 输 在 这 种 方 式 中, 利 用 时 钟 的 同 步 使 发 送 和 接 收 装 置 之 间 的 定 时 不 发 生 误 差 使 时 钟 保 持 同 步 的 方 法 之 一, 是 在 接 收 装 置 和 发 送 装 置 之 间 采 用 单 独 的 时 钟 信 息, 称 为 同 步 法 另 一 种 方 法 是 将 定 时 信 号 包 含 在 数 据 信 号 中 发 送, 直 接 从 数 据 波 形 本 身 中 提 取 同 步 信 号, 称 自 同 步 法 如 数 字 信 号 利 用 曼 彻 斯 特 编 码 时, 规 定 传 送 0 信 号 时 是 先 正 后 负, 传 送 1 信 号 时 是 先 负 后 正 由 于 数 据 信 号 都 是 由 二 进 制 码 按 预 定 规 律 编 排 而 成, 它 包 含 位 字 句 及 帧 数 据 传 输 的 代 码 结 构 是 由 若 干 位 组 成 字, 由 若 干 字 组 成 句, 由 若 干 句 组 成 帧, 传 输 时 不 仅 位 需 要 同 步, 其 余 字 句 帧 都 要 同 步, 这 就 叫 群 同 步 只 有 做 到 群 同 步, 接 收 端 才 能 正 确 识 别 字 句 帧 等 码 群 如 果 只 有 位 同 步 而 无 群 同 步, 收 到 的 信 号 将 是 一 串 无 意 义 的 码 元 序 列 为 使 接 收 装 置 能 确 定 数 据 块 的 开 始 和 结 束, 每 一 数 据 块 前 后 用 同 步 数 据 块 加 上 同 步 定 界 符 等 控 制 信 息 的 组 合, 常 称 为 帧 帧 的 实 际 格 式, 常 取 决 于 传 输 方 案, 是 面 向 比 特 ( 位 ) 的, 还 是 面 向 字 符 方 式 的 (1) 面 向 字 符 方 式 在 面 向 字 符 方 式 中, 数 据 被 当 作 字 符 (8 位 ) 序 列, 所 有 控 制 信 息 取 字 符 形 式 每 帧 以 一 个 或 多 个 同 步 字 符 开 始 同 步 字 符 常 记 作 SYN, 其 8 位 编 码 为 ,SYN 告 知 接 收 装 置 是 一 个 数 据 块 的 开 始 在 有 些 方 案 中, 具 有 特 定 的 字 符 作 后 定 界 符 接 收 装 置 一 接 收 到 SYN 字 符, 就 得 知 已 发 送 了 数 据 块, 而 开 始 接 收 数 据, 直 到 接 收 到 后 同 步 字 符, 一 帧 数 据 就 告 结 束 之 后, 接 收 装 置 又 开 始 寻 找 新 的 SYN 控 制 字 符, 如 图 3-21 所 示 图 3-21 同 步 传 输 中 面 向 字 符 的 帧

66 3.10 交 换 技 术 61 (2) 面 向 比 特 ( 位 ) 方 式 在 面 向 比 特 方 式 中, 数 据 块 被 当 作 比 特 序 列, 数 据 或 控 制 信 息 都 不 必 如 同 面 向 字 符 传 输 那 样, 以 8 位 为 单 位, 而 是 以 8 位 的 标 志 F 开 始, 同 样 也 以 标 志 F 作 为 后 同 步 如 图 3-22 所 示 面 向 比 特 方 式 与 面 向 字 符 方 式 的 区 别 在 于 格 式 不 同 及 对 控 制 信 息 的 解 释 的 细 节 不 同 图 3-22 同 步 传 输 中 面 向 比 特 的 帧 3.10 交 换 技 术 交 换 即 转 接, 是 在 交 换 通 信 网 中 实 现 数 据 传 输 必 不 可 少 的 技 术 常 用 的 交 换 技 术 有 三 种 : 电 路 交 换 ( 线 路 交 换 ) 报 文 交 换 和 分 组 交 换 ( 包 交 换 ), 下 面 介 绍 几 种 交 换 技 术 及 特 点 1. 电 路 交 换 电 路 交 换 是 一 种 直 接 的 交 换 方 式, 它 为 一 对 需 要 进 行 通 信 的 装 置 ( 站 ) 之 间 提 供 一 条 临 时 的 专 用 通 道, 即 提 供 一 条 专 用 的 传 输 通 道, 既 可 是 物 理 通 道 又 可 是 逻 辑 通 道 ( 使 用 时 分 或 频 分 复 用 技 术 ) 这 条 通 道 是 由 节 点 内 部 电 路 对 节 点 间 传 输 路 径 经 过 适 当 选 择 连 接 而 完 成 的, 由 多 个 节 点 和 多 条 节 点 间 传 输 路 径 组 成 的 链 路 目 前 公 用 电 话 网 广 泛 使 用 的 交 换 方 式 是 电 路 交 换, 经 由 电 路 交 换 的 通 信 包 括 三 个 阶 段 : (1) 电 路 建 立 通 过 源 站 点 请 求 完 成 交 换 网 中 对 应 的 所 需 逐 个 节 点 的 接 续 ( 连 接 ) 过 程, 以 建 立 起 一 条 由 源 站 到 目 的 站 的 传 输 通 道 (2) 数 据 传 输 现 在, 信 号 可 以 从 建 立 的 链 路 传 送 到 目 的 站, 通 常 为 全 双 工 传 输 (3) 电 路 拆 除 在 完 成 数 据 或 信 号 的 传 输 后, 由 源 站 或 目 的 站 提 出 终 止 通 信, 各 节 点 相 应 拆 除 该 电 路 的 对 应 连 接, 释 放 由 原 电 路 占 用 的 节 点 和 信 道 资 源 电 路 交 换 具 有 下 列 特 点 : 1 呼 叫 建 立 时 间 长 且 存 在 呼 损 在 电 路 建 立 阶 段, 在 两 站 间 建 立 一 条 专 用 通 路 需 要 花 费 一 段 时 间, 这 段 时 间 称 为 呼 叫 建 立 时 间 在 电 路 建 立 过 程 中 由 于 交 换 网 繁 忙 等 原 因 而 使 建 立 失 败, 对 于 交 换 网 则 要 拆 除 已 建 立 的 部 分 电 路, 用 户 需 要 挂 断 重 拨, 这 称 为 呼 损 2 电 路 连 通 后 提 供 给 用 户 的 是 透 明 通 路, 即 交 换 网 对 用 户 信 息 的 编 码 方 法 信 息 格 式 以 及 传 输 控 制 程 序 等 都 不 加 以 限 制, 但 对 通 信 双 方 而 言, 必 须 做 到 双 方 的 收 发 速 度 编 码 方 法 信 息 格 式 传 输 控 制 等 一 致 才 能 完 成 通 信 3 一 旦 电 路 建 立 后, 数 据 以 固 定 的 数 据 率 传 输, 除 通 过 传 输 链 路 的 传 播 延 迟 以 外, 没 有 别 的 延 迟, 在 每 个 节 点 的 延 迟 是 可 以 忽 略 的, 适 用 于 实 时 大 批 量 连 续 的 数 据 传 输

67 62 第 3 章 数 据 通 信 基 础 4 线 路 ( 信 道 ) 利 用 率 低 电 路 建 立, 进 行 数 据 传 输, 直 至 通 信 链 路 拆 除 为 止, 信 道 是 专 用 的, 再 加 上 通 信 建 立 时 间 拆 除 时 间 和 呼 损, 其 利 用 率 较 低 2. 报 文 交 换 在 数 据 交 换 是 相 对 较 为 连 续 的 数 据 流 时 ( 如 话 音 ), 电 路 交 换 是 一 种 适 宜 的 易 于 使 用 的 技 术 目 前 数 字 数 据 通 信 广 泛 使 用 报 文 交 换 在 报 文 交 换 网 中, 网 络 节 点 通 常 为 一 台 专 用 计 算 机, 带 有 足 够 的 外 存, 以 便 在 报 文 进 入 时, 进 行 缓 冲 存 储 节 点 接 收 一 个 报 文 之 后, 报 文 暂 存 放 在 节 点 的 存 储 设 备 之 中, 等 输 出 线 路 空 闲 时, 再 根 据 报 文 中 所 附 的 目 的 地 址 转 发 到 下 一 个 合 适 的 节 点, 如 此 往 复, 直 到 报 文 到 达 目 标 数 据 终 端 所 以 报 文 交 换 也 称 为 存 储 / 转 发 (Store And Forward) 在 报 文 交 换 中, 每 一 个 报 文 由 传 输 的 数 据 和 报 头 组 成, 报 头 中 有 源 地 址 和 目 标 地 址 节 点 根 据 报 头 中 的 目 标 地 址 为 报 文 进 行 路 径 选 择 并 且 对 收 发 的 报 文 进 行 相 应 的 处 理, 如 差 错 检 查 和 纠 错 调 节 输 入 / 输 出 速 度 进 行 数 据 速 率 转 换 进 行 流 量 控 制, 甚 至 可 以 进 行 编 码 方 式 的 转 换 等, 所 以 报 文 交 换 是 在 两 个 节 点 间 的 一 段 链 路 上 逐 段 传 输, 不 需 要 在 两 个 主 机 间 建 立 多 个 节 点 组 成 的 电 路 通 道 与 电 路 交 换 相 比, 报 文 交 换 方 式 不 要 求 交 换 网 为 通 信 双 方 预 先 建 立 一 条 专 用 的 数 据 通 路, 因 此 就 不 存 在 建 立 电 路 和 拆 除 电 路 的 过 程 报 文 交 换 中 每 个 节 点 都 对 报 文 进 行 存 储 / 转 发, 报 文 数 据 在 交 换 网 中 是 按 接 力 方 式 发 送 的 通 信 双 方 事 先 并 不 知 道 报 文 所 要 经 过 的 传 输 路 径, 并 且 各 个 节 点 不 被 特 定 报 文 所 独 占 报 文 交 换 具 有 下 列 特 征 : 1 源 站 A 和 目 标 站 E 在 通 信 时 不 需 要 建 立 一 条 专 用 的 通 路, 因 此 就 不 需 要 节 点 同 时 空 闲 2 与 电 路 交 换 相 比, 报 文 交 换 没 有 建 立 线 路 和 拆 除 线 路 所 需 的 等 待 和 时 延 3 线 路 利 用 率 高, 节 点 间 可 根 据 线 路 情 况 选 择 不 同 的 速 度 传 输, 能 高 效 地 传 输 数 据 4 要 求 节 点 具 备 足 够 的 报 文 数 据 存 放 能 力, 一 般 节 点 由 微 机 或 小 型 机 担 当 5 数 据 传 输 的 可 靠 性 高, 每 个 节 点 在 存 储 转 发 中, 都 进 行 差 错 控 制, 即 检 错 纠 错 6 由 于 采 用 了 对 完 整 报 文 的 存 储 / 转 发, 节 点 存 储 / 转 发 的 时 延 较 大, 不 适 用 于 交 互 式 通 信, 如 电 话 通 信 ; 由 于 每 个 节 点 都 要 把 报 文 完 整 地 接 收 存 储 检 错 纠 错 转 发, 产 生 了 节 点 延 迟, 并 且 报 文 交 换 对 报 文 长 度 没 有 限 制, 报 文 可 以 很 长, 这 样 就 有 可 能 使 报 文 长 时 间 占 用 某 两 节 点 之 间 的 链 路, 不 利 于 实 时 交 互 通 信 分 组 交 换 即 所 谓 的 包 交 换 正 是 针 对 报 文 交 换 的 缺 点 而 提 出 的 一 种 改 进 方 式 3. 分 组 交 换 分 组 交 换 属 于 存 储 / 转 发 交 换 方 式, 但 它 不 像 报 文 交 换 那 样 以 报 文 为 单 位 进 行 交 换 传 输, 而 是 以 更 短 的 标 准 的 报 文 分 组 (Packet) 为 单 位 进 行 交 换 传 输 分 组 是 一 组 包 含 数 据 和 呼 叫 控 制 信 号 的 二 进 制 数, 把 它 作 为 一 个 整 体 加 以 转 接, 这 些 数 据 呼 叫 控 制 信 号 以 及 可 能 附 加 的 差 错 控 制 信 息 是 按 规 定 的 格 式 排 列 的 交 换 网 可 采 用 两 种 方 式 : 数 据 报 传 输 分 组 交 换 或 虚 电 路 传 输 分 组 交 换 进 行 交 换 (1) 数 据 报 传 输 分 组 交 换 交 换 网 把 进 网 的 任 一 个 分 组 都 当 做 单 独 的 小 报 文 来 处 理, 而 不 管 它 属 于 哪 个 报 文 的 分 组, 就 像 报 文 交 换 中 把 一 份 报 文 进 行 单 独 处 理 一 样 由 于 每 个 分 组 都 带 有 地 址 和 分 组 序 列, 虽 然 他 们 不 一 定 经 过 同 一 条 路 径, 但 最 终 都 能 到 达 同 一 目 的 节 点 这 些 分 组 到 达 目 的 节 点 的

68 3.10 交 换 技 术 63 顺 序 也 可 能 被 打 乱 目 的 节 点 可 以 负 责 对 分 组 进 行 排 序 和 重 装, 目 的 站 也 可 以 完 成 这 些 排 序 和 组 装 工 作 上 述 这 种 分 组 交 换 方 式 简 称 为 数 据 报 传 输 方 式, 作 为 基 本 传 输 单 位 的 小 报 文 被 称 为 数 据 报 (Datagram) (2) 虚 电 路 传 输 分 组 交 换 所 谓 虚 电 路 就 是 两 个 用 户 的 终 端 设 备 在 开 始 互 相 发 送 和 接 收 数 据 之 前 需 要 通 过 通 信 网 络 建 立 逻 辑 上 的 连 接, 一 旦 这 种 连 接 建 立, 直 至 用 户 不 需 要 发 送 和 接 收 数 据 时 清 除 这 种 连 接 其 主 要 的 特 点 是 : 所 有 分 组 都 必 须 沿 着 事 先 建 立 的 虚 电 路 传 输, 存 在 一 个 虚 呼 叫 建 立 阶 段 和 拆 除 阶 段 ( 清 除 阶 段 ) 与 电 路 交 换 相 比, 并 不 意 味 着 实 体 间 存 在 像 电 路 交 换 方 式 那 样 的 专 用 线 路, 而 是 选 定 了 特 定 路 径 进 行 传 输, 分 组 所 途 经 的 所 有 节 点 都 对 这 些 分 组 进 行 存 储 / 转 发, 这 是 与 电 路 交 换 的 实 质 上 的 区 别 这 种 方 法 的 优 点 是 对 于 数 据 量 较 大 的 通 信 传 输 率 高, 分 组 传 输 时 延 短, 且 不 容 易 产 生 数 据 分 组 丢 失 ; 缺 点 是 对 网 络 依 赖 性 大 数 据 报 方 式 是 将 一 个 数 据 分 组 当 做 一 份 独 立 的 报 文 看 待, 每 一 个 数 据 分 组 都 含 有 源 地 址 和 目 标 地 址 信 息, 交 换 节 点 须 为 每 一 个 数 据 分 组 独 立 地 寻 找 路 径, 因 此 一 份 报 文 包 含 的 不 同 分 组 可 能 沿 着 不 同 的 路 径 到 达 终 点, 而 在 网 络 终 点 需 要 重 新 排 序 数 据 报 的 优 点 是 对 于 短 报 文 数 据 通 信 传 输 效 率 比 较 高, 对 网 络 故 障 的 适 应 能 力 强, 缺 点 是 时 延 大 总 之, 分 组 经 过 通 信 网 络 到 达 终 点 有 两 种 方 法 : 虚 电 路 (Virtual Circuit) 和 数 据 报 (Datagram)

69 第 4 章 OSI 下 三 层 4.1 物 理 层 传 输 介 质 数 据 传 输 介 质 是 数 据 传 输 的 物 质 基 础, 它 是 两 节 点 间 传 输 数 据 的 道 路 如 声 音 要 通 过 空 气 传 输, 电 信 号 要 通 过 导 线 传 输, 光 要 通 过 透 明 物 质 包 括 气 体 液 体 或 固 体 来 传 输 总 之 介 质 的 种 类 很 多, 性 能 也 很 复 杂, 习 惯 上 可 分 为 有 线 介 质 和 无 线 介 质 有 线 介 质 包 括 各 种 导 线 和 光 缆, 无 线 介 质 包 括 传 输 电 磁 波 的 真 空 和 空 气 当 然 随 着 科 学 技 术 的 进 步, 还 会 出 现 新 的 传 输 介 质 1. 双 绞 线 双 纹 线 (Twisted Pair) 是 一 种 最 普 通 使 用 最 为 广 泛 的 传 输 介 质 随 着 技 术 的 发 展, 双 绞 线 在 计 算 机 网 络 中 应 用 也 越 来 越 多, 发 展 迅 猛, 大 有 取 代 同 轴 电 缆 之 势, 双 绞 线 的 结 构 如 图 4-1 所 示 图 4-1 双 绞 线 的 基 本 组 成 双 绞 线 是 : 由 22 号 和 26 号 的 两 根 绝 缘 芯 线 按 一 定 密 度 ( 绞 距 ) 的 螺 旋 结 构 相 互 绞 绕 组 成, 每 根 绝 缘 芯 线 由 各 种 颜 色 塑 料 绝 缘 层 的 多 芯 或 单 芯 金 属 导 线 ( 通 常 为 铜 导 线 ) 构 成 这 也 是 双 绞 线 名 称 的 由 来, 许 多 电 话 线 就 是 采 用 双 绞 线 将 两 根 导 线 绞 在 一 起 是 为 了 减 少 在 一 根 导 线 中 电 流 发 射 的 能 量 对 另 一 根 导 线 的 干 扰, 而 且 绞 在 一 起 有 助 于 减 少 其 他 导 线 中 的 信 号 对 这 两 根 导 线 的 干 扰 当 两 根 导 线 靠 得 很 近 且 互 相 平 行 时, 一 根 导 线 中 的 电 流 信 号 的 变 化 将 在 另 一 根 导 线 上 产 生 相 似 的 电 流 变 化 ; 若 两 根 导 线 靠 得 很 近 但 互 相 垂 直 时, 则 一 根 导 线 上 的 电 流 变 化 几 乎 不 会 影 响 到 另 一 根 导 线 所 以 导 线 绞 在 一 起 可 以 减 少 相 互 间 干 扰 双 绞 线 最 常 用 于 声 音 的 模 拟 传 输 声 音 的 频 谱 在 20 Hz~20 khz 之 间, 但 可 理 解 语 音 的 带 宽 却 较 窄, 在 300~3 400 Hz 范 围 内 电 话 通 信 中 的 一 条 全 双 工 的 音 频 通 道 所 用 带 宽 是 300~3 400 Hz 普 通 双 绞 线 的 带 宽 通 常 可 达 几 百 khz 若 使 用 频 分 多 路 复 用 技 术, 可 以 在 一 对 双 绞 线 上 同 时 复 用 多 个 音 频 通 道, 每 个 通 道 带 宽 为 4 khz, 各 通 道 间 增 加 一 定 频 段 的 隔 离, 对 一 条 带 宽 为 268 khz 的 双 绞 线 具 有 24 条 音 频 通 道 的 容 量 使 用 调 制 解 调 器, 就 可 以 将 频 谱 很 宽 的 数 字 信 号 转 换 为 频 谱 很 窄 模 拟 信 号 在 模 拟 音 频 通 道 (300~3 400 Hz 通 道 ) 上 传 输 双 绞 线 也 可 用 于 数 字 传 输, 这 时 选 用 不 同 质 量 的 双 绞 线 采 用 不 同 的 传 输 技 术, 其 传 输

70 4.1 物 理 层 65 率 差 异 极 大, 目 前 传 输 率 从 几 百 khz 到 几 十 MHz 不 等 通 常 对 于 特 定 的 双 绞 线, 传 输 率 与 传 输 距 离 成 反 比, 即 距 离 越 近 传 输 率 就 越 高 ; 反 之, 传 输 距 离 越 远, 传 输 率 就 越 低 与 模 拟 信 号 相 比, 数 字 信 号 的 频 谱 很 宽, 故 一 对 双 纹 线 仅 能 传 输 一 路 信 号 且 由 于 同 样 原 因, 其 中 的 高 频 成 分 衰 减 较 大, 对 外 干 扰 也 较 为 敏 感, 在 使 用 中 必 须 加 以 注 意 通 常 数 字 传 输 的 双 绞 线 间 距 窄, 缠 绕 密 度 大, 价 格 也 相 对 较 高 双 绞 线 有 非 屏 蔽 和 屏 蔽 两 种 普 通 电 话 线 采 用 非 屏 蔽 双 绞 线 UTP(Unshielded Twisted Pair) EIA/TIA 规 定 了 五 类 UTP 标 准, 对 传 输 数 据 来 说, 最 常 用 的 UTP 是 3 类 和 5 类 UTP UTP 易 受 外 部 干 扰, 包 括 来 自 环 境 噪 声 和 附 近 其 他 双 绞 线 的 干 扰 屏 蔽 双 绞 线 STP(Shielded Twisted Pair) 就 是 在 其 外 面 加 上 金 属 包 层 来 屏 蔽 外 部 干 扰 虽 然 STP 的 抗 干 扰 性 能 好, 但 比 UTP 昂 贵, 且 安 装 也 困 难 2. 同 轴 电 缆 同 轴 电 缆 (Coaxial Cable) 也 像 双 绞 线 那 样 由 一 对 导 体 组 成, 但 它 们 是 按 同 轴 的 形 式 组 成 的 最 里 面 是 内 导 体, 外 包 一 层 绝 缘 材 料, 外 面 再 套 一 层 空 心 的 圆 柱 形 外 导 体, 最 外 面 是 起 保 护 作 用 的 塑 料 外 皮 内 导 体 和 外 导 体 构 成 一 组 线 对, 如 图 4-2 所 示 图 4-2 同 轴 电 缆 的 结 构 同 轴 电 缆 有 多 种 型 号, 各 国 定 义 不 同 通 常 用 两 种 办 法 对 其 分 类, 第 一 种 办 法 按 其 特 性 阻 抗 进 行 分 类, 分 为 50 Ω 75 Ω 93 Ω 等 ; 第 二 种 办 法 按 其 直 径 分 类, 又 分 为 粗 同 轴 电 线 和 细 同 轴 电 缆 等 50 Ω 的 同 轴 电 缆 又 称 基 带 同 轴 电 缆, 主 要 用 来 传 送 基 带 数 字 信 号, 广 泛 用 于 计 算 机 网 络 75 Ω 电 缆 又 称 宽 带 同 轴 电 缆, 它 是 CATV 电 视 系 统 中 的 标 准 传 输 电 缆, 用 于 传 输 电 视 等 模 拟 信 号 在 传 输 模 拟 信 号 时, 其 频 率 高 达 300~450 MHz 或 更 高, 传 输 距 离 可 达 100 km 93 Ω 的 同 轴 电 缆 主 要 用 于 ARCNET 局 域 网 由 于 其 几 何 结 构 和 生 产 工 艺 等 原 因, 同 等 条 件 下 与 双 绞 线 相 比, 同 轴 电 缆 对 高 频 信 号 的 衰 减 较 小 对 外 幅 射 小 更 利 于 高 频 信 号 的 传 输 同 样, 同 铀 电 缆 中 信 号 传 输 率 与 同 轴 电 缆 的 型 号 以 及 配 套 传 输 接 口 电 路 有 关, 从 几 十 MHz 到 几 百 MHz 不 等 对 于 特 定 的 同 轴 电 缆, 其 传 输 率 也 同 样 与 传 输 距 离 成 反 比 与 双 绞 线 相 比, 同 轴 电 缆 价 格 贵, 但 带 宽 大 传 输 距 离 长 抗 干 扰 能 力 强 与 双 绞 线 一 样, 同 轴 电 缆 可 通 过 频 分 多 路 复 用 而 传 输 多 路 模 拟 信 号, 如 共 用 天 线 所 用 的 75 Ω 同 轴 电 缆 中 传 输 的 电 视 信 号 为 多 频 道 电 视 信 号 随 着 多 路 复 用 技 术 的 发 展, 人 们 正 试 图 在 共 用 天 线 电 视 电 线 中 传 输 电 视 信 息 的 基 础 上 传 输 其 他 信 息 带 宽 很 宽 的 数 字 信 号 也 可 以 通 过 调 制 转 换 为 带 宽 较 窄 的 模 拟 信 号, 通 过 多 路 复 用 的 方 法 在 同 轴 电 缆 中 传 输 同 双 绞 线 相 比, 同 轴 电 缆 的 高 频 衰 减 较 小, 高 频 幅 射 也 相 对 弱, 故 更 利 于 频 带 很 宽 的 数 字 信 号 的 传 输 当 然 出 于 数 字 信 号 的 频 带 连 续 是 从 0 Hz 到 高 频 无 所 不 在, 故 同 轴 电 缆 小 也 仅 能 传 输 一 路 数 字 信 号

71 66 第 4 章 OSI 下 三 层 3. 光 缆 光 纤 通 信 就 是 利 用 光 导 纤 维 传 递 光 脉 冲 信 号 来 进 行 通 信, 由 于 可 见 光 的 频 率 非 常 高 (108 Mhz), 因 此 一 个 光 纤 通 信 系 统 的 传 输 带 宽 远 远 大 于 目 前 其 他 传 输 介 质 的 带 宽 光 纤 是 光 纤 通 信 的 传 输 介 质, 在 发 送 端 有 光 源, 可 以 采 用 发 光 二 极 管 或 半 导 体 激 光 器, 它 们 在 电 脉 冲 的 作 用 下 能 产 生 出 光 脉 冲 ; 在 接 收 端 利 用 光 电 二 极 管 做 成 光 检 测 器, 在 检 测 到 光 脉 冲 时 可 还 原 出 电 脉 冲, 如 图 4-3 所 示 图 4-3 光 纤 通 信 示 意 图 目 前, 通 信 上 应 用 最 多 的 为 石 英 光 纤 按 照 折 射 率 分 布 通 常 分 为 均 匀 光 纤 和 非 均 匀 光 纤 按 照 传 输 的 总 模 数 分, 光 纤 通 常 又 分 为 多 模 光 纤 和 单 模 光 纤 相 对 于 双 绞 线 和 同 轴 电 缆 等 金 属 传 输 介 质 来 说, 光 缆 有 轻 便 带 宽 大 传 输 距 离 长 以 及 不 受 外 部 电 磁 场 干 扰 的 优 点 均 匀 光 纤 的 纤 芯 和 包 层 的 折 射 率 分 别 为 常 数 n 1和 n 2 ( n 1 > n 2 ), 在 纤 芯 和 包 层 的 分 界 面 处 折 射 率 发 生 突 变, 故 其 被 称 为 均 匀 光 纤 或 突 变 型 光 纤, 用 S 1表 示 非 均 匀 光 纤 纤 芯 的 折 射 率 n 1 不 为 常 数, 其 纤 芯 抽 心 处 n 1 最 大, 其 后 n 1 随 抛 物 线 规 律 减 小, 到 纤 芯 与 包 层 交 界 处 n 1变 为 包 层 折 射 率 n 2, 包 层 折 射 率 n 2 为 常 数, 故 其 被 称 为 非 均 匀 光 纤 或 渐 变 型 光 纤, 用 G 1表 示 所 谓 模 式, 就 是 光 波 电 磁 场 的 分 布 模 式, 同 频 率 同 波 长 的 光 由 许 多 模 式 组 成 模 式 的 概 念 从 理 论 上 详 细 解 释 很 复 杂, 对 于 具 体 光 纤 的 计 算 更 加 复 杂, 通 常 在 实 际 应 用 中 不 作 深 入 讨 论, 可 以 简 单 概 括 为 : 同 颜 率 同 波 长 而 不 同 模 式 的 光 沿 光 纤 方 向 的 传 输 速 度 不 同, 从 光 纤 一 端 同 时 发 送 的 同 频 同 波 长 的 光 信 号, 其 不 同 模 式 到 达 光 纤 另 一 端 的 时 间 各 不 相 同 光 纤 的 模 式 与 光 纤 的 直 径 折 射 率 光 的 波 长 等 参 数 有 关 总 的 来 说, 光 纤 直 径 越 小, 其 能 传 输 光 的 模 式 越 少, 当 直 径 小 于 一 定 临 界 值 时, 光 纤 内 只 能 传 输 一 种 模 式 的 光 若 光 纤 中 同 一 波 长 同 一 频 率 光 的 电 磁 场 传 输 模 式 多 则 称 为 多 模 光 纤 ; 若 光 纤 中 同 一 波 长 同 一 频 率 的 光 的 电 磁 场 传 输 模 式 仅 有 一 种 则 称 为 单 模 光 纤 4. 无 线 传 输 介 质 在 信 号 的 传 输 中, 若 使 用 的 介 质 不 是 人 为 假 设 的 介 质, 而 是 自 然 界 所 存 在 的 介 质, 那 么 这 种 介 质 就 是 广 义 的 无 线 介 质 如 可 传 输 声 波 信 号 的 气 体 ( 大 气 ) 固 体 和 液 体, 能 传 输 光 波 的 真 空 空 气 透 明 固 体 透 明 液 体, 以 及 能 传 输 电 波 的 真 空 空 气 固 体 和 液 体 等 这 些 媒 体 都 可 以 称 为 无 线 传 输 介 质 在 这 些 无 线 介 质 中 完 成 通 信 称 为 无 线 通 信 但 由 于 目 前 人 类 广 泛 使 用 的 无 线 介 质 是 大 气, 在 其 中 传 输 的 是 电 磁 波, 所 以 这 里 我 们 仅 对 利 用 大 气 介 质 传 输 电 磁 波 的 无 线 通 信 作 简 单 介 绍 根 据 所 利 用 的 电 磁 波 的 频 率 又 可 将 无 线 通 信 分 为 无 线 电 通 信 微 波 通 信 红 外 通 信 和 激 光 通 信

72 4.1 物 理 层 67 无 线 电 通 信 (Radio) 在 无 线 电 广 播 和 电 视 广 播 中 已 广 泛 应 用 国 际 电 信 联 盟 的 ITU-R 将 无 线 电 的 频 率 划 分 为 若 干 波 段, 即 低 频 LF(Low Frequency) 中 频 MF(Medium Frequency) 高 频 HF(High Frequency) 甚 高 频 VHF(Very High Frequency) 超 高 频 UHF(Ultra High Frequency) 特 高 频 SHF(Super High Frequency) 极 高 频 EHF(Extremely High Frequency) 等 在 低 频 和 中 频 的 波 段 内, 无 线 电 波 可 轻 易 的 通 过 障 碍 物, 但 能 量 随 着 与 信 号 源 距 离 的 增 大 而 急 剧 减 少 在 高 频 和 甚 高 频 波 段 内, 地 表 电 波 会 被 地 球 吸 收, 但 也 会 被 离 地 表 数 百 千 米 的 带 电 离 子 层 ( 电 离 层 ) 反 射 回 来, 因 此 传 输 距 离 较 远 微 波 (Microwave) 通 信 通 常 是 指 利 用 在 1 GHz 范 围 内 的 电 波 来 进 行 通 信 高 频 的 微 波 和 低 频 的 无 线 电 波 不 同, 它 的 一 个 重 要 特 点 是 沿 着 直 线 传 播, 而 不 是 向 各 个 方 向 扩 散 通 过 抛 物 状 的 天 线 可 以 将 能 量 集 中 于 一 小 束 上, 以 获 得 很 高 的 信 噪 比 并 传 输 很 长 的 距 离 通 常 发 射 天 线 和 接 收 天 线 必 须 精 确 对 准, 且 由 于 微 波 是 沿 直 线 传 播 的, 而 地 球 表 面 是 曲 面, 故 直 线 传 输 的 距 离 与 天 线 塔 的 高 度 有 关, 塔 越 高 则 距 离 越 远 红 外 (Infrared) 通 信 是 利 用 红 外 线 进 行 的 通 信, 已 广 泛 应 用 于 短 距 离 的 通 信 它 要 求 有 一 定 的 方 向 性, 即 发 送 器 直 接 指 向 接 收 器 电 视 机 和 录 像 机 的 遥 控 器 就 是 应 用 红 外 通 信 的 例 子 红 外 通 信 的 发 送 和 接 收 装 置 硬 件 相 对 便 宜, 且 容 易 制 造, 也 不 需 要 天 线 许 多 便 携 机 内 部 都 已 装 备 有 红 外 通 信 的 硬 件, 利 用 它 就 可 以 与 其 他 装 有 红 外 通 信 硬 件 设 备 的 PC 机 或 工 作 站 通 信 激 光 (Laser) 能 直 接 在 空 中 传 输 而 无 需 通 过 有 形 的 光 导 体, 并 能 在 很 长 的 距 离 内 保 持 聚 焦 的 特 点, 也 可 作 为 物 理 传 输 媒 体 它 和 微 波 通 信 在 直 线 传 输 上 有 相 似 性, 但 是 和 红 外 通 信 一 样 也 不 必 经 政 府 管 理 部 门 授 权 分 配 频 率 激 光 同 样 不 能 被 遮 挡, 而 且 对 雨 雪 雾 都 比 较 敏 感, 这 限 制 了 它 的 应 用 有 时 可 用 激 光 通 信 来 连 接 不 同 建 筑 物 中 的 局 域 网 络, 这 在 建 筑 物 之 间 要 跨 越 公 共 空 间, 如 要 通 过 公 路, 因 不 会 轻 易 容 许 安 放 电 缆 时 特 别 有 用 物 理 层 功 能 1. 物 理 层 的 基 本 功 能 物 理 层 是 OSI 模 型 最 低 层, 它 向 下 直 接 与 传 输 介 质 相 连 接, 向 上 相 邻 且 服 务 于 数 据 链 路 层 它 的 作 用 是 在 数 据 链 路 层 实 体 之 间 提 供 必 需 的 物 理 连 接, 按 顺 序 传 输 数 据 比 特, 并 进 行 差 错 检 查 在 发 现 错 误 时, 向 数 据 链 路 层 提 交 报 告 物 理 层 重 点 考 虑 的 是 怎 样 才 能 在 连 接 各 种 计 算 机 的 传 输 介 质 上 传 输 数 据 的 比 特 流, 而 不 是 连 接 计 算 机 的 具 体 的 物 理 设 备 或 具 体 的 传 输 介 质 具 体 来 说, 物 理 层 协 议 要 解 决 的 是 主 机 工 作 站 等 数 据 终 端 设 备 与 通 信 线 路 上 通 信 设 备 之 间 的 接 口 问 题 按 照 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 的 术 语, 将 这 两 种 设 备 分 别 称 为 DTE 和 DCE DTE(Data Terminal Equipment) 又 称 数 据 终 端 设 备, 指 数 据 输 入 输 出 设 备 和 传 输 控 制 器 或 者 计 算 机 等 数 据 处 理 装 置 及 其 通 信 控 制 器 DCE(Data Circuit-Terminating Equipment) 又 称 数 据 电 路 端 接 设 备, 指 自 动 呼 叫 设 备 调 制 解 调 器 (Modem) 以 及 其 他 一 些 中 间 装 置 的 集 合 DTE 的 基 本 功 能 是 产 生 处 理 数 据 ;DCE 的 基 本 功 能 是 沿 传 输 介 质 发 送 和 接 收 数 据 2. 物 理 层 的 4 个 基 本 特 性 这 里 用 有 4 个 特 性 来 说 明 DTE 与 DCE 之 间 的 接 口 : 机 械 特 性

73 68 第 4 章 OSI 下 三 层 电 气 特 性 功 能 特 性 规 程 特 性 (1) 机 械 特 性 机 械 特 性 规 定 了 DTE 与 DCE 实 际 的 物 理 连 接 DTE 和 DCE 作 为 两 种 分 立 设 备, 通 常 采 用 接 插 件 实 现 机 械 上 的 互 联 机 械 特 性 详 细 说 明 了 接 插 件 的 形 状 和 尺 寸 插 头 的 数 目 排 列 方 式 以 及 插 头 和 插 座 的 尺 寸 电 缆 的 长 度 以 及 所 含 导 线 的 数 目 等 这 很 像 平 时 常 见 的 各 种 规 格 的 电 源 插 头 的 尺 寸 都 有 严 格 的 规 定 ISO 物 理 层 的 机 械 特 性 的 标 准 有 ISO 2110 ISO 2593 ISO 4092 和 ISO 4093 (2) 电 气 特 性 电 气 特 性 规 定 了 数 据 交 换 信 号 以 及 有 关 电 路 的 特 性 一 般 包 括 最 大 数 据 传 输 率 的 说 明 表 示 信 号 状 态 ( 逻 辑 电 平, 通 / 断, 传 号 / 空 号 ) 的 电 压 和 电 流 的 识 别, 即 什 么 样 的 电 压 表 示 1 或 0, 以 及 电 路 特 性 的 说 明 和 与 互 联 电 线 相 关 的 规 定 ISO 物 理 层 采 用 的 电 气 特 性 的 标 准 有 CCITT V.10/X.26 CCITT V.11/X.27 CCITT V.28 和 CCITT V.35 (3) 功 能 特 性 说 明 某 条 线 上 出 现 的 某 一 电 平 的 电 压 表 示 何 种 意 义 即 每 一 条 线 的 功 能 分 配 和 确 切 定 义 ISO 物 理 层 采 用 的 功 能 特 性 标 准 有 CCITT V.24 和 CCITTX.24 通 常 信 号 线 可 分 为 四 类 : 数 据 线 控 制 线 同 步 线 和 地 线 (4) 规 程 特 性 即 通 信 协 议, 说 明 对 于 不 同 功 能 的 各 种 可 能 事 件 的 出 现 顺 序 即 各 信 号 线 的 工 作 规 则 和 先 后 顺 序 ISO 物 理 层 采 用 的 规 程 特 性 标 准 有 CCITT X.20/21/22 和 CCITT V.24/ 物 理 层 协 议 1. 物 理 层 的 标 准 DTE 与 DCE 之 间 要 互 联, 需 遵 循 共 同 的 接 口 标 准, 这 就 是 通 常 所 说 的 物 理 层 标 准 2.EIA RS-232C 接 口 标 准 RS-232C 为 终 端 DTE 与 Modem(DCE) 间 的 物 理 层 接 口 DTE 是 数 据 终 端 设 备, 也 就 是 具 有 一 定 数 据 处 理 能 力 以 及 发 送 和 接 收 数 据 能 力 的 设 备 大 多 数 数 据 处 理 设 备 的 数 据 传 输 能 力 很 有 限, 直 接 将 相 隔 很 远 的 两 个 数 据 处 理 设 备 连 接 起 来 是 不 能 进 行 通 信 的, 必 须 在 数 据 处 理 设 备 和 传 输 线 路 之 间 加 一 个 中 间 设 备, 这 就 是 数 据 电 路 端 接 设 备 DCE (1) 机 械 特 性 采 用 ISO 2110 关 于 插 头 座 的 标 准 即 25 针 插 头 的 DB-25 插 头 座 它 的 两 个 固 定 螺 丝 中 心 之 间 的 距 离 为 mm 引 脚 分 为 上 下 两 排, 分 别 有 13 和 12 根 引 脚 (2) 电 气 特 性 与 CCITT V.28 建 议 书 一 致 即 采 用 负 逻 辑, 逻 辑 0 相 当 于 对 信 号 地 线 有 +5~+15 的 电 压, 而 逻 辑 1 相 当 于 对 信 号 地 线 有 -5~-15 的 电 压

74 4.1 物 理 层 69 (3) 功 能 特 性 与 CCITT V.24 建 议 书 一 致 各 信 号 线 的 含 义 如 图 4-4 所 示 引 脚 7 是 信 号 地, 即 公 共 回 路, 而 引 脚 1 是 保 护 地, 即 屏 蔽 地 引 脚 2 和 引 脚 3 都 是 传 送 数 据 的 数 据 线, 发 送 和 接 收 是 对 DTE 而 言 的 图 4-4 DTE 与 DCE 信 号 线 含 义 (4) 规 程 特 性 与 CCITT V.24 一 致 首 先 是 DTE 和 DCE 加 电, DTE 就 绪 和 DCE 就 绪 设 置 为 逻 辑 1 DTE 要 发 送 数 据 时, 发 送 请 求 置 为 有 效 ;DCE 在 可 以 接 收 DTE 的 数 据 时, 把 允 许 发 送 置 为 有 效 ; 随 后,DTE 通 过 发 送 进 行 数 据 发 送, 时 序 如 图 4-5 所 示 图 4-5 DTE 与 DCE 时 序 图 该 图 为 CCITT V.24 的 时 序 图, 其 信 号 线 与 RS-232C 的 对 应 关 系 是 :108/2-DTE 就 绪 (20); 107-DCE 就 绪 (6);105- 发 送 请 求 (4);109- 载 波 检 测 (8);106- 允 许 发 送 (5) 3.EIA RS449 接 口 标 准 为 了 能 在 更 大 距 离 和 更 高 速 率 上 直 接 互 联,EIA 又 制 定 了 RS449 接 口 标 准

75 70 第 4 章 OSI 下 三 层 (1) 机 械 特 性 与 CCITT V.35 一 致, 采 用 37 针 插 头 和 插 座 (2) 电 气 特 性 RS449 有 两 个 标 准 来 定 义 它 的 电 气 规 程, 分 别 是 RS422 和 RS423 RS422 标 准 是 平 衡 方 式 的, 即 所 有 电 路 共 用 一 个 公 共 地 当 连 接 电 缆 长 度 为 10 m 时, 数 据 的 传 输 速 率 可 达 300 Kb/s RS423 标 准 是 非 平 衡 方 式 的, 即 所 有 电 路 没 有 公 共 地 当 连 接 电 缆 长 度 为 10 m 时, 数 据 的 传 输 速 率 可 达 10 Mb/s (3) 功 能 特 性 各 信 号 线 的 含 义 为 了 和 RS232 兼 容,RS449 将 它 的 37 根 信 号 线 分 为 两 组, 第 一 组 的 信 号 线 可 以 在 RS232 中 找 到 对 应 的 信 号 线, 第 二 组 则 是 新 定 义 的 信 号 线 以 下 是 一 些 主 要 的 信 号 线 含 义 : 1: 保 护 地 4.22: 发 送 数 据 6.24: 接 收 数 据 7.25: 发 送 请 求 9.27: 允 许 发 送 19: 信 号 地 4.2 数 据 链 路 层 定 义 和 功 能 1. 链 路 与 数 据 链 路 链 路 就 是 一 条 无 源 的 点 到 点 的 物 理 线 路 段, 中 间 没 有 任 何 其 他 的 交 换 节 点 数 据 链 路 则 是 另 一 个 概 念 这 是 因 为 当 需 要 在 一 条 线 路 上 传 输 数 据 时, 除 了 必 须 有 一 条 物 理 线 路 外, 还 必 须 有 一 些 必 要 的 规 程 来 控 制 这 些 数 据 的 传 输 把 实 现 这 些 规 程 的 硬 件 和 软 件 加 到 链 路 上, 就 构 成 了 数 据 链 路 在 进 行 数 据 通 信 时, 两 个 计 算 机 之 间 的 通 路 往 往 是 由 许 多 的 链 路 串 接 而 成 的 可 见 一 条 链 路 只 是 一 条 通 路 的 一 个 组 成 部 分 数 据 链 路 就 像 一 个 数 字 管 道, 可 以 在 它 上 面 进 行 数 据 通 信 当 采 用 复 用 技 术 时, 一 条 链 路 上 可 以 有 多 条 数 据 链 路 2. 数 据 链 路 层 的 功 能 数 据 链 路 层 提 供 相 邻 设 备 间 的 无 差 错 数 据 传 输 它 要 完 成 如 下 功 能 : (1) 成 帧 物 理 层 以 比 特 为 单 位 进 行 数 据 传 输, 数 据 链 路 层 以 帧 为 单 位 进 行 数 据 传 输 帧 是 具 有 一 定 长 度 和 格 式 的 信 息 块, 一 般 由 一 些 字 段 和 标 志 组 成 不 同 网 络 其 帧 格 式 或 长 度 可 以 不 同, 但 将 比 特 流 分 成 帧 的 方 法 基 本 相 同 有 4 种 常 用 的 方 法 : 字 符 计 数 法 带 填 充 字 符 的 首 尾 界 符 法 带 填 充 比 特 的 首 尾 标 志 法 物 理 层 编 码 违 例 法

76 4.2 数 据 链 路 层 71 把 比 特 流 分 成 帧, 标 定 帧 的 起 始 和 结 束, 以 利 于 进 行 差 错 控 制 在 数 据 链 路 层, 数 据 的 传 送 单 位 是 帧 数 据 一 帧 一 帧 地 传 送, 就 可 以 在 出 现 差 错 时, 将 有 差 错 的 帧 重 传 一 次, 而 避 免 将 所 有 数 据 重 传, 从 而 实 现 差 错 控 制 (2) 差 错 检 测 和 纠 错 为 保 证 发 方 发 出 的 所 有 帧 都 正 确 有 序 地 交 付 给 目 标 机 网 络 层, 需 要 启 动 确 认 重 传 机 制, 由 收 方 向 发 方 提 供 有 关 接 收 情 况 的 反 馈 信 息 如 果 发 方 收 到 肯 定 确 认, 则 知 道 此 帧 已 正 确 到 达 ; 若 收 到 否 定 确 认, 则 意 味 着 需 重 传 此 帧 同 时, 为 防 止 丢 失 帧 所 引 起 的 错 误, 需 设 置 定 时 器 当 发 方 等 待 足 够 的 时 间 还 未 收 到 接 收 方 发 回 的 确 认 帧, 则 可 能 是 所 传 帧 或 者 是 确 认 帧 丢 失, 解 决 的 方 法 是 重 传 此 帧 ( 返 回 N 协 议 和 选 择 重 传 ) 多 次 传 送 同 一 帧 的 危 险 是 收 方 可 能 收 到 重 复 帧 ; 为 防 止 这 种 情 况 发 生, 可 为 发 出 的 各 帧 编 号, 使 收 方 能 够 辨 别 是 重 复 帧 还 是 新 帧, 从 而 保 证 每 帧 最 终 交 付 给 目 标 网 络 层 一 次 通 常 利 用 检 错 码 (Error-Detecting Codes) 和 纠 错 码 (Error-Correcting Codes) 来 控 制 传 送 差 错 在 计 算 机 通 信 中, 一 般 都 要 求 有 极 低 的 比 特 差 错 率, 因 此, 广 泛 地 采 用 了 编 码 技 术 有 两 类 编 码 : 一 类 是 检 错 码, 即 收 方 可 以 检 测 出 收 到 的 帧 中 有 差 错, 但 不 知 道 错 在 哪 ; 另 一 类 是 纠 错 码, 即 收 方 收 到 有 差 错 的 数 据 帧 时, 能 够 自 动 将 差 错 改 正 过 来 (3) 流 量 控 制 数 据 链 路 层 必 须 控 制 链 路 上 的 数 据 流 量, 保 证 发 送 与 接 收 速 度 匹 配, 防 止 出 现 发 送 速 度 超 过 接 收 能 力 的 现 象, 以 免 丢 失 数 据 大 多 数 流 量 控 制 方 法 的 基 本 原 理 都 是 相 同 的, 都 需 要 启 用 反 馈 机 制, 使 发 方 直 接 或 是 间 接 地 获 得 收 方 指 示 的 发 送 时 机 在 未 得 到 允 许 前, 禁 止 发 出 帧 如 单 工 停 协 议 滑 动 窗 口 协 议 等 发 方 的 发 送 速 率 必 须 小 于 等 于 收 方 的 接 收 速 率, 否 则 会 浪 费 网 络 资 源, 增 加 网 络 负 担 流 量 控 制 就 是 对 发 方 的 发 送 速 率 进 行 控 制 (4) 介 质 访 问 控 制 (MAC, Medium Access Control) 广 播 信 道 中 的 信 道 分 配 控 制 如 FDM(Frequency Division Multiplexing) CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 等 数 据 链 路 层 协 议 基 本 原 理 数 据 链 路 层 协 议 有 时 也 称 为 通 信 控 制 规 程 它 是 为 了 实 现 传 输 控 制 所 制 定 的 一 些 规 格 和 顺 序 通 用 性 比 较 强 的 计 算 机 网 络 通 信 规 程 主 要 有 : 美 国 国 家 标 准 协 会 (ANSI) 提 出 的 高 级 数 据 通 信 控 制 规 程 ADCCP 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 推 荐 的 高 级 数 据 链 路 控 制 规 程 HDLC 国 际 电 报 电 话 咨 询 委 员 会 (CCITT) 发 表 的 X.25 建 议 书 通 信 控 制 规 程 归 纳 起 来 可 分 两 大 类 : 面 向 字 符 型 和 面 向 比 特 型 1. 面 向 字 符 型 规 程 所 谓 面 向 字 符 就 是 说 在 链 路 上 所 传 送 的 数 据 必 须 是 由 规 定 字 符 集 ( 如 ASCII) 中 的 字 符 所 组 成 在 链 路 上 传 送 的 控 制 信 息 也 必 须 由 同 一 个 字 符 集 中 的 若 干 指 定 的 控 制 字 符 构 成 最 典 型 的 面 向 字 符 的 协 议 是 IBM 的 BSC 协 议 ( 二 进 制 同 步 通 信 )

77 72 第 4 章 OSI 下 三 层 2. 面 向 比 特 型 规 程 在 面 向 比 特 型 通 信 控 制 规 程 中, 报 文 的 数 据 和 控 制 信 息 完 全 独 立, 具 有 良 好 的 透 明 性 ; 差 错 检 验 一 般 采 用 纠 错 码 方 式, 可 靠 性 强 ; 在 链 路 上 可 进 行 信 息 连 接 和 双 向 发 送, 传 输 效 率 高 ; 信 息 传 输 都 统 一 以 帧 为 单 位, 控 制 简 单 同 步 和 异 步 主 要 区 别 在 字 符 之 间 同 步 协 议 由 于 要 求 接 收 器 能 从 输 入 数 据 中 分 离 出 时 钟, 实 现 起 来 较 复 杂, 这 个 功 能 通 常 由 调 制 解 调 器 来 完 成, 但 是 同 步 协 议 能 更 有 效 的 利 用 信 道 1. 异 步 协 议 基 本 原 理 异 步 协 议 把 每 个 字 符 看 做 一 个 独 立 的 信 息, 在 每 个 字 符 的 起 始 处 同 步, 但 各 个 字 符 之 间 的 间 隔 时 间 是 可 以 变 化 的 由 于 发 送 器 和 接 收 器 近 似 于 同 一 频 率 的 两 个 时 钟 ( 要 两 个 时 钟 频 率 严 格 相 同 是 不 可 能 的 ), 能 够 在 一 段 时 间 内 保 持 同 步, 故 可 以 用 字 符 起 始 处 同 步 的 时 钟 来 采 样 该 字 符 的 各 比 特, 而 不 需 要 为 每 一 比 特 同 步 2. 同 步 协 议 基 本 原 理 同 步 协 议 则 把 许 多 字 符 组 织 成 一 个 数 据 块 ( 即 帧 ), 在 该 数 据 块 的 起 始 处 同 步, 而 后 面 维 持 固 定 的 时 钟, 实 际 上 是 发 送 端 通 过 某 种 技 术 将 时 钟 混 合 到 数 据 中 一 起 发 送 出 来, 而 接 收 端 又 从 输 入 数 据 中 分 离 出 时 钟 来 该 时 钟 不 但 用 来 定 时 字 符 内 的 各 比 特, 也 用 来 定 时 字 符 本 身 滑 动 窗 口 协 议 的 基 本 原 理 滑 动 窗 口 协 议 的 基 本 原 理 就 是 在 任 意 时 刻, 发 送 方 都 维 持 了 一 个 连 续 的 允 许 发 送 的 帧 的 序 号, 称 为 发 送 窗 口 ; 同 时, 接 收 方 也 维 持 了 一 个 连 续 的 允 许 接 收 帧 的 序 号, 称 为 接 收 窗 口 发 送 窗 口 和 接 收 窗 口 的 序 号 的 上 下 界 不 一 定 要 一 样, 甚 至 大 小 也 可 以 不 同 不 同 的 滑 动 窗 口 协 议 窗 口 大 小 一 般 不 同 1. 比 特 滑 动 窗 口 协 议 当 发 送 窗 口 和 接 收 窗 口 的 大 小 固 定 为 1 时, 滑 动 窗 口 协 议 退 化 为 停 等 协 议 (Stop And Wait) 该 协 议 规 定 发 送 方 每 发 送 一 帧 后 就 要 停 下 来, 等 待 接 收 方 已 正 确 接 收 的 确 认 (Acknowledgement) 返 回 后 才 能 继 续 发 送 下 一 帧 由 于 接 收 方 需 要 判 断 接 收 到 的 帧 是 新 发 的 帧 还 是 重 新 发 送 的 帧, 因 此 发 送 方 要 为 每 一 个 帧 加 一 个 序 号 由 于 停 等 协 议 规 定 只 有 一 帧 完 全 发 送 成 功 后 才 能 发 送 新 的 帧, 因 而 只 用 一 比 特 来 编 号 就 够 了 其 发 送 方 和 接 收 方 运 行 的 流 程 图 如 图 4-6 所 示

78 4.2 数 据 链 路 层 73 图 4-6 比 特 滑 动 窗 口 协 议 发 送 和 接 收 流 程 图 从 停 等 协 议 的 流 程 图 可 知 发 送 方 和 接 收 方 唯 一 的 联 系 是 发 送 方 必 须 等 到 收 到 接 收 方 的 确 认 才 能 继 续 往 下 走, 否 则 只 能 循 环 等 待 收 发 双 方 各 设 置 一 个 1 比 特 的 本 地 状 态 变 量, 对 状 态 变 量 需 要 注 意 几 点 : 1 发 送 端 每 发 一 帧 数 据, 都 要 将 发 送 状 态 变 量 的 值 写 到 数 据 帧 的 发 送 序 号 上, 但 只 有 收 到 一 个 确 认 帧 ACK 后, 才 更 新 发 送 状 态 变 量 一 次 和 发 送 新 的 数 据 帧 ; 2 在 接 收 端 每 接 收 一 个 数 据 帧, 就 要 将 数 据 帧 上 的 发 送 序 号 和 本 地 的 接 收 状 态 变 量 进 行 比 较, 若 二 者 相 等, 则 为 新 的 数 据 帧, 否 则 为 重 复 帧 ; 3 当 收 到 无 差 错 的 新 的 数 据 帧 时, 接 收 端 除 将 其 交 主 机 外, 还 需 将 接 收 状 态 变 量 更 新 一 次 ; 4 接 收 端 若 收 到 一 个 无 差 错 的 重 复 帧, 则 丢 弃 之, 且 接 收 状 态 变 量 不 变, 但 要 向 发 送 端 发 一 个 确 认 帧 ACK 发 送 端 在 发 完 数 据 帧 时, 必 须 在 其 发 送 缓 冲 区 中 保 留 数 据 帧 的 副 本, 以 供 出 现 差 错 时 进 行 重 发, 只 有 收 到 对 方 发 来 的 确 认 帧 ACK 后, 方 可 清 除 副 本 2. 后 退 n 协 议 由 于 停 等 协 议 要 为 每 一 个 帧 进 行 确 认 后 才 继 续 发 送 下 一 帧, 大 大 降 低 了 信 道 利 用 率, 因 此 又 提 出 了 后 退 n 协 议 后 退 n 协 议 中, 发 送 方 在 发 完 一 个 数 据 帧 后, 不 停 下 来 等 待 应 答 帧, 而 是 连 续 发 送 若 干 个 数 据 帧, 即 使 在 连 续 发 送 过 程 中 收 到 了 接 收 方 发 来 的 应 答 帧, 也 可 以 继 续 发 送 即 发 送 窗 口 的 大 小 为 k, 接 收 窗 口 仍 是 1 由 于 减 少 了 等 待 时 间, 必 然 提 高 通 信 的 吞 吐 量 和 信 道 利 用 率 设 节 点 A 向 节 点 B 发 0 号 帧 后, 连 续 发 送 后 继 的 1 号 帧 和 2 号 帧, 由 于 发 方 连 续 发 送 了 多 帧, 所 以 收 方 的 应 答 帧 应 编 号, 说 明 是 对 哪 一 帧 的 确 认 与 否 认, 现 在 设 1 号 帧 出 了 差 错,

79 74 第 4 章 OSI 下 三 层 节 点 B 发 送 否 认 帧 NAK1, 当 NAK1 到 达 节 点 A 时, 节 点 A 刚 好 发 完 3 号 帧, 所 以 节 点 A 接 着 重 发 1 号 帧 在 这 期 间, 虽 然 在 1 号 帧 后, 节 点 B 正 确 地 接 收 了 2 个 帧, 由 于 它 们 的 发 送 序 号 都 不 是 1 号, 所 以 和 1 号 帧 一 起 被 丢 弃, 这 样 节 点 A 尽 管 已 发 完 3 号 帧, 但 必 须 后 退, 从 1 号 帧 开 始 重 发 这 也 是 后 退 n 协 议 名 字 的 由 来 由 此 可 见, 接 收 端 只 按 序 接 收 数 据 帧 虽 然 在 有 差 错 的 1 号 帧 之 后 接 着 又 收 到 了 正 确 的 2 个 数 据 帧, 但 都 必 须 将 它 们 丢 弃, 因 为 这 些 帧 的 发 送 序 号 都 不 是 所 需 的 1 号 发 送 方 在 每 发 送 完 一 个 数 据 帧 时 都 要 设 置 超 时 定 时 器 只 要 在 所 设 置 的 超 时 时 间 超 时 而 仍 未 收 到 确 认 帧, 就 要 重 发 相 应 的 数 据 帧 在 等 不 到 1 号 帧 的 确 认 而 重 发 1 号 数 据 帧 时, 虽 然 节 点 A 已 经 发 完 了 3 号 帧, 但 仍 必 须 向 回 走, 将 1 号 帧 及 其 以 后 的 各 帧 全 部 进 行 重 传 从 这 里 不 难 看 出, 后 退 n 协 议 一 方 面 因 连 续 发 送 数 据 帧 而 提 高 了 效 率, 但 另 一 方 面, 在 重 传 时 又 必 须 把 原 来 已 正 确 传 送 过 的 数 据 帧 进 行 重 传 ( 仅 因 这 些 数 据 帧 之 前 有 一 个 数 据 帧 出 了 错 ), 这 种 做 法 又 使 传 送 效 率 降 低 由 此 可 见, 若 传 输 信 道 的 传 输 质 量 很 差 因 而 误 码 率 较 大 时, 连 续 测 协 议 不 一 定 优 于 停 等 协 议 3. 选 择 重 传 协 议 在 后 退 n 协 议 中, 接 收 方 若 发 现 错 误 帧 就 不 再 接 收 后 续 的 帧, 即 使 是 正 确 到 达 的 帧, 这 显 然 是 一 种 浪 费 另 一 种 更 好 的 方 法 是 : 若 某 一 帧 出 错, 后 面 送 来 的 正 确 的 帧 虽 然 不 能 立 即 送 主 机, 但 接 收 方 仍 可 收 下 来, 放 在 一 个 缓 冲 区 中, 同 时 要 求 发 送 方 重 新 传 送 出 错 的 那 一 帧, 一 旦 收 到 重 传 的 帧 后, 就 可 以 与 原 先 已 收 到 但 暂 存 在 缓 冲 区 中 的 其 余 帧 一 起 按 正 确 的 顺 序 送 主 机, 这 就 是 选 择 重 传 协 议 即 发 送 窗 口 和 接 收 窗 口 均 大 于 1, 如 图 4-7 所 示 图 4-7 选 择 重 传 协 议 HDLC 的 基 本 工 作 原 HDLC(High-level Data Link Control) 最 早 是 由 IBM 提 出 的 面 向 比 特 的 同 步 数 据 链 路 控 制 (SDLC) 发 展 而 来 的, 它 是 一 个 面 向 比 特 的 数 据 链 路 层 协 议, 完 成 流 量 控 制 功 能 CCITT 修 改 了 HDLC, 称 为 LAP(Link Access Procedure), 作 为 X.25 网 络 接 口 一 部 分 1. 配 置 和 方 式 链 路 有 两 种 基 本 配 置, 即 非 平 衡 配 置 和 平 衡 配 置 在 非 平 衡 配 置 中, 每 条 链 路 有 一 个 主 站 (Primary Station) 控 制 整 个 链 路 的 工 作 主 站 发 出 的 帧 叫 做 命 令 (Command) 受 控 的 各 站 叫 做 次 站 或 从 站 (Secondary Station) 次 站 发 出 的

80 4.2 数 据 链 路 层 75 帧 叫 做 响 应 (Response) 可 以 是 点 对 点 工 作, 也 可 以 多 点 工 作 在 平 衡 配 置 中, 链 路 两 端 的 两 个 站 都 是 复 合 站 (Combined Station) 复 合 站 同 时 具 有 主 站 和 次 站 的 功 能, 因 此 每 个 战 都 可 以 发 出 命 令 和 响 应, 它 只 能 点 对 点 工 作, 如 图 4-8 所 示 对 于 非 平 衡 配 置, 可 以 有 两 种 数 据 传 输 方 式 最 常 用 的 是 正 常 响 应 方 式 NRM(Normal Response Mode), 其 特 点 是 只 有 主 站 才 能 发 起 向 次 站 的 数 据 传 输, 而 次 站 只 有 在 主 站 向 它 发 起 命 令 帧 进 行 轮 询 (Poll) 时 才 能 以 响 应 帧 的 形 式 回 答 主 站 另 一 种 是 异 步 响 应 模 式 ARM (Asynchronous Response Mode) 这 种 方 式 允 许 次 站 发 起 向 主 站 的 数 据 传 输, 即 次 站 不 需 要 等 待 主 站 发 过 来 的 命 令, 而 是 可 以 主 动 向 主 站 发 送 响 应 帧 但 是, 主 站 仍 负 责 整 个 系 统 的 初 始 化 链 路 的 建 立 和 释 放, 以 及 差 错 恢 复 等 对 于 平 衡 配 置, 只 有 异 步 平 衡 方 式 ABM(Asynchronous Balanced Mode), 其 特 点 是 每 个 复 合 站 都 可 以 平 等 地 发 起 数 据 传 输, 而 不 需 要 得 到 对 方 复 合 站 的 允 许 图 4-8 非 平 衡 配 置 和 平 衡 配 置 2.HDLC 的 帧 结 构 HDLC 帧 格 式 包 括 标 志 字 段 地 址 字 段 控 制 字 段 数 据 和 校 验 和, 如 图 4-9 所 示 图 4-9 HDLC 的 帧 结 构 (1) 标 志 字 段, 用 于 确 定 帧 的 起 始 和 结 束, 以 进 行 帧 同 步 和 准 确 识 别 长 度 可 变 的 帧 在 两 个 标 志 字 段 之 间 的 比 特 串 中, 如 果 碰 巧 出 现 了 和 标 志 字 段 一 样 的 组 合, 就 会 被 误 认 为 虑 帧 边 界 为 了 避 免 这 种 错 误,HDLC 采 用 比 特 填 充 法 使 一 个 帧 中 两 个 标 志 字 段 之 间 不 会 出 现 6 个 连 续 的 1 具 体 做 法 是 在 发 送 端, 在 加 标 志 字 段 之 前, 先 对 比 特 串 扫 描, 若 发 现 5 个 连 续 的 1, 立 即 在 其 后 加 一 个 0 在 接 收 端 收 到 帧 后, 去 掉 头 尾 的 标 志 字 段, 对 比 特 串 进 行 扫 描, 当 发 现 5 个 连 续 的 1 时, 立 即 删 除 其 后 的 0, 这 样 就 还 原 成 原 来 的 比 特 流 了 (2) 地 址 该 字 段 始 终 存 放 的 是 响 应 站 的 地 址 在 使 用 非 平 衡 方 式 传 送 数 据 时, 地 址 字 段 总 是 填 入

81 76 第 4 章 OSI 下 三 层 次 站 的 地 址 在 平 衡 方 式 时, 地 址 字 段 总 是 填 入 响 应 站 的 地 址 因 此, 该 字 段 也 可 用 来 区 分 命 令 和 应 答 若 发 送 的 帧 的 地 址 字 段 中 的 地 址 不 是 自 己, 则 是 命 令 帧 ; 若 是 自 己, 则 是 响 应 帧 全 1 是 广 播 地 址, 全 0 是 无 效 地 址 (3) 控 制 用 于 序 号 和 帧 类 型 表 示, 如 图 4-10 所 示 图 4-10 控 制 字 段 的 结 构 (4) 数 据 数 据 字 段 用 于 传 输 用 户 数 据 数 据 链 路 对 HDLC 提 供 完 全 透 明 的 信 息 传 输, 数 据 字 段 可 由 任 意 比 特 组 成, 其 长 度 在 理 论 上 没 有 限 制 但 实 际 上 常 受 下 列 因 素 的 制 约, 如 帧 检 验 字 段 的 检 错 能 力, 数 据 传 输 率, 通 信 站 缓 冲 器 大 小, 等 等 因 此 在 实 际 应 用 中, 常 根 据 上 述 因 素 综 合 权 衡, 规 定 出 一 帧 的 总 长 度 和 对 超 长 帧 的 处 理 办 法 目 前 国 际 上 用 的 最 多 的 是 1 000~2 000 位 左 右 的 长 度 在 X.25 协 议 中, 信 息 字 段 的 最 大 长 度 一 般 为 128 字 节 或 256 字 节 (5) 校 验 和 帧 校 验 和 字 段 共 16 比 特, 采 用 循 环 冗 余 校 验 方 法, 用 来 检 查 所 接 收 的 信 息 是 否 在 传 输 过 程 中 发 生 了 差 错 生 成 多 项 式 是 CRC-CCITT: x 16 + x 12 + x 校 验 的 范 围 包 括 地 址 字 段 到 信 息 字 段 的 全 部 比 特 位 在 HDLC 协 议 中 定 义 了 3 种 类 型 的 帧, 分 别 是 信 息 帧 监 控 帧 和 无 编 号 帧 各 类 帧 由 帧 内 控 制 字 段 的 不 同 编 码 来 区 分 当 第 1 比 特 为 0 时, 标 志 该 帧 为 信 息 帧, 用 来 传 送 用 户 数 据 当 第 1,2 比 特 为 10 时, 标 志 该 帧 为 监 控 帧, 用 来 监 控 数 据 链 路, 传 送 接 收 站 发 出 的 应 答 信 息 当 第 1,2 比 特 为 11 时, 标 志 此 帧 为 无 编 号 帧, 用 来 传 送 命 令 和 其 他 控 制 信 息, 以 控 制 数 据 链 路 的 建 立 拆 除, 并 处 理 系 统 错 误 等 除 信 息 帧 外, 其 他 两 类 帧 均 没 有 数 据 字 段, 如 图 4-11 所 示

82 4.2 数 据 链 路 层 77 图 4-11 在 控 制 字 段 中 的 帧 类 型 (1) 信 息 帧 (Information) 用 于 传 送 用 户 数 据 信 息 帧 控 制 字 段 的 第 2,3,4 比 特 为 发 送 帧 序 号 N(S) 它 是 由 发 送 方 在 发 送 该 帧 前 填 入 的, 用 来 供 收 发 双 方 检 查 是 否 有 遗 漏 或 重 复 帧 发 生 为 减 少 序 号 所 占 用 的 比 特 数, 发 送 序 号 通 常 采 用 模 8 运 算, 必 要 时 ( 如 使 用 卫 星 信 道 ) 也 可 采 用 模 128 运 算 信 息 帧 控 制 字 段 的 第 6,7,8 比 特 为 接 收 帧 序 号 N(R) 它 是 由 接 收 方 填 入 的, 代 表 了 接 收 方 期 望 接 收 的 下 一 帧 序 号 即 在 该 帧 发 出 前, 接 收 方 已 正 确 收 到 序 号 N(R) 之 前 的 所 有 信 息 帧, 发 送 方 应 当 向 接 收 方 发 送 N(S)=N(R) 的 信 息 帧, 可 见 N(R) 具 有 应 答 意 义 由 N(s) 和 N(R) 编 号 可 看 出 HDLC 适 合 于 全 双 工 通 信, 它 允 许 在 发 送 信 息 的 同 时, 捎 带 应 答 信 息 控 制 字 段 的 P/F 比 特, 在 命 令 帧 中 称 为 P 比 特, 在 响 应 帧 中 称 F 比 特, 用 来 标 识 通 信 站 之 间 的 命 令 - 响 应 信 息 对 在 HDLC 协 议 中,P=1 为 主 站 询 问 次 站 是 否 有 数 据 要 发 ;F=1 为 次 站 响 应 主 站 有 数 据 要 发,P 与 F 是 成 对 出 现 的 次 站 响 应 主 站 询 问 之 后, 开 始 向 主 站 发 送 信 息 帧, 并 置 所 发 信 息 帧 的 P/F 比 特 为 0, 直 至 信 息 全 部 发 完, 才 置 最 后 一 个 信 息 帧 的 P/F 比 特 为 1, 通 知 主 站 数 据 发 送 完 毕 信 息 帧 中 的 P/F 比 特 与 监 控 帧 中 的 P/F 比 特 意 义 相 同 (2) 监 控 帧 (Supervisory) 用 于 监 控 链 路 的 常 规 操 作 其 控 制 字 段 的 前 1,2 比 特 为 10, 第 3, 4 比 特 为 TYPE 字 段, 有 四 种 编 码, 分 别 用 来 表 示 四 种 不 同 含 义 和 作 用 的 监 控 帧 :RR 帧 REJ 帧 RNR 帧 和 SREJ 帧 监 控 帧 中 的 N(R) 字 段 也 是 接 收 帧 序 号, 但 它 的 具 体 含 义 随 TYPE 字 段 值 的 不 同 而 不 同 1RR(Receive Ready) 帧, 又 称 接 收 就 绪 帧 其 TYPE 字 段 值 为 00, 是 对 发 送 方 的 肯 定 应 答 该 帧 中 的 N(R) 是 接 收 方 等 待 接 收 的 下 一 帧 号, 表 示 接 收 方 已 正 确 接 收 编 号 在 N(R) 之 前 的 所 有 帧, 请 求 发 送 方 发 送 N(S)=N(R) 的 帧 2REJ(REJect) 帧, 又 称 否 定 应 答 帧 其 TYPE 字 段 值 为 10 在 接 收 到 失 序 帧 后, 用 它 来 请 求 发 送 方 重 发 编 号 为 N(R) 的 帧, 同 时 确 认 编 号 直 到 N(R)-1 的 所 有 信 息 已 正 确 收 到 3RNR(Receive Not Ready) 帧, 又 称 接 收 器 未 就 绪 帧 其 TYPE 字 段 值 为 01 用 来 表 示 接 收 方 处 于 繁 忙 状 态, 暂 时 无 力 接 收 信 息 帧 发 送 站 收 到 这 类 应 答 帧 后, 即 暂 停 发 送 信 息 帧 直 至 收 到 RR 帧 或 REJ 帧 再 恢 复 发 送 N(R) 值 代 表 它 之 前 的 所 有 帧 已 收 妥 4SREJ(Select REJect) 帧, 又 称 选 择 拒 绝 接 收 帧 其 TYPE 字 段 值 为 11 接 收 站 用 此 帧 通 知 发 送 站 仅 重 发 编 号 为 N(R) 的 信 息 帧

83 78 第 4 章 OSI 下 三 层 (4) 无 编 号 帧 (Unnumbered) 因 这 类 帧 中 没 有 N(R),N(S) 编 号, 所 以 称 为 无 编 号 帧 它 被 用 来 传 递 命 令 / 响 应 等 各 种 控 制 信 息 用 于 附 加 的 链 路 控 制 功 能, 如 宣 布 停 机 重 置 线 路 帧 拒 绝 无 序 号 确 认 等, 且 在 传 输 中 优 先 无 编 号 帧 控 制 字 段 的 第 1,2 比 特 为 11, 第 5 比 特 为 0, 第 3,4,6,7,8 比 特 为 命 令 / 响 应 编 码, 共 可 发 32 种 命 令 / 响 应 3. 信 息 交 换 控 制 过 程 控 制 HDLC 是 典 型 的 面 向 连 接 的 全 双 工 通 信, 在 进 行 信 息 交 换 时 首 先 需 要 建 立 数 据 链 路, 然 后 进 行 链 路 的 维 持 ( 传 输 数 据 ), 最 后 释 放 数 据 链 路 (1) 链 路 的 建 立 和 释 放 假 设 在 非 平 衡 配 置 中, 主 站 A 要 和 从 站 B 进 行 通 信,A 首 先 发 送 一 个 无 编 号 帧 给 B, 在 地 址 字 段 填 写 的 是 B 的 地 址, 控 制 字 段 M 比 特 的 组 合 为 SNRM 命 令,P/F 比 特 为 1 表 示 P 轮 询 ( 以 下 用 B,SNRM,P 表 示 ), 从 站 B 收 到 请 求 后 以 无 编 号 帧 (B,UA,F) 作 为 响 应, 数 据 链 路 建 立 完 成 信 息 传 输 完 成 后, 主 站 A 向 从 站 B 发 送 无 编 号 帧 (B,DISC,P) 请 求 释 放 连 接,B 向 A 发 送 无 编 号 帧 (B,UA,F) 进 行 确 认, 数 据 链 路 释 放 (2) 链 路 的 维 持 在 此 阶 段 双 方 发 送 的 是 信 息 帧 和 监 督 帧 假 设 A 和 B 构 成 的 平 衡 配 置 进 行 全 双 工 通 信, A 站 发 送 信 息 帧 (B,I00,P), I00 表 示 信 息 帧 控 制 字 段 N(S)N(R)=00, 然 后 继 续 发 送 信 息 帧 (B,I10)( B, I20), 这 时 B 站 发 送 的 信 息 帧 (A,I00) 到 达,A 站 接 收 该 帧 后 发 送 信 息 帧 (B,I31,F), 表 示 A 发 送 序 号 为 3 的 信 息, 期 待 接 收 B 的 序 号 为 1 的 信 息 这 时 如 果 B 站 发 送 的 信 息 帧 (A,I10,P) 到 达,A 站 以 监 督 帧 (A,RR2,F) 进 行 响 应, 表 示 期 望 接 收 B 的 第 2 帧, 第 2 帧 以 前 的 各 帧 已 经 接 收 差 错 校 验 方 法 对 差 错 进 行 校 验, 这 里 有 两 种 方 式 : 自 动 请 求 重 发 和 前 向 纠 错 自 动 请 求 重 发 是 由 发 送 端 发 出 能 够 发 现 ( 检 测 ) 出 错 误 的 码 组, 接 收 端 根 据 该 码 的 编 码 规 则, 判 定 传 输 中 有 无 差 错 产 生, 并 通 过 反 馈 信 道 把 判 定 结 果 告 诉 发 送 端 发 送 端 则 根 据 反 馈 的 结 果 把 有 错 的 信 息 重 发, 直 到 接 收 正 确 为 止 前 向 纠 错 是 由 发 送 端 发 送 能 够 纠 错 的 码 ( 即 纠 错 码 ), 接 收 端 收 到 的 纠 错 码 后, 通 过 纠 错 译 码 器 不 仅 能 自 动 地 发 现 差 错, 而 且 能 自 动 地 对 其 进 行 纠 正 ; 然 后, 再 把 纠 正 过 的 信 息 ( 或 数 据 ) 送 给 主 机 这 种 方 式 的 优 点 是 不 需 要 反 馈 信 道 但 缺 点 是 译 码 设 备 比 较 复 杂, 所 选 用 的 纠 错 码 必 须 与 信 道 中 干 扰 情 况 紧 密 对 应, 而 且 为 了 纠 正 比 较 多 的 差 错, 所 要 求 附 加 的 冗 余 码 比 检 验 码 所 用 的 冗 余 码 要 多 得 多, 因 而 降 低 了 传 输 效 率 鉴 于 这 些 因 素, 所 以 这 种 方 法 不 能 被 广 泛 地 应 用 1. 差 错 检 测 码 典 型 的 差 错 检 测 码 有 奇 偶 校 验 码 和 循 环 冗 余 码 两 种 (1) 奇 偶 校 验 码 在 有 效 信 息 比 特 之 前 或 之 后, 增 加 一 比 特 校 验 位, 就 可 构 成 奇 偶 校 验 码 若 增 加 一 比 特 后 码 字 中 1 的 个 数 为 奇 数, 则 称 为 奇 检 验 ; 若 增 加 一 比 特 后 码 字 中 1 的 个 数 为 偶 数,

84 4.2 数 据 链 路 层 79 则 称 为 偶 校 验 设 信 息 比 特 为 b1~b8, 校 验 比 特 为 b9, 则 奇 校 验 方 程 式 : b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9=1 偶 校 验 方 程 式 : b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9=0 校 验 比 特 的 逻 辑 表 达 式 为 奇 校 验 比 特 : b9=b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 偶 校 验 比 特 : b9=b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 例 如, 需 发 送 的 数 据 为 , 在 奇 校 验 中, 需 要 在 末 尾 加 0, 变 为 ; 在 偶 校 验 中, 需 要 在 末 尾 加 1, 变 为 这 样, 若 在 传 输 过 程 中 有 1 比 特 出 错, 即 由 1 变 为 0 或 由 0 变 为 1, 接 收 方 将 通 过 码 字 中 1 的 个 数 判 断 ( 只 能 检 测 奇 数 个 比 特 出 错, 不 能 检 测 偶 数 个 比 特 出 错 ) ( 2 ) 循 环 冗 余 码 奇 偶 检 验 码 虽 然 简 单, 但 漏 检 率 太 高 目 前 应 用 广 泛 的 差 错 检 测 码 是 循 环 冗 余 码, 循 环 冗 余 码 又 称 为 多 项 式 码 这 是 因 为 任 何 一 个 二 进 制 数 比 特 串 组 成 的 代 码 都 可 以 和 一 个 只 含 有 0 和 1 两 个 系 数 的 多 项 式 建 立 一 一 对 应 的 关 系 例 如, 代 码 对 应 的 多 项 式 为 x + x + x + 1, 而 多 项 式 x + x + x + x对 应 的 代 码 为 首 先, 发 送 方 和 接 收 方 必 须 事 先 约 定 一 个 生 成 多 项 式 G(x), 该 生 成 多 项 式 的 最 高 比 特 和 最 低 比 特 必 须 为 1 设 要 发 送 的 信 息 为 K(x), 加 在 信 息 比 特 后 面 的 校 验 比 特 为 R(x), 因 此 循 环 码 的 编 码 过 程 就 是 由 K(x) 和 G(x) 求 R(x) 的 过 程 接 收 方 收 到 带 有 校 验 码 的 数 据 T(x) 时 用 G(x) 去 除 T(x), 若 为 0, 表 示 没 有 出 错 因 此 发 送 方 生 成 R(x) 的 方 法 是 用 G(x) 去 除 r x *K(x) 得 到 的 余 数 就 是 R(x)(r 为 余 数 的 比 特 数 ) 6 4 例 如, 信 息 比 特 : K( x) = x + x + 1; 生 成 多 项 式 G(x)= x 4 + x 2 +x+1(10111), 取 r=4, 则 用 去 除 T(x)= 差 错 校 正 码 4 x *K(x)( ), 余 数 为 1101, 即 为 冗 余 校 验 码 典 型 的 差 错 校 正 码 有 海 明 码 它 是 一 种 可 以 纠 正 一 比 特 差 错 的 编 码 (1) 海 明 不 等 式 海 明 不 等 式 是 关 于 信 息 比 特 数 与 校 验 比 特 数 的 关 系 不 等 式 设 信 息 比 特 数 为 k, 校 验 比 特 数 为 r, 则 校 验 码 的 长 度 或 称 码 长 n=k+r r 比 特 冗 余 代 码 实 际 上 构 成 一 个 有 别 于 有 效 数 据 信 息 的 字, 称 为 指 误 字, 用 来 指 示 信 息 传 送 中 发 生 错 误 的 比 特 长 度 为 r 的 指 误 字 共 有 2r 个 状 态 其 中 全 0 状 态 可 用 来 表 示 无 错, 余 下 的 2 r- 1 个

85 80 第 4 章 OSI 下 三 层 状 态 可 用 来 指 示 哪 一 比 特 出 错 注 意 若 校 验 比 特 本 身 出 错 也 应 能 指 示 出 来 这 样 一 来, 需 要 指 示 出 错 的 比 特 数 就 是 整 个 校 验 码 的 长 度 n=k+r 若 r 增 加, 固 然 2r-l 随 之 增 加, 但 同 时 k+r 也 增 加 这 意 味 着 存 在 一 个 最 小 的 r 值, 能 够 指 示 出 整 个 校 验 码 中 哪 一 比 特 出 错 的 全 部 可 能 情 况 所 以, 为 了 能 检 测 并 纠 正 一 比 特 错, 信 息 比 特 数 k 与 校 验 比 特 数 r 必 须 满 足 如 下 的 不 等 式 : k+r<2r-1 上 式 称 为 海 明 不 等 式 利 用 海 明 不 等 式, 若 已 知 信 息 比 特 数 k, 便 可 计 算 出 需 要 的 校 验 比 特 数 r; 或 者 在 给 定 总 比 特 数 n 的 条 件 下, 计 算 出 能 够 用 作 信 息 比 特 的 比 特 数 k 由 于 二 者 的 关 系 是 一 个 不 等 式, 因 而 在 一 个 最 小 的 r 值 下, 允 许 信 息 比 特 数 k 在 一 个 范 围 内 变 化, 不 等 式 仍 然 满 足 若 k=4, 则 r>=3, 取 r=3, 则 n=7 海 明 校 验 实 质 上 是 一 种 多 重 奇 偶 校 验 校 验 比 特 的 生 成 方 法 类 似 于 奇 偶 校 验 码, 也 采 用 异 或 运 算 ; 与 奇 偶 校 验 码 不 同 的 是, 海 明 码 是 一 种 线 性 码, 每 一 校 验 值 的 生 成 只 涉 及 一 部 分 信 息 值, 即 校 验 方 程 是 一 种 线 性 模 2 加 的 形 式 各 个 信 息 比 特 则 参 加 两 个 或 两 个 以 上 的 校 验 码 生 成 这 里 的 所 谓 编 码 就 是 在 上 述 条 件 下 如 何 生 成 校 验 比 特 以 及 对 信 息 比 特 和 校 验 比 特 的 排 列 作 出 适 当 的 选 择 海 明 码 的 编 码 方 案 有 多 种 为 了 使 出 错 时 的 指 误 字 能 够 直 观 地 指 示 出 究 竟 是 哪 一 比 特 错, 可 采 用 以 下 介 绍 的 方 法, 这 种 方 法 需 要 对 校 验 比 特 和 信 息 比 特 的 比 特 置 进 行 适 当 的 分 配 设 海 明 码 长 为 n 比 特, 其 中 信 息 比 特 k 比 特, 校 验 比 特 r 比 特 任 一 信 息 比 特 用 Ai 表 示, 任 一 校 验 比 特 用 Pi 表 示,i=1,,n (2) 校 验 比 特 和 信 息 比 特 的 分 配 规 则 校 验 比 特 Pi 分 配 在 2i-l 的 比 特 置 上, 即 分 配 在 比 特 号 为 i=1,2,4,8,16, 等 比 特 置, 分 别 记 为 Pl,P2,P4,P8,P16, 信 息 比 特 被 分 配 在 除 Pi 以 外 的 其 余 比 特 置 上, 即 比 特 号 为 i=3,5,6,7,9,10,11, 12,13,14,15, 等 比 特 置 上, 分 别 记 为 A3,A5,A6,A7,A9,A10,A11,A12,A13, A14,A15, (3) 校 验 方 程 的 建 立 规 则 若 有 r 个 校 验 比 特, 就 有 r 个 校 验 方 程 式 通 常 每 一 个 校 验 方 程 式 只 包 含 一 个 校 验 比 特 Pi 每 一 校 验 比 特 Pi 的 方 程 式 中 应 当 包 含 哪 些 信 息 比 特? 方 法 是 将 被 校 验 比 特 的 十 进 制 比 特 号 转 换 为 二 进 制 数, 并 按 权 展 开, 使 其 满 足 下 式 : 被 校 验 信 息 比 特 的 比 特 号 = 能 够 校 验 它 的 不 同 校 验 比 特 的 比 特 号 之 和 例 如, 对 信 息 比 特 A7, 将 7 转 换 为 111, 按 权 展 开 得 7= 因 此 A7 应 由 P4 P2 P1 进 行 校 验 即 A7 应 在 P4,P2,P1 的 校 验 方 程 式 中 为 说 明 如 何 编 码, 设 信 息 比 特 数 为 4, 则 按 海 明 不 等 式 计 算 得 校 验 比 特 数 为 3; 又 假 定 进 行 偶 校 验, 那 么 根 据 上 述 规 则 便 可 得 以 下 的 校 验 方 程 式 : P1 A3 A5 A7=0 P2 A3 A6 A7=0 P4 A5 A6 A7=0

86 4.3 网 络 协 议 层 与 X 根 据 校 验 方 程 式 可 得 校 验 比 特 的 逻 辑 表 达 式 : P1=A3 A5 A7 P2=A3 A6 A7 P4=A5 A6 A7 例 如, 若 信 息 比 特 为 1010, 可 算 出 检 验 比 特 为 P1=A3 A5 A7=l 0 0=l P2=A3 A6 A7=1 1 0=0 P4=A5 A6 A7=0 1 0=l 于 是 海 明 码 为 P1P2A3P4A5A6A7= 上 述 海 明 码 的 编 码 效 率 为 4/7 若 k=7, 可 算 得 r 至 少 为 4, 此 时 编 码 效 率 为 7/11 信 息 比 特 长 度 越 长 编 码 效 率 越 高 4.3 网 络 协 议 层 与 X 网 络 层 基 本 功 能 1. 网 络 层 概 述 网 络 层 是 OSI 参 考 模 型 中 的 第 三 层, 它 建 立 在 数 据 链 路 层 所 提 供 的 两 个 相 邻 端 点 之 间 的 数 据 帧 的 传 送 功 能 之 上, 将 数 据 从 源 端 经 过 若 干 中 间 节 点 传 送 到 目 的 端 从 而 向 运 输 层 提 供 最 基 本 的 端 到 端 的 数 据 传 送 服 务 网 络 层 是 处 理 端 到 端 数 据 传 输 的 最 底 层, 体 现 了 网 络 应 用 环 境 中 资 源 子 网 访 问 通 信 子 网 的 方 式 (1) 路 由 控 制 利 用 网 络 拓 扑 结 构 等 网 络 状 态, 选 择 分 组 传 送 路 径, 这 是 网 络 层 的 主 要 功 能 在 大 多 数 子 网 中, 分 组 的 整 个 旅 途 需 要 经 过 多 次 转 发 无 线 广 播 网 络 是 唯 一 的 例 外 (2) 拥 塞 控 制 控 制 和 预 防 网 络 中 出 现 过 多 的 分 组 当 到 达 通 信 子 网 中 某 一 部 分 的 分 组 数 高 于 一 定 的 阈 值, 使 得 该 部 分 网 络 来 不 及 处 理 这 些 分 组 时, 就 会 使 这 部 分 以 至 整 个 网 络 的 性 能 下 降 这 种 情 况 称 为 拥 塞, 拥 塞 带 来 的 影 响 如 图 4-12 所 示 图 4-12 拥 塞 影 响 示 意 图

87 82 第 4 章 OSI 下 三 层 (3) 透 明 传 输 透 明 传 输 就 是 不 管 所 传 数 据 是 什 么 样 的 比 特 组 合, 都 应 当 能 够 在 链 路 上 传 送 当 所 传 数 据 中 的 比 特 组 合 恰 巧 出 现 了 与 某 一 个 控 制 信 息 完 全 一 样 时, 必 须 采 取 适 当 的 措 施, 使 收 方 不 会 将 这 样 的 数 据 误 认 为 是 某 种 控 制 信 息 这 样 才 能 保 证 数 据 链 路 层 的 传 输 的 透 明 的 (4) 异 种 网 络 的 互 联 解 决 不 同 网 络 在 寻 址 分 组 大 小 协 议 等 方 面 的 差 异 不 同 类 型 的 网 络 对 分 组 大 小, 分 组 结 构 等 的 要 求 都 不 相 同, 因 此 要 求 在 不 同 种 类 网 络 交 界 处 的 路 由 器 能 够 对 分 组 进 行 处 理, 使 得 分 组 能 够 在 不 同 网 络 上 传 输 (5) 分 组 生 成 和 装 配 运 输 层 报 文 与 网 络 层 分 组 间 的 相 互 转 换 运 输 层 报 文 通 常 很 长, 不 适 合 直 接 在 分 组 交 换 网 络 中 传 输 在 发 送 端, 网 络 层 负 责 将 运 输 层 报 文 拆 成 一 个 个 分 组, 再 进 行 传 输 在 接 收 端, 网 络 层 负 责 将 分 组 组 装 成 报 文 交 给 运 输 层 处 理 2. 网 络 层 提 供 的 服 务 网 络 层 为 运 输 层 提 供 服 务, 它 通 常 是 通 信 子 网 的 边 界 网 络 层 向 运 输 层 提 供 的 服 务 应 具 有 以 下 特 点 : 1 服 务 与 通 信 子 网 的 技 术 无 关 2 通 信 子 网 的 数 量 类 型 和 拓 扑 结 构 对 运 输 层 透 明 3 运 输 层 得 到 的 网 络 地 址 应 该 采 用 同 一 编 址 的 方 式, 即 使 跨 越 了 多 个 局 域 网 和 广 域 网 也 应 如 此 对 于 网 络 层 应 提 供 的 服 务, 两 个 观 点 争 论 得 很 激 烈 一 个 观 点 认 为 不 管 怎 样 设 计, 通 信 子 网 注 定 是 不 可 靠 的, 因 此 差 错 控 制 和 流 量 控 制 必 须 由 主 机 自 己 完 成, 即 网 络 层 提 供 的 服 务 是 无 连 接 的 另 一 个 观 点 认 为, 通 信 子 网 应 该 提 供 一 种 可 靠 的 面 向 连 接 的 服 务 所 谓 连 接 是 两 个 对 等 实 体 为 进 行 数 据 通 信 而 进 行 的 一 种 结 合 面 向 连 接 的 网 络 服 务 是 在 数 据 交 换 之 前, 必 须 先 建 立 连 接, 当 数 据 交 换 结 束 后, 终 止 这 个 连 接 无 连 接 服 务 是 两 个 实 体 之 间 的 通 信 不 需 要 事 先 建 立 好 一 个 连 接, 通 信 所 需 的 资 源 无 需 事 先 预 定 保 留, 所 需 的 资 源 是 在 数 据 传 输 时 动 态 地 进 行 分 配 的 面 向 连 接 和 面 向 无 连 接 的 服 务 各 有 其 适 用 场 合, 面 向 连 接 的 服 务 是 可 靠 的 报 文 序 列 服 务 ; 无 连 接 服 务 却 不 能 防 止 报 文 的 丢 失 重 复 或 失 序, 但 无 连 接 服 务 灵 活 方 便, 并 且 迅 速 因 此, 当 前 的 网 络 层 既 提 供 面 向 连 接 的 服 务, 即 虚 电 路 方 式, 又 提 供 面 向 无 连 接 的 服 务, 即 数 据 报 方 式 面 向 连 接 和 无 连 接 两 种 服 务 方 式 的 争 论, 实 质 就 是 将 复 杂 的 功 能 放 在 何 处 的 问 题 在 面 向 连 接 服 务 中, 它 们 被 置 于 网 络 层 ( 通 信 子 网 ), 而 在 面 向 无 连 接 服 务 中, 则 被 置 于 运 输 层 ( 主 机 ) 3. 路 由 选 择 路 由 选 择 是 网 络 层 功 能 的 一 部 分, 负 责 确 定 所 收 到 的 分 组 应 传 送 的 外 出 路 线 即 在 具 有 许 多 节 点 的 广 域 网 里, 应 通 过 哪 条 通 路 才 能 将 数 据 从 源 主 机 传 到 所 要 通 信 的 目 的 主 机 如 果 子 网 内 部 采 用 数 据 报 方 式, 对 收 到 的 每 一 个 分 组 都 必 须 重 新 作 一 次 路 由 选 择, 因 为 对 于 每 个 分 组 来 说, 上 次 到 达 的 最 佳 路 由 可 能 已 经 改 变 然 而, 如 果 子 网 内 部 采 用 虚 电 路 方 式, 则 只

88 4.3 网 络 协 议 层 与 X 需 要 在 建 立 虚 电 路 时 作 一 次 路 由 选 择, 然 后 分 组 就 在 这 条 先 前 建 立 的 路 由 上 传 送 一 个 理 想 的 路 由 选 择 算 法 应 具 有 如 下 特 点 : 1 算 法 必 须 是 正 确 的 不 仅 要 求 算 法 本 身 正 确, 而 且 应 该 达 到 数 据 通 信 所 要 求 的 目 标, 以 满 足 用 户 的 业 务 要 求 2 算 法 在 计 算 上 应 简 单 由 于 在 每 个 节 点 上 都 要 进 行 路 由 选 择 的 计 算, 因 此 必 然 要 增 加 分 组 的 时 延, 计 算 简 单 可 以 使 时 延 减 少 3 算 法 应 能 适 应 通 信 量 和 网 络 拓 扑 的 变 化, 即 有 自 适 应 性 当 网 络 中 的 通 信 量 或 拓 扑 结 构 发 生 变 化 时, 算 法 能 自 适 应 的 改 变 路 由 4 算 法 应 具 有 稳 定 性 当 通 信 量 和 网 络 拓 扑 发 生 变 化 时, 路 由 算 法 应 收 敛 于 一 个 可 以 接 受 的 解, 而 不 应 产 生 过 多 的 振 荡 所 谓 振 荡 就 是 指 由 算 法 得 出 的 路 由 是 在 一 些 路 由 之 间 来 回 不 停 地 变 化 5 算 法 应 是 公 平 的 算 法 应 对 所 有 用 户 都 是 平 等 的 例 如, 若 使 某 一 对 用 户 的 端 到 端 时 延 最 小, 但 却 不 考 虑 其 他 的 用 户, 这 就 不 符 合 公 平 性 的 要 求 6 算 法 应 是 最 佳 的 这 里 的 最 佳 是 指 以 最 低 的 费 用 来 实 现 路 由 算 法 4. 拥 塞 控 制 计 算 机 通 信 子 网 的 基 本 任 务 是 要 保 证 网 内 分 组 自 由 无 阻 地 畅 通 传 送 实 际 上 如 果 不 加 任 何 控 制 的 话, 分 组 并 不 是 任 何 时 候 都 能 够 畅 通 的, 有 时 候 网 内 流 量 会 严 重 不 均, 有 些 节 点 和 链 路 上 的 分 组 堆 积, 造 成 拥 塞 严 重 的 拥 塞 会 无 法 解 脱, 最 后 会 使 分 组 完 全 停 止 流 通, 既 送 不 出 也 输 不 进, 称 为 死 锁 所 以 控 制 流 量 避 免 拥 塞 解 除 死 锁 是 计 算 机 通 信 子 网 的 又 一 重 要 任 务 当 到 达 通 信 子 网 中 某 一 部 分 的 分 组 数 高 于 一 定 的 阈 值, 使 得 该 部 分 网 络 来 不 及 处 理 这 些 分 组 时, 就 会 使 这 部 分 以 至 整 个 网 络 的 性 能 下 降, 这 种 情 况 称 为 拥 塞 计 算 机 网 络 所 以 会 产 生 拥 塞 首 先 是 因 为 网 络 的 资 源 容 量 总 是 有 限 的, 但 并 不 是 说 增 加 网 络 资 源 就 可 以 使 拥 塞 问 题 迎 刃 而 解 因 此, 研 究 如 何 解 决 拥 塞 是 非 常 必 要 的 与 拥 塞 控 制 容 易 混 淆 的 一 个 概 念 是 流 量 控 制 流 量 控 制 的 作 用 是 保 证 发 送 方 不 会 以 高 于 接 收 方 能 承 受 的 速 率 传 输 数 据, 一 般 涉 及 到 接 收 方 向 发 送 方 发 送 反 馈 而 拥 塞 控 制 则 是 确 保 通 信 子 网 能 够 有 效 为 主 机 传 递 分 组, 是 一 个 全 局 性 的 问 题 涉 及 到 所 有 主 机 路 由 器 到 目 前 为 止, 已 经 提 出 了 许 多 种 拥 塞 控 制 算 法 主 要 分 为 两 大 类 : 开 环 (Open Loop) 和 闭 环 (Closed Loop) 开 环 的 关 键 在 于 它 致 力 于 通 过 良 好 的 设 计 来 避 免 拥 塞 出 现, 确 保 问 题 在 一 开 始 就 不 会 发 生, 比 如 决 定 何 时 接 受 新 的 通 信, 何 时 丢 弃 分 组, 以 及 丢 弃 哪 些 分 组 等, 它 们 在 作 出 决 定 时 不 考 虑 当 前 网 络 的 状 态 设 计 人 员 试 图 在 各 种 层 次 上 使 用 恰 当 的 策 略 来 阻 止 拥 塞 出 现 下 表 给 出 数 据 链 路 层 网 络 层 和 运 输 层 所 使 用 策 略 对 拥 塞 的 影 响 表 4-1 各 种 层 次 使 用 的 策 略 及 影 响 层 策 略 运 输 层 网 络 层 数 据 链 路 层 重 传 策 略 失 序 缓 存 策 略 确 认 策 略 流 量 控 制 策 略 超 时 探 测 子 网 内 虚 电 路 / 数 据 报 分 组 排 队 及 服 务 分 组 丢 弃 策 略 路 由 选 择 算 法 分 组 生 命 周 期 管 理 重 传 策 略 确 认 策 略 流 量 控 制 策 略 分 组 丢 失 策 略

89 84 第 4 章 OSI 下 三 层 我 们 首 先 从 数 据 链 路 层 开 始 分 析, 重 传 策 略 决 定 超 时 时 限 及 重 发 内 容 时 限 太 短 会 很 快 超 时, 造 成 发 送 方 稠 密 重 传, 大 大 加 重 了 系 统 负 荷 时 限 太 长, 发 送 者 的 重 发 操 作 过 于 松 懈, 使 接 收 者 放 弃 出 错 后 所 有 失 序 的 包, 这 些 包 在 稍 后 仍 要 重 发, 也 会 引 起 系 统 额 外 负 荷 确 认 策 略 同 样 影 响 着 拥 塞, 如 果 每 个 分 组 立 即 确 认, 确 认 分 组 产 生 许 多 额 外 的 信 息 量 可 是, 如 果 确 认 被 加 到 传 送 信 息 上 捎 带 送 回, 则 可 能 会 引 起 超 时 重 传 紧 密 的 流 控 模 式 ( 如 : 小 窗 口 ) 会 减 小 数 据 率, 但 有 助 于 改 善 拥 塞 情 况 在 网 络 层, 虚 电 路 及 数 据 报 方 式 的 选 择 也 会 影 响 拥 塞 因 为 许 多 拥 塞 控 制 算 法 仅 对 虚 电 路 子 网 起 作 用 分 组 排 队 和 服 务 策 略 与 处 理 分 组 的 顺 序 有 关, 分 组 丢 弃 策 略 也 就 是 在 没 有 空 间 时, 按 什 么 规 则 选 择 丢 弃 的 分 组 一 个 较 好 的 策 略 可 以 缓 解 拥 塞, 而 一 个 坏 的 策 略 则 可 以 使 拥 塞 更 严 重 路 由 选 择 算 法 的 好 坏 是 影 响 拥 塞 的 重 要 因 素, 好 的 算 法 可 以 帮 助 控 制 拥 塞, 而 一 个 不 太 好 的 算 法 都 会 向 已 经 拥 塞 的 线 路 上 发 送 更 多 信 息, 加 重 拥 塞 最 后 分 组 的 生 命 周 期 也 会 影 响 拥 塞 周 期 太 长, 丢 失 分 组 会 消 耗 系 统 很 多 时 间, 防 碍 正 常 工 作 周 期 太 短, 分 组 可 能 在 到 达 目 的 地 前 夭 折, 增 加 了 重 发 概 率 运 输 层 与 数 据 链 路 层 存 在 同 样 的 问 题, 但 确 定 超 时 时 限 更 困 难 因 为 在 网 络 中 的 传 输 时 间 要 比 在 两 个 路 由 器 间 的 线 路 上 传 输 时 间 更 难 以 预 测 如 果 时 限 太 短, 会 引 起 不 必 要 重 发 闭 环 的 解 决 方 案 是 建 立 在 反 馈 的 概 念 之 上 它 包 括 三 个 步 骤 : 首 先 监 视 子 网 的 拥 塞 状 况, 这 可 以 通 过 测 量 缺 少 缓 冲 区 而 丢 失 分 组 的 比 例 平 均 队 列 长 度 平 均 分 组 延 迟 等 因 素 来 判 定 ; 然 后 将 拥 塞 的 信 息 传 递 到 可 能 采 取 行 动 的 地 方, 可 以 传 给 源, 也 可 以 传 给 其 他 路 由 器, 拥 塞 的 信 息 可 以 是 一 个 单 独 的 分 组, 也 可 以 是 分 组 的 某 些 字 段 ; 最 后 收 到 拥 塞 信 息 的 系 统 采 取 相 应 措 施 来 进 行 调 整, 比 如 降 低 发 送 的 速 率 等 各 种 性 能 指 标 都 能 用 来 监 测 度 量 子 网 的 拥 塞 情 况 如 平 均 队 列 长 度 超 时 而 重 发 的 包 数 平 均 包 延 迟 与 包 延 迟 的 标 准 偏 差 等 若 其 增 长 超 过 某 个 数 值, 就 表 示 有 拥 塞 出 现 如 何 将 这 些 拥 塞 信 息 传 递 到 能 够 处 理 它 们 的 地 方 呢? 直 观 的 方 法 是 : 若 路 由 器 探 测 到 有 拥 塞 出 现 时, 就 将 拥 塞 信 息 包 传 送 到 源 端, 宣 布 有 问 题 了 当 然 这 些 额 外 的 包, 更 增 加 了 这 个 时 刻 的 负 荷 一 个 改 进 的 方 法 是 在 网 络 负 载 低 的 时 候 发 送 一 个 分 组 来 鼓 励 用 户 更 快 发 送 而 如 果 用 户 没 有 收 到 该 分 组, 就 表 示 网 络 过 载 这 种 机 制 保 证 在 网 络 拥 塞 时 不 会 产 生 额 外 的 负 载, 但 是 如 果 网 络 没 有 问 题 时, 它 带 来 了 新 的 控 制 开 销 还 有 其 他 方 法 存 在 例 如, 每 个 包 中 保 留 一 比 特 或 一 个 域 用 做 路 由 器 发 现 拥 塞 时 填 充 当 路 由 器 检 测 到 拥 塞 状 态 时, 将 其 填 充 到 所 有 发 出 的 包 中, 以 便 给 相 邻 路 由 器 一 个 警 示 这 种 机 制 称 为 正 向 反 馈, 它 通 过 正 向 路 径 ( 拥 塞 发 生 方 向 ) 上 的 分 组 发 送 拥 塞 信 号 收 到 该 分 组 的 目 的 地 或 者 要 求 源 端 调 整 负 载, 或 者 把 该 信 号 通 过 源 端 的 反 向 分 组 ( 或 确 认 ) 送 回 源 端 另 一 种 方 法 是 让 主 机 或 路 由 器 定 期 发 出 调 查 包 明 确 询 问 有 关 拥 塞 情 况, 这 些 包 能 绕 开 有 问 题 的 区 域 传 递 信 息 这 一 点 与 某 些 无 线 电 台 让 直 升 飞 机 在 他 们 的 城 市 上 空 报 告 道 路 拥 挤 情 况, 希 望 他 们 的 听 众 将 汽 车 绕 开 热 点 地 区 的 情 形 相 似 在 所 有 反 馈 过 程 中, 有 关 拥 塞 的 内 容 希 望 用 来 引 起 主 机 注 意, 并 采 取 适 当 的 措 施 来 控 制 拥 塞 为 了 正 确 地 工 作, 拥 塞 控 制 的 时 机 应 仔 细 地 调 节 否 则, 将 使 拥 塞 控 制 算 法 失 去 实 用 价 值, 这 一 点 并 不 容 易 做 到 分 组 交 换, 虚 电 路 工 作 原 理 及 其 特 点 分 组 交 换 又 称 包 交 换, 它 是 现 代 计 算 机 网 络 的 技 术 基 础 1966 年 6 月, 英 国 国 家 物 理 实 验 室 (NPL) 的 戴 维 斯 (Davies) 首 次 提 出 分 组 ( Packet) 一 词 1969 年 12 月 美 国 的 分 组 交 换 网 ARPANET 投 入 运 行 从 此, 计 算 机 网 络 的 发 展 就 进 入 了 一 个 新 纪 元, 分 组 交 换 网

90 的 出 现 成 为 现 代 电 信 时 代 的 开 始 1. 电 路 交 换 4.3 网 络 协 议 层 与 X 从 通 信 资 源 的 分 配 角 度 来 看, 交 换 就 是 按 照 某 种 方 式 动 态 地 分 配 传 输 线 路 的 资 源 在 电 路 交 换 中, 进 行 数 据 传 输 的 两 个 节 点 之 间 必 须 先 建 立 一 条 专 用 的 通 信 路 径 ( 连 接 ), 在 该 路 径 间 可 能 经 过 许 多 中 间 节 点, 连 接 两 个 相 邻 节 点 的 物 理 链 路 可 能 有 多 条 逻 辑 信 道, 其 中 某 一 条 逻 辑 信 道 专 供 这 条 连 接 使 用 在 两 个 节 点 的 数 据 传 输 完 成 后 释 放 该 连 接, 该 连 接 所 分 配 的 逻 辑 信 道 也 得 以 释 放 采 用 电 路 交 换 的 数 据 传 输 一 般 分 为 电 路 建 立 数 据 传 输 和 电 路 释 放 三 个 阶 段 电 路 交 换 的 关 键 点 就 是 在 通 话 的 全 部 时 间 内 用 户 始 终 占 用 端 到 端 的 固 定 传 输 带 宽 电 路 交 换 方 式 的 优 点 是 : 一 旦 连 接 建 立 后, 网 络 对 用 户 是 透 明 的, 数 据 以 一 固 定 速 率 传 输, 传 输 可 靠, 不 会 丢 失 失 序, 没 有 延 迟 但 是 电 路 交 换 方 式 有 时 可 能 是 非 常 浪 费 的 因 为 一 旦 连 接 建 立 好 后, 即 便 两 个 站 点 间 没 有 数 据 要 传 输, 网 络 资 源 也 没 法 供 其 他 用 户 使 用 例 如, 终 端 和 计 算 机 间 通 信 等 交 互 式 应 用, 大 多 数 时 间 信 道 处 于 空 闲 状 态 同 时, 如 果 连 接 生 命 期 非 常 短, 连 接 建 立 和 释 放 带 来 的 开 销 可 能 会 得 不 偿 失 因 此, 电 路 交 换 一 般 适 用 于 系 统 间 要 求 高 质 量 的 大 量 数 据 传 输 公 共 电 话 网 是 电 路 交 换 的 一 个 很 好 的 例 子 2. 报 文 交 换 与 电 路 交 换 不 同, 报 文 交 换 采 取 存 储 / 转 发 的 形 式 传 送 数 据 发 送 方 将 发 送 的 信 息 组 成 报 文, 在 报 文 头 上 填 写 接 收 方 的 地 址, 将 报 文 交 给 网 络, 网 络 中 的 报 文 交 换 机 根 据 报 文 的 目 的 地 址 和 路 由 选 择 算 法 转 发 给 下 一 个 交 换 机, 如 果 转 发 的 线 路 繁 忙 就 把 该 报 文 存 储 在 交 换 机 中, 待 线 路 空 闲 后 再 进 行 转 发 各 个 报 文 到 达 目 的 地 的 路 径 可 能 不 同 3. 报 文 分 组 交 换 在 分 组 交 换 网 中, 数 据 是 以 分 组 的 形 式 传 输 的, 如 果 源 端 有 一 个 很 长 的 消 息 要 发 送, 该 消 息 被 分 成 若 干 个 分 组, 每 个 分 组 除 了 用 户 数 据 外 还 包 含 一 些 控 制 信 息, 以 便 能 够 正 确 地 把 该 分 组 通 过 网 络 传 送 给 目 的 节 点 分 组 的 传 送 也 采 用 存 储 / 转 发 的 形 式, 即 网 络 节 点 根 据 分 组 控 制 信 息, 把 分 组 送 到 下 一 节 点, 下 一 节 点 收 到 分 组 后, 暂 时 保 存 下 来 并 排 队 等 待 传 输, 然 后 该 节 点 通 过 分 组 控 制 信 息 选 择 下 一 节 点 分 组 交 换 具 有 以 下 3 个 显 著 的 特 点 : 1 节 点 暂 时 存 储 的 是 一 个 个 分 组, 而 不 是 整 个 数 据 报 文 2 分 组 是 暂 时 存 储 在 节 点 的 内 存 中, 而 不 是 保 存 在 节 点 的 外 存 中, 从 而 保 证 了 较 高 的 交 换 速 率 3 分 组 交 换 采 用 的 是 动 态 分 配 信 道 的 策 略, 极 大 地 提 高 通 信 线 路 的 利 用 率 分 组 交 换 的 优 点 是 信 道 利 用 率 有 了 很 大 的 提 高 在 电 路 交 换 方 式 中, 信 道 供 某 条 连 接 专 用, 而 在 分 组 交 换 中, 信 道 实 际 上 供 所 有 正 在 传 输 的 站 点 共 享 使 用 分 组 交 换 也 存 在 一 些 缺 点 例 如, 分 组 在 各 节 点 存 储 转 发 时 因 排 队 而 造 成 一 定 的 时 延 ; 由 于 每 个 分 组 中 必 须 携 带 一 些 控 制 信 息 而 产 生 一 定 的 额 外 开 销 ; 分 组 交 换 网 的 管 理 和 控 制 比 较 复 杂 虚 电 路 和 数 据 报 分 组 交 换 方 式 又 可 分 为 虚 电 路 方 式 和 数 据 报 方 式 在 虚 电 路 方 式 中, 为 进 行 数 据 传 输, 源 和 目 的 节 点 间 必 须 为 分 组 的 传 输 预 先 建 立 一 条 逻

91 86 第 4 章 OSI 下 三 层 辑 通 路 这 条 传 输 数 据 的 逻 辑 通 道 和 电 路 交 换 中 的 连 接 类 似, 叫 做 虚 电 路 之 所 以 是 虚 的, 是 因 为 这 条 电 路 不 是 专 用 的, 分 组 仍 然 在 每 个 节 点 处 首 先 被 缓 冲, 并 排 队 等 待 转 发 源 主 机 首 先 发 起 一 个 虚 呼 叫, 即 发 送 一 个 特 定 格 式 的 呼 叫 分 组 到 目 的 主 机, 要 求 进 行 通 信, 同 时 也 寻 找 一 条 合 适 的 路 由 若 目 的 主 机 同 意 通 信, 就 发 回 响 应, 这 样 在 源 主 机 和 目 的 主 机 之 间 就 建 立 了 一 条 虚 电 路 以 后 源 主 机 向 目 的 主 机 传 送 的 所 有 分 组 都 必 须 沿 着 这 条 虚 电 路 进 行 传 送 在 数 据 传 送 完 毕 后, 还 要 将 这 条 虚 电 路 释 放 掉 每 个 节 点 到 其 他 节 点 之 间 可 能 同 时 有 若 干 条 虚 电 路, 也 可 能 同 时 与 多 个 节 点 间 存 在 虚 电 路 每 条 虚 电 路 支 持 特 定 的 两 个 端 系 统 之 间 的 数 据 传 输, 两 个 端 系 统 之 间 也 可 以 有 多 条 虚 电 路 为 不 同 的 进 程 服 务, 这 些 虚 电 路 的 实 际 路 由 可 能 相 同, 也 可 能 不 同 由 于 采 用 了 存 储 转 发 技 术, 所 以 这 种 虚 电 路 和 电 路 交 换 的 连 接 有 很 大 的 不 同 在 电 路 交 换 网 络 中, 两 个 用 户 在 通 话 期 间 自 始 至 终 地 占 用 一 条 端 到 端 的 物 理 信 道 当 我 们 占 用 一 条 虚 电 路 进 行 计 算 机 通 信 时, 由 于 采 用 的 是 存 储 转 发 的 分 组 交 换, 所 以 只 是 断 续 地 占 用 一 段 又 一 段 的 链 路 在 数 据 报 方 式 中, 每 个 分 组 的 传 输 是 被 单 独 处 理 的, 与 先 前 传 送 的 分 组 无 关 每 个 分 组 被 称 为 一 个 数 据 报 每 个 数 据 报 自 身 必 须 包 含 有 目 的 地 的 完 整 地 址 信 息 主 机 只 要 想 发 送 数 据 就 随 时 可 以 发 送 每 个 分 组 独 立 地 选 择 路 由 这 样, 先 发 送 出 去 的 分 组 不 一 定 先 到 达 目 的 站 主 机 这 就 是 说, 数 据 报 不 能 保 证 按 发 送 数 据 顺 序 交 付 给 目 的 站 当 需 要 把 数 据 按 发 送 顺 序 交 付 给 目 的 主 机 时, 在 目 的 站 还 必 须 把 收 到 的 分 组 缓 存 一 下, 等 到 能 够 按 顺 序 交 付 主 机 时 再 进 行 交 付 当 网 络 发 生 拥 塞 时, 网 络 中 的 某 个 节 点 可 以 将 一 些 分 组 丢 弃 所 以, 数 据 报 提 供 的 服 务 是 不 可 靠 的, 它 不 能 保 证 服 务 质 量, 而 是 一 种 尽 最 大 努 力 交 付 的 服 务 将 虚 电 路 和 数 据 报 的 比 较 一 下, 如 表 4-2 所 示 : 表 4-2 数 据 报 子 网 虚 电 路 与 数 据 报 的 比 较 虚 电 路 子 网 延 时 分 组 传 输 延 时 电 路 建 立, 分 组 传 输 延 时 路 由 选 择 每 个 分 组 单 独 选 择 路 由 建 立 虚 电 路 时 选 择 路 由, 以 后 所 有 分 组 都 使 用 该 路 由 状 态 信 息 子 网 无 需 保 存 状 态 信 息 每 个 节 点 要 保 存 一 张 虚 电 路 表 地 址 每 个 分 组 包 括 源 和 目 的 的 完 整 地 址 每 个 分 组 含 有 一 个 短 的 虚 电 路 号 节 点 失 败 的 影 响 拥 塞 控 制 除 了 在 崩 溃 时 正 在 该 节 点 处 理 的 分 组 都 丢 失 外, 无 其 他 影 响 难 所 有 经 过 失 效 节 点 的 虚 电 路 都 要 被 终 止 如 果 有 足 够 的 缓 冲 区 分 配 给 已 经 建 立 的 虚 电 路, 则 容 易 控 制 如 果 两 个 端 系 统 间 要 长 时 间 进 行 数 据 传 输, 特 别 是 在 交 互 式 应 用 中 每 次 传 输 的 数 据 很 短 的 情 况 下, 使 用 虚 电 路 方 式 更 加 合 适 些, 它 免 去 了 数 据 报 方 式 中 每 个 分 组 必 须 包 括 地 址 信 息 而 带 来 的 不 合 适 的 额 外 开 销, 但 是 每 个 节 点 必 须 维 持 一 张 虚 电 路 的 表 格 数 据 报 方 式 则 免 去 了 呼 叫 建 立 阶 段, 它 传 输 少 数 几 个 分 组 时 的 速 度 比 使 用 虚 电 路 要 简 便 灵 活 得 多 每 个 数 据 报 可 以 临 时 根 据 网 路 中 的 流 量 情 况 来 选 取 路 由, 不 像 虚 电 路 中 每 个 分 组 都 必 须 按 照 连 接 建 立 时 的 路 径 传 送 每 个 节 点 没 有 额 外 开 销, 只 是 每 个 分 组 在 每 个 节 点 都 要 进 行 路 由 选 择, 会 影 响 分 组 传 输 延 迟 由 于 数 据 报 不 保 证 按 顺 序 交 付, 也 不 保 证 丢 失 和 不 重 复, 因 此 需 要 主 机 承 担 端 到 端 的 差 错 控 制 在 使 用 虚 电 路 的 情 况 下, 网 络 应 保 证 分 组 按 顺 序 交 付, 而 且 不 丢 失 不 重 复 当 采

92 4.3 网 络 协 议 层 与 X 用 数 据 报 服 务 时, 端 到 端 的 流 量 控 制 由 主 机 来 负 责 当 采 用 虚 电 路 服 务 时, 端 到 端 的 流 量 控 制 由 网 络 负 责 另 外, 因 为 每 个 数 据 报 分 组 独 立 进 行 路 由 选 择, 当 节 点 发 生 故 障 时, 后 续 的 数 据 报 分 组 就 可 另 选 路 由, 因 而 提 高 了 可 靠 性 在 使 用 虚 电 路 时, 节 点 发 生 故 障 就 必 须 重 新 建 立 另 一 条 虚 电 路 数 据 报 服 务 还 很 适 合 于 将 一 个 分 组 发 送 到 多 个 地 址 ( 即 广 播 或 组 播 ) 虚 电 路 要 比 数 据 报 更 容 易 进 行 拥 塞 控 制 这 是 因 为, 在 虚 电 路 建 立 好 后, 可 以 预 约 所 需 的 网 络 资 源, 当 分 组 到 来 时, 所 需 的 带 宽 和 路 由 器 的 缓 冲 区 已 经 预 留 好 了, 可 以 立 即 转 发 而 对 于 数 据 报, 避 免 拥 塞 则 更 困 难 些 X.25 协 议 基 本 内 容 1.X.25 协 议 的 体 系 结 构 为 了 避 免 一 台 主 机 在 不 同 的 网 络 上 要 实 现 不 同 的 网 络 访 问 协 议,CCITT 与 1974 年 提 出 了 对 于 公 共 分 组 交 换 网 的 标 准 访 问 协 议, 即 X.25 X.25 规 定 了 主 机 与 公 共 交 换 网 之 间 的 协 议, 而 主 机 不 必 关 心 网 络 内 部 标 准 X.25 规 定 了 主 机 DTE 和 网 络 设 备 DCE 之 间 的 三 个 层 次 上 的 接 口, 如 表 4-3 所 示 表 4-3 X.25 的 体 系 结 构 分 组 层 PLP(Packet Layer Procedure) 链 路 层 LAPB 物 理 层 V 系 列 X.21 X.21bis 等 (1) 物 理 层 相 当 于 OSI 参 考 模 型 的 第 一 层 采 用 X.21 物 理 接 口, 也 可 以 选 择 类 似 于 RS-232C 的 X.21bis (2) 链 路 层 相 当 于 OSI 参 考 模 型 的 第 二 层 采 用 LAP 和 LAPB 链 路 访 问 规 程, 当 DTE 与 DCE 之 间 有 多 个 并 列 物 理 电 路 时 允 许 使 用 多 链 路 规 程 (MLP) ( 3 ) 分 组 层 相 当 于 OSI 参 考 模 型 的 第 三 层 网 络 向 主 机 提 供 多 信 道 的 虚 电 路 业 务, 包 括 虚 呼 叫 和 永 久 虚 电 路 业 务 2.X.25 连 接 的 3 个 阶 段 X.25 提 供 几 种 工 作 方 式, 虚 呼 叫 是 最 基 本 的 工 作 方 式 虚 呼 叫 的 通 信 过 程 由 呼 叫 建 立 数 据 传 输 和 呼 叫 清 除 3 个 阶 段 组 成 每 当 一 个 DTE 要 和 另 一 个 DTE 通 信 时, 首 先 在 它 们 之 间 建 立 一 条 虚 电 路 为 此, 由 呼 叫 方 DTE 构 造 一 个 呼 叫 请 求 分 组 发 给 其 DCE, 再 由 子 网 传 送 到 目 标 DCE, 最 后 由 目 标 端 DCE 转 送 其 DTE 如 果 目 标 端 DTE 接 收 呼 叫, 就 送 回 一 个 呼 叫 接 收 分 组, 呼 叫 方 DTE 收 到 此 呼 叫 接 收 分 组 后, 它 们 之 间 的 一 条 虚 电 路 就 建 立 起 来 了 这 时 两 个 DTE 之 间 以 进 行 全 双 工 通 信, 利 用 虚 电 路 交 换 信 息 分 组 一 旦 一 方 完 成 通 信, 就 进 入 拆 除 链 接 阶 段, 由 结 束 通 信 一 方 向 对 方 发 送 清 除 请 求 组, 对 方 发 回 消 除 确 认 分 组 作 为 同 意 拆 线 的 确 认 应 答, 此 后 该 虚 电 路 拆 除

93 88 第 4 章 OSI 下 三 层 图 4-13 虚 呼 叫 的 通 信 过 程 工 作 过 程 如 下 : 1 主 叫 DTE 向 其 DCE 发 送 一 个 呼 叫 请 求 分 组 2 网 络 选 择 合 适 的 路 由 将 呼 叫 请 求 分 组 传 送 到 被 叫 DCE 3 被 叫 DCE 向 其 DTE 发 送 一 个 入 呼 叫 分 组, 入 呼 叫 分 组 又 称 呼 入 分 组 4 被 叫 DTE 发 送 呼 叫 接 受 分 组 5 网 络 按 呼 叫 建 立 时 的 路 由 将 呼 叫 接 受 分 组 传 到 主 叫 DCE 6 主 叫 DCE 向 主 叫 DTE 发 送 呼 叫 接 通 分 组, 表 示 呼 叫 建 立 阶 段 结 束 7 在 建 立 的 虚 电 路 上 进 行 全 双 工 通 信 传 送 数 据 分 组 8 主 叫 ( 或 被 叫 )DTE 发 出 释 放 请 求 分 组, 然 后 就 收 到 本 地 DCE 发 回 的 释 放 证 实 分 组 9 被 叫 ( 或 主 叫 )DTE 收 到 释 放 指 示 分 组 后, 就 发 给 本 地 DCE 一 个 释 放 证 实 分 组 3. X.25 报 文 分 组 X.25 定 义 了 每 一 种 分 组 和 它 们 的 功 能, 它 的 分 组 格 式 采 用 同 一 个 基 本 格 式, 对 特 定 的 分 组 略 有 不 同 X.25 的 分 组 可 以 分 为 数 据 分 组 和 控 制 分 组 两 种, 它 们 都 有 一 个 公 共 的 部 分 即 分 组 头, 它 由 3 个 字 节 构 成, 如 图 4-14 所 示 分 组 头 可 以 分 为 三 个 部 分 : 通 用 格 式 标 识 符 (GFI) 逻 辑 信 道 群 号 和 逻 辑 信 道 号 (LCGN+LCN) 分 组 类 型 标 识 符

94 4.3 网 络 协 议 层 与 X 图 4-14 报 文 分 组 结 构 1 通 用 格 式 标 识 符 (GFI), 由 分 组 头 的 第 一 个 字 节 的 比 特 5 至 比 特 8 组 成, 它 为 分 组 定 义 了 一 些 通 用 功 能 若 是 控 制 分 组, 则 固 定 为 0001; 若 为 数 据 分 组, 则 分 为 Q(1 bit) D ( 1 bit) 和 模 (2 bit)3 个 字 段 字 段 含 义 见 下 面 的 数 据 分 组 一 节 2 逻 辑 信 道 群 号 和 逻 辑 信 道 号 (LCGN+LCN) 共 12 比 特, 用 以 区 分 DTE-DCE 接 口 中 许 多 不 同 的 逻 辑 子 通 道 其 中 LCGN 为 高 4 比 特,LCN 为 低 8 比 特, 可 提 供 4095 个 逻 辑 信 道 号 无 论 是 控 制 包 还 是 数 据 包, 其 逻 辑 信 道 群 号 与 逻 辑 信 道 号 一 起 构 成 12 位 虚 电 路 编 号, 除 零 号 虚 电 路 留 作 它 用 外, 原 理 上, 一 个 DTE 可 以 提 供 或 接 通 4095 条 虚 电 路 逻 辑 信 道 群 号 和 逻 辑 信 道 号 必 须 组 合 使 用, 各 自 没 有 独 立 含 义 3 分 组 类 型 标 识 符 区 分 了 各 种 不 同 的 分 组, 如 表 4-4 所 示 该 字 段 最 低 一 比 特 为 控 制 位, 在 所 有 的 控 制 包 中, 控 制 位 为 1, 在 数 据 包 中 控 制 位 为 0 DTE 通 过 检 查 这 一 位, 就 可 以 确 定 新 来 的 包 中 是 包 含 数 据, 还 是 控 制 信 息 (1) 控 制 分 组 DATA 表 4-4 X.25 的 分 组 X.25 信 息 包 类 型 第 3 字 节 PPPMSSSO CALL REQUEST CALL ACCEPTED CLEAR REQUEST CLEAR CONFIRMATION INTERRUPT INTERRUPT CONFIRMATION RECEIVE READY RECEIVE NOT READY REJECT PPP00001 PPP00101 PPP01001 RESET REQUEST RESET CONFIRMATION RESTART REQUEST RESTART CONFIRMATION DIAGNOSTIC 注 :P= 捎 带,S= 序 号,M= 代 序 位 我 们 以 控 制 分 组 中 的 呼 叫 请 求 分 组 为 例, 如 图 4-15 所 示

95 90 第 4 章 OSI 下 三 层 图 4-15 呼 叫 请 求 分 组 示 意 图 呼 叫 方 和 被 呼 叫 方 地 址 长 度 按 十 进 制 编 码, 四 比 特 组 成 一 比 特 十 进 制 数 呼 叫 和 被 呼 叫 地 址 分 别 为 发 送 DTE 地 址 和 接 收 DTE 地 址 编 址 规 则 遵 守 CCITT X.121 编 号 制 度 的 建 议 地 址 由 国 家 代 码 网 络 代 码 和 网 内 地 址 组 成 全 地 址 可 长 达 15 位 十 进 制 数 字, 详 情 请 读 者 参 阅 有 关 X.25 网 编 址 内 容 特 殊 功 能 长 度 字 段 指 明 后 面 的 特 殊 功 能 字 段 占 用 的 字 节 数 而 特 殊 功 能 字 段 本 身 用 来 要 求 这 条 虚 电 路 的 特 殊 功 能 例 如, 要 求 对 方 付 费, 高 优 先 权 传 输, 把 全 双 工 虚 电 路 改 为 单 工 通 信, 等 等 用 户 数 据 字 段 可 存 放 最 多 16 个 字 节 的 数 据,DTE 可 以 自 己 决 定 用 这 些 数 据 来 做 什 么 例 如, 可 能 用 它 表 示 呼 叫 方 要 与 DTE 的 哪 一 个 进 程 连 接, 或 者 可 在 其 中 存 放 登 录 口 令, 用 户 账 号 等 (2) 数 据 分 组 分 组 格 式 如 图 4-16 图 4-16 分 组 格 式 示 意 图 GFI 中 的 Q 字 段 用 来 区 分 本 层 数 据 分 组, 识 别 是 否 为 有 效 数 据, 通 过 将 此 比 特 置 1,

96 4.3 网 络 协 议 层 与 X 表 明 该 数 据 分 组 含 有 运 输 层 及 较 高 层 传 来 的 控 制 信 息 若 Q=0, 为 用 户 数 据 包 数 据 分 组 的 捎 带 字 段 及 序 号 字 段 分 别 为 接 收 分 组 顺 序 号 和 发 送 分 组 顺 序 号, 各 占 3 比 特, 用 于 滑 动 窗 口 机 制 的 流 量 控 制 与 差 错 控 制 其 中 接 收 分 组 顺 序 号, 用 以 捎 带 应 答 信 息, 实 现 载 答 功 能, 其 具 体 含 义 由 D 比 特 决 定 数 据 分 组 的 模 字 段 若 为 01 值, 则 分 组 序 号 以 8 为 模 ; 若 为 10 值, 则 分 组 序 号 以 128 为 模, 这 时 需 要 附 加 字 节 来 扩 充 包 头 待 续 字 段 M(More) 指 明 一 组 相 关 联 的 分 组 在 长 报 文 中, 除 了 最 后 一 个 分 组, 每 个 分 组 的 待 续 比 特 都 置 为 1 当 M=0 时, 表 示 该 分 组 是 本 报 文 的 最 后 一 个 分 组 借 助 M 比 特, 可 防 止 子 网 将 不 同 报 文 的 数 据 装 在 一 个 分 组 中 数 据 字 段 的 长 度 受 到 最 大 分 组 长 度 的 影 响 X.25 推 荐 的 最 大 分 组 长 度 为 128 字 节, 但 也 允 许 选 择 16,32,64,256,512 或 字 节 通 信 双 方 可 在 建 立 虚 电 路 时, 协 商 分 组 最 大 长 度 选 用 大 于 128 字 节 的 最 大 分 组 长 度 是 基 于 效 率 因 素, 而 选 用 128 字 节 以 下 的 最 大 分 组 长 度 是 为 了 保 护 缓 冲 区 空 间 很 小 的 终 端, 使 之 免 于 接 收 长 分 组 4.X.25 协 议 的 状 态 转 换 图 以 上 所 介 绍 的 X.25 的 要 点 都 是 用 自 然 语 言 描 述 的 这 种 描 述 方 法 的 缺 点 是 不 够 严 格, 因 此, 在 X.25 建 议 书 中 使 用 了 一 些 状 态 图, 它 能 较 严 格 地 描 述 各 阶 段 的 状 态 如 图 4-17 所 示 的 连 接 建 立 阶 段 的 状 态 转 转 移 图, 其 他 阶 段 的 参 见 X.25 建 议 书 图 4-17 X.25 协 议 的 状 态 转 换 图 图 中 每 个 椭 圆 代 表 一 个 DTE-DCE 对 的 状 态 箭 头 代 表 状 态 变 迁 的 方 向, 而 箭 头 旁 边 的 文 字 说 明 表 示 是 谁 (DTE 还 是 DCE) 发 出 了 何 种 分 组 例 如, 在 正 常 情 况 下, 系 统 处 于 状 态 4.3 网 络 协 议 层 与 X.251 若 DTE 发 出 呼 叫 请 求 分 组, 则 变 迁 到 状 态 2, 就 是 DTE 等 待 当 收 到 DCE 发 出 的 呼 叫 接 通 分 组, 则 进 入 状 态 4, 即 数 据 传 送 状 态

97 第 5 章 运 输 层 5.1 运 输 层 功 能 与 模 型 运 输 层 的 地 位 : 利 用 网 络 层 的 服 务 和 运 输 实 体 的 功 能, 向 会 话 层 提 供 服 务 运 输 层 是 整 个 协 议 层 次 结 构 的 核 心 其 任 务 是 为 从 源 端 机 到 目 的 机 提 供 可 靠 的 价 格 合 理 的 数 据 传 输, 而 与 当 前 网 络 或 使 用 的 网 络 无 关 如 果 没 有 传 输 层, 整 个 分 层 协 议 的 概 念 也 就 没 有 什 么 意 义 了 运 输 层 的 地 位 如 图 5-1 所 示 图 5-1 运 输 层 地 位 关 系 图 运 输 层 的 基 本 功 能 ( 可 以 和 货 物 运 输 的 情 况 作 类 比 ) 运 输 层 依 据 会 话 层 的 服 务 质 量 (QoS, Quality of Service) 要 求, 选 择 适 当 的 网 络 层 服 务 和 运 输 层 协 议, 以 提 供 可 靠 的 价 格 合 理 的 与 网 络 层 无 关 的 数 据 传 送 QoS 相 当 于 在 货 物 运 输 的 例 子 中 所 考 虑 的 时 间 可 靠 性 费 用 等 选 择 网 络 服 务 相 当 于 在 货 物 运 输 的 例 子 中 选 择 运 输 方 式, 例 如, 空 运 铁 路 等 运 输 层 协 议 相 当 于 邮 寄 信 件 时 是 使 用 平 信, 还 是 挂 号 信, 等 等 运 输 层 处 于 OSI 模 型 的 上 3 层 与 下 3 层 之 间, 提 供 进 程 间 端 到 端 的 透 明 的 可 靠 的 数 据 传 送 网 络 层 是 提 供 系 统 间 的 数 据 传 送, 而 运 输 层 是 提 供 进 程 间 的 数 据 传 送 OSI 模 型 中 上 3 层 的 功 能 为 信 息 传 送 了 解 数 据 含 义 和 进 程 间 通 信 ; 下 3 层 的 功 能 为 数 据 传 送 不 关 心 数 据 含 义 和 系 统 间 通 信 运 输 层 的 功 能 为 : 数 据 传 送, 不 关 心 数 据 含 义, 进 程 间 通 信 ; 可 视 为 低 层 的 一 部 分 弥 补 高 层 ( 上 3 层 ) 要 求 与 网 络 层 ( 基 于 下 3 层 ) 数 据 传 送 服 务 质 量 间 的 差 异 ( 差 错 率 差 错 恢 复 能 力 吞 吐 率 延 时 费 用 等 ), 对 高 层 屏 蔽 网 络 层 的 服 务 的 差 异, 提 供 稳 定 和 一 致

98 5.2 运 输 协 议 类 93 的 界 面, 如 图 5-2 所 示 图 5-2 运 输 层 抽 象 模 型 5.2 运 输 协 议 类 运 输 层 协 议 是 依 据 网 络 层 提 供 的 服 务 质 量 来 分 类 的 经 过 多 年 的 研 究 与 讨 论,ISO 于 1984 年 通 过 了 OSI 运 输 协 议 的 标 准 这 就 是 ISO8072 和 ISO 8073 CCITT 参 与 了 这 一 标 准 的 制 订, 并 通 过 了 相 应 的 X.214 和 X.224 建 议 书 欧 洲 计 算 机 厂 家 协 会 ECMA, 美 国 国 家 标 准 学 会 ANSI 以 及 美 国 国 家 标 准 局 NBS 等 也 都 积 极 参 与 了 运 输 层 协 议 标 准 的 制 订 NBS 已 于 1988 年 底 改 名 为 国 家 标 准 与 技 术 研 究 院 NIST 网 络 服 务 网 络 服 务 质 量 参 数, 网 络 层 所 提 供 的 服 务 质 量 是 由 以 下 两 个 参 数 来 评 价 的 : 1. 残 留 差 错 率 (Residual Error Rate) 反 映 网 络 连 接 质 量, 网 络 实 体 不 可 检 测 或 漏 检 差 错 率 残 留 差 错 是 网 络 层 未 改 正 的 差 错 且 不 通 知 运 输 层 (1) 所 有 传 送 的 网 络 服 务 数 据 单 元 (NSDU) 的 分 类 (4 类 ): N k 1 成 功 传 送 (Successfully Transferred) 的 NSDU: 2 错 误 ( Incorrect) 的 NSDU: 3 丢 失 的 (Lost)NSDU: 4 重 复 (Extra) 的 NSDU: (2) 定 义 N l N x N e 在 测 量 时 间 内, 在 网 络 连 接 上 传 送 的 所 有 错 误 的 丢 失 的 和 重 复 的 NSDU 与 所 传 送 的 全 部 NSDU 之 比 N s

99 94 第 5 章 运 输 层 (3) 公 式 2. 可 报 告 差 错 率 可 报 告 差 错 率 是 指 在 可 检 测 的 差 错 中 不 可 恢 复 的 差 错 所 占 的 比 例 (1) 残 留 差 错 (Residual Error) 网 络 实 体 不 可 检 测 的 差 错 ; 反 映 差 错 检 测 能 力 (2) 可 报 告 差 错 (Signalled Error) 网 络 实 体 可 检 测, 但 不 可 恢 复 的 差 错 ; 反 映 差 错 恢 复 能 力 1 检 测 到 有 不 可 恢 复 差 错 的 NSDU 时, 网 络 实 体 并 不 递 交 运 输 实 体, 而 是 报 告 运 输 实 体 对 它 进 行 恢 复 ; 通 知 运 输 层 的 网 络 连 接 释 放 (Release) 或 网 络 连 接 恢 复 (Reset) 2 可 报 告 差 错 率 低, 表 示 网 络 实 体 的 差 错 恢 复 能 力 强 网 络 服 务 分 类 : 1.A 类 网 络 服 务 可 接 受 的 残 留 差 错 率 可 接 受 的 可 报 告 差 错 率 ;A 型 网 络 服 务 是 一 个 完 善 的 理 想 的 可 靠 的 网 络 服 务 分 组 在 网 络 中 传 送 时 不 会 丢 失 也 不 会 失 序 ( 失 序 指 分 组 到 达 的 顺 序 与 发 送 的 顺 序 不 一 致 ), 这 样, 运 输 层 就 不 需 要 故 障 恢 复 的 服 务 和 重 新 排 序 的 服 务 等, 因 而 运 输 层 就 非 常 简 单 2.B 类 网 络 服 务 可 接 受 的 残 留 差 错 率 不 可 接 受 的 可 报 告 差 错 率 ; 需 要 运 输 实 体 进 行 差 错 恢 复 3.C 类 网 络 服 务 不 可 接 受 的 残 留 差 错 率 不 可 接 受 的 可 报 告 差 错 率 ; C 类 网 络 服 务 的 质 量 最 差 对 于 这 类 网 络, 运 输 协 议 应 能 检 测 出 网 络 的 差 错, 同 时 要 有 差 错 恢 复 能 力 对 失 序 重 复 以 及 错 误 投 递 的 数 据 分 组, 也 应 能 检 测 出 并 进 行 改 正 某 些 局 域 网 和 一 些 具 有 移 动 结 点 的 城 域 网 以 及 具 有 衰 落 信 道 的 分 组 无 线 电 网 都 局 于 C 类 网 络 运 输 协 议 类 为 了 能 够 在 各 种 不 同 网 络 上 进 行 不 同 类 型 的 数 据 的 传 送,ISO 定 义 了 5 类 (Class) 运 输 协 议, 即 第 0 类 至 第 4 类 的 运 输 协 议 这 5 类 运 输 协 议 都 是 面 向 连 接 的 也 就 是 说, 用 户 要 进 行 通 信, 必 须 先 建 立 运 输 连 接 当 然, 这 必 然 要 用 到 网 络 层 提 供 的 服 务, 或 者 说, 要 建 立 网 络 连 接 同 理, 在 建 立 网 络 连 接 时, 又 需 要 建 立 各 有 关 链 路 的 连 接 当 数 据 传 送 结 束 后, 则 必 须 释 放 运 输 连 接 针 对 网 络 服 务 质 量 的 差 异, 运 输 层 定 义 了 5 个 运 输 协 议 类, 提 供 不 同 的 功 能, 如 表 5-1 所 示 网 络 层 服 务 质 量 降 低 时, 对 运 输 协 议 的 要 求 就 提 高, 以 向 运 输 层 用 户 提 供 一 种 比 较 稳 定 的 服 务 界 面

100 5.3 运 输 服 务 95 表 类 运 输 协 议 运 输 协 议 类 主 要 功 能 使 用 的 网 络 服 务 TP0 简 单 类 运 输 连 接 管 理 A (Simple Class) TP1 基 本 差 错 恢 复 类 TP0+ 差 错 恢 复 B (Basic Error Recovery Class) TP2 TP0+ 复 用 / 解 复 用 复 用 类 流 量 控 制 (Multiple Xing Class) A TP3 差 错 恢 复 与 复 用 类 TP1+TP2 B (Error Recovery & Multiple Xing Class) TP4 TP3+ 有 差 错 检 测 差 错 检 测 与 恢 复 类 有 分 流 / 合 流 (Error Detecting & Recovery Class) C 第 0 类 运 输 协 议 是 最 简 单 的, 它 只 具 有 一 些 最 起 码 的 功 能 第 0 类 运 输 协 议 和 CCITT 的 T.70 建 议 书 相 兼 容 T.70 是 为 智 能 用 户 电 报 (Teletex) 终 端 提 供 运 输 服 务 的 建 议 书 第 0 类 运 输 协 议 的 功 能 就 是 建 立 一 个 简 单 的 端 到 端 的 运 输 连 接, 而 在 数 据 传 送 阶 段 具 有 将 长 数 据 报 文 分 段 传 送 的 功 能 ( 当 有 此 需 要 时 ) 它 没 有 差 错 恢 复 功 能, 也 不 将 多 条 运 输 连 接 复 用 到 一 条 网 络 连 接 上 第 0 类 运 输 协 议 是 面 向 A 类 网 络 服 务 的 第 1 类 运 输 协 议 较 简 单, 但 增 加 了 基 本 差 错 恢 复 功 能 利 用 网 络 层 的 连 接 拆 除 或 复 位 进 行 差 错 恢 复 这 里 的 基 本 差 错 是 指 出 现 网 络 连 接 断 开 或 网 络 连 接 失 败, 或 者 收 到 了 一 个 未 被 认 可 的 运 输 连 接 的 数 据 单 元 当 网 络 连 接 断 开 时, 运 输 层 就 试 图 建 立 另 一 条 网 络 连 接 第 1 类 运 输 协 议 面 向 B 类 网 络 服 务 第 3 类 运 输 协 议 面 向 B 类 网 络 服 务, 它 包 含 了 第 1 类 相 第 2 类 运 输 协 议 的 功 能, 既 有 差 错 恢 复 功 能 又 有 复 用 功 能 第 4 类 运 输 协 议 是 最 复 杂 的, 它 可 以 在 网 络 的 质 量 较 差 时 保 证 高 可 靠 性 的 数 据 传 送 它 面 向 C 类 网 络 服 务 第 4 类 运 输 协 议 具 有 差 错 检 测 差 错 恢 复 以 及 复 用 等 功 能 5.3 运 输 服 务 连 接 与 传 输 为 了 使 运 输 协 议 可 以 向 运 输 服 务 用 户 提 供 适 当 的 服 务, 在 运 输 连 接 建 立 时 应 当 就 若 干 服 务 质 量 参 数 进 行 协 商 协 商 好 的 服 务 质 量 参 数 就 从 运 输 服 务 用 户 传 给 运 输 层 的 运 输 协 议 实 体, 以 后 再 依 次 传 给 下 面 的 网 络 层 虽 然 运 输 协 议 的 主 要 目 的 是 给 用 户 提 供 一 条 可 靠 的 端 到 端 的 连 接 以 便 传 输 数 据, 但 要 做 到 这 一 点 还 应 当 有 适 当 的 管 理 服 务 这 样, 运 输 层 提 供 的 服 务 便 可 归 纳 为 两 大 类 :

101 96 第 5 章 运 输 层 1 运 输 连 接 管 理, 即 负 责 建 立 和 在 通 信 完 毕 时 释 放 运 输 连 接 2 数 据 传 输 运 输 服 务 运 输 服 务 是 由 运 输 协 议 实 体 使 用 运 输 协 议 和 网 络 服 务 向 会 话 实 体 提 供 的 服 务 运 输 服 务 模 型 如 图 5-3 所 示 图 5-3 运 输 服 务 队 列 模 型 TSAP,TC( 运 输 连 接 ), TCEP( 运 输 连 接 端 点 ) 间 的 关 系 如 图 5-4 所 示, 其 中 : TSAP: 通 过 TSAP 提 供 运 输 服 务, 可 有 多 个 TSAP TC:TSAP 间 可 建 立 一 个 或 多 个 运 输 连 接 (TC) TCEP:TC 的 两 端 称 为 TCEP(Transport Connection End Point) 图 5-4 TSAP TCEP 和 TC 三 者 之 间 的 关 系 1. 运 输 服 务 特 性 (1) 提 供 运 输 QoS 选 择 吞 吐 量 延 时 残 留 差 错 率 等 在 满 足 用 户 要 求 的 前 提 下, 优 化 资 源 使 用, 以 达 到 最 优

102 的 性 能 价 格 比 (2) 运 输 QoS 与 网 络 QoS 独 立 5.3 运 输 服 务 97 对 运 输 用 户 提 供 相 对 稳 定 的 服 务 界 面 运 输 层 可 弥 补 运 输 层 用 户 QoS 要 求 与 网 络 层 提 供 的 QoS 间 的 差 异, 使 运 输 服 务 用 户 可 不 关 心 底 层 的 通 信 网 络 (3) 提 供 端 到 端 数 据 传 送 (4) 提 供 透 明 的 数 据 传 送 对 运 输 用 户 的 数 据 内 容 格 式 和 编 码 没 有 限 制 (5) 良 好 的 寻 址 系 统 运 输 地 址 对 应 唯 一 的 TSAP, 并 能 映 射 到 相 应 的 网 络 层 地 址 机 构 2. 运 输 服 务 原 语 3 个 阶 段 : 连 接 建 立 数 据 传 送 和 连 接 释 放 4 种 服 务 :TC 建 立 正 常 数 据 传 送 加 速 数 据 传 送 TC 释 放 12 种 原 语 :TC 建 立 (4 种 ) 正 常 数 据 传 送 (4 种 ) 加 速 数 据 传 送 (2 种 ) 和 TC 释 放 (2 种 ) 表 5-2 运 输 服 务 原 语 表 阶 段 服 务 原 语 参 数 TC 建 立 数 据 传 送 TC 释 放 无 连 接 数 据 传 送 TC 建 立 正 常 数 据 传 送 加 速 数 据 传 送 TC 释 放 普 通 数 据 传 送 T-CONNECT.request T-CONNECT.indication T-CONNECT.response T-CONNECT.confirm T-DATA.request T-DATA.indication T-EXPEDITED-DATA.request T-EXPEDITED-DATA.indication T-DISCONNECT.request T-DISCONNECT.indication T-UNITDATA.request T-UNITDATA.indication Called address 被 叫 地 址 Calling address 主 叫 地 址 Expedited data option 加 速 数 据 选 择 Quality of Service 服 务 质 量 TS-User data 用 户 数 据 Responding address 响 应 地 址 Expedited data option 加 速 数 据 选 择 Quality of Service 服 务 质 量 TS-User data 用 户 数 据 TS-User data 用 户 数 据 TS-User data 用 户 数 据 TS-User data 用 户 数 据 Disconnect reason 释 放 原 因 TS-User data 用 户 数 据 Called address 被 叫 地 址 Calling address 主 叫 地 址 Quality of Service 服 务 质 量 TS-User data 用 户 数 据

103 98 第 5 章 运 输 层 3. 运 输 服 务 原 语 时 序 (1) 连 接 建 立 阶 段 成 功 建 立 连 接 被 叫 用 户 拒 绝 建 立 连 接 TS 提 供 者 拒 绝 建 立 连 接 ; 如 图 5-5 所 示 EMBED PBrush EMBED PBrush 图 5-5 成 功 建 立 连 接 (2) 数 据 传 送 阶 段 正 常 数 据 传 送 加 速 数 据 传 送 如 图 5-6 所 示 EMBED PBrush EMBED PBrush 图 5-6 正 常 数 据 传 送 (3) 连 接 释 放 阶 段 一 个 用 户 发 起 的 释 放, 如 图 5-7 所 示 ; 两 个 用 户 同 时 发 起 的 释 放, 如 图 5-8 所 示 TS 提 供 者 发 起 的 释 放, 如 图 5-9 所 示 ;TS 用 户 和 提 供 者 同 时 发 起 的 释 放, 如 图 5-10 所 示 图 5-7 一 个 用 户 发 起 的 释 放 图 5-8 两 个 用 户 同 时 发 起 的 释 放

104 5.3 运 输 服 务 99 图 5-9 TS 提 供 者 发 起 的 释 放 图 5-10 TS 用 户 和 提 供 者 同 时 发 起 的 释 放 4. 运 输 连 接 状 态 转 换 图 运 输 连 接 状 态 转 换 图 分 TC 关 闭 TC 打 开 主 叫 等 待 被 叫 等 待 4 种 状 态, 如 图 5-11 所 示 图 5-11 运 输 连 接 状 态 转 换 图 端 对 端 通 对 于 通 信 子 网 的 用 户, 也 就 是 对 用 户 进 程 来 说, 我 们 希 望 得 到 的 是 端 到 端 的 可 靠 通 信 服

105 100 第 5 章 运 输 层 务 所 谓 端 到 端 即 从 进 程 到 进 程, 有 时 还 可 能 希 望 得 到 其 他 的 服 务 例 如, 多 对 进 程 之 间 的 通 信 复 用 到 一 个 网 络 连 接 上 在 互 联 网 的 情 况 下, 各 子 网 所 能 提 供 的 服 务 往 往 是 不 一 样 的 为 了 能 使 通 信 子 网 的 用 户 得 到 一 个 统 一 的 通 信 服 务, 就 有 必 要 设 置 一 个 运 输 层 运 输 层 弥 补 了 各 个 通 信 子 网 提 供 的 服 务 的 差 异 和 不 足, 而 在 各 通 信 子 网 提 供 的 服 务 的 基 础 上, 利 用 本 身 的 运 输 协 议, 增 加 了 服 务 功 能, 使 得 对 两 端 的 网 络 用 户 来 说, 各 通 信 子 网 都 变 成 透 明 的, 而 对 各 子 网 的 用 户, 面 向 通 信 的 运 输 接 口 就 成 为 通 用 的 换 言 之, 运 输 层 向 高 层 用 户 屏 蔽 了 下 面 通 信 子 网 的 细 节, 使 高 层 用 户 看 不 见 实 现 通 信 功 能 的 物 理 链 路 是 什 么, 看 不 见 数 据 链 路 采 用 的 是 什 么 规 程, 也 看 不 见 下 面 到 底 有 几 个 子 网 以 及 这 些 子 网 是 怎 样 互 联 起 来 的 运 输 层 使 高 层 用 户 看 见 的 就 是 好 象 在 两 个 运 输 层 实 体 之 间 有 一 条 端 到 端 的 可 靠 的 通 信 通 路 5.4 运 输 协 议 运 输 协 议 的 元 素 传 输 服 务 是 通 过 建 立 连 接 的 两 个 传 输 实 体 之 间 所 用 的 传 输 协 议 来 实 现 的 在 某 些 方 面, 传 输 协 议 类 似 数 据 链 路 层 协 议, 二 者 都 必 须 解 决 差 错 控 制 分 组 顺 序 流 量 控 制 及 其 他 问 题, 但 二 者 之 间 也 存 在 着 显 著 的 差 异 这 些 差 异 主 要 是 因 为 两 个 协 议 所 运 行 的 环 境 不 同 所 造 成 的, 如 图 5-12 所 示 在 数 据 链 路 层, 两 个 路 由 器 通 过 物 理 通 道 直 接 通 信 ; 而 在 运 输 层, 这 个 物 理 通 道 由 整 个 子 网 所 取 代 这 一 差 异 对 协 议 产 生 了 很 多 重 要 的 影 响 首 先, 在 数 据 链 路 层, 不 必 为 一 个 路 由 器 指 明 它 要 与 哪 个 路 由 器 通 话, 每 条 输 出 线 对 应 唯 一 的 一 个 路 由 器 在 运 输 层 里, 需 要 显 式 地 给 出 目 的 端 地 址 其 次, 在 图 5-12(a) 中 的 线 路 上 建 立 连 接 的 过 程 很 简 单 : 另 一 端 总 是 存 在 的 ( 只 有 在 它 已 崩 溃 的 情 况 下 才 不 存 在 ), 每 一 方 都 没 有 太 多 事 情 要 做 对 运 输 层 而 言, 初 始 连 接 的 建 立 要 复 杂 得 多, 这 点 我 们 以 后 会 看 到 (a) 数 据 链 路 层 环 境 (b) 运 输 层 环 境 图 5-12 传 输 服 务 在 不 同 协 议 环 境 下 运 行

106 5.4 运 输 协 议 101 数 据 链 路 层 和 运 输 层 之 间 另 一 个 主 要 的 区 别 是 子 网 的 存 储 能 力 当 路 由 器 发 送 了 一 帧 时, 该 帧 可 能 会 到 达 目 的 地, 也 可 能 会 丢 失, 但 它 不 会 徘 徊 一 会 儿, 躲 藏 在 网 络 的 某 个 角 落, 而 在 某 个 不 合 适 的 时 刻 又 突 然 冒 出 来 如 果 子 网 内 部 采 用 数 据 报 和 适 应 性 路 由 选 择 策 略, 那 么 就 极 可 能 将 一 个 分 组 存 储 几 秒 钟, 然 后 再 传 送 子 网 能 将 分 组 存 储 起 来 的 能 力 有 时 可 能 会 产 生 灾 难 性 后 果, 因 此 需 要 使 用 特 殊 的 协 议 数 据 链 路 层 和 运 输 层 之 间 的 最 后 一 个 区 别 是 数 量 上 的 差 别 而 非 类 型 上 的 差 别 在 两 层 中 都 需 要 有 数 据 缓 冲 和 流 量 控 制, 但 在 运 输 层 中 出 现 的 大 量 的 动 态 变 化 的 连 接 要 求 可 能 需 要 使 用 与 在 数 据 链 路 层 中 不 同 的 处 理 方 法 在 数 据 链 路 层 中, 有 些 协 议 为 每 个 连 接 均 分 配 了 固 定 数 目 的 缓 冲 区 在 运 输 层 中, 由 于 需 要 管 理 很 大 数 目 的 连 接, 因 此, 为 每 个 连 接 分 配 很 多 缓 冲 区 的 策 略 不 具 有 吸 引 力 在 以 下 的 几 小 节 中, 将 考 察 所 有 这 样 和 那 样 的 问 题 编 址 当 一 个 应 用 程 序 希 望 与 一 个 远 程 应 用 程 序 建 立 连 接 时, 它 必 须 指 定 是 与 哪 个 应 用 程 序 相 连 ( 无 连 接 的 传 输 存 在 同 样 的 问 题 : 每 个 报 文 应 发 送 给 谁 ) 一 般 采 用 的 方 法 是 定 义 进 程 可 以 侦 听 连 接 请 求 的 传 输 地 址 在 因 特 网 中, 这 些 端 点 是 IP 地 址 和 本 地 端 口 在 ATM( 异 步 传 输 模 式 ) 中, 则 为 AAL-SAP, 我 们 使 用 中 性 术 语 传 输 服 务 访 问 点 TSAP(Transport Service Access Point) 来 描 述 网 络 层 中 类 似 的 端 点 ( 即 网 络 层 地 址 ) 则 称 为 NSAP IP 地 址 就 是 NSAP 的 例 子 图 5-13 说 明 了 一 个 面 向 连 接 的 子 网 ( 如 ATM) 中 NSAP TSAP 网 络 连 接 和 传 输 连 接 之 间 的 关 系 注 意 : 传 输 实 体 通 常 支 持 多 个 NSAP 在 有 些 网 络 中, 也 可 能 存 在 多 个 NSAP, 但 对 其 他 网 络, 每 台 机 器 只 有 一 个 NSAP( 如 一 个 IP 地 址 ) 在 面 向 连 接 的 网 络 层 上 建 立 一 个 传 输 连 接, 可 能 采 用 的 连 接 方 案 如 下 : 1 主 机 2 上 的 定 时 器 服 务 进 程 将 自 己 连 到 122 号 TSAP 上, 等 待 即 将 到 来 的 请 求 一 个 进 程 如 何 将 自 己 与 TSAP 相 连 是 属 于 网 络 模 型 以 外 的 问 题, 它 完 全 依 赖 于 本 地 的 操 作 系 统 例 如, 可 以 用 LISTEN 调 用 2 主 机 1 上 的 一 个 应 用 进 程 想 找 出 当 天 的 时 间, 于 是 发 出 一 个 CONNECT 请 求, 将 6 号 TSAP 设 定 为 源 地 址, 将 122 号 TSAP 设 定 为 目 的 地 址 3 主 机 1 上 的 传 输 实 体 在 其 机 器 上 选 择 一 个 网 络 地 址 ( 如 果 它 不 止 一 个 ) 并 在 它 们 之 间 建 立 一 个 网 络 连 接 对 于 无 连 接 子 网, 无 须 建 立 该 网 络 层 连 接, 使 用 该 网 络 连 接 主 机 1 的 传 输 实 体 便 能 与 主 机 2 的 传 输 实 体 通 话 了 4 主 机 1 上 的 传 输 实 体 向 主 机 2 上 对 等 端 说 的 第 一 句 话 是 : 早 上 好, 我 想 在 我 的 6 号 TSAP 和 你 的 122 号 TSAP 之 间 建 立 一 个 传 输 连 接 你 认 为 如 何? 5 主 机 2 上 的 传 输 实 体 便 询 问 122 号 TSAP 的 定 时 服 务 器 是 否 愿 意 接 受 一 个 新 的 连 接 如 果 它 同 意, 传 输 连 接 便 建 立 成 功 注 意 : 传 输 连 接 是 从 TSAP 到 TSAP 的, 而 网 络 连 接 只 是 其 中 从 NSAP 到 NSAP 的 部 分

107 102 第 5 章 运 输 层 图 5-13 TSAP NSAP 和 连 接 主 机 1 上 的 用 户 进 程 如 何 知 道 定 时 服 务 器 是 连 接 到 122 号 TSAP 上 的 呢? 如 果 我 们 已 经 解 决 了 这 一 问 题, 以 上 描 绘 的 图 景 就 很 美 了 一 种 可 能 性 是 定 时 服 务 器 长 年 与 122 号 TSAP 相 连, 并 且 所 有 网 络 用 户 都 逐 渐 了 解 到 这 一 点 在 这 种 模 型 中, 各 种 服 务 都 有 不 变 的 可 以 打 印 出 来 的 TSAP 地 址, 并 且 能 通 告 给 新 加 入 到 网 络 中 的 用 户 不 变 的 TSAP 地 址 可 能 适 用 于 少 数 从 不 改 变 的 关 键 服 务 一 般 地, 用 户 进 程 常 常 想 与 其 他 的 用 户 进 程 通 话, 这 些 用 户 进 程 只 是 短 时 间 存 在 并 且 预 先 不 知 道 TSAP 地 址 而 且, 如 果 有 很 多 潜 在 的 服 务 器 进 程, 而 其 中 的 大 多 数 很 少 使 用, 那 么 让 每 个 进 程 整 天 处 于 活 动 状 态 并 整 天 侦 听 不 变 的 TSAP 地 址 是 一 种 浪 费 简 而 言 之, 需 要 一 种 更 好 的 方 案 被 UNIX 主 机 用 于 因 特 网 上 的 一 种 该 方 案 的 简 化 形 式 如 图 5-14 所 示, 称 为 初 始 连 接 协 议 (Initial Connection Protocol) 该 方 案 不 再 让 每 个 可 能 存 在 的 服 务 器 去 侦 听 一 个 众 所 周 知 的 TSAP 地 址, 而 是 让 每 台 希 望 向 远 端 用 户 提 供 服 务 的 机 器 运 行 一 个 特 殊 的 进 程 服 务 器 (Process Server), 它 充 当 载 荷 较 轻 的 服 务 器 的 代 理 它 同 时 侦 听 一 系 列 端 口, 等 待 TCP 连 接 请 求 需 要 某 种 服 务 的 用 户 通 过 执 行 CONNECT 请 求 开 始, 然 后 设 定 它 们 所 需 服 务 的 TSAP 地 址 (TCP 端 口 ) 如 果 没 有 服 务 器 在 等 待 它 的 到 来, 它 将 会 连 接 到 进 程 服 务 器 上, 如 图 5-14 (a) 所 示 当 进 程 服 务 器 收 到 传 入 的 请 求 后, 便 装 入 用 户 请 求 的 服 务 器, 并 将 已 经 建 立 的 与 用 户 的 连 接 转 交 给 它 于 是 新 的 服 务 器 便 开 始 执 行 用 户 请 求 的 任 务, 而 进 程 服 务 器 则 又 回 去 侦 听 新 的 用 户 连 接 请 求, 如 图 5-14 (b) 所 示 图 5-14 主 机 1 的 用 户 进 程 与 主 机 2 的 定 时 服 务 器 建 立 连 接

108 5.4 运 输 协 议 103 尽 管 初 始 连 接 协 议 对 于 那 些 需 要 随 时 创 建 的 服 务 器 来 说 是 十 分 有 效 的, 但 确 实 存 在 着 很 多 服 务 不 依 赖 于 进 程 服 务 器 的 情 况 例 如, 文 件 服 务 器 需 要 在 特 定 的 硬 件 ( 带 有 硬 盘 的 机 器 ) 上 远 行, 而 不 能 当 有 用 户 想 与 其 通 话 时 才 仓 促 创 建 在 这 种 情 况 下 经 常 采 用 另 一 种 方 案 在 这 种 模 型 中, 存 在 一 个 称 为 名 字 服 务 器 (Name Server), 有 时 称 做 名 录 服 务 器 (Dictionary Server) 的 特 殊 进 程 为 了 找 到 与 一 个 给 定 服 务 名 称 [ 如 定 时 服 务 器 ( time-of-day )] 相 对 应 的 TSAP 地 址, 用 户 要 与 该 名 字 服 务 器 ( 它 一 直 在 侦 听 一 个 众 所 周 知 的 TSAP) 建 立 一 个 连 接 接 着, 用 户 向 名 字 服 务 器 发 送 一 个 报 文, 指 明 服 务 的 名 称, 而 名 字 服 务 器 则 将 相 应 的 TSAP 地 址 返 回 给 用 户 接 下 来, 用 户 释 放 与 名 字 服 务 器 之 间 的 连 接, 而 与 希 望 得 到 的 服 务 之 间 建 立 一 个 新 的 连 接 在 这 种 模 型 中, 当 创 建 一 个 新 的 服 务 时, 必 须 向 名 字 服 务 器 注 册, 给 出 它 的 服 务 名 称 ( 一 般 是 ASCII 码 字 符 串 ) 及 其 TSAP 地 址 名 字 服 务 器 将 这 些 信 息 记 录 在 其 内 部 数 据 库 中, 以 便 以 后 能 够 回 答 收 到 的 查 询 名 字 服 务 器 的 功 能 类 似 于 电 话 系 统 中 的 查 号 辅 助 操 作 员 它 提 供 从 名 字 到 号 码 的 映 射 正 如 在 电 话 系 统 中 一 样, 关 键 是 由 名 字 服 务 器 ( 或 初 始 连 接 协 议 中 的 进 程 服 务 器 ) 所 使 用 的 众 所 周 知 的 TSAP 地 址 确 实 应 该 是 用 户 所 熟 悉 的 如 果 用 户 根 本 就 不 知 道 查 号 台 的 号 码, 就 谈 不 上 让 查 号 台 话 务 员 来 查 询 任 何 信 息 如 果 用 户 认 为 自 己 所 拨 的 信 息 查 询 号 码 是 清 楚 的, 那 么 只 要 有 机 会, 用 户 在 国 外 也 可 以 试 一 下 有 别 于 层 次 型 地 址 空 间 的 一 种 选 择 是 平 面 型 地 址 空 间 (Flat Address Space) 如 果 TSAP 地 址 为 非 层 次 型, 则 需 要 二 级 映 射 来 定 位 合 适 的 机 器 即 必 须 有 一 个 名 字 服 务 器, 其 输 入 为 传 输 地 址, 输 出 为 网 络 地 址 另 外, 在 某 些 情 况 下 ( 如 在 局 域 网 中 ), 有 可 能 以 广 播 方 式 发 出 一 个 查 询, 请 目 的 机 器 发 送 一 个 分 组 来 标 识 自 己 现 在 我 们 假 定 用 户 已 经 成 功 地 找 到 欲 建 立 连 接 的 TSAP 地 址 另 一 个 有 趣 的 问 题 是 : 本 地 传 输 实 体 如 何 知 道 那 个 TSAP 被 放 置 在 哪 台 机 器 上? 进 一 步 说, 传 输 实 体 怎 么 知 道 哪 个 网 络 层 地 址 用 来 与 管 理 TSAP 请 求 的 远 程 传 输 实 体 建 立 网 络 连 接 呢? 答 案 依 赖 于 TSAP 地 址 的 结 构 一 种 可 能 的 结 构 是 TSAP 地 址 为 层 次 型 地 址 (Hierarchial Addresses) 层 次 型 地 址 是 由 一 系 列 字 段 组 成, 这 些 字 段 将 地 址 空 间 划 分 为 不 相 交 的 分 区 例 如, 一 个 完 全 通 用 的 TSAP 地 址 可 能 有 如 下 的 结 构 : 地 址 = < 星 系 >< 恒 星 >< 行 星 >< 国 家 >< 网 络 >< 主 机 >< 端 口 > 使 用 这 一 方 案, 可 以 十 分 简 单 明 了 地 确 定 任 何 已 知 范 围 内 的 TSAP 同 理, 如 果 一 个 TSAP 地 址 是 一 个 NSAP 地 址 和 一 个 端 口 ( 表 明 本 地 TSAP 之 一 的 局 部 标 识 符 ) 的 组 合, 那 么 当 给 出 了 一 个 传 输 实 体 要 连 接 的 TSAP 地 址 时, 它 使 用 TSAP 中 包 含 的 NSAP 地 址 以 到 达 适 当 的 远 端 传 输 实 体 作 为 层 次 型 地 址 的 一 个 简 单 例 子, 考 察 电 话 号 码 该 号 码 可 以 按 来 分 析 其 中,1 为 国 家 代 码 ( 美 国 + 加 拿 大 ), 907 为 地 区 代 码 ( 阿 拉 斯 加 ), 654 为 阿 拉 斯 加 的 一 个 分 局, 而 3210 则 是 该 分 局 中 的 端 口 ( 用 户 专 用 线 ) 之 一 连 接 管 理 1. 建 立 连 接 建 立 连 接 听 起 来 容 易, 但 实 际 上 却 是 意 想 不 到 的 棘 手 初 看 起 来, 一 个 传 输 实 体 似 乎 只 需 向 目 的 机 器 发 送 一 个 连 接 请 求 (Connection Request) TPDU, 并 等 待 对 方 接 受 连 接 (Connection Accpted) 的 应 答 就 足 够 了, 但 当 网 络 可 能 丢 失 存 储 和 出 现 重 复 分 组 时, 问 题 便 出 现 了

109 104 第 5 章 运 输 层 设 想 一 个 子 网 十 分 拥 塞 以 致 于 根 本 不 能 及 时 返 回 确 认, 每 个 分 组 由 于 在 规 定 时 限 内 得 不 到 确 认 而 需 要 重 发 二 次 或 三 次 的 情 形 假 设 该 子 网 内 部 使 用 数 据 报, 并 且 每 个 分 组 拥 有 不 同 的 路 由 一 些 分 组 可 能 会 因 为 子 网 内 部 的 线 路 拥 塞, 需 要 很 长 一 段 时 间 才 能 到 达, 即 它 们 被 存 储 到 子 网 中, 并 在 很 久 以 后 突 然 出 现 最 坏 的 可 能 性 是 发 生 下 面 的 情 况 一 个 用 户 与 银 行 之 间 建 立 了 一 条 连 接, 并 发 送 报 文 让 银 行 将 一 笔 巨 款 转 至 一 个 不 能 完 全 信 任 的 人 的 账 户 下, 然 后 便 释 放 连 接 不 幸 的 是, 此 时 每 个 分 组 均 被 复 制 并 存 放 于 子 网 中 当 连 接 已 经 断 开 后, 所 有 的 复 制 分 组 又 会 从 子 网 中 发 出 并 顺 序 到 达 目 的 端, 请 求 与 银 行 建 立 一 个 新 的 连 接 并 再 次 转 账, 然 后 释 放 连 接 而 银 行 则 无 法 辨 别 这 些 分 组 是 重 复 的, 便 假 定 这 是 第 二 次 独 立 的 转 账 业 务, 于 是 将 巨 款 再 次 转 移 本 节 剩 下 的 部 分 将 专 门 讨 论 延 迟 的 重 复 分 组 问 题, 特 别 重 点 讨 论 可 靠 地 建 立 连 接 的 算 法, 以 防 止 类 似 于 上 述 灾 难 性 问 题 的 发 生 问 题 的 关 键 是 由 于 子 网 中 存 在 着 延 迟 的 重 复 分 组, 解 决 这 一 问 题 的 方 法 很 多, 但 都 不 是 很 令 人 满 意 一 种 方 法 是 废 弃 使 用 过 的 传 输 地 址, 在 这 种 方 法 中, 每 次 需 要 一 个 传 输 地 址 时, 系 统 便 产 生 一 个 新 的 当 释 放 一 个 连 接 时, 传 输 地 址 便 被 废 弃 了, 这 一 策 略 使 进 程 服 务 器 变 为 无 效 另 一 种 可 能 的 解 决 方 法 是 给 每 个 连 接 分 配 一 个 连 接 标 识 符, 即 一 个 随 连 接 建 立 而 递 增 的 顺 序 号, 该 标 识 符 由 请 求 连 接 方 选 择, 并 放 进 包 括 连 接 请 求 在 内 的 每 个 TPDU 中 当 每 个 连 接 被 释 放 后, 各 传 输 实 体 可 以 更 新 一 张 表, 列 出 所 有 过 时 的 连 接 对 ( 对 等 的 传 输 实 体, 连 接 标 识 符 ) 每 当 收 到 一 个 连 接 请 求 时, 便 检 查 这 张 表, 看 该 连 接 是 否 属 于 以 前 所 释 放 的 连 接 不 幸 的 是, 这 种 方 案 有 一 些 基 本 的 缺 陷 : 它 要 求 每 个 传 送 实 体 长 时 间 保 持 一 定 量 的 历 史 信 息 如 果 某 台 机 器 由 于 崩 溃 而 丢 失 了 它 存 储 的 信 息, 那 么 它 便 无 法 再 获 知 哪 些 连 接 标 识 符 是 用 过 的 因 而 我 们 需 要 采 取 一 种 不 同 的 方 法 我 们 必 须 设 计 出 一 种 机 制 来 删 除 那 些 仍 在 网 中 徘 徊 的 过 时 的 分 组, 不 让 它 们 永 远 存 留 在 子 网 中 如 果 我 们 能 够 确 保 任 何 一 个 分 组 在 子 网 中 的 存 留 时 间 都 不 超 过 某 个 已 知 的 时 间, 那 么 问 题 在 某 种 程 度 上 就 变 得 较 易 处 理 了 采 用 下 述 的 技 术 之 一, 可 以 将 分 组 的 生 命 周 期 限 制 在 一 个 已 知 的 最 大 值 内 : 1 受 限 制 的 子 网 设 计 ; 2 在 每 个 分 组 内 设 置 一 个 生 存 时 间 ; 3 为 每 个 分 组 加 上 时 间 戳 第 1 种 方 法 包 括 防 止 分 组 进 入 回 路, 以 及 限 制 延 时 不 超 过 ( 当 前 已 知 的 ) 可 能 最 长 的 路 径 时 延 第 2 种 方 法 是 在 每 次 转 发 分 组 时 使 生 存 时 间 加 1 数 据 链 路 层 协 议 将 丢 弃 那 些 生 存 时 间 值 超 过 某 个 特 定 值 的 分 组 第 3 种 方 法 要 求 每 个 分 组 均 包 含 生 成 时 间, 由 路 由 器 负 责 丢 弃 超 过 预 定 时 间 的 旧 分 组 第 3 种 方 法 要 求 路 由 器 的 时 钟 同 步, 而 同 步 本 身 就 是 一 项 繁 重 的 任 务, 除 非 同 步 信 号 来 自 子 网 络 外 部, 如 通 过 收 听 定 期 广 播 准 确 时 间 的 无 线 电 台 在 实 际 应 用 中, 我 们 不 仅 需 要 保 证 一 个 分 组 已 经 无 效, 而 且 要 保 证 对 该 分 组 的 所 有 确 认 均 告 失 效, 因 此, 我 们 现 在 引 进 T 的 概 念, 它 表 示 实 际 最 长 的 生 命 期 的 某 个 不 太 大 的 倍 数 该 倍 数 与 所 用 的 协 议 无 关, 只 是 对 延 长 T 有 影 响 如 果 在 一 个 分 组 发 出 后 等 待 了 时 间 T, 我 们 便 可 以 确 定 有 关 该 分 组 的 一 切 现 在 已 告 失 效, 该 分 组 及 其 确 认 将 不 会 再 次 突 然 出 现 而 使 问 题 复 杂 化 根 据 分 组 限 定 的 生 命 期, 有 可 能 设 计 出 一 种 建 立 可 靠 连 接 的 安 全 方 法 下 面 描 述 的 方 法 源 于 Tomlinson(1975), 该 方 法 解 决 了 这 一 问 题, 但 同 时 也 带 来 了 特 殊 问 题 这 一 方 法 后 来 经 Sunshine 和 Dalal(1978) 做 了 进 一 步 的 优 化 该 方 法 以 各 种 形 式 广 泛 用 于 实 践 中 为 了 解 决 系 统 崩 溃 后 机 器 会 丢 失 全 部 存 储 信 息 的 问 题 Tomlinson 建 议 为 每 台 主 机 增 设

110 5.4 运 输 协 议 105 一 个 计 时 (time-of-day) 时 钟 不 同 主 机 的 时 钟 不 需 同 步 假 定 每 个 时 钟 都 采 用 二 进 制 计 数 器 形 式, 在 统 一 的 时 间 间 隔 内 累 加 计 数 而 且, 计 数 器 内 的 位 数 必 须 等 于 或 大 于 序 列 号 内 的 位 数 最 后, 也 是 更 重 要 的, 是 假 定 时 钟 一 直 在 运 转, 即 使 主 机 停 机 亦 如 此 基 本 思 想 是 确 保 在 同 一 时 刻 永 远 不 会 出 现 两 个 编 号 相 同 的 TPDU 当 一 个 连 接 建 立 后, 时 钟 的 低 k 位 作 为 初 始 序 号 ( 也 是 k 位 ) 这 样 便 不 同 于 数 据 链 路 层 所 介 绍 的 协 议, 每 个 连 接 均 以 不 同 的 序 号 开 始 对 其 TPDU 进 行 编 号, 序 号 空 间 应 该 很 大, 以 便 当 序 号 再 次 ( 循 环 了 一 周 ) 出 现 时, 具 有 相 同 序 号 的 旧 的 TPDU 早 已 传 送 完 毕 时 间 和 初 始 序 号 之 间 的 线 性 关 系 如 图 5-15 所 示 图 5-15 时 间 和 初 始 序 号 之 间 的 线 性 关 系 一 旦 建 立 连 接 的 两 个 传 输 实 体 接 受 了 初 始 序 号, 便 可 以 使 用 任 何 滑 动 窗 口 协 议 来 实 现 数 据 流 量 控 制 实 际 上, 初 始 序 号 曲 线 ( 由 粗 线 表 示 ) 并 非 真 正 线 性 的, 而 是 阶 梯 形 的, 因 为 时 钟 是 以 离 散 形 式 前 进 的 为 简 单 起 见, 我 们 忽 略 这 一 细 节 当 主 机 崩 溃 时 会 出 现 问 题, 即 当 主 机 再 次 启 动 运 行 后, 其 传 输 实 体 不 知 道 它 处 在 序 号 空 间 的 什 么 位 置 一 种 解 决 方 法 是 要 求 传 输 实 体 在 主 机 恢 复 后 空 闲 等 待 T s, 以 便 使 所 有 过 时 的 TPDU 失 效 然 而, 在 一 个 复 杂 的 网 络 系 统 中,T 值 可 能 很 大, 所 以 这 种 方 法 不 具 有 吸 引 力 为 了 避 免 在 系 统 崩 溃 后 所 要 求 的 T s 空 闲 等 待 时 间, 有 必 要 对 序 号 的 使 用 引 入 一 种 新 的 限 制 通 过 一 个 例 子 我 们 会 看 到 这 种 限 制 的 必 要 性 设 分 组 的 最 长 生 命 期 为 60 s, 计 时 时 钟 每 秒 计 数 一 次 如 图 5-15 所 示, 对 于 x 时 刻 接 通 的 连 接, 其 初 始 序 号 将 为 x 设 想 当 t=30 s 时, 发 送 至 5 号 连 接 ( 已 经 接 通 ) 的 一 个 普 通 的 数 据 TPDU 被 赋 予 的 序 号 为 80 不 妨 称 其 为 TPDU X 在 将 TPDU X 发 送 出 去 后 主 机 即 崩 溃 并 且 很 快 重 启 在 t=60 s 的 时 刻, 它 开 始 重 新 接 通 0 至 4 号 连 接 在 t=70 s 时, 它 按 照 连 接 请 求 以 初 始 序 号 70 重 新 接 通 了 5 号 连 接 在 接 下 来 的 15 s 内, 主 机 发 送 出 70~80 号 数 据 TPDU 于 是, 当 t= 85 s 时, 一 个 序 号 为 80 的 新 的 TPDU 以 及 连 接 5 被 送 入 子 网 中 不 幸 的 是, 此 时 TPDU X 仍 然 存 在 如 果 TPDU X 能 先 于 新 的 TPDU 80 到 达 接 收 方, 它 便 会 被 接 受, 但 正 确 的 TPDU 80 却 被 作 为 重 复 数 据 而 拒 收 为 了 避 免 出 现 这 类 问 题, 我 们 必 须 做 到 在 一 些 序 号 可 用 作 初 始 序 号 之 前 的 时 间 T 内 禁 止 使 用 它 们 ( 即 赋 予 新 的 TPDU) 时 间 和 序 号 的 非 法 组 合 如 图 5-15 中 的 禁 止 区 域 所 示 任 何 连 接 在 发 送 任 何 TPDU 之 前, 传 输 实 体 都 必 须 读 计 时 值, 并 进 行 检 查, 以 确 保 该 TPDU 的 序 号 和 时 间 组 合 不 在 禁 止

111 106 第 5 章 运 输 层 区 域 内 该 协 议 在 两 种 不 同 情 况 下 可 能 会 陷 入 困 境 如 果 一 台 主 机 在 一 个 刚 刚 接 通 的 连 接 上 发 送 的 数 据 太 多 太 快, 实 际 的 序 号 与 时 间 的 关 系 曲 线 要 比 初 始 序 号 与 时 间 的 关 系 曲 线 更 陡 些 ( 斜 率 更 大 ) 这 意 味 着 在 任 何 连 接 上 的 最 大 数 据 传 输 速 率 是 每 秒 钟 传 送 一 个 TPDU; 还 意 味 着 在 系 统 崩 溃 恢 复 后 接 通 一 个 新 的 连 接 之 前, 传 输 实 体 必 须 空 闲 等 待 一 段 时 间, 以 免 同 一 序 号 被 重 用 这 两 点 都 要 求 时 钟 的 脉 冲 间 隔 要 短 ( 几 个 毫 秒 ) 很 不 幸, 由 于 发 送 数 据 太 快 而 从 曲 线 下 方 进 入 禁 止 区 域 并 不 是 陷 入 困 境 的 唯 一 情 形 从 图 5-15 中 可 以 清 楚 地 看 到, 当 任 何 数 据 传 输 速 率 低 于 时 钟 速 率 时, 实 际 所 用 的 序 号 与 时 间 曲 线 将 最 终 从 左 侧 进 入 禁 止 区 域 实 际 所 用 序 号 曲 线 的 斜 率 越 大, 该 曲 线 进 入 禁 区 的 时 间 越 晚 正 如 上 面 讲 过 的, 传 输 实 体 在 发 送 两 个 TPDU 之 前 必 须 检 查 该 TPDU 是 否 将 进 入 禁 止 区 域, 如 果 是, 则 将 延 迟 T s 后 再 发 送 该 TPDU, 或 者 重 新 对 序 号 进 行 同 步 基 于 时 钟 的 方 法 解 决 了 数 据 TPDU 的 延 迟 重 发 问 题, 但 要 使 该 方 法 可 行, 必 须 首 先 建 立 连 接 因 为 控 制 TPDU 也 可 能 被 延 迟, 所 以 在 使 双 方 都 接 受 初 始 序 号 这 点 上 可 能 出 现 问 题 例 如, 假 设 连 接 是 由 主 机 1 向 远 端 对 等 主 机 2 发 送 连 接 请 求 TPDU 而 建 立 的, 该 TPDU 中 包 含 了 主 机 1 建 议 的 初 始 序 号 和 目 的 端 口 号 接 收 方 ( 主 机 2) 通 过 回 送 一 个 接 受 连 接 TPDU 来 确 认 该 请 求 如 果 连 接 请 求 TPDU 在 传 送 时 丢 失 而 延 迟 的 重 复 连 接 请 求 突 然 出 现 在 主 机 2 上, 那 么 连 接 将 会 被 错 误 地 建 立 为 了 解 决 这 一 问 题,Tomlinson(1975) 引 入 了 3 次 握 手 (Three-Way Hand Shake) 的 方 法 该 建 立 连 接 的 协 议 并 不 要 求 连 接 的 双 方 以 相 同 的 序 号 开 始 发 送 数 据, 所 以 它 可 以 在 同 步 方 式 下 使 用, 而 不 必 非 要 采 用 全 局 计 时 时 钟 的 方 式 当 主 机 1 发 出 连 接 请 求 时, 连 接 建 立 的 一 般 过 程 如 图 5-16 所 示 主 机 1 选 择 一 个 序 号 x 并 向 主 机 2 发 送 一 包 含 了 该 序 号 的 连 接 请 求 TPDU; 接 着, 主 机 2 回 应 一 个 接 受 连 接 TPDU, 确 认 x 并 声 明 自 己 所 选 用 的 初 始 序 号 y; 最 后, 主 机 1 在 其 发 送 的 第 一 个 数 据 TPDU 中 确 认 主 机 2 所 选 择 的 初 始 序 号 图 次 握 手 示 意 图 现 在 来 看 看 当 出 现 延 迟 的 重 复 控 制 TPDU 时, 三 次 握 手 方 法 是 如 何 工 作 的 在 图 5-17 中, 第 一 个 TPDU 是 来 自 于 一 个 已 经 释 放 的 连 接 的 延 迟 重 复 的 连 接 请 求, 该 TPDU 在 主 机 1 毫 不 知 晓 的 情 况 下 到 达 主 机 2 主 机 2 通 过 向 主 机 1 发 送 一 个 接 受 连 接 TPDU 来 响 应 该 TPDU, 而 该 接 受 连 接 TPDU 的 真 正 目 的 是 要 证 实 主 机 l 确 实 试 图 建 立 一 个 新 的 连 接 当 主 机 1 拒 绝 接 受 主 机 2 建 立 连 接 的 意 图 时, 主 机 2 便 意 识 到 自 己 受 到 了 延 时 的 重 复 TPDU 的 欺 骗 并 放 弃 该 连 接 这 样, 延 时 的 重 复 数 据 便 不 会 产 生 不 良 后 果

112 5.4 运 输 协 议 107 图 5-17 重 复 CR 出 现 示 意 图 最 糟 糕 的 情 况 是 当 一 个 延 时 的 CR( 连 接 请 求 ) 和 一 个 对 ACC( 接 受 连 接 ) 的 确 认 并 存 于 子 网 中 时, 如 图 5-18 所 示 如 上 例 一 样, 主 机 2 收 到 了 一 个 延 时 的 CR 并 做 了 确 认 应 答 在 这 里, 关 键 是 要 认 识 到 主 机 2 已 经 建 议 使 用 y 作 为 从 主 机 2 到 主 机 1 进 行 数 据 传 输 的 初 始 序 号, 因 为 主 机 2 十 分 清 楚 当 前 没 有 序 号 y 或 对 y 进 行 确 认 的 TPDU 存 在 于 是, 当 第 二 个 延 时 的 TPDU 到 达 主 机 2 时, 主 机 2 根 据 它 确 认 的 是 序 号 z 而 不 是 y 知 道 这 也 是 一 个 过 时 的 重 复 TPDU 重 要 的 是 要 认 识 到 此 处 不 会 出 现 过 时 的 CR,ACC 或 其 他 可 能 引 起 协 议 失 败 的 TPDU 组 合 的 情 况, 也 不 会 无 故 建 立 无 人 要 求 的 连 接 另 一 种 针 对 延 迟 的 重 复 TPDU 而 能 可 靠 地 建 立 连 接 的 方 案 请 参 见 (Waston,1981) 该 方 案 使 用 了 多 个 定 时 器 来 排 除 意 外 的 事 件, 如 图 5-18 所 示 图 5-18 重 复 的 CR 和 ACK 示 意 图 2. 释 放 连 接 连 接 的 释 放 要 比 建 立 更 容 易 些 尽 管 如 此, 仍 有 很 多 不 引 人 注 意 的 细 节 问 题 前 面 曾 提 到 过, 终 止 连 接 有 两 种 方 式 : 非 对 称 释 放 和 对 称 释 放 非 对 称 释 放 是 电 话 系 统 动 作 方 式, 当 一 方 挂 机 后, 连 接 即 告 中 断 对 称 释 放 将 连 接 按 照 两 个 独 立 的 单 向 连 接 来 处 理, 要 求 每 一 方 分 别 释 放 连 接 非 对 称 释 放 很 突 然, 因 而 可 能 会 导 致 丢 失 数 据, 如 图 5-19 所 示 的 释 放 连 接 (DR) 情 形

113 108 第 5 章 运 输 层 当 连 接 建 立 后, 主 机 1 发 送 了 一 个 数 据 TPDU 并 正 确 抵 达 主 机 2, 接 着, 主 机 1 发 送 了 另 一 个 数 据 TPDU, 这 次 很 不 幸, 主 机 2 在 收 到 第 二 个 TPDU 之 前 先 发 出 了 DISCONNECT( 释 放 连 接 请 求 ), 结 果 是 连 接 被 释 放, 数 据 被 丢 失 图 5-19 突 然 释 放 连 接 造 成 数 据 丢 失 示 意 图 显 然, 我 们 需 要 采 用 更 为 完 善 的 连 接 释 放 协 议 来 防 止 数 据 丢 失 一 种 方 法 是 采 用 对 称 释 放 方 式, 每 个 方 向 独 立 释 放 本 方 的 连 接 这 种 方 式 中, 即 使 主 机 已 经 发 出 了 释 放 连 接 TPDU, 仍 然 能 够 继 续 接 收 数 据 对 称 释 放 方 式 适 用 于 每 个 用 户 进 程 有 固 定 数 量 的 数 据 需 要 发 送, 而 且 清 楚 地 知 道 何 时 发 送 完 毕 的 情 况 其 他 情 况 下, 决 定 所 有 工 作 是 否 已 经 完 成 和 连 接 是 否 应 该 释 放 是 没 有 把 握 的 可 以 预 想 一 种 协 议, 在 该 协 议 下, 主 机 1 说 : 我 发 送 完 了 你 呢? 如 果 主 机 2 响 应 : 我 也 发 送 完 了 再 见 那 么, 连 接 变 可 以 被 安 全 释 放 不 幸 的 是, 这 种 协 议 并 非 总 是 有 效 的 对 此 有 一 个 著 名 的 问 题, 称 为 两 军 问 题 (two army problem) 设 想 一 支 白 军 被 围 困 在 一 个 山 谷 中, 如 图 5-20 所 示 山 谷 两 侧 是 蓝 军 白 军 在 人 数 上 比 山 谷 两 侧 的 任 何 一 支 蓝 军 都 多, 但 少 于 两 支 蓝 军 合 在 一 起 的 人 数 如 果 单 独 一 支 蓝 军 对 白 军 发 动 进 攻, 则 必 败 无 疑 ; 但 如 果 两 支 蓝 军 同 时 进 攻, 便 可 取 胜 图 5-20 两 军 问 题 假 设 蓝 军 1 号 的 指 挥 官 发 出 消 息 : 我 建 议 在 3 月 29 日 拂 晓 发 起 攻 击 怎 么 样? 现 在 假 设 信 息 送 到 了, 蓝 军 2 号 的 指 挥 官 同 意 这 一 建 议, 并 且 他 的 回 信 安 全 送 回 到 蓝 军 1 号 处 那 么 能 否 发 动 进 攻 呢? 很 可 能 不 会, 因 为 蓝 军 2 号 的 指 挥 官 不 知 道 他 的 回 信 是 否 安 全 达 到 了 如 果 未 送 到, 蓝 军 1 号 将 不 会 适 时 发 起 攻 击, 那 么 他 贸 然 进 攻 就 是 愚 蠢 的 现 在 我 们 采 用 三 次 握 手 的 方 法 来 改 进 这 一 协 议 最 初 提 出 建 议 的 指 挥 官 必 须 确 认 对 该 建 议 的 应 答 信 息 假 如 信 息 没 有 丢 失, 蓝 军 2 号 将 收 到 该 确 认 信 息, 但 现 在 蓝 军 1 号 指 挥 官 开 始 犹 豫 起 来 因 为 他 毕 竟 不 知 道 他 的 确 认 信 息 是 否 被 安 全 收 到 了, 如 果 未 被 收 到, 他 清 楚 蓝 军 2 号 不 会 按 时 发 动 进 攻 那 么 我 们 现 在 采 用 四 次 握 手 协 议 会 如 何 呢? 结 果 仍 是 于 事 无 补

114 5.4 运 输 协 议 109 实 际 上, 可 以 证 明 不 存 在 有 效 解 决 该 问 题 的 协 议 假 如 存 在 某 种 协 议 的 话, 那 么, 协 议 中 最 后 一 条 信 息 要 么 是 必 需 的, 要 么 不 是 如 果 不 是, 可 以 删 除 它 ( 以 及 其 他 任 何 不 必 要 的 信 息 ), 直 到 剩 下 的 协 议 中 每 条 信 息 均 必 不 可 少 那 么 若 最 后 一 条 信 息 没 有 安 全 到 达 目 的 地 会 怎 样 呢? 刚 才 说 过 这 条 信 息 是 必 需 的, 因 此, 如 果 它 丢 失 了, 进 攻 计 划 便 不 会 实 施 因 为 最 后 发 出 信 息 的 指 挥 官 永 远 无 法 确 定 该 信 息 能 否 安 全 到 达, 所 以 他 便 不 会 贸 然 行 动 同 样, 另 一 支 蓝 军 也 明 白 这 个 道 理, 所 以 也 不 会 发 动 进 攻 为 了 看 清 两 军 问 题 与 释 放 连 接 之 间 的 相 关 性, 只 需 用 释 放 连 接 代 替 攻 击 一 词 就 行 了 如 果 连 接 的 双 方 在 确 信 对 方 也 准 备 释 放 连 接 之 前 都 不 准 备 断 开 连 接, 那 么 连 接 将 永 远 也 得 不 到 释 放 在 实 际 应 用 时, 人 们 在 解 决 释 放 连 接 问 题 时 往 往 准 备 冒 比 进 攻 白 军 问 题 更 大 的 风 险, 所 以 问 题 并 非 完 全 没 有 希 望 解 决 动 画 表 明 了 采 用 三 次 握 手 方 法 进 行 连 接 释 放 的 四 种 情 况 这 一 协 议 并 非 绝 对 无 误, 但 它 已 令 人 满 意 了 图 5-21 中 是 正 常 释 放 的 情 形, 此 时, 一 个 用 户 发 出 一 个 DR( 释 放 连 接 请 求 )TPDU, 而 首 先 要 求 释 放 连 接 当 该 TPDU 到 达 后, 接 收 方 也 回 送 个 DR TPDU, 并 同 时 启 动 定 时 器 以 防 止 其 DR TPDU 丢 失 当 应 答 方 的 DR 到 达 后, 最 初 提 出 释 放 连 接 的 一 方 又 回 送 - 个 ACK ( 确 认 )TPDU, 并 断 开 连 接 最 后, 当 ACK TPDU 抵 达 目 的 地 后, 接 收 方 也 释 放 连 接 释 放 一 个 连 接 意 味 着 传 输 实 体 从 其 记 载 所 有 接 通 的 连 接 的 表 中 删 除 该 连 接 的 有 关 信 息 并 设 法 通 知 该 连 接 的 所 有 者 ( 传 输 用 户 ) 该 操 作 有 别 于 传 输 用 户 调 用 DISCONNECT 原 语 的 情 形 图 5-21 三 次 握 手 正 常 情 况 如 果 最 后 的 ACK( 确 认 )TPDU 丢 失, 如 图 5-22 所 示, 那 么 就 需 要 用 定 时 器 来 补 救 了 当 定 时 器 超 过 时 限 后, 连 接 将 被 强 行 释 放

115 110 第 5 章 运 输 层 图 5-22 最 后 确 认 TPDU 丢 失 示 意 图 现 在 考 察 第 二 个 DR( 响 应 的 DR) 丢 失 的 情 形 这 时, 首 先 提 出 释 放 连 接 的 用 户 将 不 能 收 到 所 期 待 的 响 应, 待 到 定 时 器 超 时, 再 次 开 始 要 求 释 放 连 接 从 图 5-23 中 可 以 看 到 这 种 情 况 下 是 如 何 工 作 的, 假 设 第 二 次 没 有 任 何 TPDU 丢 失, 并 且 所 有 TPDU 都 正 确 及 时 地 到 达 目 的 地 图 5-23 答 应 丢 失 示 意 图 最 后 一 种 情 况, 如 图 5-24 所 示 除 了 假 设 由 于 丢 失 TPDU 使 所 有 重 发 DR 的 尝 试 均 失 败 以 外, 其 他 情 况 与 上 个 动 画 完 全 相 同 这 样, 经 过 N 次 尝 试 后, 发 送 方 ( 提 出 释 放 连 接 的 一 方 ) 只 好 放 弃 努 力 并 断 开 连 接 同 时, 接 收 方 ( 被 动 释 放 连 接 的 一 方 ) 因 为 定 时 器 超 时 也 释 放 掉 连 接

116 5.4 运 输 协 议 111 图 5-24 答 应 丢 失 及 后 续 DR 丢 失 示 意 图 这 种 协 议 通 常 已 经 满 足 需 要 了, 但 理 论 上 当 第 一 个 DR 和 所 有 N 次 重 发 均 被 丢 失 的 情 况 下, 该 协 议 便 会 失 败 因 为 此 时 发 送 方 将 放 弃 重 发 并 释 放 连 接, 而 另 一 方 却 对 对 方 的 释 放 连 接 企 图 一 无 所 知, 而 处 于 连 接 有 效 状 态 这 种 情 况 将 导 致 一 个 半 接 通 的 连 接 可 以 采 取 一 种 措 施 来 避 免 这 种 问 题 的 发 生, 即 禁 止 发 送 方 在 做 完 N 次 尝 试 后 放 弃 连 接 而 让 它 一 直 继 续 下 去, 直 到 已 收 到 了 一 个 应 答 然 而, 如 果 另 一 方 采 用 超 时 而 释 放 连 接 的 方 法, 那 么, 发 送 方 将 会 永 远 处 于 发 送 DR 状 态, 因 为 它 不 可 能 再 收 到 应 答 信 息 了 ( 对 方 已 经 释 放 连 接 了 ) 如 果 我 们 禁 止 接 收 方 采 用 超 时 中 断 连 接 的 方 法, 那 么 该 协 议 对 图 5-26 所 示 的 情 况 便 会 束 手 无 策 一 种 消 除 半 接 通 连 接 的 方 法 是 : 如 果 在 一 段 时 间 内 没 有 收 到 任 何 TPDU, 连 接 便 自 动 释 放 ; 这 样, 如 果 一 方 已 经 释 放 了 连 接, 那 么 另 一 方 将 检 测 不 到 对 方 的 活 动 因 而 也 断 开 连 接 当 然, 如 果 引 进 这 一 规 则, 就 需 要 为 每 个 传 输 实 体 设 置 一 个 定 时 器, 每 当 收 到 一 个 TPDU 时 都 要 使 定 时 器 停 止 并 重 新 启 动 如 果 该 定 时 器 超 时, 就 发 送 一 个 伪 TPDU, 目 的 只 是 不 让 对 方 释 放 连 接 另 一 方 面, 如 果 采 用 自 动 释 放 连 接 的 规 则, 并 且 在 一 个 处 与 空 闲 状 态 的 连 接 上 连 续 丢 失 了 很 多 的 伪 TPDU, 那 么 连 接 的 双 方 将 会 先 后 释 放 连 接 对 这 个 问 题 本 书 不 再 作 进 一 步 说 明 了, 但 现 在 应 该 清 楚, 释 放 一 个 连 接 并 非 像 初 看 起 来 那 么 简 单 多 路 复 用 在 连 接 虚 电 路 及 物 理 链 路 上, 多 路 复 用 几 组 对 话 的 方 法 在 网 络 结 构 的 许 多 层 上 都 有 一 定 的 作 用 在 传 输 层 中 对 多 路 复 用 技 术 的 需 要 表 现 在 很 多 方 面 例 如, 子 网 内 部 使 用 虚 电 路 的 网 络 中, 每 个 接 通 的 连 接 在 连 接 的 整 个 阶 段 均 需 占 据 路 由 器 中 的 一 些 表 空 间 如 果 缓 冲 区 是 被 分 配 给 每 个 路 由 器 中 的 虚 电 路 的, 那 么 登 录 到 远 端 机 器 上 的 用 户 离 开 终 端 去 喝 咖 啡 期 间, 它 仍 然 在 耗 费 着 昂 贵 的 资 源 尽 管 这 种 分 组 交 换 的 实 现 与 使 用 分 组 交 换 的 主 要 原 因 之 一 用 户 只 根 据 传 输 的 数 据 量 而 不 是 根 据 连 接 时 间 付 费 相 抵 触, 但 很 多 通 信 公 司 还 是 选 择 了 按 时 间 收 费 的 方 法, 因 为 它 非 常 类 似 于 他 们 在 过 去 的 几 十 年 中 已 经 习 惯 了 的 电 路 交 换 模 型 在 这 种 价 格 结 构 下, 长 时 间 保 持 虚 电 路 的 接 通 十 分 不 利, 于 是 使 不 同 的 传 输 连 接 复 用 到 同 一 网 络 连 接 上 的 技 术 便 很 有 吸 引 力 这 种 形 式 的 多 路 复 用 称 为 向 上 多 路 复 用 (Upward Multiplexing), 如 图 5-25 所 示 图 中,4 个 不 同 的 传 输 连 接 都 使 用 同 - 网 络 连 接 ( 例 如,ATM 虚 电 路 ) 与 远 端 主 机 相 连 当 连 接 时 间 成 为 通 信 费 用 的 主 要 因 素 时, 就 由 传 输 层 根 据 传 输 连 接 的 目 的 地 将 它 们 分 为 不 同 的 组, 并 将 每 个 分 组 映 射 到 最 小 数 目 的 网 络 连 接 上 如 果 有 太 多

117 112 第 5 章 运 输 层 的 传 输 连 接 被 映 射 到 同 一 个 网 络 连 接 上, 性 能 就 会 变 得 很 差, 因 为 窗 口 通 常 是 满 的, 用 户 不 得 不 排 队 等 待 发 送 报 文 如 果 映 射 到 一 个 网 络 连 接 上 的 传 输 连 接 过 少, 则 服 务 费 用 会 很 昂 贵 当 在 ATM 上 向 上 多 路 复 用 时, 尽 管 ATM 特 意 为 了 标 识 连 接 而 为 每 个 虚 通 路 提 供 了 多 虚 电 路 号 码, 但 我 们 还 是 要 用 传 送 报 文 头 部 的 一 个 字 段 来 标 明 连 接, 这 真 是 一 个 莫 大 的 讽 刺 图 5-25 向 上 多 路 复 用 由 于 另 一 个 与 传 输 技 术 而 非 价 格 因 素 有 关 的 原 因, 使 多 路 复 用 在 传 输 层 中 也 可 能 有 用 例 如, 假 定 某 个 重 要 的 用 户 有 时 需 要 高 带 宽 的 连 接 如 果 子 网 需 要 用 n 位 序 号 作 为 一 个 滑 动 窗 口 的 流 量 控 制, 那 么 当 有 2n-1 分 组 未 得 到 确 认 时, 用 户 就 必 须 停 止 发 送, 等 待 这 些 分 组 到 达 远 端 主 机 并 得 到 确 认 如 果 物 理 连 接 是 通 过 卫 星 相 连 的, 那 么 用 户 便 被 严 格 限 制 在 每 540 ms 传 送 2n-1 个 分 组 的 速 率 上 例 如, 当 n=8, 并 且 分 组 大 小 为 128 字 节 时, 可 用 带 宽 大 约 是 4Mb/s, 即 使 物 理 通 道 带 宽 比 它 高 出 100 多 倍, 也 是 枉 然 一 种 可 能 的 解 决 方 案 是 让 传 输 层 接 通 多 个 网 络 连 接, 以 循 环 轮 转 的 策 略 在 这 些 连 接 上 分 配 传 输 信 息, 如 图 5-26 所 示 这 种 方 法 的 操 作 称 为 向 下 多 路 复 用 (Downward Multiplexing) 在 k 个 网 络 连 接 接 通 的 情 况 下, 有 效 带 宽 将 增 加 k 倍 采 用 条 虚 电 路,128 字 节 长 的 分 组 以 及 8 位 的 序 号, 理 论 上 可 能 会 达 到 超 过 1.6 Gb/s 的 数 据 传 辅 速 率 当 然, 这 种 性 能 只 有 当 输 出 线 中 支 持 1.6 Gb/s 速 率 的 情 况 下 才 有 可 能 实 现 这 是 因 为 所 有 条 虚 电 路 仍 然 在 一 条 物 理 线 路 上 发 送 数 据, 至 少 在 图 5-26 中 是 这 样 的 如 果 采 用 多 条 输 出 线 路, 那 么 向 下 多 路 复 用 还 可 能 大 幅 度 地 提 高 性 能 图 5-26 向 下 多 路 复 用

118 5.4 运 输 协 议 故 障 恢 复 如 果 主 机 和 路 由 器 易 崩 溃, 那 么 就 存 在 着 从 崩 溃 恢 复 的 问 题 如 果 传 输 实 体 完 全 在 主 机 内 部, 那 么 从 网 络 和 路 由 器 崩 溃 中 恢 复 是 直 截 了 当 的 如 果 网 络 层 提 供 数 据 报 服 务, 传 输 实 体 对 丢 失 的 TPDU 留 有 副 本, 就 会 知 道 如 何 解 决 恢 复 问 题 如 果 网 络 层 提 供 的 是 面 向 连 接 的 服 务, 那 么 处 理 虚 电 路 突 然 中 断 的 方 法 是 建 立 一 条 新 的 虚 电 路, 接 着 探 查 远 端 机 的 传 输 实 体, 看 它 已 经 收 到 了 哪 些 TPDU 以 及 哪 些 还 未 收 到, 后 者 可 以 重 发 一 个 较 复 杂 的 问 题 是 如 何 从 主 机 崩 溃 中 进 行 恢 复 尤 其 是 当 服 务 器 崩 溃 并 很 快 重 新 启 动 后, 客 户 端 希 望 能 够 继 续 进 行 崩 溃 前 的 操 作 为 了 说 明 其 困 难 程 度, 我 们 假 设 客 户 端 主 机 正 在 使 用 一 个 简 单 的 停 一 等 协 议 向 远 端 的 文 件 服 务 器 主 机 发 送 一 个 长 文 件 服 务 器 端 的 传 输 层 只 是 简 单 地 将 收 到 的 TPDU 依 次 传 给 用 户 在 传 送 到 1/2 时, 服 务 器 崩 溃 了 当 它 重 新 启 动 后, 它 所 有 的 登 记 表 均 被 初 始 化, 因 此 它 不 能 确 定 其 发 生 崩 溃 前 的 情 况 为 了 能 恢 复 崩 溃 前 的 状 态, 服 务 器 可 以 以 广 播 方 式 向 所 有 其 他 的 主 机 发 送 一 个 TPDU, 说 明 自 己 刚 才 发 生 崩 溃 并 要 求 其 客 户 主 机 通 知 所 有 接 通 的 链 接 所 处 的 状 态 每 个 客 户 主 机 可 能 处 于 两 种 状 态 之 一 : 有 一 个 未 被 确 认 的 TPDU-S1 状 态, 或 没 有 未 被 确 认 的 TPDU-S0 状 态 根 据 这 种 状 态 信 息, 客 户 主 机 必 须 决 定 是 否 要 重 发 最 近 的 TPDU 乍 一 看 似 乎 很 明 显 : 客 户 端 在 得 知 远 端 服 务 器 崩 溃 而 自 己 有 一 个 未 被 确 认 的 TPDU 时 ( 即 处 于 状 态 S1) 才 应 该 重 发 然 而, 再 仔 细 考 虑 一 下 便 会 发 现 这 种 简 单 的 方 法 存 在 的 困 难 例 如, 考 虑 下 面 这 种 情 况, 远 端 服 务 器 的 传 输 实 体 只 发 送 一 个 确 认, 当 确 认 发 生 后, 又 对 应 用 进 程 执 行 一 个 写 操 作 向 输 出 流 写 一 个 TPDU 和 发 送 一 个 确 认 是 两 个 不 同 而 又 不 可 分 的 事 件, 二 者 不 能 同 时 进 行 如 果 在 确 认 发 出 后 而 在 写 操 作 执 行 前 崩 溃 发 生 了, 此 时 客 户 端 将 收 到 这 个 确 认 当 崩 溃 恢 复 声 明 到 达 时 它 处 于 状 态 S0 客 户 端 将 因 此 不 再 重 发, 因 为 它 错 以 为 那 个 TPDU 已 经 到 达 服 务 器 端, 客 户 端 的 这 种 决 定 会 导 致 丢 失 一 个 TPDU 在 这 点 上 读 者 可 能 会 认 为 : 这 个 问 题 很 容 易 解 决 唯 一 需 要 做 的 是 重 新 编 写 传 输 实 体 的 ( 协 议 ) 程 序, 让 其 先 进 行 写 操 作, 然 后 再 发 送 确 认 再 试 试 看, 设 想 已 经 完 成 了 写 操 作 但 在 确 认 发 出 前 系 统 发 生 了 崩 溃 此 时 客 户 端 将 处 于 状 态 S1 并 因 此 重 传 数 据, 从 而 会 导 致 在 服 务 器 应 用 进 程 的 输 出 流 上 出 现 一 个 未 经 检 测 的 重 复 的 TPDU 无 论 怎 样 对 发 送 方 和 接 收 方 的 协 议 进 行 编 程, 总 是 存 在 协 议 不 能 正 确 地 从 故 障 中 恢 复 的 情 况 服 务 器 端 可 以 按 下 述 两 种 情 况 之 一 进 行 编 程 : 先 发 确 认 或 先 进 行 写 操 作 客 户 端 可 以 按 照 四 种 方 式 之 一 进 行 编 程 : 总 是 重 发 最 后 一 个 TPDU 从 不 重 发 最 后 的 TPDU 只 有 在 状 态 S0 时 重 发, 和 只 有 在 状 态 S1 时 重 发 于 是 出 现 了 8 种 组 合, 但 我 们 会 看 到, 对 于 每 种 组 合 都 存 在 一 些 事 件 的 集 合 使 协 议 失 败 在 服 务 器 端 有 3 种 可 能 的 事 件 : 发 送 确 认 (A) 将 数 据 写 入 到 输 出 进 程 (W) 和 崩 溃 (C) 这 三 种 事 件 可 能 会 按 照 6 种 不 同 的 排 列 顺 序 出 现, 即 AC(W) AWC C(AW) C(WA) WAC 和 WC(A) 其 中 括 号 用 来 表 明 A 或 W 不 能 在 C 后 出 现 ( 即 一 旦 发 生 了 崩 溃, 所 有 进 程 均 告 停 止 ) 图 5-27 显 示 了 客 户 端 和 服 务 器 端 的 所 有 8 种 组 合 方 案 以 及 对 于 每 种 组 合 的 合 法 事 件 排 列 顺 序 注 意 : 对 每 种 方 案 都 存 在 引 起 协 议 失 败 的 一 系 列 事 件 例 如, 如 果 客 户 端 总 是 重 发 数 据, 尽 管 AC(W) 和 C(AW) 事 件 可 以 正 确 运 行, 但 AWC 事 件 将 会 产 生 一 个 未 经 检 测 的 重 复 TPDU

119 114 第 5 章 运 输 层 图 5-27 客 户 和 服 务 器 所 采 用 的 方 案 的 不 同 组 合 进 一 步 完 善 协 议 也 于 事 无 补 即 使 客 户 端 和 服 务 器 端 在 服 务 器 准 备 进 行 写 操 作 前 已 经 交 换 了 几 个 TPDU, 以 便 客 户 端 能 确 切 知 道 将 要 发 生 什 么, 但 客 户 端 还 是 无 法 确 定 崩 溃 是 在 写 操 作 前 还 是 写 操 作 之 后 发 生 因 此 我 们 得 出 如 下 结 论 : 基 于 对 非 同 时 事 件 所 制 订 的 基 本 规 则, 无 法 使 主 机 崩 溃 和 恢 复 做 到 对 于 高 层 透 明 使 用 更 一 般 的 术 语, 这 一 结 果 可 以 重 新 叙 述 为 : 从 第 N 层 崩 溃 中 恢 复 只 能 由 第 N+1 层 来 完 成, 并 且 只 有 在 第 N+1 层 保 留 有 足 够 的 状 态 信 息 的 情 况 下 才 能 完 成 正 如 上 面 提 到 的, 如 果 连 接 的 两 端 均 保 持 了 当 前 的 状 态 信 息, 传 输 层 可 以 从 网 络 层 的 错 误 中 进 行 恢 复 这 一 问 题 使 我 们 不 得 不 弄 清 楚 所 谓 的 端 到 端 确 认 的 真 正 含 义 原 则 上, 传 输 协 议 是 端 到 端 的, 而 不 像 较 低 层 次 那 样 是 链 接 的 现 在 考 虑 用 户 为 了 同 远 端 数 据 库 进 行 事 务 处 理 而 输 入 请 求 信 息 的 情 况 假 设 远 程 传 输 实 体 的 编 程 是 先 将 TPDU 传 送 到 其 上 一 层, 然 后 进 行 确 认 即 使 在 该 种 情 况 下, 在 用 户 的 机 器 上 收 到 一 个 返 回 的 确 认 信 息 并 非 意 味 着 远 端 主 机 运 行 了 足 够 的 时 间, 并 真 正 对 数 据 库 进 行 了 修 改 一 个 真 正 的 端 到 端 的 确 认 意 味 着 工 作 已 经 实 际 完 成, 未 确 认 则 表 示 尚 未 完 成, 但 这 种 真 正 的 端 到 端 的 确 认 可 能 无 法 实 现 有 关 这 方 面 的 情 况, (Salter 等,1984) 已 经 进 行 了 更 为 详 细 的 讨 论

120 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 6.1 会 话 层 会 话 层 功 能 与 模 型 1. 会 话 层 功 能 会 话 层 位 于 OSI 参 考 模 型 的 第 5 层, 它 是 面 向 信 息 处 理 的 OSI 高 层 和 面 向 数 据 通 信 的 OSI 低 层 的 接 口 会 话 协 议 的 最 主 要 目 的 是 提 供 一 个 面 向 用 户 的 连 接 服 务, 会 话 层 给 合 作 的 会 话 用 户 间 的 对 话 和 活 动 提 供 组 织 和 同 步 所 必 须 的 手 段, 对 数 据 传 送 提 供 控 制 和 管 理 虽 然 运 输 层 能 负 责 端 到 端 的 可 靠 通 信 服 务, 但 仍 不 能 满 足 许 多 应 用 的 需 求, 会 话 层 的 设 立 可 以 做 到 为 运 输 层 增 值 的 功 能, 以 便 提 供 一 个 面 向 应 用 的 完 善 的 服 务 具 体 说 来 会 话 层 有 以 下 的 功 能 : (1) 会 话 管 理 连 接 建 立 数 据 传 送 连 接 释 放 (2) 令 牌 管 理 管 理 和 协 商 数 据 传 送 同 步 及 对 话 连 接 的 释 放 时 必 需 的 发 送 权 (Token), 设 定 半 双 工 及 全 双 工 的 数 据 传 送 模 式 (3) 同 步 管 理 在 连 续 的 数 据 传 送 过 程 中 插 入 同 步 点, 当 出 错 时, 可 以 从 双 方 认 为 合 适 的 同 步 点 开 始 重 新 传 送 (4) 活 动 管 理 将 报 文 流 分 成 活 动 (Activity) 逻 辑 单 元, 对 用 户 应 用 的 交 互 活 动 过 程 进 行 结 构 化 管 理, 即 每 一 个 活 动 独 立 于 其 前 后 到 达 的 活 动 (5) 异 常 情 况 的 处 理 在 会 话 期 间 报 告 来 自 下 面 网 络 的 异 常 情 况, 保 证 在 会 话 连 接 释 放 之 前 所 有 的 数 据 单 元 都 被 应 用 进 程 所 接 收 2. 会 话 层 模 型 会 话 层 模 型 如 图 6-1 所 示

121 116 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 图 6-1 会 话 层 模 型 组 成 成 分 如 下 : 会 话 服 务 用 户 (SSU,Session Service User) 会 话 实 体 (SE,Session Entity) 会 话 连 接 (SC,Session Connection) 会 话 协 议 (SP,Session Protocol) 会 话 服 务 访 问 点 (SSAP,Session Service Access Point) 会 话 服 务 1. 基 本 概 念 (1) 令 牌 (Token) 令 牌 是 会 话 连 接 的 属 性, 表 示 会 话 连 接 用 户 使 用 会 话 服 务 的 权 力 其 特 点 是 : 1 拥 有 令 牌 的 用 户 才 可 使 用 与 该 属 性 相 关 的 服 务 ; 2 令 牌 在 一 个 时 间 点 上 只 分 配 给 一 个 用 户 保 证 用 户 调 用 某 种 服 务 时 的 独 占 性, 防 止 可 能 出 现 的 竞 争 和 冲 突 令 牌 共 有 4 种, 分 类 如 下 : 1 数 据 令 牌 (Data Token) 在 半 双 工 连 接 中, 持 有 数 据 令 牌 的 用 户 才 能 发 送 数 据, 而 全 双 工 连 接 中 用 不 着 数 据 令 牌 2 次 同 步 令 牌 (Synchronize-minor Token) 用 于 管 理 对 话 单 元 中 次 同 步 点 的 设 置, 次 同 步 点 的 概 念 在 后 面 说 明 3 主 同 步 / 活 动 令 牌 (Major/Activity Token) 用 于 管 理 主 同 步 点 的 设 置 和 一 次 活 动 的 开 始 和 结 束 4 连 接 释 放 令 牌 (Release Token) 持 有 该 令 牌 的 用 户 才 有 权 释 放 连 接 (2) 同 步 与 对 话 单 元 (Synchronization,Dialogue Unit) 同 步 是 在 发 生 了 错 误 或 不 符 合 协 议 的 事 件 的 情 况 下, 使 会 话 实 体 返 回 到 一 个 已 知 状 态 的 过 程 这 个 已 知 状 态 就 是 一 个 同 步 点 同 步 点 可 分 为 两 类 : 1 主 (Major) 同 步 点 : 将 一 次 会 话 活 动 划 分 为 若 干 个 对 话 单 元, 用 来 标 志 一 个 对 话 单 元

122 6.1 会 话 层 117 的 开 始 与 结 束, 两 个 次 同 步 点 之 间 可 设 立 若 干 个 次 同 步 点 ; 2 次 (Minor) 同 步 点 : 将 对 话 单 元 内 容 分 页, 其 页 间 分 割 点 即 为 次 同 步 点 当 一 次 会 话 出 现 问 题 时, 将 会 话 的 状 态 复 位 到 前 面 的 同 步 点, 从 那 里 再 继 续 进 行 每 个 同 步 点 有 一 个 序 号, 次 同 步 点 可 不 要 求 确 认, 主 同 步 点 需 要 确 认, 主 同 步 点 前 后 的 数 据 要 严 格 区 分 主 同 步 点 必 须 被 确 认, 在 发 生 错 误 时 会 话 状 态 仅 仅 可 以 回 复 到 前 一 个 主 同 步 点, 而 次 同 步 点 不 需 要 确 认, 可 以 回 退 到 一 个 或 多 个 次 同 步 点 重 新 发 送 数 据 对 话 单 元 是 两 个 主 同 步 点 间 的 单 元 主 同 步 点 与 次 同 步 点 的 关 系 如 图 6-2 所 示 图 6-2 同 步 点 与 对 话 单 元 (3) 活 动 (Activity) 活 动 用 于 区 别 数 据 传 送 的 不 同 逻 辑 工 作 段 每 次 活 动 可 以 看 成 一 次 独 立 的 数 据 传 送, 或 者 可 看 成 会 话 服 务 用 户 间 传 送 数 据 中 的 一 个 特 定 阶 段 对 应 用 层 来 说, 一 个 活 动 相 当 于 一 次 应 用 协 议 数 据 单 元 APDU 的 交 换 活 动 包 含 的 信 息 可 以 是 双 向 的, 而 一 个 对 话 单 元 只 能 是 单 向 的 其 特 点 是 : 1 一 个 活 动 由 一 个 或 多 个 对 话 单 元 组 成 2 每 个 会 话 连 接 上, 每 个 时 刻 只 允 许 有 一 个 活 动 ; 在 一 个 会 话 连 接 期 间, 可 存 在 几 个 相 继 的 活 动, 一 个 活 动 也 可 以 持 续 多 个 会 话 连 接 通 过 主 同 步 / 活 动 令 牌 来 控 制 3 可 以 中 断 一 个 活 动, 并 在 同 一 个 或 后 继 会 话 连 接 上 恢 复 该 活 动 一 个 活 动 可 以 跨 越 几 个 会 话 连 接, 在 某 个 连 接 上 的 活 动 被 中 断 后, 经 过 一 段 时 间 后, 如 果 在 同 一 会 话 连 接 上 被 恢 复, 则 该 活 动 只 是 在 同 一 连 接 上, 如 果 在 另 外 一 次 会 话 连 接 上 被 恢 复, 则 跨 越 了 多 个 连 接 2. 会 话 服 务 会 话 服 务 由 3 个 阶 段 构 成, 依 次 是 会 话 连 接 阶 段 数 据 传 送 阶 段 和 会 话 释 放 阶 段, 共 有 21 组 原 语 (1) 会 话 连 接 阶 段 该 阶 段 建 立 两 个 会 话 用 户 之 间 的 会 话 连 接, 会 话 连 接 建 立 阶 段 服 务 原 语 如 表 6-1 所 示

123 118 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 表 6-1 会 话 连 接 建 立 阶 段 服 务 原 语 服 务 原 语 参 数 会 话 连 接 标 识 符 S-CONNECT.request 主 呼 / 被 呼 SSAP 地 址 结 果 S-CONNECT.indication QoS 会 话 连 接 会 话 需 求 S-CONNECT.response 同 步 点 序 号 初 始 令 牌 设 置 S-CONNECT.confirm 用 户 数 据 (2) 数 据 传 送 阶 段 该 阶 段 要 在 会 话 连 接 的 两 个 会 话 用 户 之 间 传 送 会 话 服 务 数 据 单 元 SSDU 服 务 原 语 如 表 6-2 所 示 U- 异 常 报 告 的 形 成 原 因 : 1 用 户 接 收 能 力 受 到 破 坏 2 本 地 用 户 差 错 3 次 序 错 4 要 求 数 据 令 牌 5 不 可 恢 复 的 规 程 差 错 6 非 特 定 的 差 错 P- 异 常 报 告 和 U- 异 常 报 告 的 可 能 处 理 : 1 重 新 同 步 2 废 弃 3 活 动 中 断 或 活 动 丢 弃 4 出 让 数 据 令 牌 表 6-2 数 据 传 送 阶 段 服 务 原 语 服 务 原 语 参 数 正 常 数 据 传 送 加 速 数 据 传 送 特 权 数 据 传 送 能 力 数 据 交 换 令 牌 出 让 S-DATA.request S-DATA.indication S-EXPEDITED-DATA.request S-EXPEDITED-DATA.indication S-TYPED-DATA.request S-TYPED-DATA.indication S-CAPABILITY-DATA.request S-CAPABILITY-DATA.indication S-CAPABILITY-DATA. response S-CAPABILITY-DATA.confirm S-TOKEN-GIVE.request S-TOKEN-GIVE.indication 用 户 数 据 用 户 数 据 用 户 数 据 ( 注 : 特 权 数 据 不 受 数 据 令 牌 限 制 ) 用 户 数 据 ( 注 : 用 于 在 活 动 未 开 始 前 用 户 数 据 传 送 ) 令 牌

124 6.1 会 话 层 119 续 表 服 务 原 语 参 数 令 牌 请 求 S-TOKEN-PLEASE.request 令 牌 S-TOKEN-PLEASE.indication 用 户 数 据 控 制 出 让 S-CONTROL-GIVE.request ( 注 : 表 示 当 没 有 活 动 时, 重 新 分 S-CONTROL-GIVE.indication 配 令 牌 ) 次 同 步 点 S-SYNC-MINOR.request 类 型 S-SYNC-MINOR.indication 同 步 点 序 号 S-SYNC-MINOR.response 用 户 数 据 S-SYNC-MINOR.confirm S-SYNC-MAJOR.request 主 同 步 点 S-SYNC-MAJOR.indication 同 步 点 序 号 S-SYNC-MAJOR.response 用 户 数 据 S-SYNC-MAJOR.confirm S-RESYNCHRONIZE.request 重 新 同 步 类 型 重 新 同 步 S-RESYNCHRONIZE.indication 同 步 点 序 号 S-RESYNCHRONIZE.response 令 牌 S-RESYNCHRONIZE.confirm 用 户 数 据 P- 异 常 报 告 S-P-EXCEPTION-REPORT.indication 原 因 U- 异 常 报 告 S-U-EXCEPTION-REPORT.request 原 因 S-U-EXCEPTION-REPORT.indication 用 户 数 据 活 动 开 始 S-ACTIVITY-START.request 活 动 标 识 符 S-ACTIVITY-START.indication 用 户 数 据 活 动 中 断 S-ACTIVITY-INTERRUPT.request S-ACTIVITY-INTERRUPT.indication S-ACTIVITY-INTERRUPT.response 原 因 S-ACTIVITY-INTERRUPT.confirm 活 动 标 识 符 活 动 恢 复 老 活 动 标 识 符 S-ACTIVITY-RESUME.request 同 步 点 序 号 S-ACTIVITY-RESUME.indication 老 会 话 连 接 标 识 符 用 户 数 据 活 动 丢 弃 S-ACTIVITY-DISCARD.request S-ACTIVITY-DISCARD.indication S-ACTIVITY-DISCARD.response 原 因 S-ACTIVITY-DISCARD.confirm S-ACTIVITY-END.request 活 动 结 束 S-ACTIVITY-END.indication 同 步 点 序 号 S-ACTIVITY-END.response 用 户 数 据 S-ACTIVITY-END.confirm

125 120 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 (3) 会 话 释 放 阶 段 该 阶 段 是 断 开 会 话 连 接, 其 服 务 原 语 如 表 6-3 所 示 表 6-3 会 话 释 放 阶 段 服 务 原 语 服 务 原 语 参 数 有 序 释 放 S-RELEASE.request S-RELEASE.indication S-RELEASE.response 结 果, 用 户 数 据 S-RELEASE.confirm U- 废 弃 S-U-ABORT.request S-U-ABORT.indication 用 户 数 据 P- 废 弃 S-P-ABORT.indication 原 因 3. 服 务 原 语 时 序 会 话 服 务 原 语 的 3 种 时 序 关 系 : 1 服 务 用 户 发 起 的 请 求 和 指 示 2 服 务 用 户 发 起 的 请 求 指 示 响 应 和 确 认 3 服 务 提 供 者 发 起 的 指 示 4. 会 话 服 务 质 量 (QoS) 会 话 服 务 质 量 描 述 与 会 话 服 务 提 供 者 属 性 有 关 的 会 话 连 接 特 征 会 话 QoS 只 与 会 话 服 务 提 供 者 有 关, 与 会 话 用 户 行 为 无 关, 会 话 用 户 行 为 对 会 话 QoS 无 影 响 会 话 QoS 分 类 : (1) 会 话 服 务 性 能 参 数 会 话 服 务 性 能 参 数, 如 表 6-4 所 示 阶 段 表 6-4 会 话 服 务 性 能 参 数 速 度 性 能 准 则 精 确 性 / 可 靠 性 会 话 连 接 建 立 会 话 连 接 建 立 延 迟 会 话 连 接 建 立 失 败 概 率 数 据 传 送 吞 吐 量 传 输 延 迟 残 留 差 错 率 会 话 连 接 恢 复 能 力 传 送 失 败 概 率 会 话 连 接 释 放 会 话 连 接 释 放 延 迟 会 话 连 接 释 放 失 败 概 率 (2) 其 他 会 话 服 务 特 征 参 数 1 扩 充 控 制 : 可 使 用 重 新 同 步 异 常 报 告 活 动 中 断 和 活 动 丢 弃 服 务 2 会 话 连 接 保 护 : 会 话 服 务 提 供 者 试 图 防 止 未 授 权 的 监 控 或 对 用 户 信 息 的 操 作, 包 括 : a. 无 保 护 特 性

126 6.1 会 话 层 121 b. 防 止 被 动 的 监 控 c. 防 止 修 改 增 删 d. 防 止 被 动 的 监 控, 防 止 修 改 增 删 3 会 话 连 接 优 先 级 : 规 范 处 理 各 会 话 连 接 之 间 的 相 对 重 要 性 包 括 : a. 各 连 接 QoS 的 降 级 次 序 b. 由 于 收 回 资 源 而 切 断 会 话 连 接 的 次 序 4 优 化 对 话 传 送 : 会 话 服 务 请 求 的 拼 接 传 送 会 话 协 议 会 话 协 议 是 会 话 实 体 间 的 通 信 规 则, 会 话 层 协 议 规 范 是 ISO8327, 是 面 向 连 接 的 会 话 层 协 议 CCITT( 现 在 的 ITU) 也 参 与 了 会 话 层 协 议 规 范 的 研 制, 对 应 ISO8327 提 出 了 CCITT X.225 建 议 1. 功 能 单 元 与 功 能 子 集 会 话 的 功 能 是 在 会 话 连 接 建 立 时 由 双 方 约 定 的, 而 会 话 功 能 是 以 功 能 单 元 来 表 示 的, 由 于 会 话 层 的 服 务 种 类 较 多, 将 若 干 个 相 关 联 的 服 务 组 成 一 个 功 能 单 元, 每 一 种 功 能 单 元 汇 总 了 相 关 功 能 的 要 素 也 就 是 说 会 话 层 把 所 有 会 话 功 能 划 分 成 单 元, 每 个 单 元 称 为 功 能 单 元, 每 个 功 能 单 元 提 供 一 种 可 供 选 择 的 工 作 类 型 会 话 层 共 有 12 个 功 能 单 元, 如 表 6-5 所 示 表 6-5 会 话 层 12 个 功 能 单 元 功 能 单 元 会 话 服 务 主 要 功 能 核 心 功 能 单 元 ( 非 协 商 式 ) Kernel(non-negotiable) 会 话 连 接 正 常 数 据 传 送 有 序 释 放 U- 废 弃 P- 废 弃 会 话 连 接 建 立 数 据 传 送 会 话 连 接 释 放 协 商 式 释 放 功 能 单 元 (Negotiated Release) 半 双 工 功 能 单 元 (Half-duplex) 全 双 工 功 能 单 元 (Duplex) 加 速 数 据 功 能 单 元 (Expedited Data) 特 权 数 据 功 能 单 元 (Typed Data) 能 力 数 据 交 换 功 能 单 元 (Capability Data Exchange) 有 序 释 放 令 牌 出 让 令 牌 请 求 令 牌 出 让 令 牌 请 求 无 附 加 服 务 加 速 数 据 传 送 特 权 数 据 传 送 能 力 数 据 传 送 利 用 释 放 令 牌 拒 绝 会 话 连 接 释 放 指 示, 以 继 续 使 用 该 会 话 连 接 持 有 数 据 令 牌 的 一 方 可 发 送 正 常 数 据 双 方 可 同 时 发 送 正 常 数 据 可 优 先 传 送 加 速 数 据, 加 速 数 据 肯 定 比 后 续 的 正 常 数 据 先 到 达 对 方 提 供 与 数 据 令 牌 无 关 的 数 据 传 送 功 能 在 活 动 之 间 提 供 数 据 传 送 功 能

127 122 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 功 能 单 元 会 话 服 务 主 要 功 能 次 同 步 点 次 同 步 功 能 单 元 令 牌 出 让 (Minor Synchronize) 令 牌 请 求 提 供 次 同 步 点 插 入 功 能 主 同 步 点 主 同 步 功 能 单 元 令 牌 出 让 (Major Synchronize) 令 牌 请 求 提 供 主 同 步 点 插 入 功 能 重 新 同 步 功 能 单 元 提 供 重 新 设 定 同 步 点 和 重 重 新 同 步 (Resynchronize) 新 分 配 令 牌 的 功 能 异 常 报 告 功 能 单 元 (Exceptions) P- 异 常 报 告 U- 异 常 报 告 服 务 提 供 者 向 用 户 报 告 差 错 信 息 续 表 活 动 管 理 功 能 单 元 (Activity Management) 活 动 开 始 活 动 恢 复 活 动 中 断 活 动 丢 弃 活 动 结 束 令 牌 出 让 令 牌 请 求 控 制 出 让 提 供 活 动 的 开 始 结 束 中 断 恢 复 和 丢 弃 功 能 用 户 可 选 择 使 用 功 能 子 集, 也 可 自 定 义 功 能 子 集 功 能 子 集 如 下 : (1) 基 本 组 合 子 集 BCS 可 传 送 正 常 数 据, 进 行 有 序 释 放, 可 使 用 半 双 工 或 全 双 工 服 务 包 括 核 心 功 能 单 元 半 双 工 功 能 单 元 和 全 双 工 功 能 单 元 (2) 基 本 同 步 子 集 BSS 可 传 送 正 常 数 据 和 特 权 数 据, 进 行 协 商 或 有 序 释 放, 可 设 置 次 同 步 点 和 主 同 步 点, 进 行 重 新 同 步, 包 括 核 心 功 能 单 元 协 商 式 释 放 功 能 单 元 半 双 工 功 能 单 元 全 双 工 功 能 单 元 特 权 数 据 功 能 单 元 次 同 步 功 能 单 元 主 同 步 功 能 单 元 和 重 新 同 步 功 能 单 元 (3) 基 本 活 动 子 集 BAS 可 传 送 正 常 数 据 和 特 权 数 据, 进 行 有 序 释 放, 可 设 置 次 同 步 点, 进 行 活 动 管 理 和 异 常 报 告, 包 括 核 心 功 能 单 元 半 双 工 功 能 单 元 特 权 数 据 功 能 单 元 能 力 数 据 交 换 功 能 单 元 次 同 步 功 能 单 元 异 常 报 告 功 能 单 元 和 活 动 管 理 功 能 单 元 2.SPDU 格 式 会 话 层 协 议 的 数 据 单 元 SPDU 格 式 如 图 6-3 所 示

128 6.2 表 示 层 123 图 6-3 SPDU 格 式 其 中,SI 为 SPDU 类 型 标 识 符, 共 有 36 种 不 同 的 SPDU,LI 是 它 后 面 参 数 字 段 的 长 度, 参 数 字 段 由 参 数 标 识 单 元 (PI 单 元 ) 和 参 数 组 标 识 单 元 (PGI) 组 成,PGI 单 元 的 组 成 又 分 两 种 情 况 3. 会 话 层 数 据 流 图 为 了 明 确 会 话 过 程, 举 例 说 明 会 话 层 数 据 流 图 如 图 6-4 所 示 图 6-4 会 话 层 数 据 流 图 6.2 表 示 层 表 示 层 功 能 与 模 型 1. 表 示 层 功 能 表 示 层 中 主 要 解 决 的 就 是 信 息 以 什 么 样 的 表 现 形 式 ( 数 据 表 现 ) 传 送 给 对 方 不 关 心 处 理 的 用 户 数 据 有 什 么 样 的 意 义, 只 考 虑 用 什 么 样 的 传 送 形 式 传 送 这 一 问 题, 也 就 是 说 表 示 层 的 功 能 并 不 是 信 息 的 具 体 表 达, 而 是 处 理 信 息 表 示 中 所 遇 到 的 问 题, 考 虑 如 何 将 不 同 信 息 的 表 达 形 式 转 换 成 公 共 的 信 息 传 送 形 式 众 所 周 知, 计 算 机 网 络 中 的 应 用 层 程 序 常 使 用 不 同 的 信 息 表 示 标 准, 即 采 用 不 同 的 数 据 类 型 和 结 构 如 果 不 解 决 这 种 差 异, 各 系 统 之 间 彼 此 就 不 能 理 解 对 方 数 据 的 含 义, 也 就 无 法 通 信 OSI 参 考 模 型 的 下 五 层 协 议 虽 然 确 保 了 通 信 信 息 可 靠 准 确 有 序 同 步 的 传 送, 但

129 124 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 并 未 确 保 信 息 表 示 的 正 确 性, 为 此,OSI 设 立 表 示 层 来 解 决 这 一 问 题 OSI 模 型 中, 信 息 的 表 示 涉 及 两 个 方 面 : 语 法 和 语 义 (1) 语 义 数 据 的 内 容 与 意 义, 由 应 用 层 的 各 应 用 协 议 处 理 表 示 层 不 关 心 数 据 具 体 的 语 义, 只 有 应 用 实 体 才 能 知 道 数 据 的 意 义 例 如, 文 件 的 记 录 组 成, 作 业 的 执 行 方 法, 终 端 的 画 面 控 制 等 与 意 义 内 容 有 关 的 方 面 (2) 语 法 数 据 的 表 示 形 式, 由 表 示 层 处 理 它 解 决 异 种 计 算 机 系 统 之 间 的 信 息 表 示 形 式 的 差 异 例 如, 文 字 图 形 声 音 的 表 示, 数 据 压 缩, 数 据 加 密 等 与 表 示 形 式 有 关 的 方 面 语 义 和 语 法 的 关 系 可 以 举 一 个 例 子 来 说 明, 如 flower, 语 义 上 是 花 的 意 思, 语 法 上 我 们 将 它 看 成 是 字 符 串 2. 表 示 层 模 型 表 示 层 模 型 如 图 6-5 所 示 图 6-5 表 示 层 模 型 (1) 抽 象 语 法 (Abstract Syntax) 在 实 际 的 计 算 机 中, 分 别 用 各 自 的 形 式 ( 局 部 语 法 ) 来 表 示 信 息 语 义 的 OSI 环 境 下, 将 信 息 表 示 标 准 化, 这 个 标 准 的 语 义 表 示 就 是 抽 象 语 法, 即 面 向 各 种 不 同 应 用, 提 供 统 一 的 抽 象 语 法 表 示 抽 象 语 法 的 表 示 一 般 使 用 ASN.1(Abstract Syntax Notation One) 简 单 的 来 说 OSI 为 其 应 用 层 定 义 了 一 个 标 准 的 局 部 语 法 描 述 : 抽 象 语 法 标 记 1 (ASN.1), 于 是 出 现 了 抽 象 语 法 的 概 念, 现 在 一 般 使 用 抽 象 语 法 代 替 局 部 语 法 ( 2 ) 传 送 语 法 (Transfer Syntax) 由 应 用 实 体 提 交 来 的 抽 象 语 法 表 示 的 信 息 要 传 到 对 方 去, 需 要 对 信 息 进 行 编 码, 这 就 是 传 送 语 法 对 于 同 一 应 用 协 议 的 数 据 单 元 APDU, 互 联 的 各 开 放 系 统 的 应 用 实 体 均 使 用 各 自 定 义 的 局 部 语 法 ( 抽 象 语 法 ) 表 示, 表 示 层 则 对 此 提 供 公 共 语 法 表 示, 即 形 成 传 送 语 法 传 送 语 法 的 选 择 有 以 下 几 种 方 式 :

130 6.2 表 示 层 事 先 约 定 : 某 组 应 用 进 程 间 通 信 时 总 是 使 用 一 种 特 定 的 传 送 语 法 2 在 建 立 表 示 连 接 时 约 定 : 建 立 表 示 连 接 时 通 过 名 字 引 用 来 选 择 一 个 特 殊 的 传 送 语 法 3 传 送 形 式 化 的 语 法 描 述 语 言 : 先 传 送 形 式 化 的 语 法 描 述 语 言, 再 用 它 作 为 传 送 语 法 (3) 语 法 变 换 即 抽 象 语 法 与 传 送 语 法 按 照 一 定 规 则 相 互 转 换 的 过 程 发 送 方 把 自 己 的 抽 象 语 法 转 换 成 传 送 语 法, 接 收 方 收 到 数 据 后, 再 把 传 送 语 法 转 换 为 自 己 的 局 部 语 法 (4) 表 示 上 下 文 对 于 这 一 抽 象 语 法, 表 示 实 体 将 根 据 应 用 的 要 求, 选 择 适 当 的 传 送 语 法, 并 按 表 示 协 议 与 对 方 进 行 协 商, 最 后 确 定 适 当 的 传 送 语 法, 这 种 抽 象 语 法 与 传 送 语 法 对 应 关 系 称 为 表 示 上 下 文, 其 控 制 功 能 称 为 上 下 文 控 制 上 下 文 是 描 述 抽 象 语 法 与 传 送 语 法 间 的 一 种 对 应 关 系, 描 述 如 何 进 行 语 法 变 换 也 可 以 说 一 个 抽 象 语 法 和 所 商 定 的 传 送 语 法 的 组 合 就 是 上 下 文 表 示 上 下 文 有 如 下 特 征 : 1 表 示 上 下 文 在 建 立 表 示 连 接 时, 由 双 方 协 商 确 定, 但 允 许 在 通 信 过 程 中 重 新 确 定 加 入 或 删 除 2 确 定 的 表 示 上 下 文 具 有 生 命 期, 最 长 为 一 次 表 示 连 接 的 时 间, 当 重 新 建 立 表 示 连 接 时, 必 须 重 新 确 定 表 示 上 下 文 3 表 示 上 下 文 确 定 的 过 程 是 先 由 应 用 实 体 与 对 等 应 用 实 体 协 商 好 抽 象 语 法, 并 将 抽 象 语 法 通 告 表 示 实 体, 表 示 实 体 要 结 合 本 系 统 的 实 际 与 对 等 表 示 实 体 协 商 确 定 一 个 能 支 持 抽 象 语 法 的 传 送 语 法 4 对 同 一 抽 象 语 法, 在 不 同 时 期, 可 能 使 用 不 同 的 传 送 语 法, 因 此 在 建 立 表 示 连 接 时, 可 以 建 立 几 个 表 示 上 下 文, 即 对 同 一 抽 象 语 法 使 用 多 种 传 送 语 法 或 者 对 几 个 不 同 抽 象 语 法 使 用 同 一 种 传 送 语 法, 但 同 一 时 间, 只 能 有 一 个 表 示 上 下 文 处 于 活 动 状 态 多 个 上 下 文 构 成 已 确 定 的 上 下 文 集 (DCS,Defined Context Set) 为 理 解 表 示 上 下 文 的 概 念, 举 一 个 例 子 说 明 假 设 有 两 种 不 同 类 型 说 明 的 应 用 协 议 数 据 单 元 APDU-TYPE(1) APDU-TYPE(2), 它 们 所 使 用 的 抽 象 语 法 分 别 是 AS(1) AS(2) 设 对 等 应 用 层 已 知 道 这 些 抽 象 语 法, 并 且 发 送 方 表 示 层 已 知 道 了 这 些 抽 象 语 法 现 在 对 等 表 示 层 要 协 商 使 用 什 么 传 送 语 法 现 在 我 们 假 定 共 有 三 种 可 供 选 择 的 传 送 语 法 TS(a) TS(b) TS(c) 于 是, 为 了 协 商 到 底 用 什 么 样 的 传 送 语 法, 应 用 实 体 在 请 求 下 方 的 表 示 连 接 时, 可 在 所 采 用 的 抽 象 语 法 的 后 面 附 上 可 供 选 择 的 几 种 传 送 语 法, 形 成 : 1APDU-TYPE(1)=AS(1),[TS(a) 或 TS(b)] 2APDU-TYPE(2)=AS(2),[TS(a) 或 TS(b)] 表 示 连 接 另 一 端 的 对 等 实 体 在 协 商 时 可 能 给 出 如 下 回 答 : 1APDU-TYPE(1)=AS(1),TS(a) 2APDU-TYPE(2)=AS(2),TS(c) 上 面 给 出 的 每 一 对 抽 象 语 法 和 传 送 语 法, 就 构 成 了 一 个 表 示 上 下 文, 共 有 两 个 表 示 上 下 文, 即 : 1 表 示 上 下 文 1:[AS(1),TS(a)] 2 表 示 上 下 文 2:[AS(2),TS(c)] 这 两 个 表 示 上 下 文 合 在 一 起, 就 构 成 了 已 定 义 的 上 下 文 集 DCS

131 126 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 表 示 服 务 表 示 层 服 务 用 户 和 表 示 服 务 提 供 者 ( 即 表 示 实 体 ) 在 表 示 服 务 访 问 点 上 PSAP 上 相 互 作 用, 通 过 使 用 表 示 服 务 原 语, 表 示 层 服 务 用 户 和 表 示 服 务 提 供 者 相 互 交 换 信 息 表 示 层 服 务 原 语 大 多 数 与 会 话 层 中 的 相 同, 事 实 上 这 些 原 语 中 的 多 数 是 由 会 话 层 实 现 的, 也 就 是 说 由 会 话 层 执 行, 表 示 层 实 现 传 递 表 示 层 提 供 一 种 公 共 的 信 息 表 示 方 法 表 示 层 的 服 务 规 范 是 ISO8822 表 示 层 向 应 用 层 提 供 语 法 变 换 和 上 下 文 控 制 服 务 为 了 把 用 抽 象 语 法 表 示 的 表 示 层 用 户 数 据 变 换 为 传 送 数 据, 定 义 了 用 作 服 务 的 抽 象 语 法 标 记 法 ASN.1 规 定 了 抽 象 语 法 与 传 送 语 法 对 应 关 系 的 表 示 上 下 文 及 其 控 制 按 功 能 对 表 示 层 服 务 分 类 如 下 : (1) 表 示 连 接 建 立 的 功 能 (Facility) 用 于 建 立 表 示 连 接, 选 择 该 连 接 上 使 用 的 表 示 功 能 单 元, 确 定 表 示 上 下 文 的 初 始 集, 选 择 所 需 会 话 连 接 的 特 性 等 (2) 表 示 连 接 释 放 的 功 能 进 行 表 示 连 接 的 正 常 释 放, 或 者 强 制 释 放 强 制 释 放 是 异 常 释 放, 可 能 会 丢 失 数 据 (3) 表 示 连 接 管 理 功 能 进 行 表 示 上 下 文 的 创 建 增 加 删 除 对 新 创 建 的 表 示 上 下 文 应 给 出 标 识 符 对 表 示 上 下 文 发 生 变 化 的 情 况, 表 示 层 应 负 责 通 知 对 等 表 示 实 体 (4) 信 息 传 送 的 功 能 能 进 行 全 双 工 半 双 工 数 据 交 换, 能 实 现 能 力 数 据 特 权 数 据 等 的 传 送 表 示 层 未 提 供 流 量 控 制 (5) 会 话 控 制 功 能 按 照 原 样 向 应 用 层 提 供 会 话 服 务, 不 涉 及 上 下 文 环 境 变 化 为 了 给 应 用 层 直 接 提 供 会 话 服 务, 则 穿 透 表 示 层, 提 供 令 牌 管 理 同 步 控 制 再 同 步 及 活 动 管 理 等 服 务 穿 透 服 务 是 表 示 层 的 会 话 控 制 功 能 因 此, 可 以 说 表 示 服 务 主 要 是 会 话 服 务 加 上 表 示 上 下 文 等 的 控 制 而 形 成, 次 要 服 务 是 穿 透 功 能 的 服 务 抽 象 语 法 表 示 法 ASN.1 及 基 本 编 码 规 则 在 表 示 层 和 应 用 层, 数 据 具 有 不 同 的 复 杂 数 据 结 构 ( 即 不 同 的 抽 象 语 法 ), 需 要 一 个 统 一 的 抽 象 语 法 描 述 方 法 例 如, 同 一 数 据 结 构 用 C 和 PASCAL 的 表 示 是 不 一 样 的 ASN.1(Abstract Syntax Notation One) 可 灵 活 的 定 义 各 种 数 据 结 构 它 包 括 一 些 基 本 类 型 和 结 构 类 型, 它 允 许 用 户 自 己 定 义 更 复 杂 的 数 据 结 构 1. ASN.1 基 本 数 据 类 型 ASN.1 的 基 本 数 据 类 型 包 括 5 类 : 布 尔 类 型 整 数 类 型 位 串 类 型 字 节 串 类 型 和 空 类 型 (1) 布 尔 类 型 布 尔 类 型 BOOLEAN 只 有 TRUE 和 FALSE 两 个 取 值

132 6.2 表 示 层 127 (2) 整 数 类 型 整 数 类 型 INTEGER 就 是 通 常 意 义 上 的 整 数 (3) 位 串 类 型 位 串 类 型 BIT STRING 是 由 0 1 组 成 的 串, 其 长 度 不 受 限 制 (4) 字 节 串 类 型 字 节 串 类 型 OCTET STRING 是 由 8 位 位 组 (OCTET) 组 成 的 串, 其 长 度 不 受 限 制 它 就 是 通 常 意 义 上 的 字 符 串 (5) 空 类 型 空 类 型 NULL 表 示 某 个 元 素 不 存 在 或 不 取 任 何 值 2.ASN.1 结 构 数 据 类 型 ASN.1 结 构 数 据 类 型 包 括 7 类 : (1) 顺 序 类 型 (SEQUENCE) 由 一 个 或 多 个 元 素 类 型 组 成 的 有 序 列 表, 元 素 类 型 可 为 任 何 其 他 类 型 它 类 似 于 PASCAL 的 记 录 如 果 出 现 OPTIONAL 或 DEFAULT 关 键 字, 对 应 类 型 的 值 可 省 略 例 如 : ValidSequence ::= SEQUENCE {a INTEGER DEFAULT 3, s BOOLEAN OPTIONAL, n INTEGER,} Value ValidSequence ::= {a 5, s TRUE, n 20} (2) 单 一 顺 序 类 型 (SEQUENCE OF) 由 一 个 或 多 个 同 一 类 型 元 素 组 成 的 有 序 列 表, 元 素 类 型 可 为 任 何 其 他 类 型 它 可 被 视 为 SEQUENCE 类 型 的 特 例, 它 类 似 于 PASCAL 的 数 组 例 如 : Words ::= SEQUENCE OF VisibleString buildwords Words ::= {"applications","elements","protocols"} (3) 集 合 类 型 (SET) 由 0 个 或 多 个 元 素 类 型 组 成 的 无 序 集 合, 组 成 的 元 素 必 须 是 可 区 分 的 例 如 : TypeSet ::= SET {a BOOLEAN, s INTEGER, n BIT STRING} valset TypeSet :: = {a TRUE, N '1001'B, s 520}

133 128 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 (4) 单 一 集 合 类 型 (SET OF) 由 0 个 或 多 个 同 一 类 型 元 素 组 成 的 无 序 集 合 例 如 : Words ::= SET OF VisibleString buildwords Words ::= {"entities","protocols","pdu"} (5) 任 选 类 型 (CHOICE) CHOICE 类 型 包 含 一 个 可 供 选 择 的 类 型 列 表, 他 的 每 个 值 都 是 该 组 成 元 素 的 一 个 值 它 可 用 于 描 述 在 不 同 环 境 下 可 能 有 不 同 类 型 的 所 有 可 能 性 都 事 先 已 知 的 数 据 结 构 例 如 : TimeOfDay ::= CHOICE {actual-value UTCTime, not-available NULL} unixepoch TimeOfDay ::= {actual-value " Z"} unknowtime TimeOfDay ::= {not-available NULL} (6) 任 一 类 型 (ANY) ANY 类 型 表 示 在 定 义 时 未 具 体 指 明 类 型 的 数 据 结 构 例 如 : AlgorithmIdentifier ::= SEQUENCE {algorithm OBJECT IDENTIFIER, parameters ANY OPTIONAL} (7) 标 签 类 型 (TAG) 由 标 签 类 型 加 标 签 号 码 表 示 作 为 数 据 类 型 前 缀, 用 于 区 分 取 值 类 型 相 同 的 类 型 例 如 : Abstract-Syntax-Name ::= [APPLICATION 0] OBJECT IDENTIFIER ASN.1 定 义 了 4 种 标 签 : (1) 通 用 类 (Universal Class) 仅 由 ASN.1 定 义, 分 配 给 基 本 类 型 或 结 构 类 型 UNIVERSAL 1 BOOLEAN UNIVERSAL 2 INTEGER UNIVERSAL 17 SET and SET OF (2) 应 用 类 (Application Class) 用 户 可 自 由 分 配, 但 同 时 只 能 分 配 给 一 种 类 型 (3) 私 用 类 (Private Class) 应 用 标 准 不 使 用 这 种 标 签 (4) 上 下 文 专 用 类 (Context Specific Class) 用 户 可 自 由 分 配, 利 用 上 下 文 关 系 对 它 进 行 解 释 3.ASN.1 复 杂 数 据 类 型 ASN.1 可 利 用 嵌 套 递 归 的 方 法 定 义 复 杂 的 数 据 结 构 例 如 : PersonnelRecord ::= SET

134 {name Name, title IA5String number INTEGER, dateofhire Date, ( 雇 用 日 期 ) nameofspouse Name, ( 配 偶 姓 名 ) children SEQUENCE OF ChildInformation} ChildInformation ::=SET {name Name, dateofbirth Date} Name ::=SEQUENCE {givenname IA5String, initial IA5String, familyname IA5String} Date ::=IA5String 4.ASN.1 基 本 编 码 规 则 6.2 表 示 层 129 ASN.1 基 本 编 码 规 则 (BER,Basic Encoding Rules) 完 成 抽 象 语 法 表 示 与 传 送 语 法 间 的 变 换 ASN.1 采 用 TLV 方 法 进 行 编 码 该 方 法 把 各 种 数 据 表 示 成 Type Length Value3 个 字 段, 每 个 字 段 由 字 节 组 成 (1)Type 字 段 用 于 表 示 标 签 (Tag) Type 字 段 用 于 表 示 标 签 (Tag), 各 位 表 示 如 下 : D8,D7: 标 签 类 型 Class D8 D7 Universal 0 0 Application 0 1 Context-specific 1 0 Private 1 1 D6: 数 据 类 型 标 志 0 表 示 基 本 数 据 类 型,1 表 示 结 构 数 据 类 型 D5,D1 或 更 多 位 : 标 签 号 码 号 码 小 于 31 时, 用 D5 到 D1; 号 码 大 于 等 于 31 时, 用 更 多 位 表 示, 这 时 D5~D1 全 为 1, 标 签 号 码 由 后 面 扩 展 字 节 表 示, 扩 展 字 节 的 最 高 位 (D8) 均 为 1, 只 有 最 后 一 个 字 节 的 最 高 位 (D8) 为 0, 表 示 扩 展 字 段 结 束, 这 些 字 节 的 剩 余 7 位 拼 接 起 来 就 是 标 签 号 码 值 以 标 签 [PRIVATE 42] 为 例 子 42 的 二 进 制 表 示 是 , 多 于 5 位, 因 此 要 用 两 个 8 位 组 编 码 编 码 后 的 标 签 的 二 进 制 格 式 为 (2)Length 字 段 表 示 内 容 字 段 (Value) 的 长 度 长 度 小 于 127 时,Length 字 段 占 一 个 字 节 ; 长 度 大 于 127 时, 第 1 个 字 节 的 最 高 位 (D8)

135 130 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 为 1, 其 余 7 位 为 Length 字 段 本 身 的 长 度, 后 续 字 节 为 内 容 字 段 (Value) 的 长 度 长 度 不 确 定 时, 第 1 个 字 节 的 最 高 位 (D8) 为 1, 其 余 位 全 0, 内 容 字 段 使 用 内 容 结 束 标 志 (2 个 全 0 字 节 ) (3) 内 容 字 段 (Value) 如 BOOLEAN 类 型 的 FALSE 为 0,TRUE 为 非 0;INTEGER 类 型 的 只 用 补 码 表 示 6.3 应 用 层 应 用 层 功 能 和 模 型 1. 应 用 层 功 能 应 用 层 是 OSI/RM 中 最 高 的 一 个 功 能 层, 它 是 开 放 系 统 互 联 环 境 (OSI 环 境 ) 与 本 地 系 统 的 操 作 系 统 和 应 用 系 统 直 接 接 口 的 一 个 层 次 在 功 能 上, 应 用 层 为 本 地 系 统 的 应 用 进 程 (AP) 访 问 OSI 环 境 提 供 手 段, 也 是 唯 一 直 接 给 应 用 进 程 提 供 各 种 应 用 服 务 的 层 次 根 据 分 层 原 则, 应 用 层 向 应 用 进 程 提 供 的 服 务 是 OSI 的 所 有 层 直 接 或 间 接 提 供 服 务 的 总 和 计 算 机 通 信 网 的 最 终 目 的 是 为 用 户 提 供 一 些 特 定 的 服 务, 使 得 本 地 系 统 能 与 外 界 系 统 进 行 协 调 合 作 为 了 实 现 这 种 协 调, 应 用 层 一 方 面 为 应 用 进 程 提 供 彼 此 通 信 的 手 段, 也 就 是 为 其 创 建 OSI 环 境 另 一 方 面, 由 于 各 种 应 用 类 型 的 多 样 性, 应 用 层 协 议 也 必 定 是 多 种 多 样 的, 为 了 减 少 应 用 系 统 与 外 界 通 信 的 复 杂 性, 在 应 用 层 内 应 配 置 尽 可 能 多 的 公 用 或 专 用 的 应 用 服 务 元 素 ASE(Application Service Element), 提 供 给 应 用 系 统 根 据 需 要 调 用 所 谓 应 用 服 务 元 素 就 是 各 种 应 用 都 需 要 的 功 能 成 分, 是 应 用 层 的 基 本 构 件 不 同 的 应 用 协 议 可 以 采 用 相 同 的 低 层 通 信 协 议, 实 际 上, 应 用 进 程 之 间 的 通 信 问 题 在 运 输 层 就 已 经 基 本 解 决 了 至 于 在 运 输 层 上 增 加 会 话 层 和 表 示 层 这 两 个 层 次, 是 因 为 OSI 的 设 计 者 认 识 到 不 同 类 型 应 用 的 应 用 进 程 在 相 互 通 信 时 表 现 出 许 多 相 似 的 特 征, 把 这 些 相 似 的 特 征 提 取 出 来, 分 别 设 立 会 话 层 和 表 示 层, 这 样 就 可 以 简 化 应 用 进 程 的 设 计 和 实 现 2. 应 用 层 模 型 如 图 6-6 所 示, 应 用 层 由 应 用 进 程 (AP,Application Process) 和 应 用 实 体 (AE,Application Entity) 组 成 图 6-6 应 用 层 模 型

136 6.3 应 用 层 131 (1) 应 用 进 程 (AP) 一 个 应 用 进 程 包 括 用 户 开 发 的 应 用 软 件 以 及 通 信 软 件 在 计 算 机 分 层 协 议 网 络 中, 应 用 进 程 总 有 一 部 分 在 OSI 环 境 之 外, 另 一 部 分 在 OSI 环 境 之 内 在 ISO/OSI 标 准 中, 把 前 者 仍 称 为 应 用 进 程, 而 把 后 者 称 为 用 户 元 素 UE 有 时 候 将 AP 称 应 用 进 程, 而 将 AP+UE 称 广 义 应 用 进 程 (2) 应 用 实 体 (AE) 应 用 实 体 由 一 个 用 户 元 素 (UE,User Element) 和 一 组 应 用 服 务 元 素 (ASE,Application Service Element) 组 成, 应 用 服 务 元 素 可 以 以 分 为 两 类, 一 类 是 公 共 应 用 服 务 元 素 (CASE), 另 一 类 是 特 定 应 用 服 务 元 素 (SASE) 由 于 在 CASE 和 SASE 之 间 很 难 有 十 分 清 楚 的 区 分 界 限, 因 此 正 式 公 布 的 OSI 标 准 中 只 使 用 应 用 服 务 元 素 ASE 这 一 名 称, 相 当 于 CASE 在 应 用 层 模 型 中, 虽 然 应 用 进 程 和 应 用 实 体 各 画 出 1 个, 但 它 们 之 间 并 不 一 定 是 一 一 对 应 关 系, 一 个 完 成 多 功 能 的 应 用 进 程 往 往 需 要 包 括 多 个 不 同 类 型 的 实 体 AE 于 是, 一 个 应 用 进 程 可 对 应 一 个 或 多 个 应 用 实 体, 而 一 个 应 用 实 体 可 包 含 一 个 或 多 个 应 用 服 务 元 案 (3) 用 户 元 素 (UE) 因 为 UE 是 广 义 应 用 进 程 的 一 部 分, 也 是 应 用 实 体 的 一 部 分, 那 么 UE 无 非 是 AP 与 应 用 实 体 间 的 接 口 用 户 元 素 是 应 用 服 务 元 素 的 用 户 是 应 用 进 程 AP 在 应 用 实 体 内 部 为 完 成 其 通 信 目 的 需 要 使 用 那 些 应 用 服 务 元 素 的 处 理 单 元, 是 应 用 进 程 的 代 表 对 应 用 进 程 来 说, 用 户 元 素 具 有 发 送 接 收 能 力 ; 对 应 用 服 务 元 素 来 说, 用 户 元 素 也 具 有 发 送 和 接 收 能 力 应 用 进 程 通 过 UE 与 应 用 实 体 进 行 通 信 (4) 应 用 服 务 元 素 (ASE) 公 共 应 用 服 务 元 素 (CASE) 是 用 户 元 素 和 特 定 应 用 服 务 元 素 公 共 使 用 的 那 部 分 服 务 元 素, 因 此, 公 共 应 用 服 务 元 素 提 供 给 各 种 特 定 应 用 服 务 元 素 和 用 户 元 素 都 是 通 用 的 服 务, 这 些 服 务 与 应 用 的 性 质 无 关 特 定 应 用 服 务 元 素 (SASE) 提 供 满 足 特 定 应 用 的 特 殊 需 求 的 能 力 例 如, 文 件 传 送 访 问 和 管 理 远 程 数 据 库 访 问 作 业 传 送 银 行 事 务 等 因 此, 特 定 应 用 服 务 元 素 专 门 对 特 定 应 用 提 供 服 务, 它 与 特 定 应 用 的 性 质 和 业 务 内 容 密 切 相 关, 是 特 有 的 CASE 和 SASE 1.CASE 与 SASE 的 关 系 CASE 和 SASE 之 间 的 关 系 如 图 6-7 所 示,CASE 为 SASE 和 UE 提 供 通 用 的 服 务

137 132 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 图 6-7 CASE 与 SASE 的 关 系 2. 公 共 应 用 服 务 元 素 CASE 公 共 应 用 服 务 元 素 (CASE) 提 供 了 应 用 层 中 最 基 本 的 服 务, 它 为 网 络 中 应 用 进 程 间 的 通 信 分 布 式 提 交 系 统 的 实 现 等 提 供 了 基 本 的 控 制 机 制 CASE 有 4 个 组 成 元 素 : (1) 联 系 控 制 服 务 元 素 (ACSE, Association Control Service Element) ACSE 是 应 用 层 中 最 基 本 的 服 务 元 素, 它 负 责 在 对 等 应 用 实 体 AE 中 建 立 应 用 联 系 还 提 供 中 断 应 用 联 系 释 放 应 用 联 系 等 功 能, 它 是 利 用 表 示 层 服 务 实 现 的 ACSE 的 国 际 标 准 是 ISO8649( 服 务 定 义, 与 ITU-T X.217 兼 容 ),ISO8650( 协 议 规 范, 与 ITU-T X.227 兼 容 ) 这 里 的 联 系 和 其 他 层 的 连 接 不 尽 相 同 应 用 层 不 对 任 何 更 高 层 服 务 ( 应 用 层 是 最 高 层 ), 应 用 服 务 元 素 只 给 应 用 层 的 一 部 分 用 户 元 素 UE 提 供 服 务, 因 此 这 里 用 联 系 而 不 用 连 接 (2) 可 靠 传 送 服 务 元 素 :(RTSE, Reliable Transfer Service Element) 对 等 应 用 实 体 AE 之 间 的 通 信 是 由 表 示 层 提 供 服 务 的, 当 应 用 层 信 息 传 输 的 可 靠 性 要 求 比 较 高 时,ACSE 并 不 能 给 予 保 证 例 如, 高 层 的 会 话 层 表 示 层 出 现 故 障 造 成 连 接 中 断 时, 就 有 可 能 造 成 信 息 丢 失 重 复 次 序 颠 倒 等 错 误, 而 且 当 信 息 传 送 失 败 时, 发 送 方 也 得 不 到 及 时 的 通 知, 为 了 防 止 这 种 情 况 发 生, 在 应 用 层 设 置 了 另 一 种 应 用 服 务 元 素 即 可 靠 传 送 服 务 元 素 RTSE RTSE 的 设 置 并 不 是 要 解 决 低 层 出 现 过 的 分 组 丢 失 和 分 组 出 错 的 问 题, 而 是 让 系 统 能 够 从 会 话 层 表 示 层 等 高 层 连 接 的 故 障 与 端 系 统 崩 溃 中 恢 复 过 来 RTSE 保 证 在 对 等 应 用 实 体 间 的 可 靠 信 息 传 送 在 设 置 了 RTSE 的 应 用 层,RTSE 代 替 ACSE 与 应 用 进 程 直 接 建 立 应 用 联 系,RTSE 可 直 接 在 PSAP 映 射 表 示 连 接 但 是 这 并 不 排 斥 RTSE 通 过 ACSE 后 在 PSAP 映 射 表 示 连 接 可 靠 传 送 服 务 元 素 RTSE 的 国 际 标 推 是 ISO9066-1( 服 务 定 义, 与 ITU-T X.218 兼 容 ),

138 6.3 应 用 层 133 ISO9066-2( 协 议 规 范, 与 ITU-T X.228 兼 容 ) RTSE 有 多 种 差 错 处 理 和 恢 复 方 法, 根 据 差 错 的 情 况 RTSE 将 启 动 不 同 的 差 错 处 理 和 恢 复 过 程 1 当 出 现 重 复 传 送 时, 发 送 方 RTSE 放 弃 所 进 行 的 活 动, 但 向 本 地 用 户 报 告 传 送 成 功 2 当 RTSE 因 差 错 无 法 传 送 APDU 时, 就 放 弃 所 进 行 的 活 动, 且 通 知 本 地 用 户 传 送 失 败 3 当 差 错 较 轻 时,RTSE 中 断 当 前 的 活 动, 并 经 适 当 时 间 再 恢 复 该 活 动 当 差 错 严 重 时, RTSE 中 止 应 用 联 系, 在 再 次 建 立 联 系 后 恢 复 被 中 断 的 活 动 中 止 应 用 联 系 后, 要 向 本 地 用 户 报 告 差 错 处 理 和 恢 复 过 程 必 然 放 弃 当 前 正 在 进 行 的 活 动 (3) 远 程 操 作 服 务 元 素 (ROSE, Remote Operations Service Element) 在 计 算 机 网 络 通 信 中, 除 了 传 送 大 块 数 据 单 元 外, 还 要 出 现 一 问 一 答 方 式 的 通 信, 如 事 务 处 理 就 属 此 列 在 分 布 式 环 境 下, 这 种 方 式 的 通 信 称 为 远 程 操 作 RO(Remote Operation) 在 应 用 层 设 置 远 程 操 作 服 务 元 素 ROSE 就 是 为 实 现 一 问 一 答 方 式 的 通 信, 也 就 是 一 个 用 户 向 另 一 用 户 发 出 一 个 请 求, 然 后 收 到 一 个 请 求 的 结 果, 即 请 求 / 响 应 方 式 的 通 信 ROSE 的 国 际 标 准 是 ISO9027-1( 服 务 定 义, 与 ITU-T X.219 兼 容 ),ISO9072-2( 协 议 规 范, 与 ITU-T X.229 兼 容 ) ROSE 把 远 程 操 作 分 为 两 种 方 式 : 1 同 步 方 式 :ROSE 在 收 到 第 一 个 操 作 的 回 答 之 前 不 再 发 出 第 二 个 操 作 请 求 2 异 步 方 式 :ROSE 发 出 多 个 请 求, 远 程 操 作 不 受 前 期 操 作 响 应 的 制 约 (4) 委 托 并 行 和 恢 复 (CCR, Commitment Concurrency Recovery) 委 托 并 发 和 恢 复 (CCR) 应 用 服 务 元 素 的 作 用 是 提 供 与 特 定 应 用 有 关 的 多 个 联 系 活 动 的 协 调 功 能, 即 使 在 系 统 发 生 多 次 崩 溃 的 情 况 下 也 能 可 靠 地 协 调 多 个 部 分 之 间 的 相 互 作 用, 为 分 布 式 处 理 提 供 了 一 个 安 全 和 高 效 的 环 境 在 分 布 式 环 境 中, 对 数 据 库 等 系 统 进 行 更 新 操 作 的 同 时 要 求 保 持 和 维 护 数 据 的 完 整 性 和 一 致 性, 使 之 不 受 系 统 和 通 信 设 备 失 效 的 影 响, 也 就 是 说, 受 到 影 响 的 系 统 都 能 保 证 数 据 的 一 致 性 状 态, 这 时 就 必 须 使 用 CCR,CASE 如 图 6-8 所 示 图 6-8 CASE 结 构 其 中 CASE 的 上 层 即 为 SASE 在 图 中 : RDA: 远 程 数 据 库 访 问 DTMA: 文 档 传 送 和 操 作 TP: 业 务 处 理 VT: 虚 拟 终 端 FTAM: 文 件 传 送 访 问 和 管 理

139 134 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 JTM: 作 业 传 送 和 操 作 3. 特 定 应 用 服 务 元 素 SASE 根 据 应 用 服 务 的 性 质 不 同, 可 将 特 定 应 用 服 务 元 素 (SASE) 再 分 为 两 类 : 一 类 是 应 用 特 定 应 用 服 务 元 素 (A-SASE), 另 一 类 是 用 户 特 定 应 用 服 务 元 素 (U-SASE) A-SASE 是 应 用 实 体 为 支 持 应 用 进 程 间 的 信 息 传 送 处 理 所 需 要 的 那 部 分 特 定 应 用 服 务 元 素, 如 文 件 传 送 访 问 和 管 理 远 程 数 据 库 访 问 虚 拟 终 端 等, 它 们 是 作 为 应 用 实 体 的 通 用 SASE 来 研 究 的 ; 而 U-SASE 是 只 对 特 定 应 用 领 域 才 有 的 功 能, 如 航 空 订 票 系 统 银 行 数 据 系 统 等 一 些 通 用 的 A-SASE 包 括 : 虚 拟 终 端, 作 业 传 送 与 操 作 文 件 传 送 访 问 和 管 理, 远 程 数 据 库 访 问, 图 形 核 心 系 统, 开 放 系 统 互 联 管 理, 操 作 系 统 命 令 响 应 语 言, 信 息 通 信 和 报 文 处 理 系 统 处 于 CASE 上 层 的 元 素 即 为 SASE 下 面 列 举 常 见 的 SASE: MHS: 报 文 处 理 系 统 (Message Handling System) FTAM: 文 件 传 送 访 问 和 管 理 (File Transfer Access and Management) VT: 虚 拟 终 端 (Virtual Terminal) JTM: 作 业 传 送 和 操 作 (Job Transfer and Management) RDA: 远 程 数 据 库 访 问 (Remote Database Access) EDI: 电 子 数 据 交 换 (Electronic Data Interchange) DSP: 目 录 服 务 协 议 (Directory Service Protocol) TP: 事 务 处 理 (Transaction Processing) X.400 MHS 功 能 模 型 和 原 理 1.MHS 的 概 述 报 文 处 理 系 统 (MHS) 是 OSI 参 考 模 型 应 用 层 所 支 持 的 一 种 应 用, 它 可 以 利 用 分 组 交 换 网 作 为 运 载 工 具, 传 递 包 括 文 本 话 音 图 象 二 进 制 数 据 等 多 种 类 型 的 报 文, 从 而 为 用 户 提 供 电 子 邮 件 服 务 MHS 的 标 准 化 工 作 始 于 20 世 纪 80 年 代 初 1984 年 ITU-T( 原 CCITT) 首 先 制 定 了 有 关 报 文 处 理 系 统 (MHS) 的 一 系 列 建 议, 即 X.400 系 列 建 议, 成 为 第 一 个 国 际 标 准 国 际 标 准 化 组 织 ISO 于 80 年 代 也 提 出 了 相 应 的 标 准, 称 为 面 向 报 文 的 文 本 互 换 系 统 (MOTIS), 即 ISO 这 一 标 准 与 X.400 完 全 兼 容 且 有 所 扩 充 1988 年 ITU-T 又 推 出 了 修 订 版 的 X.400 建 议, 新 增 加 了 安 全 机 制, 并 且 大 量 使 用 OSI 目 录 服 务 (X.500 建 议 ) 我 们 以 下 的 讨 论 以 1988 年 修 订 版 X.400 建 议 为 基 础 电 子 邮 件 业 务 是 指 由 发 信 人 送 出 报 文, 经 过 中 途 存 储 转 发, 最 后 投 递 到 收 信 人 专 用 的 邮 箱 中, 并 一 次 存 储 收 信 人 从 邮 箱 中 取 出 来 的 报 文 与 被 发 送 时 的 原 样 相 同 若 使 用 电 子 邮 件, 发 信 人 不 必 知 道 对 方 是 否 处 于 通 信 状 态, 可 以 随 时 发 信 MHS 的 目 的 是 在 通 信 用 户 间 作 为 交 换 信 息 的 一 种 媒 体, 它 具 有 以 下 特 性 : 1MHS 的 报 文 格 式 由 信 封 和 内 容 组 成 信 封 实 际 上 就 是 整 个 报 文 的 首 部, 其 中 包 含 报 文 的 目 的 地 址 投 递 方 法 和 优 先 级 等 控 制 信 息 内 容 包 括 信 头 和 信 体 两 部 分 参 照 一 般 信 函 的 结 构, 信 头 部 分 包 含 收 件 人 (To) 发 件 人 (From) 抄 送 ( Cc) 日 期 主 题 (Subject) 等 项 内 容, 以 便 归 档 存 储 信 体 部 分 是 用 户 传 送 的 任 意 形 式 的 信 息 报 文 的 传 递 过 程 按 信 封 的 控 制 信 息 实 现, 传 递 的 内 容 原 则 上 是 透 明 传 送 由 于 MHS 报 文 的 信 封 和 内 容 为 层 次 结 构,

140 6.3 应 用 层 135 故 可 以 处 理 多 媒 体 信 息 2MHS 的 报 文 传 递 以 存 储 / 转 发 方 式 为 基 础, 提 供 了 同 一 报 文 向 多 目 的 地 址 同 时 传 递 的 同 报 投 递 投 递 保 留 投 递 优 先 级 等 多 种 转 发 业 务 3 个 人 之 间 的 通 信 是 MHS 的 主 要 通 信 方 式 MHS 的 用 户 不 仅 是 人 类 用 户, 而 且 也 包 括 计 算 机 进 程 虽 然 目 前 来 说 个 人 之 间 的 信 函 传 递 是 MHS 传 递 的 主 要 报 文, 这 相 当 于 电 子 邮 件 业 务, 但 是, 由 于 计 算 机 进 程 亦 可 作 为 MHS 的 用 户 因 此, 利 用 计 算 机 处 理 商 品 说 明 书 商 品 货 单 和 付 款 单 等 商 业 或 金 融 事 务 处 理, 也 是 MHS 的 重 要 应 用, 这 就 是 所 谓 的 电 子 数 据 互 换 EDI 2.MHS 的 功 能 模 型 与 工 作 过 程 图 6-9 给 出 了 MHS 的 系 统 结 构, 也 称 为 X.400 的 功 能 模 型 MHS 由 以 下 4 个 元 素 组 成 : 1 报 文 传 输 系 统 (MTS,Message Transfer System) 2 用 户 代 理 (UA,User Agent) 3 报 文 存 储 (MS,Message Store) 4 访 问 单 元 (AU,Access Unit) 图 6-9 MHS 的 系 统 结 构 MHS 用 户 通 过 用 户 代 理 (UA) 访 问 MHS 系 统,UA 是 用 户 与 MHS 系 统 之 间 的 接 口, 亦 是 开 放 系 统 中 的 一 个 应 用 进 程 UA 代 表 用 户 与 报 文 传 输 系 统 (MTS) 通 信, 另 外,UA 还 为 用 户 整 理 报 文 提 供 必 要 的 编 辑 功 能, 并 具 有 报 文 存 储 归 档 功 能 UA 与 用 户 存 在 着 一 一 对 应 的 关 系, 即 每 一 个 用 户 对 应 于 且 仅 对 应 于 一 个 用 户 代 理 UA MTS 由 一 个 以 上 在 逻 辑 上 有 联 系 的 报 文 传 输 代 理 (MTA) 所 组 成 MTA 是 实 现 存 储 转 发 报 文 功 能 的 实 体 从 软 件 的 角 度 看,MTA 是 一 个 应 用 层 实 体 AE 一 个 MTA 可 以 连 接 多 个 MTA 或 UA, 起 着 中 继 作 用 的 MTA 要 负 责 寻 找 合 适 的 路 由 如 果 MTA 收 到 其 他 MTA 传 来 的 报 文 的 收 信 人 的 UA 就 连 接 在 本 MTA 上, 则 把 它 提 交 给 该 UA 如 果 收 到 的 报 文 的 收 信 人 的 UA 没 有 连 接 在 本 MTA 上, 则 需 要 将 该 报 文 发 送 给 下 一 个 MTA 下 一 个 MTA 的 选 择 属 于 报 文 转 发 的 路 由 选 择 问 题, 不 过 这 里 的 路 由 选 择 是 应 用 层 的 路 由 选 择, 它 和 网 络 层 的 路 由 选 择 是 不 同 的 概 念, 所 采 用 的 策 略 也 不 同 MTA 处 理 报 文 是 根 据 信 封, 它 既 不 关 心 也 不 修 改 报 文 的 内 容 用 户 代 理 UA 处 理 报 文 是 根 据 报 文 的 内 容 中 的 信 头, 它 也 不 关 心 报 文 的 信 体 部 分 报 文 的 信 体 部 分 只 有 用 户 才 能 对 它 进 行 解 释 为 了 提 交 和 投 递 报 文,UA 与 它 的 本 地 MTA 交 互 各 MTA 负 责 相 互 之 间 的 协 调 工 作, 以 将 报 文 通 过 MTS 传 送 到 其 目 的 地, 而 UA 负 责 向 MTS 提 交 报 文 和 接 收 MTS 投 递 的 报 文

141 136 第 6 章 OSI 高 三 层 协 议 这 样 的 分 工 是 很 重 要 的, 然 而, 如 果 UA 驻 留 在 一 台 计 算 机 内, 而 该 计 算 机 当 用 户 离 开 后 就 被 关 机, 则 MTS 无 法 及 时 向 UA 投 递 报 文 为 此, 引 入 了 一 个 新 的 实 体, 称 作 报 文 存 储 (MS) MS 的 作 用 是 作 为 UA 与 本 地 MTA 之 间 的 中 介 体 当 投 递 时,MTA 将 报 文 放 入 MS, 以 后 当 UA 工 作 时, 就 从 MS 中 取 出 报 文 另 一 方 面, 也 可 利 用 MS 来 提 交 报 文, 即 UA 只 需 要 把 报 文 交 给 为 自 己 服 务 的 MS 后 就 可 以 退 出 执 行, 由 MS 负 责 在 MTA 有 空 闲 存 储 空 间 时 把 报 文 提 交 给 它 发 送, 这 种 情 形 叫 做 间 接 提 交 由 于 MS 的 引 入, 减 轻 了 UA 与 MTS 交 互 的 工 作, 使 之 能 执 行 更 多 的 用 户 接 口 功 能 ; 同 时 也 减 轻 了 MTA 代 替 UA 存 储 报 文 的 压 力, 使 之 能 更 多 地 执 行 报 文 传 递 功 能 接 入 单 元 (AU) 是 MHS 与 其 他 通 信 系 统 的 接 口, 用 来 使 其 他 信 息 通 信 手 段 ( 如 传 真 智 能 用 户 电 报 等, 称 为 间 接 用 户 ) 也 能 通 过 MHS 系 统 进 行 通 信 使 用 以 上 的 系 统 结 构,MHS 的 报 文 流 程 如 下 : 1 发 信 人 利 用 发 信 UA 的 编 辑 功 能 产 生 报 文 2 指 定 收 信 人, 由 发 信 UA 准 备 发 送 报 文 3 发 信 UA 将 准 备 好 的 报 文 提 交 给 本 地 MTA, 或 经 由 MS 交 给 MTA 4MTS 将 报 文 以 存 储 / 转 发 方 式 从 发 信 MTA 传 递 到 收 信 MTA 5 收 信 MTA 将 报 文 投 递 给 收 信 UA, 或 提 交 给 与 收 信 UA 连 接 的 MS 再 由 收 信 UA 从 MS 中 取 出 6 报 文 到 达 收 信 UA 后, 存 储 在 收 信 人 的 个 人 邮 箱 中, 供 收 信 人 读 出 报 文 显 而 易 见,MHS 系 统 模 型 仅 仅 是 日 常 邮 政 通 信 系 统 的 电 子 化, 这 是 很 吸 引 人 的, 因 为 人 们 对 于 邮 政 通 信 这 一 种 第 三 方 传 递 的 模 型 已 经 非 常 熟 悉 了 而 且,MHS 可 以 传 送 多 种 类 型 的 信 息, 因 此,MHS 系 统 具 有 广 泛 的 应 用 价 值 3.MHS 服 务 MHS 服 务 分 成 4 类 : 报 文 传 递 服 务 个 人 间 报 文 通 信 服 务 报 文 存 储 服 务 和 物 体 投 递 服 务, 总 共 达 90 多 种 从 用 户 的 角 度 来 看, 可 使 用 MHS 提 供 的 两 类 服 务, 即 报 文 传 输 服 务 和 个 人 间 报 文 通 信 服 务 (1) 报 文 传 递 服 务 (MT 服 务 ) 主 要 的 报 文 传 递 服 务 是 提 交 和 投 递 发 信 人 的 UA 将 报 文 提 交 给 MTS, 而 MTS 将 该 报 文 投 递 给 收 信 人 的 UA 提 交 时,UA 将 一 个 包 含 投 递 信 息 的 提 交 信 封 与 报 文 内 容 一 起 交 给 MTS 投 递 时,MTS 将 投 递 信 封 与 报 文 内 容 一 起 传 递 给 UA 为 了 投 递 报 文,MTS 必 须 具 有 传 递 服 务 报 文 从 本 地 MTA 开 始 发 出, 向 下 传 递 到 另 一 个 MTA, 直 至 到 达 目 的 地 MTA 报 文 在 传 递 过 程 中 被 装 在 一 个 传 递 信 封 内, 该 传 递 信 封 向 MTS 提 供 投 递 信 息 和 跟 踪 信 息 传 递 信 封 中 包 含 的 主 要 信 息 列 于 表 6-6 中

142 6.3 应 用 层 137 表 6-6 MHS 的 信 封 上 的 一 些 主 要 字 段 字 段 说 明 发 信 人 地 址 收 信 人 允 许 更 换 收 信 人 更 换 的 收 信 人 报 文 标 识 符 优 先 级 发 信 人 请 求 报 告 MTA 报 告 请 求 推 迟 投 递 最 迟 投 递 内 容 送 回 信 息 类 型 禁 止 转 换 禁 止 丢 失 性 转 换 明 确 转 换 加 密 标 识 符 内 容 完 整 性 校 验 发 信 人 签 名 报 文 机 密 性 标 号 已 投 递 的 证 明 此 报 文 的 发 信 人 的 MHS 地 址 此 报 文 的 收 信 人 的 MHS 地 址 是 否 允 许 更 换 收 信 人 允 许 更 换 收 信 人 而 又 无 法 投 递 时 的 另 一 个 收 信 人 识 别 报 文 用 的 标 识 符 慢 件 正 常 急 件 发 信 人 需 要 在 何 种 情 况 下 得 到 何 种 回 答 报 告 MTA 需 要 何 种 回 答 报 告 ( 如 路 由 或 各 MTA 的 时 间 戳 等 ) 不 要 在 此 时 间 之 前 投 递 ( 如 不 得 提 前 公 布 的 机 密 消 息 ) 不 要 在 此 时 间 之 后 投 递 ( 如 时 间 性 要 求 很 强 的 信 息 ) 无 法 投 递 时 是 否 要 将 内 容 送 回 发 信 人 电 文 传 真 数 字 话 音 等 不 允 许 将 报 文 进 行 转 换 是 否 允 许 不 完 整 地 转 换 ( 如 某 些 外 来 字 符 用? 代 替 ) 需 要 转 换 是 明 确 的 密 钥 表 的 索 引 对 内 容 的 校 验 和 发 信 人 的 数 字 签 名 秘 密 机 密 绝 密 等 收 信 人 的 数 字 签 名 根 据 UA 提 交 报 文 时 的 说 明, 当 报 文 投 递 完 成 时,MTS 将 向 源 发 UA 返 回 一 个 投 递 报 告 同 样, 若 报 文 无 法 投 递, 则 返 回 一 个 无 法 投 递 报 告 这 里 需 要 说 明 的 是 关 于 信 息 转 换 的 问 题 报 文 有 几 种 可 能 的 形 式, 如 ASCⅡ 码 电 文 模 拟 传 真 数 字 传 真 数 字 话 音 可 视 图 文 用 户 电 报, 以 及 MHS 以 外 的 一 些 其 他 的 系 统 如 果 收 信 人 不 能 直 接 接 收 某 一 种 类 型 的 报 文,MTA 就 试 图 在 投 递 之 前 进 行 必 要 的 类 型 转 换, 但 并 不 是 所 有 的 转 换 都 是 可 行 的 例 如, 目 前 将 数 字 话 音 的 报 文 转 换 为 ASCⅡ 码 的 报 文 是 很 难 的 事 (2) 个 人 间 报 文 通 信 服 务 (IPM 服 务 ) IPM 服 务 是 由 IPM-AU 直 接 向 用 户 提 供 的 服 务, 它 规 定 了 由 IPM 用 户 互 换 的 报 文 格 式, 报 文 包 含 一 个 信 头 和 一 个 或 多 个 信 体 部 分 个 人 间 报 文 的 信 头 部 分 包 含 如 下 一 些 信 息, 如 报 文 标 识 符 发 信 人 的 MHS 地 址 (From:) 主 收 信 人 ( To:) 抄 送 收 信 人 ( Cc:) 主 题 和 回 信 地 址, 等 等 IPM 服 务 定 义 了 一 些 信 体 部 分, 如 ASCII 电 文 传 真 用 户 电 报 等 另 外, 信 体 部 分 也 可 以 只 是 被 转 发 的 个 人 间 报 文

143 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 在 当 今 的 计 算 机 网 络 技 术 中, 局 域 网 技 术 已 经 占 据 了 十 分 重 要 的 地 位 局 域 网 LAN(Local Area Network) 是 区 别 于 广 域 网 (WAN) 的 一 种 地 理 范 围 有 限, 互 联 网 络 设 备 有 限 的 计 算 机 网 络 局 域 网 有 四 种 常 规 的 体 系 结 构 : 以 太 网 令 牌 总 线 令 牌 环 网 和 光 纤 分 布 式 数 据 接 口 (FDDI) 以 太 网 令 牌 总 线 令 牌 环 网 都 是 IEEE 的 标 准, 而 光 纤 分 布 式 数 据 接 口 (FDDI) 则 是 ANSI 标 准 局 域 网 的 发 展 始 于 20 世 纪 70 年 代, 至 今 仍 是 网 络 发 展 中 的 一 个 活 跃 领 域 1972 年, 美 国 加 州 大 学 研 制 了 NEWHALL 环, 称 为 DCS(Distributed Computer System) 分 布 计 算 机 系 统 1975 年 出 现 了 第 一 个 总 线 争 用 结 构 的 实 验 性 Ethernet 网 络, 该 网 络 借 鉴 了 夏 威 夷 大 学 ALOHA 网 络 的 有 关 技 术 1974 年, 英 国 剑 桥 大 学 计 算 机 实 验 室 建 立 了 剑 桥 环 1977 年, 日 本 京 都 大 学 研 制 成 功 了 以 光 纤 为 传 输 介 质 的 局 域 网 络 到 20 世 纪 80 年 代 初 期, 多 种 类 型 的 局 域 网 络 纷 纷 出 现, 越 来 越 多 的 制 造 商 投 入 到 局 域 网 络 的 研 制 潮 流 中, 其 中 有 Xerox DEC 和 Intel 公 司 3 家 联 合 研 制 的 第 二 代 Ethernet 网 络,Zilog 公 司 推 出 的 Z-net 网,Corvus 公 司 和 Intel 公 司 研 制 的 Omninet 网,Cromemco 公 司 研 制 的 C-net 网 等 美 国 日 本 和 西 欧 一 些 国 家 的 大 学 投 入 了 相 当 大 的 力 量 研 究 局 域 网 络 同 时, 各 种 先 进 的 网 络 组 件, 如 传 播 介 质 和 转 接 器 件 也 不 断 出 现, 连 同 高 性 能 的 微 机 一 起 构 成 了 局 域 网 的 基 本 硬 件 基 础 由 于 新 技 术 和 新 器 件 不 断 出 现, 所 以 局 域 网 也 被 赋 予 更 强 的 功 能 和 生 命 力 世 纪 80 年 代 是 局 域 网 飞 速 发 展 的 年 代, 到 了 80 年 代 末 期, 先 后 推 出 了 3+open Novell 和 LAN Manager 等 性 能 优 异 极 具 代 表 性 的 局 域 网 络 到 了 90 年 代, 由 于 集 线 器 (Hub) 技 术 的 发 展, 局 域 网 的 发 展 也 上 了 一 个 台 阶, 出 现 了 交 换 式 以 太 网 高 速 局 域 网 和 虚 拟 局 域 网, 其 性 能 更 优, 应 用 更 广 本 章 主 要 介 绍 局 域 网 的 体 系 结 构 协 议 标 准 拓 扑 结 构 CSMA/CD 以 太 网 的 媒 体 访 问 控 制 方 法 及 网 络 互 联 设 备 7.1 局 域 网 技 术 和 IEEE802 标 准 局 域 网 的 特 点 在 一 个 小 的 范 围 内, 将 分 散 的 计 算 机 系 统 互 联 起 来 实 现 资 源 的 共 享 和 通 信, 便 构 成 了 局 域 网 (LAN), 其 主 要 的 特 点 是 : 1 地 理 分 布 范 围 较 小 可 覆 盖 一 幢 大 楼 一 所 校 园 或 一 个 企 业 2 数 所 传 输 速 率 高, 一 般 为 0.1~1 000 Mbps, 目 前 已 出 现 速 率 高 达 10 Gbps 的 局 域 网 3 误 码 率 低, 一 般 在 ~10-8 以 下 这 是 因 为 局 域 网 通 常 采 用 基 带 传 输, 可 以 使 用 高 质 量 的 传 输 媒 体, 从 而 提 高 了 数 据 传 输 质 量 4 以 PC 机 为 主 体, 包 括 终 端 及 各 种 外 设 5 一 般 包 含 OSI 参 考 模 型 中 的 低 三 层 功 能, 即 涉 及 通 信 子 网 的 内 容 6 协 议 简 单 结 构 灵 活 建 网 成 本 低 周 期 短 便 于 管 理 和 扩 充

144 7.1 局 域 网 技 术 和 IEEE802 标 准 局 域 网 的 三 个 主 要 技 术 局 域 网 的 技 术 要 来 包 括 了 体 系 结 构 和 标 准 传 输 媒 体 拓 扑 结 构 数 据 编 码 媒 体 访 问 控 制 方 法 和 逻 辑 链 路 控 制 等 其 中 主 要 的 技 术 是 传 输 媒 体 拓 扑 结 构 和 媒 体 访 问 控 制 方 法 1. 传 输 媒 体 局 域 网 的 传 输 媒 体 通 常 有 以 下 4 种, 双 绞 线 和 光 纤 是 局 域 网 中 最 常 见 的 通 信 媒 体 (1) 双 绞 线 1 屏 敝 双 绞 线 (STP): 在 外 壳 内 有 不 同 编 织 网, 以 减 小 外 部 电 磁 干 扰 2 非 屏 敝 双 绞 线 (UTP): 常 有 3 类 4 类 5 类 超 5 类 6 类 UDP 双 绞 线 (2) 同 轴 电 缆 1RG-8 和 RG-11: 用 于 粗 缆 以 太 网, 直 径 1/2 英 寸, 阻 抗 50 Ω, 需 要 收 发 器 2RG-58: 用 于 细 缆 以 太 网, 直 径 1/4 英 寸, 阻 抗 50 Ω, 需 要 T 型 插 头 3RG-59: 电 视 天 线, 阻 抗 75 Ω, 如 宽 带 电 缆 (3) 光 缆 1 单 模 光 缆 : 纤 芯 直 径 2~8 μm, 单 一 波 长 光 线, 传 输 基 本 是 水 平 方 向 2 多 模 光 缆 : 纤 芯 直 径 50~150 μm, 多 束 光 线 在 芯 材 中 通 过 不 同 路 径 传 播 (4) 无 线 目 前 常 用 的 无 线 包 括 射 频 (RF) 和 红 外 线 ( IR) RF 工 作 在 900 MHz 2.4 GHz 和 5.8 GHz 的 自 由 频 段 上 2. 拓 扑 结 构 局 域 网 常 用 的 拓 扑 结 构 有 3 种 : 1 总 线 型 拓 扑 2 星 型 拓 扑 3 环 型 拓 扑 3. 媒 体 访 问 控 制 方 法 1 载 波 监 听 多 路 访 问 冲 突 检 测 (CSMA/CD) 技 术, 常 用 于 以 太 网 2 令 牌 控 制 技 术 3 令 牌 总 线 控 制 技 术 4 光 纤 分 布 数 据 接 口 (FDDI) 技 术 IEEE802 标 准 IEEE 在 1980 年 2 月 成 立 了 局 域 网 标 准 化 委 员 会 ( 简 称 IEEE802 委 员 会 ), 专 门 从 事 局 域 网 的 协 议 制 定, 形 成 一 系 列 的 局 域 网 标 准, 称 为 IEEE802 标 准, 该 标 准 已 被 国 际 标 准 化 组 织 ISO 采 纳, 作 为 局 域 网 的 国 际 标 准 系 列 在 这 些 标 准 中, 根 据 局 域 网 的 多 种 类 型, 规 定 了 各 自 的 拓 扑 结 构 媒 体 访 问 控 制 方 法 帧 格 式 等 内 容 IEEE802 标 准 系 列 中 各 个 子 标 准 之 间 的 关 系 如 图 7-1 所 示

145 140 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 网 际 互 联 网 际 互 联 逻 辑 链 路 控 制 (LLC) 逻 辑 链 路 控 制 寻 址 管 理 体 系 结 构 MAC MAC MAC MAC MAC 媒 体 访 问 控 制 物 理 层 图 7-1 IEEE802 标 准 系 列 之 间 的 关 系 图 802.1: 综 述 局 域 网 的 体 系 结 构 寻 址 网 络 管 理 和 网 际 互 通 802.2: 定 义 逻 辑 链 路 控 制 子 层 (LLC) 的 功 能 与 服 务 802.3: 描 述 CSMA/CD 带 碰 撞 检 测 的 载 波 侦 听 多 路 访 问 媒 体 访 问 方 法 和 广 播 式 局 域 网 的 物 理 层 规 范 802.4: 描 述 Token Bus 媒 体 访 问 协 议 及 采 用 该 协 议 的 总 线 局 域 网 的 物 理 层 规 范 802.5: 描 述 Token Ring 媒 体 访 问 协 议 及 采 用 该 协 议 的 环 型 局 域 网 的 物 理 层 规 范 802.6: 关 于 局 域 网 的 分 布 式 队 列 双 总 线 DQDB(Distributed Queue Dual Bus) 的 标 准 等 802.7: 描 述 宽 带 技 术 进 展 802.8: 描 述 光 纤 技 术 进 展 802.9: 描 述 语 音 和 数 据 综 合 局 域 网 技 术 : 描 述 局 域 网 的 安 全 与 解 密 问 题 : 描 述 无 线 局 域 网 技 术 : 描 述 用 于 高 速 局 域 网 的 媒 体 访 问 方 法 及 相 应 的 物 理 层 规 范 : 描 述 交 互 式 电 视 网 ( 包 括 Cable Modem) 目 前 在 LAN 协 议 中 所 用 到 的 数 据 链 路 控 制 部 分 都 是 基 于 HDLC( 高 级 数 据 链 路 控 制 ) 协 议 的, 然 而 每 一 种 协 议 都 根 据 自 己 的 技 术 需 要 对 HDLC 进 行 适 当 的 修 改, 以 满 足 自 己 的 特 殊 需 求 局 域 网 参 考 模 型 局 域 网 是 一 个 通 信 网, 只 涉 及 相 当 于 OSI/RM 通 信 子 网 的 功 能 由 于 内 部 大 多 采 用 共 享 信 道 的 技 术, 所 以 局 域 网 通 常 不 单 独 设 立 网 络 层 局 域 网 的 高 层 功 能 由 具 体 的 局 域 网 操 作 系 统 来 实 现 IEEE802 标 准 的 局 域 网 参 考 模 型 如 图 7-2 所 示, 该 模 型 包 括 了 OSI/RM 最 低 两 层 ( 物 理 层 和 数 据 链 路 层 ) 的 功 能, 也 包 括 网 间 互 联 的 高 层 功 能 和 管 理 功 能 从 图 7-2 中 可 见,OSI/RM

146 7.1 局 域 网 技 术 和 IEEE802 标 准 141 的 数 据 链 路 层 功 能, 在 局 域 网 参 考 模 型 中 被 分 成 媒 体 访 问 控 制 MAC(Medium Access Control) 和 逻 辑 链 路 控 制 LLC(Logical Link Control) 两 个 子 层 在 OSI/RM 中, 物 理 层 数 据 链 路 层 和 网 络 层 组 成 了 计 算 机 网 络 的 通 信 子 网 对 于 局 域 网 来 说, 物 理 层 是 必 需 的, 它 负 责 建 立 机 械 电 气 功 能 和 规 程 方 面 的 特 性, 以 建 立 维 持 和 拆 除 物 理 链 路 ; 数 据 链 路 层 也 是 必 需 的, 它 负 责 把 不 可 靠 的 传 输 信 道 转 换 为 可 靠 的 传 输 信 通, 传 送 带 有 校 验 的 数 据 帧, 采 用 差 错 控 制 和 帧 确 认 技 术 实 现 可 靠 传 输 应 用 层 表 示 层 应 用 层 对 话 层 传 输 层 高 层 服 务 访 问 点 网 络 层 数 据 链 路 层 物 理 层 逻 辑 链 路 控 制 子 层 介 质 访 问 控 制 子 层 物 理 层 图 7-2 局 域 网 体 系 结 构 和 OSI 的 关 系 局 域 网 中 的 多 个 设 备 一 般 共 享 公 共 传 输 媒 体, 在 设 备 之 间 传 输 数 据 时, 首 先 要 解 决 由 哪 些 设 备 占 有 媒 体 的 问 题 所 以 局 域 网 的 数 据 链 路 层 必 需 设 置 媒 体 访 问 控 制 功 能 由 于 局 域 网 采 用 的 媒 体 有 多 种, 对 应 的 媒 体 访 问 控 制 方 法 也 有 多 种, 为 了 便 于 数 据 帧 的 传 送, 独 立 于 所 采 用 的 物 理 媒 体 和 媒 体 访 问 控 制 方 法,IEEE802 标 准 特 意 把 LLC 独 立 出 来 形 成 单 独 子 层, 使 LLC 子 层 与 媒 体 无 关, 仅 让 MAC 子 层 依 赖 于 物 理 媒 体 和 媒 体 访 问 控 制 方 法 由 于 局 域 网 的 链 路 较 为 简 单, 不 需 要 独 立 设 置 路 由 选 择 和 流 量 控 制 功 能, 如 网 络 层 中 的 分 级 寻 址 排 序 流 量 控 制 差 错 控 制 功 能 都 可 以 放 在 数 据 链 路 层 中 实 现 因 此, 局 域 网 中 可 以 不 单 独 设 置 网 络 层 当 局 限 于 一 个 局 域 网 时, 物 理 层 和 数 据 链 路 层 就 能 完 成 报 文 分 组 转 接 的 功 能 但 当 涉 及 网 络 互 联 时, 报 文 分 组 就 必 需 经 过 多 条 链 路 才 能 到 达 目 的 地, 此 时 就 必 须 专 门 设 置 一 个 层 次 来 完 成 网 络 层 的 功 能, 在 IEEE802 标 准 中 这 一 层 被 称 为 网 际 层 在 参 考 模 型 中, 每 个 实 体 和 另 一 个 系 统 的 同 等 实 体 协 议 进 行 通 信 ; 而 一 个 系 统 中 的 上 下 层 之 间 的 通 信, 则 通 过 接 口 进 行, 并 用 服 务 访 问 点 SAP(Server Access Point) 来 定 义 接 口, 为 了 对 多 个 高 层 实 体 提 供 支 持, 在 LLC 层 的 顶 部 有 多 个 LLC 服 务 访 问 点 (LSAP) LLC 子 层 中 规 定 了 无 确 认 无 连 接 有 确 认 无 连 接, 面 向 连 接 三 种 类 型 的 链 路 服 务 无 确 认 无 连 接 服 务 是 一 种 数 据 报 服 务, 信 息 在 LLC 实 体 间 交 换 时, 无 需 在 同 等 层 实 体 间 事 先 建 立 逻 辑 链 路 ; 面 向 连 接 服 务 提 供 访 问 点 之 间 的 虚 电 路 服 务, 在 任 何 数 据 帧 交 换 前, 一 对 LLC 实 体 之 间 必 须 建 立 逻 辑 链 路, 在 数 据 传 送 过 程 中, 信 息 帧 依 次 发 送, 并 提 供 差 错 恢 复 和 流 量 控 制 功 能

147 142 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 7.2 LLC 逻 辑 链 路 控 制 LLC-PDU 与 相 邻 层 的 PDU 之 间 的 关 系 IEEE802 标 准 为 LLC 和 MAC 子 层 的 帧 格 式 作 了 详 细 的 现 定 图 7-3 描 述 了 网 络 层 PDU LLC 子 层 和 MAC 子 层 PDU 的 关 系 LLC 帧 ( 即 LLC-PDU) 与 媒 体 无 关, 而 MAC 帧 ( 即 MAC-PDU) 则 与 局 域 网 的 媒 体 访 问 控 制 方 式 有 很 大 的 关 系, 不 同 的 局 域 网 有 不 同 的 MAC 帧 格 式 如 图 7-3 所 示,LLC-PDU 与 HDLC 类 似, 包 含 4 个 城 : 目 的 服 务 访 问 点 (DSAP) 源 服 务 访 问 点 (SSAP) 控 制 域 和 信 息 域 图 7-3 网 络 层 LLC 子 层 和 MAC 子 层 PDU 的 关 系 DSAP 和 SSAP 是 LLC 所 使 用 的 地 址, 用 来 标 识 接 收 和 发 送 数 据 的 计 算 机 上 的 用 户 实 体 DSAP 的 第 一 个 比 特 是 用 来 指 明 帧 是 为 单 地 址 还 是 组 地 址,0 表 示 单 地 址,1 表 示 组 地 址 与 其 他 数 据 链 路 控 制 协 议 所 不 同 的 是, 局 域 网 的 数 据 链 路 层 还 具 有 多 点 通 信 (Multicast) 和 广 播 通 信 (Broadcast) 的 功 能, 多 点 通 信 就 其 将 帧 发 送 给 一 组 目 的 节 点, 而 广 播 通 信 是 将 帧 发 送 所 有 节 点 ( 除 源 节 点 外 ) SSAP 的 第 一 个 比 特 用 来 指 明 帧 是 命 令 还 是 响 应 帧 0 表 示 命 令,1 表 示 响 应 LLC 帧 的 类 型 也 分 为 3 种 : 信 息 帧 监 控 帧 和 无 编 号 帧, 图 7-4 表 示 LLC3 类 帧 的 控 制 字 段 的 比 较

148 7.2 LLC 逻 辑 链 路 控 制 位 7 位 1 位 7 位 0 N(S) R/F N(R) 信 息 帧 (I- 帧 ) 的 控 制 字 段 1 位 1 位 2 位 4 位 1 位 7 位 0 0 SS XX P/E N(R) XX: 保 留 地 位 监 控 帧 (S- 帧 ) 的 控 制 字 段 L L M M P/F M M M 无 编 号 帧 (U- 帧 ) 的 控 制 字 段 图 7-4 LLC 三 类 帧 的 控 制 字 段 帧 的 类 型 可 以 从 控 制 字 段 识 别 对 于 信 息 帧 和 监 控 帧, 控 制 字 段 为 2 字 节 长, 格 式 和 HDLC 协 议 中 其 有 扩 展 控 制 字 段 的 帧 结 构 一 样 而 对 无 编 号 帧, 控 制 字 段 为 1 字 节 长, 格 式 和 HDLC 协 议 的 无 编 号 帧 一 样 因 此,LLC 帧 按 模 128 进 行 编 号, 发 送 出 而 未 被 确 认 的 帧 的 最 大 数 目 为 127 监 控 帧 用 于 应 答 和 流 量 控 制, 共 有 3 种 形 式 的 监 控 帧 : 1 接 收 就 绪 帧 (RR) 2 拒 绝 帧 (REJ) 3 接 收 未 就 绪 帧 ( RNR) 它 们 的 功 能 和 HDLC 通 信 协 议 相 同, 与 HDLC 协 议 相 比 LLC 无 选 择 拒 绝 帧 LLC 帧 无 CRC 差 错 校 验,CRC 的 在 MAC 子 层 中 进 行 在 MAC 帧 的 帧 尾 中 有 4 个 字 节 的 校 验 序 列 FCS LLC 地 址 和 MAC 地 址 在 MAC 帧 的 帧 首 中, 有 目 的 站 地 址 和 源 站 地 址 它 们 都 是 2 字 节 成 6 字 节 长 MAC 帧 中 的 地 址 是 站 点 的 物 理 地 址 在 LLC 帧 中, 则 设 有 DSAP 和 SSAP, 该 地 址 是 逻 辑 地 址, 表 示 的 是 数 据 链 路 层 的 不 同 访 问 服 务 点 LLC 地 址 与 MAC 地 址 是 两 个 不 同 的 概 念, 在 局 域 网 中, 一 个 站 点 上 的 多 个 SAP 可 以 复 用 一 条 数 据 链 路 在 这 一 点 上,LLC 子 层 带 有 OSI 网 络 层 的 某 些 功 能, 为 了 更 好 的 理 解 这 个 问 题, 可 见 图 7-5 设 站 点 A 中 的 一 个 进 程 X, 要 与 站 点 C 中 的 某 个 进 程 发 送 报 文, 在 LLC 子 层 X 把 自 己 连 接 到 SAP1, 并 请 求 与 节 点 C 的 SAP1 建 立 一 个 连 接, 节 点 C 若 为 一 个 简 单 打 印 机, 则 可 能 只 有 一 个 SAP, 于 是 节 点 A 的 数 据 链 路 层 向 局 域 网 发 出 一 个 连 接 请 求 帧, 该 帧 另 包 含 了 源 地 址 (A 1), 目 的 地 址 (C 1) 和 其 他 一 些 控 制 信 息, 源 地 址 (A 1) 中 的 A 是 物 理 地 址, 出 现 在 MAC-PDU 中, 而 1 是 逻 辑 地 址, 其 用 来 标 示 SAP 的, 出 现 在 LCC-PDU 中 同 样, 目 的 地 址 (B 1) 中 的 B 是 物 理 地 址, 出 现 在 MAC-PDU, 而 1 是 逻 辑 地 址, 其 用 来 标 示 SAP 的, 出 现 在 LLC-PDU 中 与 此 同 时, 假 定 节 点 A 有 另 一 个 过 程 Y 和 (A 2) 连 接 上, 想 和 (B 1) 交 换 数 据,

149 144 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 这 时 就 又 可 建 立 一 条 连 接 同 样 的 道 理, 进 程 工 作 可 以 在 (B 2) 与 (A 3) 之 间 也 建 立 一 条 链 接, 从 图 7-5 可 以 看 出, 几 个 SAP 可 以 复 用 一 条 链 路 图 7-5 LLC 子 层 所 提 供 的 服 务 LLC 子 层 向 上 可 提 供 以 下 3 种 服 务 : 1 非 确 认 的 无 连 接 服 务 非 确 认 的 无 连 接 服 务 是 一 种 类 似 于 数 据 报 的 服 务, 它 不 需 要 确 认 信 息, 使 用 该 服 务 时, 端 对 端 的 差 错 控 制 和 流 量 控 制 由 高 层 协 议 ( 通 常 是 传 输 层 ) 来 实 现 这 个 服 务 可 用 于 点 对 点 广 播 和 多 点 传 送 由 于 局 域 网 的 传 输 误 码 率 极 低, 所 以 在 大 多 数 情 况 下, 在 数 据 链 路 层 不 需 要 确 认 信 息 是 不 会 带 来 多 大 麻 烦 的 2 面 向 连 接 服 务 LLC 面 向 连 接 服 务 相 当 于 虚 电 路 服 务, 它 的 开 销 比 较 大, 每 次 通 信 都 要 经 过 建 立 连 接 数 据 传 输 和 释 放 连 接 3 个 阶 段 但 当 节 点 是 个 很 简 单 的 终 端 时, 就 需 要 面 向 连 接 服 务 因 为 这 些 简 单 的 终 端 中 没 有 复 杂 的 高 层 软 件, 因 此 必 须 依 靠 LLC 来 提 供 端 到 端 的 控 制 这 种 服 务 和 HDLC 提 供 的 服 务 是 一 样 的 3 确 认 的 无 连 接 服 务 确 认 的 无 连 接 服 务 介 于 上 述 两 种 服 务 之 间, 它 对 数 据 帧 提 供 应 答 信 息, 但 数 据 传 输 之 前 不 需 要 进 行 逻 辑 连 接 确 认 的 无 连 接 服 务 用 于 传 输 某 些 非 常 重 要 且 时 间 性 很 强 的 信 息, 如 报 警 信 号, 这 时 不 需 确 认 信 息 则 不 可 靠, 但 先 建 立 连 接 则 延 迟 太 大, 这 种 无 连 接 服 务 类 型 类 似 于 可 靠 的 数 据 包 服 务 7.3 MAC 媒 体 访 问 控 制 载 波 侦 听 多 路 访 问 (CSMA) 载 波 侦 听 多 路 访 问 (CSMA) 的 技 术, 也 叫 做 先 听 后 说 (LBT), 希 望 传 输 数 据 的 站 点 首 先 对 媒 体 上 有 无 载 波 进 行 监 听, 以 确 定 是 否 有 别 的 站 点 在 传 输 数 据 如 果 媒 体 空 闲, 该 站 点 便 可 以 传 输 数 据 ; 否 则, 该 站 点 将 避 让 一 段 时 间 后 再 做 尝 试 这 就 需 要 有 一 种 退 避 算 法 来 决 定 避 让 的 时 间, 常 用 的 退 避 算 法 有 非 坚 持 和 1- 坚 持 P- 坚 持 3 种

150 7.3 MAC 媒 体 访 问 控 制 非 坚 持 算 法 1 如 果 媒 体 是 空 闲 的, 则 可 以 立 即 发 送 2 如 果 媒 体 是 忙 的, 则 等 待 一 个 由 概 率 分 布 决 定 的 随 机 重 发 延 迟 后, 再 重 复 前 一 步 骤 采 用 随 机 的 重 发 延 迟 时 间 可 以 减 少 冲 突 发 生 的 可 能 性 非 坚 持 算 法 的 缺 点 是 即 使 有 几 个 节 点 都 有 数 据 要 发 送 但 由 于 大 家 都 在 延 迟 等 待 过 程 中, 致 使 媒 体 仍 可 能 处 于 空 闲 状 态, 使 用 率 降 低 2.1- 坚 持 算 法 ( 坚 持 型 ) 1 如 果 媒 体 空 闲, 则 可 以 立 即 发 送 2 如 果 媒 体 是 忙 的, 则 继 续 监 听 直 至 检 测 媒 体 是 空 闲 的, 立 即 发 送 3 如 果 有 冲 突 ( 在 一 段 时 间 内 未 收 到 肯 定 的 回 复 ), 则 等 待 一 随 机 量 的 时 间, 重 复 步 骤 1~2 这 种 算 法 的 优 点 是 只 要 媒 体 空 闲, 站 点 就 立 即 可 发 送, 避 免 了 媒 体 利 用 率 的 损 失 ; 其 缺 点 是 假 若 有 两 个 或 两 个 以 上 的 站 点 有 数 据 要 发 送, 冲 突 就 不 可 避 免 3.P- 坚 持 算 法 1 监 听 总 线, 如 果 媒 体 是 空 闲, 则 是 以 P 的 概 率 发 送, 而 以 (1-P) 的 概 率 延 迟 一 个 时 间 单 位 一 个 时 间 单 位 通 常 等 于 最 大 传 播 时 延 的 2 倍 2 延 迟 一 个 时 间 单 位 后, 再 重 复 步 骤 1 3 如 果 媒 体 是 忙 的, 继 续 监 听 直 至 媒 体 空 闲 并 重 复 步 骤 1 P- 坚 持 算 法 是 一 种 既 能 像 非 坚 持 算 法 那 样 减 少 冲 突, 又 能 像 1- 坚 持 算 法 那 样 减 少 媒 体 空 闲 时 间 的 折 中 方 案 问 题 在 于 如 何 选 择 P 的 有 效 值, 这 要 考 虑 到 避 免 重 负 载 下 系 统 处 于 的 不 稳 定 状 态 假 如 媒 体 是 忙 时, 有 N 个 站 有 数 据 等 待 发 送, 一 旦 当 前 的 发 送 完 成 时, 将 要 试 图 传 输 的 站 的 总 期 望 数 为 NP 如 果 选 择 P 过 大, 使 NP>1, 表 明 有 多 个 站 点 试 图 发 送, 冲 突 就 不 可 避 免 最 坏 的 情 况 是, 随 着 冲 突 概 率 的 不 断 增 大, 而 使 吞 吐 量 降 低 到 零 所 以 必 须 选 择 适 当 P 值 使 NP<1 当 然 P 值 选 得 过 小, 则 媒 体 利 用 率 又 会 大 大 降 低 载 波 侦 听 多 路 访 问 / 冲 突 检 测 (CSMA/CD) 在 CSMA 中, 由 于 信 道 传 播 时 延 的 存 在, 即 使 总 线 上 两 个 站 点 没 有 监 听 到 载 波 信 号 而 发 送 帧 时, 仍 可 能 会 发 生 冲 突 由 于 CSMA 算 法 没 有 冲 突 检 测 功 能, 即 使 冲 突 已 发 生, 仍 然 将 已 破 坏 的 帧 发 送 完, 使 总 线 的 利 用 率 降 低 一 种 CSMA 的 改 进 方 案 是 使 发 送 站 传 输 过 程 中 仍 继 续 监 听 媒 体, 以 检 测 是 否 存 在 冲 突 如 果 发 生 冲 突, 信 道 上 可 以 检 测 到 超 过 发 送 站 点 本 身 发 送 的 载 波 信 号 的 幅 度, 由 此 判 断 出 冲 突 的 存 在 一 旦 检 测 到 冲 突, 就 立 即 停 止 发 送, 并 向 总 线 上 发 一 串 阻 塞 信 号, 用 以 通 知 总 线 上 其 他 有 关 站 点 这 样, 信 道 容 量 就 不 致 因 白 白 传 送 已 受 损 的 帧 而 浪 费, 可 以 提 高 总 线 的 利 用 率 这 种 方 案 称 为 载 波 监 听 多 路 访 问 / 冲 突 检 测 协 议, 简 写 为 CSMA/CD, 这 种 协 议 已 广 泛 应 用 于 以 太 局 域 网 中 1.CSMA/CD 的 思 想 CSMA/CD 是 一 种 用 竞 争 的 方 法 来 决 定 对 媒 体 访 问 权 的 协 议, 这 种 竞 争 协 议 只 适 用 于 逻 辑 上 属 于 总 线 拓 扑 结 构 的 网 络 CSMA/CD 是 广 播 式 局 域 网 中 最 著 名 的 媒 体 访 问 协 议, 其 全

151 146 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 称 是 载 波 侦 听 多 路 访 问 / 冲 突 检 测 (1) 先 听 后 说 所 谓 载 波 侦 听, 就 是 指 通 信 设 备 在 准 备 发 信 息 之 前, 侦 听 通 信 媒 体 是 否 有 载 波 信 号 若 有, 表 示 通 信 媒 体 当 前 被 其 他 通 信 设 备 占 用, 应 该 等 待 ; 否 则, 表 示 通 信 媒 体 当 前 处 于 空 闲 状 态, 可 以 立 即 向 其 发 送 信 息 所 谓 多 路 访 问, 意 味 着 多 个 通 信 设 备 共 享 通 信 媒 体 由 此 可 知,CSMA 是 通 信 设 备 竞 争 使 用 通 信 媒 体 的 方 法, 其 特 点 可 简 单 地 概 括 为 先 听 后 说 LBT(Listen Before Talk) (2) 边 说 边 听 采 用 CSMA 方 法 分 配 通 信 媒 体 使 用 权, 有 可 能 出 现 多 个 通 信 设 备 同 时 侦 听 媒 体 空 闲 而 一 起 发 送 信 息 的 情 况 这 样, 通 信 媒 体 上 必 然 会 产 生 信 息 冲 突 ( 碰 撞 ) 冲 突 检 测 (CD) 的 思 想 是 : 通 信 设 备 在 发 送 和 传 输 信 息 的 过 程 中 侦 听 通 信 媒 体, 如 果 发 现 通 信 媒 体 上 出 现 冲 突, 则 立 即 停 止 信 息 的 发 送, 并 向 通 信 媒 体 上 发 送 阻 塞 信 息 以 加 强 冲 突, 使 正 在 发 送 信 息 的 其 他 通 信 设 备 都 能 侦 听 到 冲 突, 尽 快 放 弃 发 送 工 作 然 后, 继 续 等 待 一 随 机 时 间, 重 复 这 一 过 程 直 到 某 一 极 限 值 ( 一 般 为 16) 时, 放 弃 这 项 信 息 的 发 送 其 特 点 可 概 括 为 边 发 边 听 2. 媒 体 忙 / 闲 的 侦 听 与 冲 突 的 检 测 技 术 在 CSMA/CD 中, 通 过 检 测 总 线 上 的 信 号 存 在 与 否 来 实 现 载 波 监 听 发 送 站 的 收 发 器 同 时 检 测 冲 突, 如 果 发 生 冲 突, 收 发 器 上 的 电 缆 上 的 信 号 超 过 收 发 器 本 身 发 送 的 信 号 的 幅 度, 就 判 断 出 冲 突, 由 于 在 媒 体 上 传 播 的 信 号 会 衰 减, 为 了 正 确 地 检 测 信 号, 以 太 网 限 制 电 缆 的 最 大 长 度 为 500 m 3. 退 避 算 法 在 CSMA/CD 算 法 中, 一 旦 检 测 到 冲 突 并 发 完 阻 塞 信 号 后, 为 了 降 低 再 次 冲 突 的 概 率, 需 要 等 待 一 个 随 机 时 间, 然 后 再 使 用 CSMA 方 法 试 图 传 输 为 了 保 证 这 种 退 避 操 作 维 持 稳 定, 采 用 了 一 种 称 为 二 进 制 指 数 退 避 算 法, 其 规 则 如 下 : 1 对 每 个 数 据 帧, 当 第 一 次 发 生 冲 突 时, 设 置 一 个 参 量 L=2 2 退 避 间 隔 选 取 1 到 L 个 时 间 片 中 的 一 个 随 机 数,1 个 小 时 间 片 等 于 两 站 之 间 的 最 大 传 输 时 延 的 两 倍 3 当 数 据 帧 再 次 发 生 冲 突, 由 将 参 量 L 加 倍 4 设 置 一 个 最 大 重 传 次 数, 超 过 该 次 数, 则 不 再 重 传, 并 报 告 出 错 二 进 制 指 数 退 避 算 法 是 按 后 进 先 出 LIFO(Last In First Out) 的 次 序 控 制 的, 即 未 发 生 冲 突 或 很 少 发 生 冲 突 的 数 据 帧, 具 有 优 先 发 送 的 概 率 ; 而 发 生 过 多 次 冲 突 的 数 据 帧, 发 送 成 功 的 概 率 就 更 少 4. CSMA/CD 中 的 时 延 CSMA/CD 所 付 出 的 代 价 是 用 于 检 测 冲 突 所 花 费 的 时 间 对 于 基 带 总 线 而 言, 最 坏 情 况 下, 用 于 检 测 一 个 冲 突 的 时 间 等 于 任 意 两 个 站 之 间 传 播 时 延 的 两 倍 从 一 个 站 点 开 始 发 送 数 据 到 另 一 个 站 点 开 始 接 收 数 据, 也 即 载 波 信 号 从 一 端 传 播 到 另 一 端 所 需 要 的 时 间, 称 为 信 号 传 播 时 延 信 号 传 播 时 延 (us)= 两 站 点 的 距 离 (m)/ 信 号 传 播 速 度 (200 m/us) 假 定 A B 两 个 站 点 位 于 总 线 两 端, 两 站 点 之 间 的 最 大 传 播 时 延 为 tp 当 A 站 点 发 送 数 据 后, 经 过 接 近 于 最 大 传 播 时 延 tp 后,B 站 点 正 好 也 发 送 数 据, 此 时 冲 突 便 发 生 发 生 冲 突 后,B 站 点 立

152 7.3 MAC 媒 体 访 问 控 制 147 即 可 检 测 到 该 冲 突, 而 A 站 点 需 再 经 过 一 份 最 大 传 播 时 延 tp 后, 才 能 检 测 出 冲 突 也 即 最 坏 情 况 下, 对 于 基 带 CSMA/CD 来 说, 检 测 出 一 个 冲 突 所 花 费 的 时 间 等 于 任 意 两 个 站 之 间 最 大 传 播 时 延 的 两 倍 (2tp) 在 CSMA/CD 中, 浪 费 掉 的 带 宽 为 检 测 冲 突 所 花 费 的 时 间 而 在 CSMA 中, 浪 费 掉 的 是 整 个 帧 的 传 输 时 间, 检 测 冲 突 所 需 要 的 时 间 称 为 冲 突 检 测 窗 口 那 么, 怎 么 估 算 所 需 的 冲 突 检 测 时 间 呢? 对 于 基 带 总 线 而 言, 用 于 检 测 冲 突 的 时 间 等 于 任 意 两 个 站 点 之 间 最 大 的 传 播 时 延 的 两 倍 数 据 帧 从 一 个 站 点 开 始 发 送, 则 该 数 据 帧 发 送 完 毕 所 需 要 的 时 间 和 为 数 据 传 输 时 延 ; 同 理, 数 据 传 输 时 延 也 表 示 一 个 接 收 站 点 开 始 接 收 数 据 帧 到 该 数 据 帧 接 收 完 毕 所 需 的 时 间 数 据 传 输 时 延 (S)= 数 据 帧 长 度 (bit)/ 数 据 传 输 速 率 (bps) 若 不 考 虑 中 继 器 引 入 的 延 迟, 数 据 帧 从 一 个 站 点 开 始 发 送, 则 该 数 据 帧 被 另 一 个 站 点 全 部 接 收 所 需 的 总 时 间, 等 于 数 据 传 输 时 延 与 信 号 传 播 时 延 之 和 由 上 述 分 析 可 知, 为 了 确 保 发 送 数 据 站 点 在 传 输 时 能 检 测 到 可 能 存 在 的 冲 突, 数 据 帧 的 传 输 时 延 至 少 要 两 倍 于 传 播 时 延 换 句 话 说, 要 求 分 组 的 长 度 不 短 于 某 个 值, 否 则 在 检 测 出 冲 突 之 前 传 输 已 结 束, 但 实 际 上 分 组 已 被 冲 突 所 破 坏 由 此 引 出 了 CSMA/CD 总 线 网 络 中 最 短 帧 长 的 概 念, 在 标 准 中, 这 段 时 间 取 为 51.2 us, 对 于 10 Mbps 速 率 的 以 太 网, 这 段 时 间 可 以 发 送 512 bit, 这 样 就 得 出 以 太 网 M AC 帧 的 最 短 长 度 为 512 bit 即 64 字 节, 在 接 收 端 凡 长 度 不 够 64 字 节 的 帧 就 都 认 为 是 应 丢 弃 的 无 效 帧 需 要 说 明 的 是 如 果 仅 仅 从 以 太 网 的 最 大 容 许 长 度 M 来 计 算, 并 假 定 信 号 在 电 缆 上 的 传 输 速 率 为 200 m/us, 则 两 倍 的 端 到 端 的 往 返 时 延 仅 为 25 us 考 虑 到 实 际 上 还 有 许 多 因 素 影 响 到 端 到 端 的 往 返 时 延, 以 及 计 算 的 方 便 性, 因 此 标 准 将 长 度 达 到 最 大 值 的 以 太 网 两 倍 往 返 时 延 取 为 51.2 us 由 于 单 向 传 输 的 原 因, 对 宽 带 总 线 而 言, 冲 突 检 测 时 间 等 于 任 意 两 个 站 之 间 最 大 传 播 时 延 的 4 倍 所 以, 对 于 宽 带 CSMA/CD 来 说, 要 求 数 据 帧 的 传 输 时 延 至 少 4 倍 于 传 播 时 延 IEEE802.3 就 是 采 用 二 进 制 指 数 退 避 和 1- 坚 持 算 法 的 CSMA/CD 媒 体 访 问 控 制 方 法 这 种 方 法 在 低 负 荷 时, 如 媒 体 空 闲 时, 要 发 送 数 据 帧 的 站 点 能 立 即 发 送 ; 在 重 负 荷 时, 仍 能 保 证 系 统 的 稳 定 性 由 于 在 媒 体 上 传 播 的 信 号 会 衰 减, 为 确 保 能 检 测 出 冲 突 信 号,CSMA/CD 总 线 网 限 制 一 段 无 分 支 电 缆 的 最 大 长 度 为 500 m, 最 多 能 够 中 继 4 次, 网 络 的 最 大 容 许 长 度 M MAC 子 层 的 标 准 还 规 定 了 帧 间 最 小 间 隔 为 9.6 us, 相 当 于 96 bit 的 发 送 时 间 这 就 是 说, 一 个 站 在 检 测 到 总 线 开 始 空 闲 后, 还 要 等 待 9.6 us 才 能 发 送 数 据 这 样 做 的 目 的 是 为 了 使 刚 刚 收 到 数 据 帧 的 站 的 接 收 缓 冲 存 储 器 能 来 得 及 清 理 做 好 接 收 下 一 帧 的 准 备 载 波 侦 听 多 路 访 问 / 冲 突 避 免 (CSMA/CA) CSMA/CA 是 指 载 波 侦 听 多 路 访 问 / 冲 突 避 免, 也 是 一 种 用 于 广 播 局 域 网 的 媒 体 访 问 方 法 是 标 准 时 分 多 路 复 用 技 术 与 CSMA/CD 相 结 合 的 产 物, 是 一 种 有 限 竞 争 方 法 或 预 约 与 竞 争 相 结 合 的 方 法 CSMA/CA 将 通 信 媒 体 时 间 分 成 较 小 的 等 长 时 间 片, 并 将 网 络 中 所 有 设 备 按 照 顺 序 排 成 一 个 逻 辑 环 时 间 被 依 次 轮 流 分 配 给 逻 辑 环 中 的 各 通 信 设 备 某 通 信 设 备 获 得 时 间 片 后, 若 有 信 息 要 发 送, 则 立 即 发 送, 若 无 信 息 发 送, 则 让 通 信 媒 体 空 闲 若 逻 辑 环 上 的 所 有 设 备 站 在 获 得 时 间 片 后, 均 无 信 息 发 送, 那 么 网 络 转 换 成 CSMA/CD 方 式, 一 旦 通 信 媒 体 被 某 个 通 信 设 备 占 用, 网 络 又 恢 复 到 时 分 多 路 复 用 方 式, 如 图 7-6 所 示

153 148 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 图 7-6 冲 突 示 意 图 以 太 网 的 分 类 1. 标 准 以 太 网 最 开 始 以 太 网 只 有 10 Mbps 的 吞 吐 量, 它 所 使 用 的 是 CSMA/CD 媒 体 访 问 控 制 方 式 通 常 把 这 种 最 早 期 的 10 Mbps 以 太 网 称 为 标 准 以 太 网 标 准 以 太 网 主 要 有 两 种 传 输 媒 体, 那 就 是 双 绞 线 和 同 轴 电 缆, 所 有 以 太 网 都 遵 循 IEEE802.3 标 准 下 面 列 出 是 IEEE802.3 的 一 些 以 太 网 络 标 准, 在 这 些 标 准 中 前 面 的 数 字 表 示 传 输 速 度, 单 位 是 Mbps 最 后 的 一 个 数 字 表 示 单 位 网 线 长 度 ( 基 准 单 位 是 100 m), Base 表 示 基 带 传 输,Broad 表 示 带 宽 10Base-5 使 用 粗 同 轴 电 缆, 最 大 网 段 长 度 为 500 m, 基 带 传 输 方 法 10Base-2 使 用 细 同 轴 电 缆, 最 大 网 段 长 度 为 185 m, 基 带 传 输 方 法 10Base-T 使 用 双 绞 线 电 缆, 最 大 网 段 长 度 为 100 m 1Base-5 使 用 双 绞 线 电 缆, 最 大 网 段 长 度 为 500 m, 传 输 速 度 为 1Mbps 10Broad-36 使 用 双 绞 线 电 缆 (RG-59/U CATV), 最 大 网 段 长 度 为 m, 是 一 种 宽 带 传 输 方 式 10Base-F 使 用 光 纤 传 输 媒 体, 传 输 速 率 为 10 Mbps 2. 快 速 以 太 网 ( Fast Ethernet ) 随 着 网 络 的 发 展, 标 准 以 太 网 难 以 满 足 人 们 日 益 增 长 的 网 络 带 宽 的 需 求 使 用 光 纤 分 布 式 数 据 接 口 ( FDDI) 是 提 高 网 络 传 输 速 度 的 一 种 选 择 FDDI 是 价 格 比 较 昂 贵 的 基 于 100 Mbps 光 缆 的 LAN 1993 年 10 月,Grand Junction 公 司 推 出 了 世 界 上 第 一 台 快 速 以 太 网 集 线 器, Fast Switch 10/100 和 网 络 接 口 卡 Fast NIC100, 快 速 以 太 网 技 术 正 式 得 以 应 用 随 后 Intel

154 7.3 MAC 媒 体 访 问 控 制 149 Syn Optics 3Com Bay Networks 等 公 司 亦 相 继 推 出 自 己 的 快 速 以 太 网 装 置, 与 此 同 时, IEEE802 工 程 组, 也 对 100 Mbps 以 太 网 的 各 种 标 准 如 100BASE-TX 100BASE-T4 中 继 器 全 双 工 等 标 准 进 行 了 研 究 1995 年 2 月 IEEE 宣 布 了 IEEE802.3u 100BASE-T 快 速 以 太 网 标 准, 快 速 以 太 网 仍 采 用 基 于 载 波 侦 听 多 路 访 问 / 冲 突 检 测 (CSMA/CD) 媒 体 访 问 技 术 100 Mbps 快 速 以 太 网 标 准 又 分 为 100BASE-TX 100BASE-FX 100BASE-T4 三 个 子 类 1100BASE-TX: 是 一 种 使 用 5 类 屏 蔽 双 绞 线 或 非 屏 蔽 双 绞 线 的 快 速 以 太 网 技 术 它 使 用 两 对 双 绞 线, 一 对 用 于 发 送, 一 对 用 于 接 收 数 据 在 传 输 中 使 用 4B/5B 编 码 方 式, 信 号 频 率 为 125 MHz 符 合 EIA586 的 5 类 布 线 标 准 和 IBM 的 SPT1 类 布 线 标 准, 使 用 同 10BASE-T 相 同 的 RJ-45 连 接 器 它 的 最 大 网 段 长 度 为 100 m, 支 持 全 双 工 数 据 传 输 2100BASE-FX: 是 一 种 使 用 光 缆 的 快 速 以 太 网 技 术 可 使 用 单 模 和 多 模 光 纤, 多 模 光 纤 连 接 的 最 大 距 离 为 550 m, 单 模 光 纤 连 接 的 最 大 距 离 为 m 在 传 输 中 使 用 4B/5B 编 码 方 式, 信 号 频 率 为 125 MHz, 它 使 用 MIC/FDDI 连 接 器,ST 连 接 器 或 SC 连 接 器 3100BASE-T4: 是 一 种 可 使 用 3,4,5 类 非 屏 蔽 双 绞 线 或 屏 蔽 双 绞 线 的 快 速 以 太 网 技 术 它 使 用 4 对 双 绞 线,3 对 用 于 传 送 数 据,1 对 用 于 检 测 冲 突 信 号, 在 传 输 中 使 用 8B/6T 编 码 方 式 信 号 频 率 为 25 MHz, 符 合 EIA586 结 构 化 布 线 标 准 它 使 用 与 10BASE-T 相 同 的 RJ-45 连 接 器, 最 大 网 段 长 度 为 100 m 3. 千 兆 以 太 网 随 着 以 太 网 的 高 速 发 展, 用 户 对 网 络 连 接 速 度 要 求 越 来 越 高 1995 年 11 月 IEEE802.3 工 作 组 委 任 了 一 个 高 速 研 究 组 ( Higher Speed Study Group), 研 究 将 快 速 以 太 网 速 度 增 至 更 高, 该 研 究 组 研 究 了 将 快 速 以 太 网 增 至 Mbps 的 可 行 性 及 方 法 随 后 IEEE802.3 工 作 组 成 立 了 802.3z 工 作 委 员 会 IEEE802.3z 委 员 会 的 目 的 是 建 立 千 兆 位 以 太 网 标 准 : 包 括 在 Mbps 通 信 速 率 的 情 况 下 的 全 双 工 和 半 双 工 操 作 以 太 网 帧 格 式 载 波 侦 听 多 路 访 问 和 冲 突 检 测 (CSMA/CD) 技 术 在 一 个 冲 突 域 中 支 持 一 个 中 继 器 (Repeater) 10BASE-T 和 100BASE-T 向 下 兼 容 等 技 术 千 兆 位 以 太 网 具 有 以 太 网 的 易 移 植, 易 管 理 特 性 千 兆 以 太 网 目 前 有 以 下 3 种 技 术 版 本 :1000BASE-SX 1000BASE-LX 1000BASE-CX 版 本 1000BASE-SX 支 持 多 模 光 纤,1000BASE-LX 可 以 支 持 多 模 光 纤 和 单 模 光 纤, 1000BASE-CX 媒 体 是 使 用 短 距 离 铜 缆 G 以 太 网 10 Gbps 的 以 太 网 标 准 已 经 由 IEEE802.3 工 作 组 于 2000 年 正 式 制 定 10 G 以 太 网 仍 使 用 与 以 往 10 Mbps 和 100 Mbps 以 太 网 相 同 的 形 式 它 允 许 直 接 升 级 到 高 速 网 络, 同 样 使 用 标 准 的 帧 格 式, 全 双 工 业 务 和 流 量 控 制 方 式, 在 半 双 工 控 制 方 式 下,10 G 以 太 网 使 用 基 本 的 CSMA/CD 访 问 方 式 来 解 决 共 享 媒 体 的 冲 突 问 题 此 外,10 G 以 太 网 使 用 由 IEEE802.3 小 组 定 义 了 和 以 太 网 相 同 的 管 理 对 象 以 太 网 的 MAC 帧 格 式 媒 体 访 问 控 制 技 术 是 以 太 网 技 术 的 核 心, 以 太 网 不 提 供 任 何 确 认 收 到 帧 的 应 答 机 制, 确 认 机 制 必 须 在 高 层 完 成, 以 太 网 的 MAC 帧 具 有 7 个 域 : 前 导 码 SFD DA SA LLC-PDU 的 长 度 / 类 型 LLC-PDU CRC 以 太 网 的 MAC 帧 结 构 如 图 7-7 所 示

155 150 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 前 导 码 帧 首 定 界 符 目 的 地 址 类 型 / 长 度 源 地 址 (SA) (SFD) (DA) (Type/LEN) 数 据 帧 校 验 序 列 FCS ~ 图 7-7 以 太 网 的 MAC 帧 结 构 1 前 导 码 : 这 是 以 太 网 的 MAC 帧 的 第 一 个 域, 包 含 了 7 个 字 节 的 二 进 制 1 和 0 间 隔 的 代 码, 即 共 56 位, 提 示 接 收 方 一 个 数 据 帧 即 将 到 来, 同 时 使 接 收 系 统 建 立 起 同 步 时 钟, 因 为 在 使 用 曼 彻 斯 特 编 码 时, 这 种 1 0 间 隔 的 传 输 波 形 为 一 个 周 期 性 方 波 2 帧 首 定 界 符 (SFD): 帧 首 定 界 符 标 记 了 帧 的 开 始, 它 是 一 个 字 节 的 二 进 制 序 列,SFD 通 知 接 收 方 后 面 所 有 内 容 都 是 数 据, 以 便 接 收 方 对 数 据 帧 进 行 定 位 3 目 的 地 址 :DA 域 为 6 个 字 节, 标 记 了 数 据 帧 下 一 个 站 点 的 物 理 地 址 一 个 系 统 的 物 理 地 址 通 常 是 它 的 网 络 接 口 卡 (NIC) 上 的 MAC 地 址, 每 个 NIC 都 有 一 个 独 一 无 二 的 MAC 地 址 如 果 数 据 包 的 目 的 地 址 必 须 从 一 个 LAN 穿 越 到 另 一 个 LAN, 那 么 DA 域 所 包 含 的 是 连 接 当 前 LAN 和 下 一 个 LAN 的 路 由 器 地 址, 当 数 据 包 到 达 目 的 网 络 后,DA 转 换 成 目 的 站 点 的 地 址 4 源 地 址 (SA):SA 域 也 是 6 个 字 节, 它 包 含 了 最 后 一 个 转 发 此 帧 的 设 备 的 物 理 地 址, 该 地 址 可 以 是 发 送 此 数 据 帧 的 站 点, 也 可 以 是 最 近 接 收 和 转 发 此 数 据 帧 的 路 由 器 MAC 子 层 有 两 类 地 址 : 即 单 个 地 址 和 组 地 址 单 个 地 址 说 明 该 地 址 与 网 络 中 一 个 特 定 站 点 的 关, 而 组 地 址 说 明 是 多 目 的 地 址, 它 与 给 定 网 络 上 的 多 个 或 所 有 站 点 有 关, 可 以 是 广 播 地 址 或 组 地 址 如 果 地 址 域 中 的 所 有 位 都 是 1, 则 该 地 址 是 一 个 广 播 地 址 5 长 度 / 类 型 : 源 地 址 下 面 两 个 字 节 有 两 种 含 义, 可 能 是 LLC-PDU 长 度 字 段, 也 可 能 是 类 型 字 段 对 于 IEEE802.3 帧 来 说, 由 于 它 的 高 层 协 议 是 LLC, 因 此 以 太 网 DATA 字 段 中 是 LLC-PDU 这 时 的 长 度 / 类 型 字 段 表 示 LLC-PUD 的 数 据 长 度, 范 围 是 字 节 如 果 LLC-PDU 小 于 46 字 节, 则 发 送 站 的 MAC 子 层 自 动 填 0 而 以 太 网 的 DATA 段 中 直 接 是 网 络 层 分 组, 那 么 这 个 域 被 用 来 表 示 类 型 为 了 区 分 该 字 段 是 类 型 还 是 长 度 解 决 的 办 法 是 利 用 规 定 的 最 大 帧 长 度 1518 个 字 节, 做 法 是 将 1536(0600H) 作 为 界 限, 如 果 该 字 段 的 值 小 于 0600H 则 是 长 度 标 志, 否 则 是 类 型 标 志 例 如, 如 果 DATA 是 IP 分 组 数 据, 该 字 段 的 值 是 0800H, 表 示 上 层 使 用 的 是 TCP/IP 协 议 ; 若 该 字 段 的 值 是 8 137H, 则 表 示 该 帧 是 由 NOVELL NETWARE 工 作 站 发 出 的, 遵 循 的 是 IPX 协 议 反 之 若 该 字 段 小 于 0600H(15360D), 表 示 DATA 数 据 的 长 度 6 数 据 : 它 的 范 围 是 在 46~1 500 字 节 之 间 46 字 节 是 以 太 网 MAC 帧 的 最 小 帧 长 度 如 果 高 层 协 议 的 数 据 分 组 小 于 46 字 节, 由 软 件 填 充 到 46 字 节 DATA 的 最 大 值 是 字 节 7 帧 校 验 序 列 :MAC 帧 的 最 后 一 个 域 是 帧 校 验 序 列, 以 太 网 采 用 32 位 冗 余 校 验 (CRC) 校 验 范 围 是 除 了 前 导 码 SFD 和 FCS 的 所 有 内 容 综 上 所 述,802.3 标 准 规 定 凡 出 现 下 列 情 况 之 一 的 即 视 为 无 效 的 MAC 帧 : 1MAC 客 户 数 据 字 段 的 长 度 与 长 度 字 段 的 标 示 值 不 一 致 2 帧 的 长 度 不 是 整 数 个 字 节 3 用 收 到 的 帧 校 验 序 列 FCS 查 出 有 差 错 4 收 到 的 帧 的 MAC 客 户 数 据 字 段 长 度 不 在 46~1500 字 节 之 间

156 7.4 局 域 网 互 联 设 备 和 技 术 151 对 于 检 查 出 的 无 效 MAC 帧 就 简 单 地 丢 弃, 以 太 网 不 负 责 重 传 丢 弃 的 帧 7.4 局 域 网 互 联 设 备 和 技 术 局 域 网 互 联 技 术 的 发 展, 拓 展 了 LAN 的 地 理 范 围, 丰 富 了 LAN 资 源 所 谓 局 域 网 互 联 就 是 指 LAN 之 间 LAN 和 WAN 之 间 的 连 接 网 络 互 联 时, 一 般 要 通 过 中 间 设 备 相 联, 常 用 的 网 络 互 联 设 备 有 中 继 器 集 线 器 网 桥 交 换 机 和 路 由 器, 等 等 本 节 将 对 局 域 网 互 联 的 一 些 常 用 设 备 加 以 介 绍 集 线 器 集 线 器 又 常 称 为 HUB, 集 成 器 的 主 要 功 能 是 对 接 收 到 的 信 号 进 行 再 生 整 形 放 大, 以 扩 大 网 络 的 传 输 距 离, 同 时 把 所 有 节 点 集 中 在 以 它 为 中 心 的 节 点 上 集 线 器 是 中 继 器 的 一 种, 其 区 别 仅 在 于 集 线 器 能 够 提 供 更 多 的 端 口 服 务, 所 以 集 线 器 又 叫 多 端 口 中 继 器 集 线 器 主 要 是 以 优 化 网 络 布 线 结 构, 简 化 网 络 管 理 为 目 标 而 设 计 的 常 见 到 的 集 线 器 基 本 形 状 如 图 7-8 所 示, 其 外 部 结 构 比 较 简 单 图 7-8 集 线 器 1. 集 线 器 的 基 本 工 作 原 理 我 们 知 道 在 总 线 及 环 形 网 络 中 只 存 在 一 个 物 理 传 输 通 道, 都 是 通 过 一 条 传 输 媒 体 来 传 输 的, 这 样 就 存 在 各 节 点 争 抢 物 理 信 道 的 矛 盾, 传 输 效 率 较 低 引 入 集 线 器 这 一 网 络 集 线 设 备 后, 每 一 个 站 是 用 它 专 用 的 传 输 媒 体 连 接 到 集 线 器 的, 各 节 点 间 不 再 只 有 一 个 传 输 通 道, 各 节 点 收 发 的 信 号 通 过 集 线 器 集 中, 集 线 器 再 把 信 号 整 形 放 大 后 发 送 到 所 有 节 点 上, 这 样 至 少 在 上 行 通 道 上 不 再 出 现 碰 撞 现 象 但 基 于 集 线 器 的 网 络 仍 然 是 一 个 共 享 媒 体 的 局 城 网, 这 里 的 共 享 其 实 就 是 集 线 器 内 部 总 线, 所 以 当 上 行 通 道 与 下 行 通 道 同 时 发 送 数 据 时, 仍 然 会 存 在 信 号 碰 撞 现 象 当 集 线 器 从 其 内 部 端 口 检 测 到 碰 撞 时, 产 生 碰 撞 强 化 信 号 (Jam) 向 集 线 器 所 连 接 的 目 标 端 口 进 行 传 送, 这 时 所 有 数 据 都 将 不 能 发 送 成 功 正 因 为 集 线 器 的 这 一 不 足 之 处, 所 以 它 不 能 单 独 应 用 于 较 大 的 网 络 中, 就 像 在 大 城 市 中 心 不 能 用 单 车 道 一 样, 因 为 网 络 越 大, 出 现 网 络 碰 撞 现 象 的 机 会 就 越 大 也 正 如 此, 集 线 器 的 数 据 传 输 效 率 是 比 较 低 的, 因 为 它 在 同 一 时 刻 只 能 有 一 个 方 向 的 数 据 传 输, 也 就 是 所 谓 的 单 工 方 式 集 线 器 除 了 共 享 带 宽 这 一 不 足 之 处 外, 还 有 在 选 择 集 线 器 时 必 须 要 考 虑 到 它 的 广 播 方 式 因 为 集 线 器 属 于 纯 硬 件 网 络 底 层 设 备, 基 本 上 不 具 有 智 能 记 忆 的 能 力, 更 别 说 学 习 功 能 了, 它 也 不 具 备 交 换 机 所 具 有 的 MAC 地 址 表, 所 以 发 送 数 据 时 都 是 没 有 针 对 性 的, 而 是 采 用 广 播 方 式 发 送 也 就 是 说 当 要 向 某 点 发 送 数 据 时, 不 是 直 接 把 数 据 发 送 到 目 的 节 点, 而 是 把 数 据 包 发 送 到 与 集 线 器 相 连 的 所 有 节 点, 如 图 7-9 所 示

157 152 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 图 7-9 集 线 器 工 作 方 式 示 意 图 这 种 广 播 发 送 数 据 方 式 有 两 个 方 面 的 不 足 : 1 用 户 数 据 包 向 所 有 节 点 发 送, 很 可 能 带 来 数 据 通 信 的 不 安 全 因 素, 一 些 别 有 用 心 的 人 很 容 易 就 能 非 法 截 获 他 人 的 数 据 包 2 由 于 所 有 数 据 包 都 是 向 所 有 节 点 同 时 发 送, 加 上 以 上 所 介 绍 的 共 享 带 宽 方 式, 就 更 加 可 能 造 成 网 络 塞 车 现 象, 更 加 降 低 了 网 络 执 行 效 率 2. 集 线 器 的 优 缺 点 使 用 集 线 器 的 优 点 是 当 网 络 系 统 中 某 条 线 路 或 某 节 点 出 现 故 障, 不 会 影 响 网 上 其 他 节 点 的 正 常 工 作, 这 就 是 集 线 器 刚 推 出 时 与 传 统 的 总 线 网 络 的 最 大 区 别 和 优 点, 因 为 它 提 供 了 多 通 道 通 信, 大 大 提 高 了 网 络 通 信 速 度 然 后 随 着 网 络 技 术 的 发 展, 集 线 器 的 缺 点 越 来 越 突 出 迅 速 推 广 使 用 的 一 种 技 术 先 进 的 数 据 交 换 设 备 交 换 机 逐 渐 取 代 了 部 分 集 线 器 的 高 端 应 用 集 线 器 的 主 要 不 足 体 现 在 以 下 几 个 方 面 : (1) 用 户 带 宽 共 享, 带 宽 受 限 集 线 器 的 每 一 个 端 口 并 没 有 独 立 带 宽, 而 是 所 有 端 口 共 享 总 的 背 板 带 宽, 用 户 带 宽 较 窄, 且 随 着 集 线 器 所 接 用 户 的 增 多, 用 户 的 平 均 带 宽 不 断 减 少, 不 能 满 足 当 今 许 多 对 网 络 带 宽 有 严 格 要 求 的 网 络 应 用, 如 多 媒 体 流 媒 体 应 用 等 环 境 (2) 广 播 方 式, 易 造 成 网 络 风 暴 集 线 器 是 一 个 共 享 设 备, 它 的 主 要 功 能 只 是 一 个 信 号 放 大 和 中 转 的 设 备, 不 具 有 自 动 寻 址 能 力, 即 不 具 备 交 换 作 用, 所 有 传 到 集 线 器 的 数 据 均 被 广 播 到 与 之 相 连 的 各 个 端 口, 容 易 形 成 网 络 风 暴, 造 成 网 络 堵 塞 (3) 非 双 工 传 输, 网 络 通 信 效 率 降 低 集 线 器 的 同 一 时 刻 每 一 个 端 口 只 能 进 行 一 个 方 向 的 数 据 通 信, 而 不 能 像 交 换 机 那 样 进 行 双 向 双 工 传 输, 网 络 执 行 效 率 低, 不 能 满 足 较 大 型 网 络 通 信 需 求 正 因 为 如 此, 尽 管 集 线 器 技 术 也 在 不 断 改 进, 但 实 质 上 就 是 加 入 了 一 些 交 换 机 技 术 目 前, 集 线 器 与 交 换 机 的 区 别 越 来 越 模 糊 了, 随 着 交 换 机 价 格 的 不 断 下 降, 集 线 器 仅 有 的 价 格 优 势 已 不 再 明 显, 集 线 器 的 市 场 越 来 越 小, 处 于 淘 汰 的 边 缘 交 换 机 1. 交 换 机 基 础 集 线 器 作 为 第 一 类 广 泛 应 用 的 网 络 集 线 设 备, 当 时 在 各 大 局 域 网 中 应 用 非 常 广 泛 但 随 着 网 络 传 输 媒 体 类 型 的 日 益 丰 富, 图 形 图 像 及 各 种 流 媒 体 等 多 媒 体 内 容 的 出 现, 人 们 对 于

158 7.4 局 域 网 互 联 设 备 和 技 术 153 较 高 网 络 数 据 传 输 速 度 和 传 输 性 能 的 要 求 日 益 提 高 集 线 器 由 于 它 的 共 享 媒 体 传 输, 单 工 数 据 操 作 和 广 播 数 据 发 送 方 式 等 都 先 天 决 定 了 很 难 满 足 用 户 上 述 速 度 和 性 能 要 求, 在 全 球 各 大 设 备 开 发 商 的 努 力 下, 一 种 更 新, 更 实 用 的 集 线 器 设 备 交 换 机 出 现 了, 交 换 机 完 全 克 服 了 集 线 器 的 上 述 种 种 不 足 之 处, 所 以 在 短 时 间 内 得 到 业 界 广 泛 的 认 可 和 应 用 交 换 技 术 也 得 到 了 飞 速 发 展, 数 据 传 输 速 度 的 发 展 也 是 一 日 千 里 目 前 最 快 的 以 太 网 交 换 机 端 口 可 达 到 100 Gbps, 千 兆 (G 位 ) 级 的 交 换 机 在 各 企 业 骨 干 上 网 络 中 已 得 到 广 泛 应 用 交 换 机 的 英 文 名 称 为 Switch, 它 是 集 线 器 的 升 级 换 代 产 品, 从 外 观 上 来 看 的 话, 它 与 集 成 线 器 基 本 上 没 有 多 大 的 区 别, 都 是 带 有 多 个 端 口 的 长 方 形 盒 状 体, 交 换 是 按 照 通 信 两 端 传 输 信 息 的 需 要, 用 人 工 或 设 备 自 动 完 成 的 方 法 把 要 传 输 的 信 息 送 到 符 合 要 求 的 相 应 路 由 上 的 技 术 统 称 广 义 的 交 换 机 就 是 一 种 在 通 信 系 统 中 完 成 信 息 交 换 功 能 的 设 备 在 计 算 机 网 络 系 统 中, 交 换 概 念 的 提 出 是 相 对 于 共 享 工 作 模 式 的 改 进 我 们 知 道 集 线 器 HUB 是 一 种 共 享 媒 体 的 网 络 设 备, 而 且 HUB 本 身 不 能 识 别 目 的 地 址, 是 采 用 广 播 方 式 向 所 有 节 点 发 送, 即 当 同 一 局 域 网 内 的 A 主 机 给 B 主 机 传 输 数 据 时, 数 据 包 在 以 HUB 为 架 构 的 网 络 上 是 以 广 播 方 式 传 输 的, 对 网 络 上 所 有 节 点 同 时 发 送 同 一 信 息, 然 后 再 由 每 台 终 端 通 过 验 证 数 据 包 头 的 地 址 信 息 来 确 定 是 否 接 收 在 这 种 方 式 下 我 们 知 道 很 容 易 造 成 网 络 堵 塞, 因 为 其 实 接 收 数 据 的 一 般 来 说 只 有 一 个 终 端 节 点, 而 现 在 对 所 有 节 点 都 发 送, 那 么 绝 大 部 分 数 据 流 量 是 无 效 的, 这 样 就 造 成 整 个 网 络 数 据 传 输 效 率 相 当 低, 另 一 方 面 由 于 所 发 送 的 数 据 包 每 一 个 节 点 都 能 侦 听 到, 显 然 就 不 会 很 安 全 了, 容 易 出 现 一 些 不 安 全 因 素 交 换 机 拥 有 一 条 很 高 带 宽 的 背 部 总 线 和 内 部 交 换 矩 阵, 交 换 机 的 所 有 端 口 都 挂 在 这 条 背 部 总 线 上 控 制 电 路 收 到 数 据 包 以 后, 处 理 端 口 会 查 找 内 存 中 的 MAC 地 址 ( 网 卡 的 硬 件 地 址 ) 对 照 以 确 定 目 的 MAC 的 NIC( 网 卡 ) 挂 接 在 哪 个 端 口 上, 通 过 内 部 交 换 机 直 接 将 数 据 包 迅 速 传 送 到 目 的 节 点, 而 不 是 所 有 节 点 目 的 MAC 若 不 存 在 才 广 播 到 所 有 的 端 口 这 种 方 式 我 们 可 以 明 显 地 看 出 一 方 面 效 率 提 高, 不 会 浪 费 网 络 资 源, 只 是 对 目 的 地 址 发 送 数 据, 一 般 来 说 不 易 产 生 网 络 堵 塞 ; 另 一 方 面 数 据 传 输 安 全, 因 为 它 不 是 向 所 有 节 点 都 同 时 发 送, 发 送 数 据 时 其 他 站 很 难 侦 听 到 所 发 送 的 信 息 这 也 是 交 换 机 为 什 么 会 很 快 取 代 集 线 器 的 重 要 原 因 之 一 交 换 机 还 有 一 个 重 要 特 点 就 是 它 不 是 像 集 线 器 一 样 每 个 端 口 共 享 带 宽, 它 的 每 一 端 口 都 是 独 享 交 换 机 的 一 部 分 总 带 宽, 这 样 在 速 率 上 对 于 每 一 端 口 来 说 有 了 根 本 的 保 障 另 外, 使 用 交 换 机 也 可 以 把 网 络 分 段, 通 过 对 照 地 址 表, 交 换 机 只 允 许 必 要 的 网 络 流 量 通 过 交 换 机, 这 就 是 后 面 将 要 介 绍 的 VLAN( 虚 拟 局 域 网 ), 通 过 交 换 机 的 过 滤 和 转 发, 可 以 有 效 的 隔 离 广 播 风 暴, 减 少 误 包 和 错 包 的 出 现, 避 免 共 享 冲 突 这 样 交 换 机 就 可 以 在 同 一 时 刻 进 行 多 个 节 点 对 之 间 的 数 据 传 输, 每 一 个 节 点 对 都 可 以 视 为 独 立 的 网 段, 连 接 在 其 上 的 网 络 设 备 独 自 享 有 固 定 的 一 部 分 带 宽, 无 须 同 其 他 设 备 竞 争 使 用 如 当 点 A 向 节 点 D 发 送 数 据 时, 节 点 B 向 节 点 C 发 送 数 据, 而 且 这 两 个 传 输 都 享 有 独 立 带 宽, 都 有 着 自 己 的 虚 拟 连 接 打 个 比 方 就 是, 如 果 现 在 使 用 的 是 10 Mbps 8 端 口 以 太 网 交 换 机, 因 每 个 端 口 都 可 以 同 时 工 作, 所 以 在 数 据 流 量 较 大 时, 那 它 的 总 流 量 可 以 达 到 8 10 Mbps=80 Mbps, 而 使 用 10 Mbps 的 共 享 式 HUB, 因 为 它 属 于 共 享 带 宽 式, 所 以 同 一 时 刻 只 能 允 许 一 个 端 口 进 行 通 信, 那 数 据 流 量 再 忙 HUB 的 总 流 通 量 也 不 会 超 出 10 Mbps 如 果 是 16 端 口 24 端 口 的 更 是 明 显 了! 交 换 机 的 主 要 功 能 包 括 物 理 编 址 网 络 拓 扑 结 构 错 误 校 验 帧 序 列 以 及 流 量 控 制 等 目 前 一 些 高 档 交 换 机 还 具 有 了 一 些 新 的 功 能, 如 对 VLAN( 虚 拟 局 域 网 ) 的 支 持, 对 链 路 汇 聚 的 支 持, 甚 至 有 的 还 具 有 路 由 和 防 火 墙 的 部 分 功 能 交 换 机 除 了 能 够 连 接 同 种 类 型 的 网 络 之 外, 还 可 以 在 不 同 的 网 络 ( 如 以 太 网 和 快 速 以 太 网 ) 之 间 起 到 互 联 作 用 如 今 许 多 交 换 机 都 能 够 提 供 支 持 快 速 以 太 网 或 FDDI 等 高 速 连 接 端 口,

159 154 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 用 于 连 接 网 络 中 的 其 他 交 换 机 或 者 为 带 宽 占 用 量 大 的 关 键 服 务 器 提 供 附 加 带 宽 一 般 来 说, 交 换 机 的 每 一 个 端 口 都 用 来 连 接 一 个 独 立 的 网 段, 但 是 有 时 为 了 提 供 更 快 的 接 入 速 度, 我 们 可 以 把 一 些 重 要 的 网 络 计 算 机, 直 接 连 到 交 换 机 的 端 口 上 这 样, 网 络 的 关 键 服 务 器 和 重 要 用 户 就 拥 有 更 快 的 接 入 速 度, 支 持 更 大 的 信 息 流 量 总 之 交 换 机 是 一 种 基 于 MAC 地 址 识 别, 能 完 成 封 装 转 发 数 据 包 功 能 的 网 络 设 备 交 换 机 对 于 因 第 一 次 发 送 到 目 的 地 址 不 成 功 的 数 据 包 会 再 次 对 所 有 节 点 同 时 传 送, 企 图 找 到 这 个 目 的 的 MAC 地 址, 找 到 后 就 会 把 这 个 地 址 重 新 加 入 到 自 己 的 MAC 地 址 列 表 中, 这 样 下 次 再 发 送 到 这 个 节 点 时 就 不 会 出 错 交 换 机 的 这 种 功 能 就 称 之 为 MAC 地 址 学 习 功 能 2. 交 换 机 和 集 线 器 的 区 别 交 换 机 和 集 线 器 的 区 别 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 : (1) 在 OSI/RM 中 的 工 作 层 次 不 同 交 换 机 和 集 线 器 在 OSI/RM 开 放 体 系 模 型 中 对 应 的 层 次 就 不 一 样, 集 线 器 是 同 时 工 作 在 第 一 层 ( 物 理 层 ) 和 第 二 层 ( 数 据 链 路 层 ), 而 交 换 机 至 少 是 工 作 在 第 二 层, 更 高 级 的 交 换 机 可 以 工 作 在 第 三 层 ( 网 络 层 ) 和 第 四 层 ( 传 输 层 ) (2) 交 换 机 的 数 据 传 输 方 式 不 同 集 线 器 的 数 据 传 输 方 式 是 广 播 (Broadcast) 方 式, 而 交 换 机 的 数 据 传 输 是 有 目 的 的, 数 据 只 对 目 的 节 点 发 送, 只 是 在 自 已 的 MAC 地 址 表 中 找 不 到 的 情 况 下, 第 一 次 使 用 广 播 方 式 发 送, 然 后 因 为 交 换 机 具 有 MAC 地 址 学 习 功 能, 第 二 次 以 后 就 不 再 是 广 播 发 送 了, 这 样 的 好 处 是 数 据 传 输 效 率 提 高, 不 会 出 现 广 播 风 暴, 在 安 全 性 方 面 也 不 会 出 现 其 他 节 点 侦 听 的 现 象 具 体 在 前 面 已 作 分 析, 在 此 不 再 赘 述 (3) 带 宽 占 用 方 式 不 同 在 带 宽 占 用 方 面, 集 线 器 所 有 端 口 是 共 享 集 线 器 的 总 带 宽, 而 交 换 机 的 每 个 端 口 都 具 有 自 己 的 带 宽, 这 样 交 换 机 实 际 上 每 个 端 口 的 带 宽 比 集 线 器 端 口 可 用 带 宽 要 高 许 多, 也 就 决 定 了 交 换 机 的 传 输 速 度 比 集 线 器 要 快 许 多 (4) 传 输 模 式 不 同 集 线 器 只 能 采 用 半 双 工 方 式 进 行 传 输, 因 为 集 线 器 是 共 享 传 输 媒 体 的, 这 样 在 上 行 通 道 上 集 线 器 一 次 只 能 传 输 一 个 任 务, 要 么 是 接 收 数 据, 要 么 是 发 送 数 据 而 交 换 机 则 不 一 样, 它 是 采 用 全 双 工 方 式 来 传 输 数 据, 因 此 在 同 一 时 刻 可 以 同 时 进 行 数 据 的 接 收 和 发 送, 这 不 但 令 数 据 的 传 输 速 度 大 大 加 快, 而 且 在 整 个 系 统 的 吞 吐 量 方 面 交 换 机 比 集 线 器 至 少 要 快 一 倍 以 上, 因 为 它 可 以 接 收 和 发 送 同 时 进 行, 实 际 上 还 远 不 止 一 倍, 因 为 端 口 带 宽 一 般 来 说 交 换 机 比 集 线 器 也 要 宽 许 多 倍 3. 交 换 机 的 工 作 原 理 从 外 型 上 看 交 换 机 和 集 线 器 非 常 相 似, 而 且 都 遵 循 IEEE802.3 及 其 扩 展 标 准, 媒 体 访 问 方 法 也 均 为 CSMA/CD, 但 是 它 们 的 工 作 原 理 上 还 是 有 着 根 本 的 区 别 简 单 地 说, 由 交 换 机 构 建 的 网 络 称 之 为 交 换 式 网 络, 每 个 端 口 都 能 独 享 带 宽, 所 有 端 口 都 能 够 同 时 进 行 通 讯, 并 且 能 够 在 全 双 工 模 式 下 提 供 双 倍 的 传 输 速 率 而 集 线 器 构 建 的 网 络 称 之 为 共 享 式 网 络, 在 同 一 时 刻 只 能 有 两 个 端 口 ( 接 收 数 据 的 端 口 和 发 送 数 据 的 端 口 ) 进 行 通 讯, 所 有 的 端 口 分 享 固 有 的 带 宽

160 7.4 局 域 网 互 联 设 备 和 技 术 155 (1) 共 享 与 交 换 数 据 传 输 技 术 要 明 白 交 换 机 的 优 点, 我 们 首 先 就 必 须 明 白 交 换 机 的 基 本 工 作 原 理, 而 交 换 机 的 工 作 原 理 其 实 最 根 本 的 是 要 理 解 共 享 (Share) 和 交 换 (Switch) 这 两 个 概 念 集 线 器 是 采 用 共 享 方 式 进 行 数 据 传 输 的, 而 我 们 这 里 要 讲 的 交 换 机 工 作 原 理 则 是 采 用 交 换 方 式 进 行 数 据 传 输 的 我 们 可 以 把 共 享 和 交 换 理 解 成 公 路 共 享 方 式 就 是 来 回 车 辆 共 用 一 个 车 道 的 单 车 道 公 路, 而 交 换 方 式 则 是 来 回 车 辆 各 用 一 个 车 道 的 双 车 道 公 路, 共 享 和 交 换 这 两 种 数 据 传 输 方 式 有 示 意 图 分 别 如 图 7-10 左 右 图 所 示 从 我 们 平 常 生 活 中 就 可 感 觉 到 这 两 种 方 式 的 不 同 之 处, 明 显 可 以 感 受 到 双 车 道 的 交 换 方 式 优 越 性, 因 为 双 车 道 来 回 的 车 辆 可 以 在 不 同 的 车 道 上 单 独 行 走, 一 般 来 说 如 果 不 出 现 意 外 是 不 可 能 出 现 大 塞 车 现 象, 而 单 车 道 就 像 我 们 过 单 车 道 的 桥 一 样, 来 回 的 车 辆 每 次 只 能 允 许 一 个 方 向 的 车 辆 经 过 这 个 桥, 这 样 就 很 容 易 出 现 塞 车 现 象 图 7-10 共 享 与 交 换 数 据 传 输 示 意 图 交 换 机 进 行 数 据 交 换 的 原 理 就 是 在 这 样 在 背 景 下 产 生, 它 解 决 了 集 线 器 那 种 共 享 单 车 道 容 易 出 现 塞 车 现 象 在 交 换 技 术 上 把 这 种 独 享 道 宽 ( 网 络 上 称 之 为 带 宽 ) 情 况 称 之 为 交 换, 这 种 网 络 环 境 称 为 交 换 网 络, 交 换 式 网 络 必 须 采 用 交 换 机 (Switch) 来 实 现 从 图 7-10 右 图 可 以 知 道 交 换 式 网 络 可 以 是 全 双 工 (Full Duplex) 状 态, 即 可 以 同 时 接 收 和 发 送 数 据, 数 据 流 是 双 向 的 而 集 结 器 的 共 享 方 式 的 网 络 就 称 之 为 共 享 式 网 络, 共 享 式 网 络 采 用 集 线 器 ( 集 线 器 ) 作 为 网 络 连 接 设 备 显 然, 共 享 网 络 的 效 率 非 常 低, 在 任 意 时 刻 只 能 有 一 个 方 向 的 数 据 流, 即 处 于 半 双 工 (Half Duplex) 模 式 另 一 个 方 面, 由 于 单 车 道 共 享 方 式 中 来 回 车 辆 共 用 一 个 车 道, 也 就 是 每 次 只 能 过 一 个 方 向 的 车, 这 样 车 辆 一 多, 速 度 肯 定 会 降 下 来, 效 率 也 就 跟 着 下 降 共 享 式 网 络 的 通 信 也 与 共 享 车 道 情 况 类 似, 它 的 效 率 在 数 据 流 量 大 的 时 候 也 肯 定 会 降 低, 因 为 同 一 时 刻 只 能 进 行 单 一 数 据 传 输 任 务 还 可 能 造 成 数 据 碰 撞 现 象, 就 像 我 们 在 单 车 道 上 经 常 看 到 撞 车 现 象 一 样, 因 为 车 流 量 一 大, 就 很 难 保 证 每 个 车 辆 的 司 机 都 那 么 遵 守 交 通 规 则, 容 易 出 现 数 据 碰 撞 争 抢 车 道 现 象 而 交 换 式 的 数 据 交 换 方 式 出 现 这 种 情 况 就 少 许 多, 因 为 各 自 都 有 自 己 的 信 道, 各 行 其 道 基 本 上 是 不 太 可 能 发 生 争 抢 信 道 的 现 象 但 也 有 例 外, 那 就 是 数 据 流 量 增 大, 而 网 络 速 度 和 带 宽 没 得 到 保 证 时 才 会 在 同 一 信 道 上 出 现 碰 撞 现 象, 就 像 我 们 在 双 车 道 或 多 车 道 也 可 能 发 生 撞 车 现 象 一 样 解 决 这 一 现 象 的 方 法 有 两 种, 一 种 是 增 加 车 道, 另 一 种 方 法 就 是 提 高 车 速, 很 显 然, 增 加 车 道 这 一 方 法 是 最 基 本 的, 但 它 不 是 最 终 的 方 法, 因 为 车 道 的 数 量 肯 定 有 限, 如 果 所 有 车 辆 的 速 度 上 不 去, 那 还 是 会 效 率 低 的, 对 于 一 些 心 急 的 司 机 来 说 还 是 会 撞 车 的 第 二 种 方 法 是 一 种 比 较 好 的 方 法, 提 速 有 助 于 车 辆 正 常 有 序 地 快 速 流 动, 这 就 是 为 什 么

161 156 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 高 速 公 路 反 而 出 现 撞 车 的 现 象 比 普 通 公 路 上 少 许 多 的 原 因 计 算 机 网 络 也 一 样, 虽 然 我 们 的 交 换 机 能 提 供 全 双 工 方 式 进 行 数 据 传 输, 但 是 如 果 网 络 带 宽 不 宽, 速 度 不 快, 每 传 输 一 个 数 据 包 都 有 要 花 费 大 量 的 时 间, 信 道 再 多 也 无 济 于 事, 网 络 传 输 的 效 率 还 是 高 不 起 来 的, 况 且 网 络 上 的 信 道 也 是 非 常 有 限 的, 这 要 决 定 于 带 宽 目 前 最 快 的 以 太 网 交 换 机 带 宽 可 达 到 100 Gbps (2) 数 据 传 递 的 方 式 通 过 前 面 的 学 习 我 们 已 经 知 道 集 线 器 的 数 据 包 传 输 方 式 是 广 播 方 式, 如 图 7-9 所 示 由 于 集 线 器 中 只 能 同 时 存 在 一 个 广 播, 所 以 同 一 时 刻 只 能 有 1 个 数 据 包 在 传 输, 信 道 的 利 用 率 较 低 而 对 于 交 换 机 而 言, 它 能 够 认 识 连 接 到 自 已 身 上 的 每 一 台 电 脑, 凭 什 么 认 识 呢? 就 是 凭 每 块 网 卡 物 理 地 址, 俗 称 MAC 地 址 交 换 机 还 具 有 MAC 地 址 学 习 功 能, 它 会 把 连 接 到 自 已 身 上 的 MAC 地 址 记 住, 形 成 一 个 节 点 与 MAC 地 址 对 应 表 凭 这 样 一 张 表, 它 就 不 必 再 进 行 广 播 了, 从 一 个 端 口 发 过 来 的 数 据, 其 中 会 含 有 目 的 地 的 MAC 地 址, 交 换 机 在 保 存 在 自 已 缓 存 中 的 MAC 地 址 表 里 寻 找 与 这 个 数 据 包 中 包 含 的 目 的 MAC 地 址 对 应 的 节 点, 找 到 以 后, 便 在 这 两 个 节 点 间 架 起 了 一 条 临 时 性 的 专 用 数 据 传 输 通 道, 这 两 个 节 点 便 可 以 不 受 干 扰 地 进 行 通 信 了 要 注 意 交 换 机 档 次 越 低, 交 换 机 的 缓 存 就 越 小, 也 就 是 说 为 保 存 MAC 地 址 所 准 备 的 空 间 也 就 越 小, 对 应 的 就 是 它 能 记 住 的 MAC 地 址 数 就 越 少 通 常 一 台 交 换 机 都 具 有 1024 个 MAC 地 址 记 忆 空 间, 都 能 满 足 实 际 需 求 从 上 面 的 分 析 来 看 我 们 知 道 交 换 机 所 进 行 的 数 据 传 递 是 有 明 确 的 方 向 的 而 不 是 乱 传 递, 而 不 是 集 线 器 的 广 播 方 式, 这 种 传 递 示 意 图 如 图 7-11 所 示 同 时 由 于 交 换 机 可 以 进 行 全 双 工 传 输, 所 以 交 换 机 可 以 同 时 在 多 对 节 点 之 间 建 立 临 时 专 用 通 道, 形 成 了 立 体 交 叉 的 数 据 传 输 通 道 结 构 图 7-11 交 换 机 的 工 作 方 式 交 换 机 的 数 据 传 递 工 作 原 理 可 以 简 单 地 这 样 来 说 明 : 当 交 换 机 从 某 一 节 点 收 到 一 个 以 太 网 帧 后, 将 立 即 在 其 内 存 中 的 地 址 表 ( 端 口 号 -MAC 地 址 ) 进 行 查 找, 以 确 认 该 目 的 MAC 的 网 卡 连 接 在 哪 一 个 节 点 上, 然 后 将 该 帧 发 至 该 节 点 如 果 在 地 址 表 中 没 有 找 到 该 MAC 地 址, 也 就 是 说, 该 目 的 MAC 地 址 是 首 次 出 现, 交 换 机 就 将 数 据 包 广 播 到 所 有 节 点 拥 有 该 MAC 地 址 的 网 卡 在 接 收 到 该 广 播 帧 后, 将 立 即 做 出 应 答, 从 而 使 交 换 机 将 其 节 点 的 MAC 地 址 添 加 到 MAC 地 址 表 中 接 言 之, 当 交 换 机 从 某 一 节 点 收 到 一 个 帧 时 ( 广 播 帧 除 外 ), 将 对 地 址 表 执 行 两 个 动 作, 一 是 检 查 该 帧 的 源 MAC 地 址 是 否 已 在 地 址 表 中, 如 果 没 有, 则 将 该 MAC 地 址 添 加 到 地 址 表 中, 这 样 以 后 就 知 道 该 MAC 地 址 在 哪 一 个 节 点 ; 二 是 检 查 该 帧 的 目 的 MAC 地 址 是 否 已 在 地 址 表 中, 如 果 该 MAC 地 址 已 在 地 址 表 中, 则 将 帧 发 送 到 对 应 的 节 点 即 可, 而 不 必 像 集 线 器 那 样 将 该 帧 发 送 到 所 有 节 点, 只 需 将 该 帧 发 送 到 对 应 节 点, 从 而 使 那 些 既 非 源 节 点 又 非 目 的 节 点 的 节 点 间 仍 然 可 以 进 行 相 互 间

162 7.4 局 域 网 互 联 设 备 和 技 术 157 通 信, 从 而 提 高 了 比 集 线 器 更 高 的 传 输 速 率 如 果 该 MAC 地 址 不 在 地 址 表 中, 则 将 该 帧 发 送 到 所 有 其 他 节 点 ( 源 节 点 除 外 ), 相 当 于 该 帧 是 一 个 广 播 帧 讲 到 这 里 我 们 要 明 白 一 个 事 实, 那 就 是 交 换 机 在 刚 买 回 来 不 可 能 知 道 用 户 所 在 网 络 中 各 节 点 的 地 址, 也 就 是 说 在 交 换 机 刚 刚 打 开 电 源 时, 其 MAC 地 址 表 是 一 片 空 白 那 么, 交 换 机 的 地 址 表 是 怎 样 建 立 起 来 的 呢? 交 换 机 根 据 以 太 网 帧 中 的 源 MAC 地 址 来 更 新 地 址 表 当 一 台 计 算 机 打 开 电 源 后, 安 装 在 该 系 统 中 的 网 卡 会 定 期 发 出 空 闲 包 或 信 号, 交 换 机 即 可 据 此 得 知 它 的 存 在 以 及 其 MAC 地 址, 这 就 是 所 谓 自 动 地 址 学 习 由 于 交 换 机 能 够 自 动 根 据 收 到 的 以 太 网 帧 中 的 源 MAC 地 址 更 新 地 址 表 的 内 容, 所 以 交 换 机 使 用 的 时 间 越 长, 学 到 的 MAC 地 址 就 越 多, 未 知 的 MAC 地 址 就 越 少, 因 而 广 播 的 包 括 就 越 少, 速 度 就 越 快 那 么, 交 换 机 是 否 永 久 地 记 住 所 有 的 端 口 号 (MAC 地 址 ) 关 系 呢? 不 是 的 由 于 交 换 机 中 的 内 存 毕 竟 有 限, 因 此, 能 够 记 忆 的 MAC 地 址 数 量 也 是 有 限 的 既 然 不 能 无 休 止 地 记 忆 所 有 的 MAC 地 址, 那 么 就 必 须 赋 予 其 相 应 的 忘 却 机 制, 从 而 吐 故 纳 新 事 实 上, 工 程 师 为 交 换 机 设 定 了 一 个 自 动 老 化 时 间 (Auto-aging), 若 某 MAC 地 址 在 一 定 时 间 内 ( 默 认 为 300 s) 不 再 出 现, 那 么 交 换 机 将 自 动 把 该 MAC 地 址 从 地 址 表 中 清 除 当 下 一 次 该 MAC 地 址 重 新 出 现 时, 将 会 被 当 作 新 地 址 处 理 综 上 所 述, 交 换 机 作 为 当 前 局 域 网 的 主 要 连 接 设 备, 与 集 线 器 相 比 具 有 许 多 明 显 的 优 点, 目 前 正 有 全 面 取 代 集 线 器 之 势, 随 着 交 换 技 术 的 不 断 发 展, 以 太 网 交 换 机 的 价 格 急 剧 下 降, 交 换 到 桌 面 已 是 大 势 所 趋 如 果 网 络 上 拥 有 大 量 的 用 户 繁 忙 的 应 用 程 序 和 各 式 各 样 的 服 务 器, 而 且 用 户 还 未 对 网 络 结 构 做 出 任 何 调 整, 那 么 整 个 网 络 的 性 能 可 能 会 非 常 低 最 为 有 效 的 解 决 方 法 就 是 用 交 换 机 替 代 原 来 的 集 线 器 4. 交 换 机 的 分 类 由 于 交 换 机 所 具 有 许 多 优 越 性, 所 以 它 的 应 用 和 发 展 速 度 远 远 高 于 集 线 器, 出 现 了 各 种 类 型 的 交 换 机, 主 要 是 为 了 满 足 各 种 不 同 应 用 环 境 需 求 (1) 广 域 网 交 换 机 广 域 网 交 换 机 主 要 是 应 用 于 电 信 城 域 网 互 联 互 联 网 接 入 等 领 域 的 广 域 网 中, 提 供 通 信 的 基 础 平 台 (2) 局 域 网 交 换 机 这 种 交 换 机 就 是 我 们 常 见 的 交 换 机 了, 也 是 我 们 学 习 的 重 点 局 域 网 交 换 机 应 用 于 局 域 网 络, 用 于 连 接 终 端 设 备, 如 服 务 器 工 作 站 集 线 器 路 由 器 网 络 打 印 机 等 网 络 设 备, 提 供 高 速 独 立 通 信 通 道 路 由 器 概 述 Internet 是 由 众 多 分 离 的 网 络 连 接 起 来 的 互 联 网 络, 将 逻 辑 上 分 开 的 网 络 互 联 在 一 起 的 连 接 设 备 称 为 路 由 器 路 由 器 能 将 不 同 网 络 或 网 段 之 间 的 数 据 信 息 进 行 翻 译, 以 使 它 们 能 够 相 互 读 懂 对 方 的 数 据, 从 而 构 成 一 个 更 大 的 网 络 它 具 有 判 断 网 络 地 址 和 选 择 路 由 的 功 能, 与 前 面 所 介 绍 的 集 线 器 和 交 换 机 不 同, 它 不 是 应 用 于 同 一 网 段 的 设 备, 而 是 应 用 于 不 同 网 段 或 不 同 网 络 之 间 的 设 备, 是 网 络 层 设 备 路 由 器 之 所 以 能 在 不 同 网 络 之 间 起 到 翻 译 的 作 用 是 因 为 它 不 再 是 一 个 纯 硬 件 设 备, 而 是 具 有 相 当 丰 富 路 由 协 议 软 硬 结 构 设 备, 如 RIP 协 议 OSPF 协 议 EIGRP IPV6 协 议 等 这 些 路 由 协 议 就 是 用 来 实 现 不 同 网 段 或 网 络 之 间 的 相 互 理 解 路 由 器 具 有 两 大 典 型 功 能, 即 数 据 通 道 功 能 和 控 制 功 能 数 据 通 道 功 能 包 括 转 发 决 定

163 158 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 背 板 转 发 以 及 输 出 链 路 调 度 等, 一 般 由 特 定 的 硬 件 来 完 成 ; 控 制 功 能 一 般 用 软 件 来 实 现, 包 括 与 相 邻 路 由 器 之 间 的 信 息 交 换 系 统 配 置 系 统 管 理 等 路 由 器 具 有 判 断 网 络 地 址 和 选 择 路 径 的 功 能, 它 能 在 多 网 络 互 联 环 境 中, 建 立 灵 活 的 连 接, 可 用 完 全 不 同 的 数 据 分 组 和 媒 体 访 问 方 法 连 接 各 种 子 网 路 由 器 只 接 受 源 站 或 其 他 路 由 器 的 信 息, 属 网 络 层 的 一 种 互 联 设 备, 它 不 关 心 各 子 网 使 用 的 硬 件 设 备, 但 要 求 运 行 与 网 络 层 协 议 相 一 致 的 软 件 路 由 器 分 为 本 地 路 由 器 和 远 程 路 由 器, 本 地 路 由 器 是 直 接 通 过 诸 如 光 纤 同 轴 电 缆 双 绞 线 等 传 输 媒 体 连 接 的 ; 远 程 路 由 器 不 通 过 以 上 传 输 媒 体 直 接 连 接, 而 是 通 过 其 他 网 络, 如 电 话 网 有 线 电 视 网 等 公 用 网 进 行 远 程 连 接 的 在 局 域 网 接 入 广 域 的 众 多 方 式 中, 通 过 路 由 器 接 入 互 联 网 是 最 为 普 遍 的 方 式 使 用 路 由 器 的 最 大 优 点 是 各 互 联 子 网 仍 保 持 各 自 独 立, 每 个 子 网 可 以 采 用 不 同 的 拓 扑 结 构 传 输 媒 体 和 网 络 协 议, 网 络 结 构 层 次 分 明, 有 的 路 由 器 还 具 有 VLAN 管 理 功 能 通 过 路 由 器 与 互 联 网 相 联, 则 可 完 全 屏 敝 公 司 内 部 网 络, 起 到 一 个 防 火 墙 的 作 用, 因 此 使 用 路 由 器 上 网 还 可 确 保 内 部 网 的 安 全 路 由 器 系 统 构 成 了 基 于 TCP/IP 的 Internet 的 骨 架 随 着 Internet 和 企 业 网 络 的 不 断 普 及, 路 由 器 被 广 泛 的 使 用 路 由 器 的 主 要 工 作 就 是 为 经 过 路 由 器 的 每 个 数 据 包 寻 找 一 条 最 佳 传 输 路 径, 并 将 该 数 据 包 有 效 地 传 送 到 目 的 站 点 由 此 可 见, 选 择 最 佳 的 路 径 的 策 略 即 路 由 算 法 是 路 由 器 的 关 键 所 在 为 了 完 成 这 项 工 作, 在 路 由 器 中 保 存 着 各 种 传 输 路 径 的 相 关 数 据 路 由 表 (Routing Table), 供 路 由 选 择 时 使 用 路 由 表 中 保 存 着 子 网 的 标 志 信 息, 网 上 路 由 器 的 个 数 和 下 一 个 路 由 器 的 名 字 等 内 容 路 由 表 可 以 是 由 系 统 管 理 员 固 定 设 置 好 的 也 可 以 由 系 统 动 态 修 改, 可 以 由 路 由 器 自 动 调 整, 也 可 以 由 主 机 控 制 在 路 由 器 中 涉 及 到 两 个 概 念, 那 就 是 静 态 路 由 和 动 态 路 由, 静 态 (Static) 路 由 表, 一 般 是 系 统 安 装 时 就 根 据 网 络 的 配 置 情 况 预 先 设 定 的, 它 不 会 随 未 来 网 络 结 构 的 改 变 而 改 变 动 态 (Dynamic) 路 由 表 是 路 由 器 根 据 网 络 系 统 的 运 行 情 况 自 动 调 整 的 路 由 表 路 由 器 根 据 路 由 选 择 协 议 (Routing Protocol) 提 供 的 功 能, 自 动 学 习 和 记 忆 网 络 运 行 情 况, 在 需 要 时 自 动 计 算 数 据 传 输 的 最 佳 路 径 1. 路 由 器 的 主 要 功 能 路 由 器 的 主 要 功 能 就 是 路 由 和 交 换 路 由 器 的 路 由 功 能 可 以 分 为 以 下 几 个 方 面 : 1 在 网 络 间 接 接 收 节 点 发 来 的 数 据 包, 然 后 根 据 数 据 包 的 源 地 址 和 目 的 地 址, 对 照 自 己 缓 存 中 的 路 由 表, 把 数 据 包 直 接 转 发 到 目 的 节 点, 这 是 路 由 器 的 最 主 要 也 是 最 基 本 的 路 由 作 用 如 果 有 几 个 网 络 通 过 各 自 的 路 由 器 联 在 一 起, 一 个 网 络 中 的 用 户 要 向 另 一 个 网 络 的 用 户 发 出 访 问 请 求 的 话, 路 由 器 就 会 分 析 发 出 请 求 的 源 地 址 和 接 收 请 求 的 目 的 节 点 地 址 中 的 网 络 ID 号, 找 出 一 条 最 佳 最 经 济 最 快 捷 的 通 信 路 径 2 拆 分 和 包 装 数 据 包, 这 个 功 能 也 是 路 由 功 能 的 附 属 功 能 因 为 有 时 在 数 据 包 转 发 过 程 中, 由 于 网 络 带 宽 等 因 素, 数 据 包 过 大 的 话, 很 容 易 造 成 网 络 堵 塞, 这 时 路 由 器 就 要 把 大 的 数 据 包 根 据 对 方 网 络 带 宽 状 况 拆 分 成 小 的 数 据 包, 到 了 目 的 网 络 的 路 由 器 后, 目 的 网 络 的 路 由 器 就 会 再 把 拆 分 的 数 据 包 装 成 一 个 原 来 大 小 的 数 据 包, 再 根 据 源 网 络 路 由 器 的 转 发 信 息 获 取 目 的 节 点 的 MAC 地 址, 发 给 本 地 网 络 的 节 点 3 不 同 的 协 议 网 络 之 间 的 连 接 目 前 多 数 中 高 档 的 路 由 器 往 往 具 有 多 通 信 协 议 支 持 的 功 能, 这 样 就 可 以 起 到 连 接 两 个 不 同 通 信 协 议 网 络 的 作 用 如 常 用 Windows 操 作 平 台 所 使 用 的 通 信 协 议 主 在 是 TCP/IP 协 议, 但 是 如 果 是 Netware 系 统, 则 所 采 用 的 通 信 协 议 主 要 是 IPX/SPX 协 议, 还 有 一 些 特 殊 协 议 网 段, 这 些 都 需 在 靠 支 持 这 些 协 议 的 路 由 器 来 连 接

164 7.4 局 域 网 互 联 设 备 和 技 术 目 前 许 多 路 由 器 都 具 有 防 火 墙 的 功 能 ( 可 配 置 独 立 IP 地 址 的 网 管 型 路 由 器 ), 它 可 能 够 起 到 基 本 的 防 火 墙 功 能, 也 就 是 它 能 够 屏 敝 内 部 网 络 的 IP 地 址, 自 由 设 定 IP 地 址 通 信 端 口 过 滤, 使 网 络 更 加 安 全 5 路 由 器 的 一 个 明 显 优 势 就 是 可 以 抑 制 广 播 报 文, 当 路 由 器 收 到 一 个 广 播 地 址 报 文, 如 寻 址 报 文 ARP 时, 它 是 不 会 向 全 网 广 播 的, 而 是 将 自 己 的 MAC 地 址 发 送 给 源 主 机, 让 它 将 发 送 报 文 的 MAC 地 址 直 接 填 写 为 路 由 器 该 端 口 的 MAC 然 后 按 路 由 表 一 段 一 段 地 传 送 到 目 的 主 机, 从 而 有 效 地 抑 制 广 播 报 文 2. 路 由 器 和 交 换 机 的 区 别 路 由 器 的 作 用 与 交 换 机 非 常 类 似 但 是 与 工 作 在 数 据 链 路 层 从 物 理 上 划 分 网 段 的 交 换 机 不 同, 路 由 器 从 逻 辑 上 对 整 个 网 络 进 行 划 分 路 由 器 主 要 克 服 了 交 换 机 不 能 路 由 转 发 数 据 包 的 不 足 总 的 来 说, 路 由 器 与 交 换 机 的 主 要 区 别 体 现 在 以 下 几 个 方 面 : (1) 工 作 层 次 不 同 传 统 的 交 换 机 是 工 作 在 OSI/RM 开 放 系 统 结 构 的 数 据 链 路 层, 也 就 是 第 二 层, 而 路 由 器 一 开 始 就 设 计 工 作 在 OSI 模 型 的 网 络 层 由 于 交 换 机 工 作 在 OSI 的 第 二 层 ( 数 据 链 路 层 ), 所 以 它 的 工 作 原 理 比 较 简 单, 而 路 由 器 工 作 在 OSI 的 第 三 层 ( 网 络 层 ), 可 以 得 到 更 多 的 协 议 信 息, 路 由 器 可 以 做 出 更 加 智 能 的 转 发 决 策 (2) 数 据 转 发 所 依 据 的 对 象 不 同 交 换 机 是 利 用 物 理 地 址 或 者 说 网 卡 的 MAC 地 址 来 转 发 数 据 的, 而 路 由 器 则 是 利 用 不 同 网 络 的 ID 号 ( 即 IP 地 址 ) 来 确 定 数 据 转 发 的 地 址,IP 地 址 是 在 软 件 中 实 现 的, 描 述 的 是 设 备 所 在 的 网 络, 有 时 这 些 第 三 层 的 地 址 也 称 为 协 议 地 址, 或 者 网 络 地 址 MAC 地 址 通 常 是 硬 件 自 带 的, 由 网 卡 生 产 商 来 分 配 的, 而 且 已 经 固 化 到 了 网 卡 中 去, 一 般 来 说 是 不 可 更 改 的, 而 IP 地 址 则 通 常 由 网 络 管 理 员 或 系 统 自 动 分 配 (3) 分 割 的 范 围 不 同 传 统 的 交 换 机 只 能 分 割 冲 突 域 而 不 能 分 割 广 播 域 ; 而 路 由 器 可 以 分 割 广 播 域 由 交 换 机 连 接 的 网 段 仍 属 于 同 一 个 广 播 域, 广 播 数 据 包 会 在 交 换 机 连 接 的 所 有 网 段 上 传 播, 在 某 些 情 况 下 会 导 致 通 信 拥 挤 和 安 全 漏 洞 连 接 到 路 由 器 上 的 网 段 会 被 分 配 成 不 同 的 广 播 域, 广 播 数 据 不 会 穿 过 路 由 器 虽 然 第 三 层 以 上 交 换 机 具 有 VLAN 功 能, 也 可 以 分 割 广 播 域, 但 是 各 自 广 播 域 之 间 是 不 能 通 信 的, 它 们 之 间 的 通 信 仍 然 需 要 路 由 器 (4) 路 由 器 提 供 防 火 墙 服 务 路 由 器 提 供 了 防 火 墙 的 服 务, 它 仅 仅 转 发 特 定 地 址 的 数 据 包, 不 传 送 不 支 持 路 由 协 议 的 数 据 包 和 未 知 目 标 网 络 数 据 包, 从 而 可 以 防 止 广 播 风 暴 3. 路 由 器 的 工 作 原 理 本 节 学 习 参 见 IP 网 络 协 议 及 技 术 章 节 路 由 器 的 工 作 流 程 如 下 : (1) 接 收 帧, 并 分 解 IP 数 据 包 当 IP 数 据 包 封 装 在 数 据 链 路 帧 中, 通 过 物 理 网 络 传 送 到 路 由 器 的 某 个 端 口 时, 路 由 器 中

165 160 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 的 数 据 链 路 层 协 议 接 收 到 这 个 数 据 帧, 并 从 中 分 解 出 IP 数 据 包 后 交 给 IP 层 软 件 处 理 (2)IP 包 头 合 法 性 验 证 路 由 器 必 须 对 IP 合 法 性 进 行 验 证, 以 确 保 包 头 有 意 义 如 果 IP 数 据 包 在 下 列 任 何 一 个 测 试 中 失 败, 它 将 被 丢 弃, 同 时 进 行 错 误 统 计 1 接 收 的 链 路 层 数 据 长 度 足 够 大 (46~1 500 字 节 ), 以 容 纳 最 小 的 合 法 IP 数 据 包 (20 字 节 ) 2 IP 校 验 和 必 须 正 确 3IP 版 本 号 必 须 为 4 4IP 包 头 长 度 必 须 足 够 大, 最 小 的 合 法 IP 数 据 包 为 20 字 节 (3)IP 数 据 包 选 项 处 理 对 于 记 录 路 由 选 项, 路 由 器 在 选 项 数 据 域 中 写 入 自 己 的 IP 地 址 ; 对 于 时 间 戳 (Time Stamp) 选 项, 写 入 自 己 的 IP 地 址 及 当 前 以 毫 秒 为 单 位 的 世 界 标 准 时 间 计 算 值 ; 对 于 源 路 由 选 项, 要 先 写 入 自 己 的 IP 地 址, 后 面 还 要 作 进 一 步 的 处 理 (4)IP 数 据 包 本 地 提 交 和 转 发 当 路 由 器 收 到 一 个 IP 数 据 包 时 它 必 须 决 定 这 个 数 据 包 是 应 当 本 地 提 交 还 是 向 前 转 发 (5) 转 发 寻 径 当 路 由 器 决 定 要 转 发 一 个 IP 数 据 包 时, 就 选 择 下 一 个 路 由 器 的 地 址 路 由 器 根 据 目 的 网 络 地 址 检 索 其 路 由 表, 得 到 一 个 候 选 路 由 集 合 ; 如 果 这 个 集 合 为 空, 此 IP 数 据 包 被 丢 弃 或 走 缺 省 路 由 ; 如 果 集 合 中 有 多 个 元 素 时, 将 采 用 某 种 算 法 去 掉 多 余 元 素 而 得 到 一 个 最 佳 的 路 径 (6) 转 发 验 证 数 据 包 在 转 发 IP 数 据 包 之 前, 路 由 器 可 以 有 选 择 地 进 行 一 些 验 证 工 作 ; 当 检 测 到 不 合 法 的 IP 源 地 址 或 目 的 地 址 时, 这 个 数 据 包 将 被 丢 弃 ; 非 法 的 广 播 和 组 播 数 据 包 也 将 被 丢 弃 ; 通 过 设 置 包 过 滤 和 访 问 列 表 功 能, 限 制 在 某 些 方 向 上 数 据 包 的 转 发, 这 样 可 以 提 供 一 种 安 全 措 施, 使 得 外 部 系 统 不 能 与 内 部 系 统 在 某 种 特 定 协 议 上 进 行 通 信, 也 可 以 限 制 为 只 能 是 某 些 系 统 之 间 进 行 通 信 这 有 助 于 防 止 一 些 安 全 隐 患, 如 防 止 外 部 的 主 机 伪 装 内 部 主 机 通 过 路 由 器 建 立 对 话 (7)TTL 处 理 IP 包 头 中 的 Time To Live 域 (TTL) 用 于 限 制 数 据 包 的 生 存 时 间, 这 个 字 段 用 来 控 制 数 据 包 所 通 过 路 由 器 的 最 大 跳 数 数 据 每 经 过 一 个 路 由 器 都 至 少 把 此 值 减 少 1( 即 使 消 耗 的 时 间 远 小 于 1 s) 如 果 TTL 值 减 少 到 0, 这 个 数 据 包 必 须 被 丢 弃, 且 路 由 器 应 当 发 给 源 点 一 个 ICMP 超 时 控 制 报 文 (8) 数 据 包 分 片 这 个 步 骤 实 际 上 是 在 确 定 了 输 出 链 路 层 地 址 之 后 进 行 的, 由 于 各 种 物 理 网 络 对 帧 的 最 大 长 度 有 不 同 的 规 定, 叫 做 最 大 传 输 单 元 MTU(Maximum Transfer Unit) 当 要 转 发 的 IP 数 据 包 总 长 度 大 于 要 输 出 的 物 理 网 络 的 MTU 时, 路 由 器 要 把 这 个 数 据 分 片, 分 片 的 原 则 是 要 提 高 网 络 的 传 输 效 率, 节 省 带 宽, 并 且 有 利 于 提 高 传 送 路 径 上 路 由 器 的 处 理 效 率 (9) 链 路 层 寻 址 当 路 由 器 对 IP 数 据 包 的 处 理 已 经 基 本 完 成 了 网 络 层 的 功 能, 接 着 便 要 找 到 一 个 相 应 的 物 理 端 口, 把 数 据 包 从 数 据 链 路 层 中 发 送 出 去 在 路 由 器 中, 对 应 每 一 个 转 发 的 网 络 地 址, 都

166 7.4 局 域 网 互 联 设 备 和 技 术 161 有 一 个 相 应 的 端 口 值, 这 是 由 网 络 管 理 员 在 路 由 器 初 始 化 手 工 配 置 的 根 据 这 个 端 口 值, 可 以 得 知 要 输 出 的 物 理 网 络 类 型, 同 时 也 得 到 了 其 MTU 值, 与 其 体 物 理 网 络 相 关 的 驱 动 程 序 入 口 也 可 以 找 到, 在 具 体 实 现 时, 路 由 器 的 IP 层 软 件 与 各 驱 动 程 序 之 间 的 接 口 可 以 设 计 成 统 一 的 标 准, IP 软 件 只 要 把 IP 数 据 包 长, 目 的 物 理 网 络 地 址 下 一 站 的 IP 地 址 告 诉 驱 动 程 序, 剩 余 的 发 送 工 作 由 驱 动 程 序 来 做, 驱 动 程 序 把 从 上 层 收 到 的 IP 数 据 包 封 装 在 数 据 链 路 层 的 帧 中, 根 据 目 的 物 理 网 络 地 址 发 送 出 去, 如 果 这 一 端 口 连 在 某 种 共 享 物 理 媒 体 的 局 域 网 上, 驱 动 程 序 还 要 利 用 ARP 等 地 址 解 析 协 议 把 IP 地 址 转 换 为 物 理 地 址 这 种 把 与 具 体 网 络 相 关 的 操 作 都 放 在 驱 动 程 序 中 进 行, 从 IP 层 软 件 中 分 离 出 来 的 做 法, 有 利 于 提 高 底 层 模 块 的 可 扩 展 性, 以 及 实 现 IP 层 软 件 和 链 路 层 软 件 的 并 行 处 理 4. 路 由 算 法 (1) 静 态 路 由 在 这 种 方 法 中, 各 个 路 由 器 在 第 一 次 投 入 使 用 时, 就 把 那 些 连 接 各 网 络 标 识 的 输 出 线 路 加 载 到 自 己 的 路 由 表 中 我 们 将 列 出 图 7-12(b) 中 4 个 路 由 器 的 路 由 表, 为 了 避 免 不 必 要 的 重 复, 假 设 每 个 路 由 器 上 只 连 接 一 个 网 关 / 网 络 标 识 (a) 因 特 网 拓 扑 (b) 路 由 表 条 目 图 7-12 静 态 路 由 如 果 网 络 1 中 有 一 个 主 机 想 向 网 络 3 中 的 主 机 发 送 一 个 包, 当 R1 收 到 这 个 包 后 查 阅 自 己 的 路 由 表, 确 定 应 将 此 包 送 往 线 路 1 类 似 地, 当 R2 接 到 这 个 包 后, 将 它 送 往 线 路 2 最 后,R3 将 包 送 往 G3, 由 G3 传 送 给 IP 地 址 中 的 主 机 标 识 所 指 明 的 主 机 如 路 由 器 R3 和 R4 的 路 由 表 所 示, 在 这 两 个 路 由 器 之 间 传 输 包 时, 有 两 条 线 路 可 供 选 择 从 代 价 方 面 来 看, 两 条 路 径 的 代 价 都 是 2, 但 其 中 一 条 途 径 线 路 3, 而 另 一 路 径 通 过 路 由 器

167 162 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 R2 以 及 线 路 2 和 5 考 虑 到 距 离 这 个 衡 量 因 素, 第 二 条 路 径 距 离 较 长, 因 此 应 选 择 第 一 条 路 径 这 就 是 为 什 么 在 路 由 表 中 选 择 路 径 时 会 有 不 止 一 个 衡 量 因 素 的 原 因 从 路 由 表 中 还 可 以 发 现, 从 R1 至 R3 最 短 路 径 是 途 经 R2 的 线 路 1 和 2 考 察 R2 的 路 由 表, 从 R2 到 R3 的 最 短 路 径 也 是 线 路 2 一 般 地 讲, 如 果 A 和 C 两 个 路 由 器 之 间 的 最 短 路 径 之 间 经 过 路 由 器 B, 则 从 B 到 C 的 最 短 路 径 也 是 该 路 径, 这 就 是 所 谓 的 最 优 化 原 理 它 告 诉 我 们 最 短 路 径 上 的 每 个 路 由 器 只 需 辨 识 此 路 径 上 紧 接 着 的 下 一 个 路 由 器 即 可 因 此, 这 种 路 由 操 作 称 为 下 一 跳 路 由 或 逐 步 跳 (Hop-By-Hop) 路 由 静 态 路 由 选 择 的 缺 点 是 当 一 条 线 路 升 级 或 一 个 新 线 路 加 入 时, 所 有 路 由 表 中 的 表 项 可 能 都 需 要 改 变 同 样, 如 果 一 个 线 路 或 一 个 路 由 器 出 现 故 障, 在 故 障 上 报 时, 所 有 受 影 响 的 路 由 器 的 路 由 表 都 需 要 改 变 因 为 这 些 原 因, 静 态 路 由 选 择 对 象 Internet 这 样 的 又 大 又 持 续 变 化 的 网 络 是 不 适 用 的 (2) 洪 泛 式 算 法 为 了 解 释 洪 泛 式 (Flooding) 算 法 的 操 作, 假 设 从 主 机 A 到 主 机 B 传 送 报 文. 它 的 操 作 步 骤 如 图 7-13 所 示 图 7-13 宏 泛 式 举 例

168 7.4 局 域 网 互 联 设 备 和 技 术 163 R1 接 收 到 从 G1 过 来 的 包 后, 向 线 路 1 和 4 传 送 该 包 的 拷 贝 同 样, 路 由 器 R2 和 R4 接 收 到 该 包 后, 通 过 包 中 的 网 络 标 示 符 判 断 出 该 包 不 是 它 们 自 己 网 络 的 包, 则 继 续 把 包 的 拷 贝 通 过 线 路 2 和 线 路 5(R2) 及 线 路 3(R4) 传 送 由 于 线 路 2 线 路 3 相 比 是 高 比 特 低 费 用 的 线 路, 因 此 从 R2 传 送 的 拷 贝 先 期 到 达 R3, 并 且 R3 判 断 出 目 的 地 址 是 属 于 自 己 的 一 个 网 络 标 识 符,R3 则 把 包 传 送 给 G3 接 着 R3 将 接 收 到 多 余 的 拷 贝, 但 由 于 每 个 拷 贝 都 有 相 同 标 识, 所 以 R3 能 够 检 测 出 它 是 副 本 并 丢 弃 它 为 了 减 少 包 的 拷 贝 数 量, 包 被 拷 贝 转 发 的 次 数 被 限 定 在 上 面 的 例 子 中, 假 设 通 过 R1 在 包 头 的 生 命 期 字 段 中 写 入 限 定 值 3 接 收 路 由 器 在 转 发 前 要 对 限 定 值 减 一, 只 有 限 定 值 大 于 0 时 才 继 续 转 发 从 图 7-13 中 我 们 可 以 看 出, 洪 泛 式 算 法 保 证 包 的 第 一 个 拷 贝 沿 着 最 短 的 路 径 转 发, 因 此 在 最 短 的 时 间 内 被 接 收 同 时, 如 果 一 个 线 路 或 一 个 路 由 器 出 现 故 障, 只 要 有 另 外 一 条 路 径 是 可 行 的 包 的 一 个 拷 贝 一 定 能 被 接 收 因 此 洪 泛 式 是 一 个 自 适 应 ( 又 称 为 动 态 ) 的 路 由 选 择 算 法 不 过 从 这 个 简 单 的 例 子 我 们 也 可 以 看 出, 即 使 限 定 值 仅 为 3 跳, 包 也 要 传 送 10 次, 而 最 短 路 径 方 法 中 的 传 送 只 需 2 次 因 此 洪 泛 式 的 带 宽 开 销 很 大, 这 对 组 成 Internet 的 大 型 网 络 是 不 适 用 的 (3) 距 离 矢 量 算 法 距 离 矢 量 算 法 是 一 个 分 布 式 算 法, 每 一 个 路 由 器 都 能 够 建 立 一 个 包 含 到 达 网 间 所 有 网 络 标 识 符 的 路 径 费 用 ( 距 离 ) 的 路 由 表 ( 即 矢 量 ) 在 初 始 状 态, 每 个 路 由 器 首 先 仅 知 道 过 网 关 与 它 连 接 的 网 络 标 示 符 以 及 相 关 的 本 地 线 路 号 ; 其 次 知 道 直 接 连 接 到 其 他 路 由 器 的 线 路 的 标 示 符 和 它 们 的 费 用 通 常 这 些 信 息 由 网 络 管 理 者 录 入, 或 者 在 每 个 路 由 器 第 一 次 进 行 服 务 时 与 其 他 路 由 器 进 行 配 置 消 息 交 换 的 过 程 中 获 得 这 些 信 息 被 保 存 在 称 为 连 接 (Connectivity) 表 或 相 邻 (Adjacency) 表 的 一 个 表 中 为 了 使 每 个 路 由 器 在 预 先 定 义 的 时 间 间 隔 内 建 立 起 完 整 的 路 由 表 包 含 到 达 所 有 网 络 标 识 符 的 最 短 的 距 离 ( 最 短 路 径 ), 每 个 路 由 器 首 先 把 连 接 到 它 相 邻 路 由 器 的 线 路 的 已 知 费 用 加 到 自 己 的 路 由 表 的 当 前 距 离 值 中, 并 且 把 更 新 后 的 表 的 拷 贝 转 发 给 每 个 相 邻 路 由 器 然 后 基 于 接 收 到 的 信 息, 如 果 新 得 到 的 距 离 短 于 当 前 表 项, 每 个 路 由 器 用 新 的 值 修 改 自 己 的 路 由 表 随 着 更 新 表 的 内 容, 同 样 的 过 程 被 重 复 这 个 过 程 重 复 了 定 义 的 迭 代 次 数 后, 每 个 路 由 器 就 决 定 了 到 达 各 个 网 络 标 识 的 最 短 的 距 离 在 我 们 的 例 子 中,4 个 路 由 器 的 最 终 路 由 表 的 建 立 如 图 7-14(b) 所 示 为 了 避 免 重 复, 假 设 每 个 网 关 / 标 识 符 仅 跟 一 个 路 由 器 连 接, 正 如 我 们 所 看 到 的, 对 于 如 此 简 单 的 网 络, 也 要 经 过 两 次 定 了 到 达 各 个 网 络 标 示 符 的 最 短 的 距 离 以 R1 为 例, 它 接 收 R2 和 R4 的 更 新 过 的 路 由 表 的 内 容 因 此 R1 接 收 从 它 们 来 的 第 一 次 更 新 表 后, 决 定 到 达 网 络 标 识 符 2 的 最 短 的 路 径 是 经 由 R2 和 R4 也 在 接 收 从 它 们 邻 居 传 来 的 更 新 表, 那 么 R1 再 次 接 收 从 R2 和 R4 传 来 的 更 新 表, 从 而 决 定 到 达 网 络 标 识 符 3 的 最 短 距 离 是 经 由 R2 距 离 值 为 3 注 意 : 在 距 离 矢 量 算 法 中, 只 有 新 的 距 离 值 小 于 当 前 值 时, 该 表 项 才 会 被 更 新 同 时 具 有 相 同 路 径 费 用 值 的 路 由 将 会 被 抛 弃 每 个 路 由 器 的 最 终 路 由 表 都 包 含 下 一 跳 路 由 器 和 到 达 网 内 所 有 网 络 标 识 符 的 对 应 距 离 ( 路 径 费 用 ) 因 此 在 传 送 一 个 包 时, 首 先 在 包 头 的 目 的 IP 地 址 中 获 得 网 络 标 识 符, 并 从 路 由 表 中 读 出 下 一 跳 路 由 器 的 标 识, 然 后 由 连 接 表 获 得 转 发 包 的 线 路 号 为 了 确 保 表 中 每 一 表 项 都 反 映 当 前 网 络 的 动 态 拓 扑, 每 个 表 项 都 有 一 个 相 关 的 计 数 器

169 164 第 7 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 如 果 一 个 表 项 在 规 定 的 时 间 内 没 有 被 证 实, 那 么 就 已 经 过 时 这 就 意 味 着 每 个 路 由 器 需 要 定 期 地 ( 典 型 的 是 每 30 s) 传 送 一 次 它 的 完 整 的 路 由 表 这 对 于 一 个 小 型 网 络 不 成 问 题, 但 对 于 大 型 网 络 如 Internet, 距 离 矢 量 算 法 的 带 宽 和 处 理 开 销 都 很 大 同 时 因 为 表 项 按 接 收 到 的 顺 序 更 新 并 且 相 等 距 离 / 费 用 的 路 径 被 抛 弃, 所 以 路 由 器 可 能 有 不 同 的 路 由 到 达 相 同 的 目 的 地 这 可 能 导 致 访 问 某 些 目 的 地 的 包 被 循 环 不 是 直 接 到 达 要 求 的 路 由 器 / 网 关 不 过 使 用 距 离 矢 量 路 由 算 法 的 路 由 信 息 协 议 RIP(Routing Information Protocol) 仍 然 广 泛 使 用 在 组 成 Internet 的 许 多 网 络 中 (a) 网 络 拓 扑 和 初 始 表 (b) 最 终 路 由 表 的 推 算 过 程 图 7-14 距 离 矢 量 算 法

170 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 8.1 IP(Internet Protcol) 协 议 IP 层,Internet Protocol 层, 也 被 称 为 网 际 层 网 络 互 联 层 是 TCP/IP 模 型 的 关 键 部 分 它 的 功 能 是 使 主 机 可 以 把 IP 数 据 包 (Datagram) 发 往 任 何 网 络, 并 使 数 据 包 独 立 地 传 向 目 标 ( 中 途 可 能 经 由 不 同 的 网 络 ) IP 地 址 类 型 及 其 结 构 IP 地 址 是 网 络 协 议 地 址 (IP,Internet Protcol address) 的 简 称 用 于 Internet 上 主 机 的 唯 一 标 识, 通 信 时 要 利 用 IP 地 址 来 指 定 目 的 主 机 地 址, 有 两 种 形 式 用 来 表 示 计 算 机 在 Internet 上 的 地 址 : 一 种 是 数 字 表 示 的 地 址, 通 常 称 为 IP 地 址 Internet 的 IP 地 址 由 美 国 国 家 科 学 基 金 会 于 1993 年 组 成 的 Internet 信 息 中 心 注 册 服 务 部 门 (Inter-NIC Registration Services) 进 行 分 配 和 注 册 IP 地 址 就 像 电 话 网 中 每 部 电 话 必 须 有 一 个 唯 一 的 电 话 号 码 一 样, 它 是 识 别 网 络 中 上 某 台 主 机 的 方 法 另 一 种 是 字 母 表 示 的 地 址, 称 为 域 名 地 址 (Domain Name Address) 1. IP 地 址 的 组 成 通 常 我 们 所 说 的 IP 协 议 使 用 32 比 特 的 地 址, 也 可 称 为 IPv4 它 的 地 址 由 类 别 网 络 地 址 和 主 机 地 址 共 3 个 部 分 组 成 类 别 区 分 地 址 的 使 用 方 式, 网 络 地 址 用 于 区 分 不 同 的 网 络, 主 机 地 址 用 于 在 一 个 网 络 中 区 分 主 机 IP 地 址 分 为 五 类 :A 类 (ClassA) B 类 (ClassB) C 类 (ClassC) D 类 (ClassD) 和 E 类 (ClassE) 其 中 A,B 和 C 类 地 址 是 基 本 的 Internet 地 址, 是 用 户 使 用 的 地 址,D 类 地 址 是 用 于 多 目 标 广 播 的 广 播 地 址,E 类 地 址 为 保 留 地 址 IP 地 址 的 详 细 结 构 如 图 8-1 所 示 w x y z 位 A 类 0 网 络 地 址 ( 数 目 少 ) 主 机 地 址 ( 数 目 多 ) B 类 1 网 络 地 址 ( 数 目 中 等 ) 主 机 地 址 ( 数 目 中 等 ) C 类 1 0 网 络 地 址 ( 数 目 多 ) 主 机 地 址 ( 数 目 少 ) D 类 多 目 标 广 播 地 址 (Multicast Address) E 类 保 留 为 实 验 和 将 来 特 殊 使 用 图 类 IP 地 址 的 组 成 结 构 A 类 地 址 通 常 分 配 给 有 许 多 机 器 联 网 的 大 型 网 络, 它 用 第 一 位 0 作 为 标 志 使 用 24 位 的 主 机 地 址 (Host Address) 来 标 识 联 网 计 算 机, 网 的 主 机 数 目 可 达 万 台, 而 网 络 地 址 (Network Address) 使 用 7 位 来 限 制 可 被 识 别 的 网 络 数 目 B 类 地 址 用 10 作 为 标 志,

171 166 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 使 用 16 位 的 主 机 地 址 和 14 位 的 网 络 地 址, 网 内 主 机 最 多 台 C 类 地 址 用 110 作 为 标 志, 主 机 地 址 占 8 位, 网 内 主 机 数 目 有 254 台, 网 内 地 址 21 位,C 类 地 址 主 要 用 于 联 网 主 机 数 目 少 而 网 络 数 目 多 的 网 络 D 类 地 址 的 标 志 是 1110, 用 于 多 目 标 广 播 32 位 的 IP 地 址 分 成 4 组, 每 一 组 为 8 位 我 们 把 A 类 地 址 看 成 网 络 地 址. 主 机 地 址. 主 机 地 址. 主 机 地 址, 把 B 类 地 址 看 成 网 络 地 址. 网 络 地 址. 主 机 地 址. 主 机 地 址, 把 C 类 地 址 看 成 网 络 是 址. 网 络 地 址. 网 络 地 址. 主 机 地 址 为 了 方 便 记 忆, 我 们 把 32 比 特 的 IP 地 址 用 4 个 十 进 制 数 表 示, 并 且 用 点. 隔 开, 每 个 数 都 小 于 256 例 如, , 由 于 它 太 长, 不 便 于 记 忆, 因 此 用 4 个 十 进 制 数 表 示 , 称 为 点 分 十 进 制 计 数 法, 由 于 它 以 10 开 头, 所 以 是 一 个 B 类 地 址, 其 网 络 地 址 是 , 主 机 地 址 是 6.31 如 果 用 w,x,y,z 分 别 表 示 这 4 个 字 节, 这 5 类 地 址 的 范 围 就 为 : A 类 :1.x.y.z~126.x.y.z( 其 中, 不 作 IP 地 址, 用 于 网 络 内 部 使 用 ) B 类 :128.x.y.z~191.x.y.z C 类 :192.x.y.z~223.x.y.z D 类 : ~ ( 其 中, 不 用, 以 后 分 配 给 永 久 性 IP 主 机 组, 包 括 网 关 ) 随 着 Internet 的 高 速 发 展, 用 户 数 量 急 剧 增 加, 现 有 的 32 位 IP 地 址 出 现 了 危 机 面 对 这 种 情 况,IETF(Internet Engineer Task Force) 推 出 了 IPv6, 将 IP 地 址 扩 充 到 128 位, 地 址 数 目 增 加 到 个 2. 特 殊 的 IP 地 址 (1) 网 络 地 址 主 机 地 址 为 全 0 的 IP 地 址 不 分 配 给 任 何 主 机, 而 是 作 为 网 络 本 身 的 标 识, 例 如, 主 机 所 在 网 络 地 址 为 (2) 直 接 广 播 地 址 主 机 地 址 为 全 1 的 IP 地 址 不 分 配 给 任 何 主 机 ; 用 作 广 播 地 址, 对 应 分 组 传 递 给 该 网 络 中 的 所 有 结 点 ( 能 否 执 行 广 播, 则 依 赖 于 支 撑 的 物 理 网 络 是 否 具 的 广 播 的 功 能 ) 例 如, 主 机 所 在 的 网 络 的 广 播 地 址 为 (3) 有 限 广 播 地 址 32 位 为 全 1 的 IP 地 址 ( ) 称 为 有 限 广 播 地 址, 通 常 由 无 盘 工 作 站 启 动 时 使 用, 希 望 从 网 络 IP 地 址 服 务 器 处 获 得 一 个 IP 地 址 (4) 主 机 本 身 地 址 32 位 为 全 0 的 IP 地 址 ( ) 称 为 主 机 本 身 地 址 (5) 回 送 地 址 称 为 回 送 地 址, 常 用 于 本 机 上 软 件 测 试 和 本 机 上 网 络 应 用 程 序 之 间 的 通 信 地 址 一 般 在 系 统 中 都 有 一 个 文 件 hosts(windows 98\NT\2000 操 作 系 统 为 \windows\hosts 文 件, Unix\linux 系 统 为 \etc\hosts 文 件 ) 中 有 一 行 : localhost

172 8.1 IP(Internet Protcol) 协 议 专 用 IP 地 址 TCP/IP 协 议 需 要 IP 地 址 支 持, 随 着 Internet 的 普 及,IP 地 址 资 源 已 经 开 始 出 现 告 急 的 趋 势, 一 个 解 决 方 案 是 利 用 专 用 网 的 地 址 分 配 方 案 (RFC 1918) 原 理 是 定 义 两 类 IP 地 址 : 1 全 局 IP 地 址 : 用 于 Internet 上 的 公 共 主 机 ; 2 专 用 IP 地 址 : 仅 用 于 专 用 网 内 部 的 本 地 主 机 公 共 主 机 和 本 地 主 机 可 以 共 存 于 同 一 网 络, 进 行 互 访 ; 绝 大 多 数 路 由 器 不 转 发 携 带 本 地 IP 地 址 的 分 组 本 地 主 机 必 须 经 网 络 地 址 迁 移 服 务 器 (NAT 或 代 理 服 务 器 ) 才 能 访 问 Internet RFC1918 定 义 的 专 用 IP 地 址 : ~ 一 个 A 类 地 址 ; ~ 个 连 续 的 B 类 地 址 ; ~ 个 连 续 的 C 类 地 址 企 业 内 部 网 主 机 的 IP 地 址 可 以 设 置 成 专 用 IP 地 址, 进 行 企 业 内 部 的 网 络 应 用 ; 并 可 通 过 代 理 服 务 器 访 问 Internet( 如 图 8-2 所 示 ) 这 样 只 需 要 申 请 少 量 的 IP 地 址, 既 解 决 了 IP 地 址 不 足 问 题, 又 解 决 了 网 络 安 全 问 题 图 8-2 企 业 内 部 网 通 过 代 理 服 务 器 访 问 因 特 网 示 意 图 4. 网 络 中 IP 地 址 的 分 配 静 态 地 址 (Static Addressing): 必 须 为 每 个 设 备 分 别 配 置 IP 地 址, 并 且 不 能 重 复, 否 则 会 产 生 IP 地 址 冲 突, 有 些 操 作 系 统 在 初 始 化 TCP/IP 的 过 程 中, 会 通 过 发 送 ARP 请 求 来 检 测 是 否 有 IP 冲 突, 如 Windows 9X 和 Windows NT 系 列, 当 存 在 冲 突 时, 不 能 完 成 TCP/IP 的 初 始 化 动 态 主 机 配 置 协 议 :DHCP 服 务 器 上 定 义 一 个 IP 地 址 范 围, 整 个 计 算 机 地 址 信 息 都 可 以 动 态 获 得, 包 括 子 网 掩 码 等 BOOT strap 协 议 (BOOTP): 用 UDP 分 组, 能 够 获 得 本 机 IP 地 址 默 认 网 关 IP 地 址 服 务 器 地 址, 以 及 一 个 生 产 厂 商 指 定 域 不 能 用 于 完 全 动 态 的 配 置, 但 可 以 通 过 配 置 文 件 为 每 个 设 备 配 置 地 址 反 向 地 址 解 析 协 议 RARP: 在 已 知 MAC 地 址 和 情 况 下 获 得 IP 地 址

173 168 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 子 网 的 划 分 将 网 络 进 一 步 划 分 成 独 立 的 组 成 部 分, 每 个 部 分 称 为 这 个 网 络 ( 或 者 更 高 一 级 子 网 ) 的 子 网 子 网 的 设 计 是 为 了 便 于 网 络 的 管 理 提 高 系 统 的 可 靠 性 防 止 整 个 网 络 通 信 的 瘫 痪 改 进 系 统 性 能 克 服 简 单 局 域 网 的 技 术 条 件 限 制 通 过 设 置 不 同 访 问 权 限 来 增 强 系 统 安 全 保 障 1. 子 网 掩 码 掩 码 (NetMask) 有 网 络 掩 码 和 子 网 掩 码 两 种 网 络 掩 码 : 对 每 个 网 络 的 网 络 地 址 设 定 一 个 按 位 对 应 的 32 bit 的 二 进 制 数 ; 网 络 地 址 部 分 对 应 位 设 置 为 1, 主 机 地 址 部 分 的 对 应 位 应 设 置 为 0 子 网 掩 码 : 将 网 络 地 址 中 的 主 机 标 识 分 离 出 若 干 位 作 为 子 网 地 址 位 现 在 所 有 的 主 机 都 要 求 支 持 子 网 编 址 不 是 把 IP 地 址 看 成 由 单 纯 的 一 个 网 络 号 和 一 个 主 机 号 组 成, 而 是 把 主 机 号 再 分 成 一 个 子 网 号 和 一 个 主 机 号, 也 就 是 由 原 来 的 二 级 地 址 转 为 三 级 地 址 这 样 做 的 原 因 是 因 为 A 类 和 B 类 地 址 为 主 机 号 分 配 了 太 多 的 空 间, 可 分 别 容 纳 的 主 机 数 和 事 实 上, 在 一 个 网 络 中 人 们 并 不 安 排 这 么 多 的 主 机 由 于 全 0 或 全 1 的 主 机 号 都 是 无 效 的, 因 此 我 们 把 总 数 减 去 2 在 InterNIC 获 得 某 类 IP 网 络 号 后, 就 由 当 地 的 系 统 管 理 员 来 进 行 分 配, 由 他 来 决 定 是 否 建 立 子 网, 以 及 分 配 多 少 比 特 给 子 网 号 和 主 机 号 例 如, 这 里 是 一 个 B 类 网 络 地 址 ( ), 在 剩 下 的 16 bit 中,8 bit 用 于 子 网 号,8 bit 用 于 主 机 号, 格 式 如 图 8-3 所 示 这 样 就 允 许 有 254 个 子 网, 每 个 子 网 可 以 有 254 台 主 机, 许 多 管 理 员 采 用 的 划 分 方 法, 即 把 B 类 地 址 中 留 给 主 机 的 16 bit 中 的 前 8 bit 作 为 子 网 地 址, 后 8 bit 作 为 主 机 号 这 样 用 点 分 十 进 制 方 法 表 示 的 IP 地 址 就 可 以 比 较 容 易 确 定 子 网 号 但 是, 并 不 要 求 A 类 或 B 类 地 址 的 子 网 部 分 都 要 以 字 节 为 划 分 界 限 16 位 8 位 8 位 网 络 号 = 子 网 号 主 机 号 图 8-3 B 类 地 址 的 子 网 编 址 大 多 数 的 子 网 都 是 B 类 地 址 划 分 的 其 实 子 网 也 可 用 于 C 类 地 址, 只 是 它 可 用 比 特 数 较 少 而 已 很 少 出 现 A 类 地 址 的 子 网 例 子 是 因 为 A 类 地 址 本 身 就 很 少 ( 但 是, 大 多 数 A 类 地 址 都 是 进 行 子 网 划 分 的 ) 子 网 对 外 部 路 由 器 来 说 隐 藏 了 内 部 网 络 组 织 ( 一 个 校 园 或 公 司 内 部 ) 的 细 节 任 何 主 机 在 引 导 时 就 进 行 配 置 并 指 定 主 机 IP 地 址 大 多 数 系 统 把 IP 地 址 存 在 一 个 磁 盘 文 件 里 供 引 导 时 读 用 除 了 IP 地 址 以 外, 主 机 还 需 要 知 道 有 多 少 比 特 用 于 子 网 号 及 多 少 比 特 用 于 主 机 号 这 是 在 引 导 过 程 中 通 过 子 网 掩 码 来 确 定 的 这 个 掩 码 是 一 个 32 bit 的 值, 其 中 值 为 1 的 比 特 留 给 网 络 号 和 子 网 号, 值 为 0 的 比 特 留 给 主 机 号 图 8-4 是 一 个 B 类 地 址 的 两 种 不 同 的 子 网 掩 码 格 式 第 一 个 例 子 是 以 字 节 为 划 分 界 限 网 络 采 用 的 子 网 划 分 方 法, 子 网 号 和 主 机 号 都 是 8 bit 宽 第 二 个 例 子 是 一 个 B 类 地 址 划 分 成 10 bit 的 子 网 号 和 6 bit 的 主 机 号, 不 以 字 节 为 划 分 界 限

174 8.1 IP(Internet Protcol) 协 议 169 图 8-4 两 种 不 同 的 B 类 子 网 掩 码 的 例 子 尽 管 IP 地 址 一 般 以 点 分 十 进 制 方 法 表 示, 但 是 子 网 掩 码 却 经 常 用 十 六 进 制, 特 别 是 当 界 限 不 是 一 个 字 节 时, 因 为 子 网 掩 码 是 一 种 比 特 掩 码, 给 定 IP 地 址 和 子 网 掩 码 以 后, 主 机 就 可 以 确 定 IP 数 据 报 是 本 子 网 上 的 主 机 本 网 络 中 其 他 子 网 中 的 主 机 或 者 其 他 网 络 上 的 主 机 如 果 知 道 本 机 的 IP 地 址, 那 么 就 知 道 它 是 否 为 A 类 B 类 或 C 类 地 址 ( 从 IP 地 址 的 高 位 可 以 得 知 ), 也 就 知 道 网 络 号 和 子 网 号 之 间 的 分 界 线, 而 根 据 子 网 掩 码 就 可 知 道 子 网 号 以 及 主 机 号 和 子 网 之 间 的 分 界 线 例 如, 假 设 我 们 的 主 机 地 址 是 ( 一 个 B 类 地 址 ), 而 子 网 掩 码 为 ( 其 中 8 bit 为 子 网 号,8 bit 为 主 机 号 ) 如 果 目 的 IP 地 址 是 , 我 们 就 知 道 B 类 网 络 号 是 相 同 的 ( ), 但 是 子 网 号 是 不 同 的 (1 和 4) 用 子 网 掩 码 在 两 个 IP 地 址 之 间 的 比 较 如 图 8-5 所 示 图 8-5 使 用 子 网 掩 码 的 两 个 B 类 地 址 之 间 的 比 较 如 果 目 的 IP 地 址 是 , 那 么 B 类 网 络 号 不 是 一 样 的 ( ), 而 且 子 网 号 也 是 一 样 的 (1), 但 是 主 机 号 是 不 同 的 如 果 目 的 IP 地 址 是 ,( 一 个 C 类 地 址 ), 那 么 网 络 号 不 同 的, 因 而 进 一 步 的 比 较 就 不 用 再 进 行 了 给 定 两 个 IP 地 址 和 子 网 掩 码 后,IP 路 由 选 择 功 能 一 直 能 进 行 这 样 的 比 较 2. 子 网 掩 码 的 简 写 方 式 我 们 已 经 了 解 了 将 子 网 掩 码 与 IP 地 址 进 行 关 联 的 重 要 性, 但 是 为 每 个 地 址 都 写 一 个 会 花 费 很 多 的 时 间, 并 且 大 部 分 人 都 会 尽 量 使 用 一 些 省 事 的 办 法 因 此 就 产 生 一 种 只 用 几 个 字 符 表 示 子 网 掩 码 的 方 法

175 170 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 IP 地 址 和 子 网 掩 码 都 是 基 于 二 进 制 系 统 的, 简 写 方 式 是 一 个 斜 线 (/) 后 面 写 明 子 网 掩 码 的 位 数 使 用 这 种 方 法, 我 们 就 不 必 在 写 完 IP 地 址 还 要 再 写 明 子 网 掩 码 , 而 是 可 以 记 为 /24 这 是 因 为 子 网 掩 码 使 用 24 位 二 进 制 数 来 描 述 地 址 的 网 络 部 分, 这 种 方 法 减 少 了 正 确 记 录 地 址 所 需 的 工 作 量 3. 变 长 子 网 掩 码 子 网 掩 码 分 为 标 准 子 网 掩 码 和 变 长 子 网 掩 码 所 谓 标 准 子 网 掩 码, 就 是 说 其 中 只 有 两 个 数 值 :0 和 255 虽 然 在 大 多 数 情 况 下 这 样 是 很 好 的, 但 是 有 时 我 们 需 要 对 地 址 空 间 进 行 更 细 致 的 划 分 假 设 我 们 管 理 一 个 十 分 繁 忙 的 80 个 节 点 的 网 络, 作 为 控 制 流 量 的 一 种 方 法, 我 们 建 立 了 两 个 独 立 的 子 网, 使 用 一 个 路 由 器 进 行 连 接 我 们 再 假 设 要 将 这 个 网 络 连 接 到 Internet, 但 由 于 要 支 持 特 定 的 服 务, 我 们 不 想 使 用 地 址 转 换 设 备 我 们 希 望 网 络 内 部 的 每 台 主 机 都 具 有 一 个 有 效 的 IP 地 址, 于 是 我 们 联 系 一 家 Internet 服 务 供 应 商 (ISP), 并 且 提 供 了 ISP 连 接 所 需 的 文 件 材 料 由 于 我 们 的 网 络 规 模 很 小,ISP 只 愿 意 分 配 一 个 有 效 C 类 地 址, 这 时 我 们 有 4 种 选 择 : 1 寻 找 一 家 愿 意 分 配 两 个 有 效 地 址 的 ISP; 2 只 允 许 一 个 子 网 连 接 到 Internet; 3 将 两 个 子 网 合 并 忍 受 性 能 下 降 ; 4 使 用 变 长 子 网 掩 码 使 用 变 长 子 网 掩 码 (VLSM), 可 以 将 一 个 网 络 地 址 划 分 多 个 子 网 这 就 要 在 子 网 掩 码 中 使 用 一 些 位 于 0~255 之 间 的 数 值 数 值 255 意 味 着 IP 地 址 中 相 应 的 部 分 是 网 络 地 址 组 成 部 分, 数 值 0 表 示 IP 地 址 中 相 应 部 分 是 主 机 地 址 的 组 成 部 分 如 果 使 用 了 0~255 之 间 的 数 值, 我 们 就 可 以 将 相 对 应 的 一 部 分 作 为 网 络 地 址, 而 其 他 作 为 主 机 地 址 在 IP 网 络 中,VLSM 属 于 最 难 理 解 的 几 种 理 论 之 一 让 我 们 通 过 范 例 来 解 释 这 个 概 念 假 设 分 配 给 我 们 的 地 址 是 , 如 果 使 用 标 准 子 网 掩 码 , 我 们 就 只 能 配 置 一 个 子 网, 其 中 能 够 包 含 254 台 主 机 如 果 将 子 网 掩 码 改 变 为 , 能 够 有 效 地 将 网 络 分 为 两 半, 每 个 新 网 段 中 可 以 使 用 大 约 一 半 的 主 机 地 址 ( 在 1~254 之 间 ) 表 8-1 显 示 了 这 种 新 的 配 置, 图 8-6 显 示 了 这 个 配 置 应 用 到 网 络 上 的 情 况 表 8-1 使 用 变 长 子 网 掩 码 网 络 子 网 掩 码 起 始 主 机 地 址 终 止 主 机 地 址 广 播 地 址

176 8.1 IP(Internet Protcol) 协 议 171 图 8-6 使 用 变 长 子 网 掩 码 的 网 络 由 于 在 所 使 用 的 变 长 子 网 掩 码 划 分 的 子 网 中,127 变 成 了 广 播 地 址, 同 样,128 被 认 为 是 一 个 有 效 的 网 络 地 址 号, 等 同 于 0 这 就 进 一 步 说 明 没 有 子 网 掩 码,IP 地 址 没 有 什 么 意 义 在 使 用 标 准 子 网 掩 码 时,127 和 128 应 该 表 示 特 定 的 主 机, 而 现 在 它 同 样 分 别 表 示 广 播 地 址 和 整 个 第 二 子 网 当 我 们 看 到 这 个 掩 码 时, 很 显 然 前 三 个 字 节 是 网 络 地 址 在 最 后 一 个 字 节 中, 最 高 位 ( 相 当 于 十 进 制 的 128) 也 是 网 络 地 址 的 组 成 部 分, 而 剩 下 的 7 位 是 主 机 地 址 的 组 成 部 分, 在 简 写 方 式 中, 这 个 掩 码 将 被 记 为 /55 最 大 可 用 的 子 网 掩 码 是 , 其 中 每 个 子 网 只 能 包 含 两 台 主 机, 因 此 这 种 配 置 通 常 用 于 WAN, 子 网 中 的 设 备 通 常 就 是 连 接 两 端 的 路 由 器 我 们 还 可 以 在 同 一 个 IP 地 址 范 围 混 合 使 用 不 同 的 子 网 掩 码 例 如, 某 公 司 的 内 部 网 络 共 有 5 个 子 网 地 址, 其 中 一 个 子 网 大 约 有 100 台 主 机, 还 有 其 他 4 个 子 网, 每 个 子 网 大 约 有 20 台 主 机 与 这 个 环 境 最 接 近 的 子 网 掩 码 是 , 它 能 够 提 供 8 个 子 网, 但 是 每 个 子 网 只 能 支 持 30 台 主 机 解 决 这 个 问 题 的 办 法 是 将 整 个 地 址 范 围 划 分 为 5 个 子 网, 在 前 一 半 地 址 空 间 中 使 用 掩 码 , 用 于 具 有 100 台 主 机 的 子 网 使 用 子 网 掩 码 在 另 一 半 地 址 空 间 建 立 4 个 子 网, 每 个 子 网 都 能 够 包 含 30 台 主 机 表 8-2 显 示 了 使 用 这 些 子 网 掩 码 对 IP 地 址 的 划 分 的 5 个 子 网 ( 假 设 分 配 的 C 类 地 址 是 ) 表 8-2 某 公 司 内 部 网 络 于 网 划 分 子 网 掩 码 网 络 地 址 起 始 主 机 地 址 终 止 主 机 地 址 广 播 地 址

177 172 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 子 网 划 分 的 例 子 对 于 A 类 地 址 : 我 们 可 以 有 到 之 间 的 地 址, 默 认 的 子 网 掩 码 是 , 如 果 我 们 需 要 多 个 逻 辑 子 网, 就 要 改 变 子 网 掩 码 例 如, 我 们 可 以 使 用 B 类 子 网 掩 码 来 划 分 得 到 地 址 范 围, 从 而 可 以 支 持 255 个 子 网, 范 围 是 ~ , 每 个 子 网 支 持 台 主 机 图 8-7 显 示 了 路 由 器 两 端 的 子 网 地 址 肯 定 是 不 同 的, 任 何 逻 辑 子 网 都 是 限 制 在 路 由 器 之 内 的 图 8-7 A 类 IP 地 址 使 用 B 类 子 网 掩 码 我 们 还 可 以 选 择 C 类 子 网 掩 码 , 这 样 就 能 够 支 持 最 多 个 子 网, 子 网 地 址 范 围 是 ~ , 每 个 子 网 最 多 客 纳 254 台 主 机 图 8-8 显 示 了 使 用 C 类 子 网 掩 码 后 的 情 况, 对 于 B 类 地 址, 也 可 经 使 用 类 似 的 方 法 选 择 子 网 掩 码

178 8.1 IP(Internet Protcol) 协 议 173 图 8-8 A 类 IP 地 址 使 用 C 类 的 子 网 掩 码 Ipconfig 命 令 Ipconfig 显 示 所 有 当 前 的 TCP/IP 网 络 配 置 值 刷 新 动 态 主 机 配 置 协 议 (DHCP) 和 域 名 系 统 (DNS) 设 置 使 用 不 带 参 数 的 Ipconfig 可 以 显 示 所 有 语 法 : Ipconfig[/au][/renew[Adapter]]>[/release[Adapter]]>[/flashdns][/displaydans][/registerdns] [/showclassid Adapter][/serclassid Adapter[/ClassID]] 参 数 : /all 显 示 所 有 适 配 器 的 完 整 TCP/IP 配 置 信 息 在 没 在 该 参 数 的 情 况 下 Ipconfig 只 显 示 IP 地 址 子 网 掩 码 和 各 个 适 配 器 的 默 认 网 关 值, 适 配 器 可 以 代 表 物 理 接 口 ( 如 安 装 的 网 络 适 配 器 ) 或 逻 辑 接 口 ( 如 拨 号 连 接 ) /renew[adapter] 更 新 所 有 适 配 器 ( 如 果 未 指 定 适 配 器 ), 或 特 定 适 配 器 ( 如 果 包 含 了 Adapter 参 数 ) 的 DHCP 配 置, 该 参 数 仅 在 具 有 配 置 为 自 动 获 取 IP 地 址 的 网 卡 的 计 算 机 上 可 用 要 指 这 定 适 配 器 名 称, 请 键 入 使 用 不 带 参 数 的 Ipconfig 命 令 显 示 的 适 配 器 名 称 /release[adapter] 发 送 DHCP RELEASE 消 息 到 DHCP 服 务 器, 以 释 放 所 有 适 配 器 ( 如 果 未 指 定 适 配 器 ) 或 特 定 适 配 器 ( 如 果 包 含 了 Adpter 参 数 ) 的 当 前 DHCP 配 置 并 丢 弃 IP 地 址 设 置 该 参 数 可 以 禁 用 配 置 为 自 动 获 取 IP 地 址 的 适 配 器 的 TCP/IP 要 指 定 适 配 器 名 称, 请 键 入 使 用 不 带 参 数 的 ipconfig 命 令 显 示 的 适 配 器 名 称 /flashdns 清 理 并 重 设 DNS 客 户 解 析 器 缓 存 的 内 容, 如 果 必 要, 在 DNS 疑 难 解 答 期 间 可 以 使 用 本

179 174 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 过 程 从 缓 存 中 丢 弃 否 定 性 缓 存 记 录 和 任 何 其 他 动 态 添 加 的 记 录 /displaydns 显 示 DNS 客 户 解 析 缓 存 的 内 容, 包 括 从 本 地 主 机 文 件 预 装 载 的 记 录 以 及 由 计 算 机 解 析 的 名 称, 查 询 最 近 获 得 的 任 何 资 源 记 录 DNS 客 户 服 务 在 查 询 配 置 的 DNS 服 务 器 之 前 使 用 这 些 信 息 可 以 快 速 解 析 被 频 繁 查 询 的 名 称 /registerdans 初 始 化 计 算 机 上 配 置 的 DNS 名 称 和 IP 地 址 的 手 工 动 态 注 册, 可 以 使 用 该 参 数 对 失 败 的 DNS 名 称 注 册 进 行 疑 难 解 答 或 解 决 客 户 和 DNS 服 务 器 之 间 的 动 态 更 新 问 题, 而 不 必 重 新 启 动 客 户 计 算 机 TCP/IP 协 议 高 级 属 性 中 的 DNS 设 置 可 以 确 定 DNS 注 册 了 哪 些 名 称 /showclassid adapter 显 示 指 定 适 配 器 的 DHCP 类 别 ID, 要 查 看 所 有 适 配 器 的 DHCP 类 别 ID, 可 以 使 用 星 号 (*) 通 配 符 代 替 Adapter 该 参 数 仅 在 具 有 配 置 自 动 获 取 IP 地 址 的 网 卡 的 计 算 机 上 可 用 /setclassid Adapter[ClassID] 配 置 特 定 适 配 器 的 DHCP 类 别 ID, 要 设 置 所 有 适 配 器 的 DHCP 类 别 ID, 可 以 使 用 星 号 (*) 通 配 符 代 替 Adapter 该 参 数 仅 参 数 具 有 配 置 获 取 IP 地 址 的 网 卡 的 计 算 机 上 可 用 如 果 指 定 DHCP 类 别 ID, 则 会 删 除 当 前 类 别 ID /? 命 令 帮 助 例 如 : C:\.>ipconfig/all Windows IP configuration Host Name qqq Prmary Dns Suffix : Node Type :Un know IP Routing Enabled :No WINS Proxy Enabled :No Etherrn adapter 无 线 网 络 连 接 : Media State :Media disconected Description :Intel(R)PRO/WinelessLAN B Mini PCI Adapter Physical Address : E3 Ethernet adapter 大 学 校 园 网 : Connetion-specfic DNS suffix Description :VIA VT6105 Rhine Ⅲ Fast Ethernet A dapher Physial Address : OD-EO-4C 4D 8B 8E Dhcp Enabled :NO IP Address : Subnet Mask : Defalt Gateway : DNS Servers :

180 8.2 地 址 解 析 协 议 (ARP) 地 址 解 析 协 议 (ARP) 当 我 们 在 浏 览 的 地 址 栏 中 输 入 网 址 时,DNS 服 务 器 会 自 动 把 它 解 析 为 IP 地 址, 浏 览 器 实 际 上 查 找 的 是 IP 地 址 而 不 是 网 址 IP 数 据 包 常 通 过 以 太 网 发 送, 以 太 网 设 备 并 不 识 别 32 位 IP 地 址 : 它 们 是 以 48 位 物 理 地 址 传 输 以 太 网 数 据 包 的 ARP 协 议 功 能 就 是 将 IP 地 址 转 换 为 第 二 层 物 理 地 址 ( 即 MAC 地 址 ) ARP 地 址 对 网 络 安 全 具 有 重 要 的 意 义, 通 过 伪 造 IP 地 址 和 MAC 地 址 实 现 ARP 欺 骗, 能 够 在 网 络 中 产 生 大 量 的 ARP 通 信 量 使 网 络 阻 塞, 所 以 我 们 应 深 入 理 解 ARP 协 议 ARP 协 议 简 介 ARP 协 议 是 Address Resolution Protol( 地 址 解 析 协 议 ) 的 缩 写, 在 局 域 网 中, 网 络 中 实 际 传 输 的 是 帧, 帧 里 面 包 含 有 目 标 主 机 的 MAC 地 址, 在 以 太 网 中, 一 个 主 机 要 和 另 一 个 主 机 进 行 直 接 通 信, 必 须 知 道 目 标 主 机 的 MAC 地 址 但 这 个 目 标 MAC 地 址 是 如 何 获 得 的 呢? 它 就 是 通 过 地 址 解 析 协 议 获 得 的, 所 谓 地 址 解 析 就 是 主 机 在 发 送 帧 前 将 目 标 IP 地 址 转 换 成 目 标 MAC 地 址 的 过 程 ARP 协 议 的 基 本 功 能 就 是 通 过 目 标 设 备 的 IP 地 址, 查 询 目 标 设 备 的 MAC 地 址, 以 保 证 通 信 顺 利 进 行 ARP 协 议 的 工 作 原 理 ARP 工 作 时, 送 出 一 个 含 有 所 希 望 的 IP 的 以 太 网 广 播 数 据 包 目 的 地 主 机 或 另 一 个 代 表 该 主 机 的 系 统, 以 一 个 含 有 IP 和 以 太 网 地 址 对 应 的 数 据 包 作 为 应 答 发 送 者 将 这 个 地 址 对 应 高 速 缓 存 起 来, 以 节 约 不 必 要 的 ARP 通 信 在 每 台 安 装 TCP/IP 协 议 的 电 脑 里 都 有 一 个 ARP 缓 存 表, 表 里 的 IP 地 址 与 MAC 地 址 是 一 一 对 应 的, 如 表 8-3 所 示 IP 地 址 表 8-3 IP 地 址 与 MAC 地 址 的 对 照 MAC EO-4C-3D EO-4C-3D-C EO-4C-4D-BA-92 我 们 以 主 机 A( ) 向 主 机 B( ) 发 送 数 据 为 例 当 发 送 数 据 时, 主 机 A 会 在 自 己 的 ARP 缓 存 表 中 寻 找 是 否 有 目 标 IP 地 址 如 果 找 到 了, 也 就 知 道 了 目 标 MAC 地 址, 直 接 把 目 标 MAC 地 址 写 入 帧 里 面 发 送 就 可 以 了 ; 如 果 在 自 己 的 ARP 缓 存 表 中 没 有 找 到 相 对 应 的 IP 地 址, 主 机 A 就 会 在 网 络 上 发 送 一 个 广 播, 目 标 MAC 地 址 是 FF.FF.FF.FF.FF.FF, 这 表 示 向 同 一 网 段 内 的 所 有 主 机 发 送 这 样 的 询 问 : 的 MAC 地 址 是 什 么? 网 络 上 其 他 主 机 并 不 响 应 ARP 询 问 只 有 主 机 B 接 收 到 这 个 帧 时, 才 向 主 机 A 作 出 这 样 的 回 应 : 的 MAC 地 址 是 00-EO-4C-3D 这 样, 主 机 就 知 道 了 主 机 B 的 MAC 地 址, 它 就 可 以 向 主 机 发 送 信 息 了 同 时 它 还 更 新 自 己 的 ARP 缓 存 表, 下 次 再 向 主 机 B 发 送 信 息 时, 直 接 从 ARP 缓 存 表 里 查 找 就 可 以 了 ARP 缓 存 表 采 用 了 老 化 机 制, 在 一 段 时 间 内 如 果 表 中 的 某 一 行 没 在 使 用, 就 会 被 删 除, 这 样 可 以 大 大 减 少 ARP 缓 存 表 的 长 度, 加 快 查 询 速 度

181 176 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 表 8-4 是 IP 和 MAC 地 址 转 换 的 ARP 报 文 格 式 在 表 中 每 一 行 为 32 位, 也 就 是 4 个 八 位 组 表 示 硬 件 类 型 字 段 指 明 了 发 送 方 想 知 道 的 硬 件 接 口 类 型, 以 太 网 的 值 为 1 协 议 类 型 字 段 指 明 了 发 送 方 提 供 的 高 层 协 议 类 型,IP 为 0806(16 进 制 ) 硬 件 地 址 长 度 和 协 议 长 度 指 明 了 硬 件 地 址 和 高 层 协 议 地 址 的 长 度, 这 样 ARP 报 文 就 可 以 在 任 意 硬 件 和 任 意 协 议 的 网 络 中 使 用 操 作 字 段 用 来 表 示 这 个 报 文 的 目 的,ARP 请 求 为 1,ARP 响 应 为 2,RARP 请 求 为 3, RARP 响 应 为 4 硬 件 类 型 表 8-4 以 太 网 上 的 ARP 报 文 格 式 协 议 类 型 硬 件 长 度 协 议 长 度 操 作 发 送 方 首 部 ( 八 位 组 0~3) 发 送 方 首 部 ( 八 位 组 4~5) 发 送 方 IP 地 址 ( 八 位 组 0~1) 发 送 方 IP 地 址 ( 八 位 组 2~3) 目 标 商 务 部 首 部 ( 八 位 组 0~1) 目 标 首 部 ( 八 位 组 2~5) 目 标 IP 地 址 ( 八 位 组 0~3) 当 发 出 ARP 请 求 时, 发 送 方 填 好 发 送 方 首 部 和 发 送 方 IP 地 址, 还 要 填 写 目 标 IP 地 址 当 目 标 机 器 收 到 这 个 ARP 广 播 包 时, 就 会 在 响 应 报 文 填 上 自 己 的 48 位 主 机 地 址, 如 图 8-9 所 示 图 8-9 ARP 请 求 和 相 应 的 示 意 图 ARP 缓 存 表 ARP 缓 存 表 是 可 以 查 看 的, 也 可 以 添 加 和 修 改 在 命 令 提 示 符 下, 输 入 arp-a 就 可 以 查 看 ARP 缓 存 表 中 的 内 容 了, F:\ arp-a Interface: on interface 0x2 Internet Address Physical Address

182 8.3 IP 分 组 格 式 e Static F:\> 用 arp-d 命 令 可 以 删 除 ARP 表 中 某 一 行 的 内 容 ; 用 arp-s 可 以 手 动 在 ARP 表 中 指 定 IP 地 址 与 MAC 地 址 的 对 应 8.3 IP 分 组 格 式 1.IP 首 部 IP 数 据 报 的 格 式 如 图 8-10 所 示 一 般 的 IP 首 部 长 度 为 20 个 字 节, 除 非 含 有 选 项 字 段 位 版 本 号 4 位 首 部 长 度 8 位 服 务 类 型 TOS 16 位 总 长 度 ( 字 节 数 ) 16 位 标 识 3 位 标 志 13 位 片 偏 移 8 位 生 存 时 间 (TTL) 8 位 协 议 标 识 16 位 首 部 校 验 和 32 位 源 地 址 32 位 目 的 IP 地 址 IP 选 项 数 据 图 8-10 IP 数 据 报 格 式 及 首 部 中 的 各 字 段 图 8-10 中 的 首 部, 最 高 位 在 左 边, 记 为 1 bit; 低 位 在 右 边, 记 为 32 bit 4 个 字 节 的 32 bit 值 以 下 面 的 次 序 传 播 首 先 是 1~8 bit, 其 次 是 9~16 bit, 再 次 是 17~24 bit, 最 后 是 25~32 bit, 这 种 传 输 次 序 称 做 big endian 字 节 由 于 TCP/IP 首 部 中 所 有 的 二 进 制 整 数 在 网 络 中 传 输 时 要 求 以 这 种 次 序, 因 此 它 又 称 做 网 络 字 节 序, 以 其 他 形 式 存 储 二 进 制 整 数 的 机 器, 如 little endian 格 式, 则 必 须 在 传 输 数 据 之 前 把 首 部 转 换 成 网 络 字 节 序 2.IP 数 据 中 各 字 段 的 定 义 IP 数 据 报 中 各 字 段 的 定 义 如 下 : 1 版 本 号 : 占 4 位, 目 前 的 协 议 版 本 号 是 4, 因 此 IP 有 时 也 称 做 IPv4 2 首 部 长 度 : 占 4 位, 以 32 位 为 单 位 的 IP 报 头 长 度, 包 括 选 项 在 没 有 选 项 时, 首 部 长 度 字 段 中 的 值 是 5 3TOS: 服 务 类 型 (Type Of Service) 字 段 占 一 个 字 节, 表 示 对 数 据 的 处 理 方 式 该 字 段 包 括 3 bit 的 优 先 权 子 字 段,4 bit 的 TOS 字 段 和 1 bit 未 使 用 位 置 0 4 bit 的 TOS 分 别 代 表 : 最 小 时 延 最 大 吞 吐 量 最 高 可 靠 性 和 最 小 费 用 4 bit 中 只 能 置 其 中 1 bit, 如 果 所 有 4 bit 均 为 0, 那 么 就 是 意 味 着 是 一 般 服 务 例 如,Telnet 和 Rlogin 要 求 最 小 传 输 时 延, 因 为 人 们 主 要 用 它 们 来 传 输 少 量 的 交 互 数 据 FTP 文 件 传 输 则 要 求 有 最 大 的 吞 吐 量 网 络 管 理 (SNMP) 和 路 由 选 择 协 议 要 求 最 高 可 靠 性,

183 178 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 用 户 网 络 新 闻 (Usenet News,NNTP) 要 求 最 小 费 用, 等 等 4 总 长 度 (Total Hength) 字 段 : 是 指 整 个 IP 数 据 的 长 度 ( 包 括 IP 首 部 ), 以 字 节 为 单 位 利 用 首 部 长 度 和 总 长 度 字 段, 就 可 以 知 道 IP 数 据 内 容 的 起 始 位 置 和 长 度, 该 字 段 占 二 个 字 节,IP 数 据 报 最 长 可 达 字 节 总 长 度 字 段 是 IP 首 部 中 必 要 的 内 容 因 为 一 些 数 据 链 路 ( 如 以 太 网 ) 需 在 填 充 一 些 数 据 以 达 到 以 太 网 最 小 长 度, 尽 管 以 太 网 中 的 数 据 段 最 小 长 度 为 46 字 节, 但 是 IP 数 据 可 能 会 更 短, 如 果 没 有 总 长 度 字 段, 那 么 IP 层 就 不 知 道 46 字 节 有 多 少 是 IP 数 据 报 的 内 容 5 标 识 符 : 标 识 符 (Identification) 字 段 唯 一 标 识 主 机 发 送 的 每 一 份 数 据 报 同 一 源 主 机 发 出 的 各 个 数 据 报 都 有 唯 一 的 标 识 在 数 据 传 输 过 程 中, 由 于 有 些 网 络 的 处 理 能 力 有 限, 路 由 器 必 须 将 该 数 据 报 分 片, 但 无 论 分 成 多 少 片, 每 一 片 都 有 相 同 标 识 符, 该 字 段 占 16 位 6 标 志 : 标 志 (Flag) 字 段 占 3 位 第 一 位 : 恒 为 0, 第 二 位 :0 可 以 分 片,1 不 可 以 分 片 第 三 位 :0 最 后 一 片, 非 最 后 报 片 7 片 偏 移 : 片 偏 移 (Fragment Offset) 字 段 占 13 位, 表 示 当 前 段 片 在 初 始 数 据 报 文 中 的 位 置 目 的 主 机 根 据 片 偏 移 来 重 新 组 合 数 据 报 8TTL: 生 存 时 间 (Time-To-Live) 字 段 占 一 个 字 节, 是 数 据 报 在 网 络 中 数 据 传 输 的 计 时 时 钟, 最 大 值 为 255, 缺 省 值 为 64, 该 字 段 中 设 置 了 数 据 可 以 经 过 的 最 多 路 由 器 的 个 数, 它 指 定 了 数 据 报 的 生 存 时 间,TTL 的 初 始 值 由 源 主 机 设 置, 一 旦 经 过 一 个 处 理 它 的 路 由 器, 它 的 值 就 减 去 1, 当 该 字 段 的 值 为 0 时, 数 据 报 就 被 丢 弃, 并 发 送 ICMP 的 报 文 通 知 源 主 机 9 协 议 标 识 : 协 议 段 占 8 位, 标 识 接 收 数 据 报 中 数 据 高 层 的 协 议 号 例 如,1- 互 联 网 控 制 报 文 协 议 (ICMP) 6- 传 输 控 制 协 议 (TCP) 8- 外 部 网 关 协 议 (EGP) 17- 用 户 数 据 报 据 协 议 (UDP), 等 等 10 首 部 校 验 和 : 首 部 校 验 和 字 段 占 16 位, 根 据 IP 首 部 计 算 校 验 和 码, 它 不 对 首 部 后 面 的 数 据 进 行 计 算, 因 为 ICMP IGMP UDP 和 TCP 在 它 们 各 自 的 首 部 均 含 有 同 时 覆 盖 首 部 和 数 据 的 校 验 和 码 为 了 计 算 一 个 数 据 报 的 IP 校 验 和, 首 先 把 校 验 和 字 段 设 置 为 0, 然 后, 对 首 部 中 每 个 16 bit 进 行 二 进 制 反 码 求 和 结 果 存 在 校 验 和 字 段 中, 当 收 到 一 份 数 据 报 后, 同 样 对 首 部 中 每 个 16 bit 进 行 二 进 制 反 码 的 求 和, 由 于 接 收 过 程 中 包 含 了 发 送 方 存 在 首 部 中 的 校 验 和, 因 此, 如 果 首 部 在 传 输 过 程 中 没 有 发 生 任 何 差 错, 那 么 接 收 方 计 算 的 结 果 应 该 为 全 1, 如 果 结 果 不 是 全 1( 即 校 验 和 错 误 ), 那 么 IP 就 丢 弃 收 到 的 数 据 报, 但 是 不 生 成 差 错 报 文, 由 上 层 去 发 现 丢 失 数 据 报 并 进 行 重 传 k 源 IP 地 址 :32 位 的 源 IP 地 址 字 段 表 明 该 IP 地 址 报 是 由 哪 个 主 机 发 出 来 的 l 目 的 IP 地 址 :32 位 的 目 的 IP 地 址 字 段 表 明 该 IP 地 址 数 据 报 应 该 去 的 目 的 地 mip 选 项 : 任 选 字 段 用 于 存 放 安 全 保 密 报 文 经 历 错 误 调 试 报 告 时 戳 等 信 息, 是 IP 数 据 报 中 一 个 可 变 长 的 选 项 目 前 这 些 任 选 项 定 义 如 下 : 安 全 和 处 理 限 制 ( 用 于 军 事 领 域 ) 记 录 路 径 ( 让 每 个 路 由 器 都 记 下 它 的 IP 地 址 ) 时 间 戳 ( 让 每 个 路 由 器 都 记 下 它 的 IP 地 址 和 时 间 ) 宽 松 的 源 站 选 路 ( 为 数 据 报 指 定 一 系 列 必 须 经 过 的 IP 地 址 )

184 8.4 互 联 网 控 制 报 文 协 议 ICMP 179 严 格 的 源 站 选 路 ( 与 宽 松 的 源 站 选 路 类 似, 但 是 要 求 只 能 经 过 指 定 的 这 些 地 址, 不 能 经 过 其 他 的 地 址 ) 这 些 选 项 很 少 被 使 用, 因 为 好 多 主 机 和 路 由 器 不 支 持 这 些 选 项, 选 项 字 段 一 直 都 是 以 32 bit 作 为 界 限, 在 必 要 的 时 候 插 入 值 为 0 的 填 充 字 节, 这 样 就 保 证 IP 首 部 始 终 是 32 bit 和 整 数 倍 8.4 互 联 网 控 制 报 文 协 议 ICMP IP 协 议 是 一 种 不 可 靠 无 连 接 传 输, 当 数 据 包 经 过 多 个 网 络 传 输 过 程, 可 能 出 现 错 误 目 的 主 机 不 响 应 包 拥 塞 等 问 题, 为 了 处 理 这 些 问 题, 在 IP 引 入 了 一 个 子 协 议 ICMP(Internet Control Message Protocol) 在 所 有 TCP/IP 主 机 上 都 可 以 实 现 ICMP ICMP 是 IP 层 的 一 个 组 成 部 分,ICMP 数 据 有 两 种 形 式 : 错 误 数 据 报 和 查 询 数 据 报 它 们 都 使 用 IP 协 议 装 载 在 IP 数 据 报 里 传 输, 用 来 传 递 差 错 报 文 以 及 其 他 需 要 注 意 的 信 息 ICMP 报 文 可 以 被 IP 协 议 层 传 输 层 协 议 (TCP 或 UDP) 和 用 户 进 程 使 用 ICMP 与 IP 一 样 都 是 不 可 靠 传 输,ICMP 的 信 息 也 可 能 丢 失 为 了 防 止 ICMP 信 息 无 限 制 的 连 续 发 送, 对 ICMP 数 据 报 传 输 中 出 现 的 问 题 不 可 再 使 用 ICMP 传 输 ICMP 报 文 封 装 在 IP 数 据 报 内 部, 如 图 8-11 所 示 图 8-11 ICMP 封 装 在 IP 数 据 报 内 部 ICMP 分 组 格 式 及 其 类 型 ICMP 报 文 格 式 如 图 8-12 所 示 图 8-12 ICMP 报 文 格 式 类 型 : 类 型 字 段 占 8 位, 有 15 个 不 同 的 值 用 来 描 述 类 型 的 ICMP 报 文 代 码 : 代 码 字 段 占 8 位, 进 一 步 描 述 某 些 ICMP 报 文 的 具 体 说 明 校 验 和 : 校 验 和 字 段 占 16 位, 覆 盖 整 个 ICMP 报 文 各 种 类 型 的 ICMP 报 文 如 表 8-5 所 示, 不 同 类 型 由 报 文 中 的 类 型 字 段 和 代 码 字 段 来 共 同 决 定 表 中 的 最 后 两 列 表 明 ICMP 报 文 是 一 份 查 询 报 文 还 是 一 份 差 错 报 文 因 为 对 ICMP 差 错 报 文 有 时 需 要 作 特 殊 处 理 因 此 我 们 需 对 它 们 进 行 区 分 当 发 送 一 份 ICMP 差 错 报 文 时, 报 文 始 终 包 含 IP 首 部 和 产 生 ICMP 差 错 报 文 的 IP 数 据 报 的 前 8 个 字 节 接 收 ICMP 差 错 报 文 的 模 块 会 把 它 与 某 个 特 定 的 协 议 ( 根 据 IP 数 据 报 首 部

185 180 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 中 的 协 议 字 段 来 判 断 ) 和 用 户 进 程 ( 根 据 包 含 在 IP 数 据 报 前 8 个 字 节 中 的 TCP 或 UDP 报 文 首 部 中 的 TCP 或 UDP 端 口 号 来 判 断 ) 联 系 起 来

186 8.4 互 联 网 控 制 报 文 协 议 ICMP 181 表 8-5 ICMP 报 文 类 型 类 型 代 码 描 述 差 错 查 询 0 0 回 显 应 答 (Ping 应 答 ) 3 目 的 不 可 达 : 网 络 不 可 达 主 机 不 可 达 协 议 不 可 达 端 口 不 可 达 需 要 进 行 分 片, 但 设 置 了 不 分 片 比 特 源 站 选 路 失 败 目 的 网 络 不 认 识 目 的 主 机 不 认 识 源 主 机 被 隔 离 ( 作 废 不 用 ) 目 的 网 络 被 强 制 禁 止 目 的 主 机 被 强 制 禁 止 由 于 服 务 类 型 TOS, 网 络 不 可 达 由 于 服 务 类 型 TOS, 主 机 不 可 达 由 于 过 滤, 通 信 被 强 制 禁 止 主 机 越 权 优 先 权 中 止 生 效 4 0 源 端 口 被 关 闭 ( 基 本 流 控 制 ) 重 定 向 : 对 网 络 重 定 向 对 主 机 重 定 向 对 服 务 类 型 重 定 向 对 服 务 类 型 和 主 机 重 定 向 8 0 请 求 回 显 (Ping 请 求 ) 路 由 器 通 告 路 由 器 请 求 11 超 时 : 0 1 传 输 期 间 生 存 时 间 为 0(Traceroute) 在 数 据 报 组 装 期 间 生 存 时 间 为 0 12 参 数 问 题 : 0 1 坏 的 IP 首 部 ( 包 括 各 种 差 错 ) 缺 少 必 需 选 项 时 间 戳 请 求 时 间 戳 应 答 信 息 请 求 ( 作 废 不 用 ) 信 息 应 答 ( 作 废 不 用 ) 地 址 掩 码 请 求 地 址 掩 码 应 答

187 182 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 ICMP 协 议 的 典 型 应 用 我 们 在 网 络 中 经 常 使 用 到 ICMP 协 议, 只 不 过 我 们 察 觉 不 到 比 如 我 们 经 常 使 用 的 用 于 检 查 网 络 通 不 通 的 Ping 命 令, 这 个 Ping 的 过 程 实 际 上 就 是 ICMP 协 议 工 作 的 过 程 还 有 其 他 的 网 络 命 令 如 跟 综 路 由 的 Tracert 命 令, 也 是 基 于 ICMP 协 议 的 Ping 功 能 是 利 用 ICMP 回 应 请 求 报 文 实 现 的,ICMP 回 应 请 求 报 文 的 格 式 如 图 8-13 所 示 类 型 =8 代 码 =0 校 验 和 标 识 符 数 据 序 列 号 图 8-13 ICMP 回 应 请 求 报 文 格 式 回 应 请 求 报 文 ( 类 型 =8) 用 来 测 试 发 送 方 通 过 互 联 网 到 达 接 收 方 的 通 信 路 径 回 应 请 求 报 文 里 面 包 含 一 个 16 位 的 标 识 符 和 一 个 16 位 的 序 列 号 当 目 的 主 机 接 收 报 文 后, 把 源 地 址 和 目 的 地 址 倒 过 来, 重 新 计 算 校 验 和, 并 传 回 一 个 回 送 应 答 ( 类 型 =0) 的 报 文 数 据 段 的 内 容 也 要 返 回 给 发 送 方 Ping 程 序 是 一 个 最 常 用 的 网 络 连 通 性 检 查 命 令 例 如 在 Windows98 上 执 行 Ping: Microsoft(R)Windows98 (C)Copying Microsoft Corp C:\WINDOWS\Desktop>ping Pinging [ ]with 32 bytes of data: Reply from :bytes=32time<=10ms.TTL=254 Reply from :bytes=32.time=1ms.TTL=254 Reply from :bytes=32.time=1ms.TTL=254 Reply from :bytes=32.time=1ms.TTL=254 Ping statistics for : Packets:Sent=4,Received=4,Lost=0(0% Lost) Approximates round trip time in milli-second: Minimum=0ms,Maximum=0ms,Average=0ms 通 常 Ping 命 令 送 出 一 个 echo _ request(type 8) 的 ICMP 数 据 包 给 目 的 主 机, 如 果 目 的 主 机 愿 意 回 答, 则 会 回 应 一 个 echo_reply(type 0) 的 ICMP 数 据 包 给 发 送 端 以 确 定 连 通 性 不 过 如 果 ICMP 数 据 包 因 为 某 些 原 因 ( 如 防 火 墙 的 过 滤 ) 不 能 到 达 目 的 端 或 是 目 的 端 不 能 回 答 或 是 回 应 给 挡 下 来 了,Ping 就 不 能 顺 利 完 成, 但 并 非 代 表 网 络 连 通 的 故 障 另 一 个 ICMP 程 序 Tracert 也 是 我 们 通 常 用 到 的 工 具 例 如 : D:\ WINDOWS\Desktop>tracert Tracing route to lyand.ahau.edu.cn[ ] Over a maximum of 30hope: 1 <1ms <1ms <1ms dbdd. ahau.edu.cn [ ] 2 <1ms <1ms <1ms lyand.ahau.edu.cn[ ] Trace complete 左 边 一 行 跳 站 (hop) 数 字 然 后 是 三 个 rownd trip time. 最 后 是 主 机 的 名 称 和 IP 地 址 上

188 8.4 互 联 网 控 制 报 文 协 议 ICMP 183 述 命 令 说 明 是 主 机 到 达 站 点 的 路 由 线 路 主 机 可 以 通 过 网 点 到 达 Tracert 命 令 对 我 们 判 断 数 据 包 的 路 由 路 线 非 常 有 用 值 得 注 意 的 是 在 防 火 墙 的 保 护 下 有 些 ICMP 数 据 包 含 被 拦 下 来, 这 样 Tracert 也 就 不 能 完 整 的 显 示 出 路 由 线 路 了 ICMP 协 议 还 有 许 多 应 用, 灵 活 运 用 ICMP 协 议 对 我 们 了 解 和 测 试 网 络 情 况 非 常 有 帮 助 ICMP 协 议 的 安 全 技 术 1.ICMP 在 网 络 安 全 上 的 重 要 性 ICMP 协 议 对 于 网 络 安 全 具 有 极 其 重 要 的 意 义 例 如, 可 以 利 用 操 作 系 统 规 定 的 ICMP 数 据 包 最 大 尺 寸 不 超 过 64 KB 的 规 定 向 主 机 发 起 Ping of Death ( 死 亡 之 Ping) 攻 击 Ping of Death 攻 击 的 原 理 是 : 如 果 ICMP 数 据 包 的 尺 寸 超 过 64 KB 上 限 时, 主 机 就 会 出 现 内 存 分 配 错 误, 导 致 TCP/IP 堆 栈 崩 溃, 导 致 主 机 死 机 另 外, 向 目 标 主 机 长 时 间 连 续 大 量 地 发 送 ICMP 数 据 包 也 会 最 终 使 系 统 瘫 痪 大 量 的 ICMP 数 据 包 会 形 成 ICMP 风 暴, 使 得 目 标 主 机 耗 费 大 量 的 CPU 资 源 来 处 理 ICMP 数 据 包 2. 防 范 ICMP 的 攻 击 虽 然 ICMP 协 议 提 供 了 被 攻 击 的 可 能, 但 是 只 要 在 网 络 管 理 中 做 到 合 理 配 置 就 可 以 有 效 地 避 免 ICMP 攻 击 对 于 Ping of Death 攻 击, 可 以 采 用 两 种 方 法 进 行 防 范 : 第 一 种 方 法 是 在 路 由 器 上 对 ICMP 数 据 包 进 行 带 宽 限 制, 将 ICMP 占 用 的 带 宽 控 制 在 一 定 的 范 围 内, 这 样 即 便 有 ICMP 攻 击, 它 所 占 用 的 带 宽 也 是 非 常 有 限 的, 对 整 个 网 络 的 影 响 非 常 少 ; 第 二 种 方 法 就 是 在 主 机 上 设 置 ICMP 数 据 包 的 处 理 规 则, 最 好 是 设 定 拒 绝 所 有 的 ICMP 数 据 包 设 置 ICMP 数 据 包 处 理 规 则 的 方 法 也 有 两 种, 一 种 是 在 操 作 系 统 上 设 置 包 过 滤, 另 一 种 是 在 主 机 上 安 装 防 火 墙, 具 体 设 置 如 下 : 在 Windows 2000 server 中 设 置 ICMP 过 滤 Windows 2000 server 提 供 了 路 由 与 远 程 访 问 服 务, 但 是 默 认 情 况 下 是 没 启 动 的, 因 此 首 先 要 启 动 它 : 点 击 管 理 工 具 中 的 路 由 与 远 程 访 问, 启 动 设 置 向 导 在 其 中 选 择 手 动 配 置 服 务 器 项, 点 击 下 一 歩 按 钮, 稍 等 片 刻 后, 系 统 会 提 示 路 由 和 远 程 访 问 服 务 器 现 在 已 经 安 装, 要 开 始 服 务 吗? 点 击 是 按 钮 启 动 服 务 服 务 启 动 后, 在 计 算 机 名 称 的 分 支 下 会 出 现 一 个 IP 路 由 选 择, 点 击 它 展 开 分 支, 再 点 击 常 规, 会 在 右 边 出 现 服 务 器 中 的 网 络 连 接 ( 即 网 卡 ) 用 鼠 标 右 键 点 击 你 要 配 置 的 网 络 连 接, 在 弹 出 菜 单 中 点 击 属 性, 会 弹 出 一 个 网 络 连 接 属 性 的 窗 口, 如 图 8-14 所 示

189 184 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 图 8-14 路 由 和 远 程 访 问 设 置 图 中 有 两 个 按 钮, 一 个 是 输 入 筛 选 器 ( 指 对 此 服 务 器 接 受 的 数 据 进 行 筛 选 ), 另 一 个 是 输 出 筛 选 器 ( 指 对 此 服 务 器 发 送 的 数 据 进 行 筛 选 ), 这 时 应 该 点 击 输 入 筛 选 器 按 钮, 会 弹 出 一 个 添 加 筛 选 器 窗 口, 如 图 8-15 所 示, 再 点 击 添 加 按 钮, 表 示 要 再 增 加 一 个 筛 选 条 件 图 8-15 输 入 筛 选 器 设 置 在 协 议 右 边 的 下 拉 列 表 中 选 择 ICMP, 在 随 机 出 现 的 ICMP 类 型 和 ICMP 编 码 中 均 输 入 255, 代 表 所 有 的 ICMP 类 型 及 其 编 码 ICMP 有 许 多 不 同 的 类 型 (Ping 就 是 一 种 类 型 ), 每 一 种 类 型 也 有 许 多 的 状 态, 用 不 同 的 编 码 来 表 示 点 击 确 定 按 钮 返 回 输 入 筛 选 器 窗 口, 此 时 会 发 现 筛 选 器 列 表 多 了 一 项 内 容, 点 击 确 定 按 钮 返 回 本 地 链 接 窗 口, 再 点 击 确 定 按 钮, 此 时 筛 选 器 就 生 效 了, 从 其 他 计 算 机 上 Ping 这 台 主 机 就 不 会 成 功 了 现 在 许 多 防 火 墙 默 认 情 况 下 都 启 动 了 ICMP 过 滤 的 功 能 按 钮 如 果 没 有 启 用 只 要 选 中 防 御 ICMP 攻 击, 防 止 别 人 用 Ping 命 令 探 测 就 可 以 了, 如 图 8-16 所 示

190 8.4 互 联 网 控 制 报 文 协 议 ICMP 185 图 8-16 防 火 墙 启 动 ICMP 过 滤 3.ICMP 扫 描 技 术 Ping 程 序 是 利 用 ICMP 协 议 实 现 的 ICMP 协 议 的 扫 描 技 术 主 要 是 利 用 ICMP 协 议 最 基 本 的 报 错 功 能, 根 据 网 络 协 议 规 定, 如 果 出 现 了 传 输 错 误, 接 受 方 会 产 生 一 个 ICMP 的 差 错 报 文 差 错 报 文 不 是 主 动 发 送 的, 而 是 由 于 网 络 传 输 出 现 错 误 自 动 产 生 的 当 IP 数 据 报 出 现 版 本 号 错 误 时, 目 标 主 机 将 抛 弃 这 个 数 据 报, 如 果 是 Checksum 出 现 错 误, 那 么 路 由 器 就 直 接 丢 弃 这 个 数 据 报 有 些 主 机 ( 如 AIX,HP-UX 等 ) 是 不 会 发 送 ICMP 和 Unreachable 数 据 报 的 下 面 是 ICMP 协 议 的 一 些 特 性 : 1 向 目 标 主 机 发 送 一 个 只 有 IP 头 的 IP 数 据 包, 目 标 主 机 将 返 回 一 个 Desti nation Unreachable 的 ICMP 错 误 报 文 2 向 目 标 主 机 发 送 一 个 IP 数 据 报, 如 不 正 确 的 IP 头 长 度, 目 标 主 机 将 返 回 Paranmeter Problem 的 ICMP 错 误 报 文 3 向 目 标 主 机 发 送 一 个 IP 数 据 报, 但 是 协 议 项 是 错 误 的, 比 如 协 议 项 不 可 用, 目 标 主 机 将 返 回 Destinnation Unreachable 的 ICMP 报 文 但 是 如 果 是 在 目 标 主 机 前 有 一 个 防 火 墙 或 者 一 个 其 他 的 过 滤 装 置, 可 能 过 滤 掉 提 出 的 要 求, 从 而 接 收 不 到 任 何 回 应, 可 以 使 用 一 个 非 常 大 的 协 议 数 字 作 为 IP 头 部 的 协 议 内 容, 主 机 一 定 会 返 回 Unreachable; 如 果 没 有 Unreachable 的 ICMP 数 据 报 返 回 错 误 提 示, 那 么 就 说 明 被 防 火 墙 或 者 其 他 设 备 过 滤 了, 我 们 也 可 以 用 这 个 办 法 来 探 测 是 否 有 防 火 墙 或 者 其 他 设 备 存 在 利 用 IP 的 协 议 项 来 探 测 主 机 正 在 使 用 哪 些 协 议, 我 们 可 以 把 IP 头 的 协 议 项 改 变 因 为 是 8 位, 有 256 种 可 能 通 过 目 标 返 回 的 ICMP 错 误 报 文, 来 判 断 哪 些 协 议 在 使 用, 如 果 返 回 Destinnation Unreachablene, 那 么 主 机 是 没 有 使 用 这 个 协 议 ; 相 反, 如 果 什 么 都 没 有 返 回 的 活, 主 机 可 能 使 用 这 个 协 议, 但 是 也 可 能 是 防 火 墙 过 滤 掉 了 我 们 能 够 利 用 上 面 这 些 特 性 来 提 到 防 火 墙 的 ACL(Access List), 甚 至 用 这 些 特 性 来 获 得

191 186 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 整 个 网 络 拓 扑 结 构 如 果 我 们 不 能 够 从 目 标 得 到 Unreachable 报 文 或 者 分 片 组 装 超 时 报 文, 可 以 作 下 面 的 判 断 : 1 防 火 墙 过 滤 了 我 们 发 送 的 协 议 类 型 2 防 火 墙 过 滤 了 我 们 指 定 的 端 口 3 防 火 墙 阻 塞 ICMP 的 Destinnation Unreachablene 或 者 Protoecol Unreachablene 错 误 消 息 4 防 火 墙 对 我 们 指 定 的 主 机 进 行 了 ICMP 错 误 报 文 阻 塞 8.5 下 一 代 网 络 协 议 IPv IPv6 协 议 结 构 人 们 在 若 干 年 前 就 认 识 到 IPv4 在 地 址 空 间 和 安 全 性 等 方 面 的 局 限 性, 开 发 了 新 版 本 的 IP 协 议 :IPv6[RFC 2460] 目 前,IPv6 已 经 在 大 多 数 计 算 机 操 作 系 统 上 得 以 实 现, 新 的 路 由 产 品 开 始 支 持 IPv6, 实 验 性 的 IPv6 网 络 开 始 运 行 并 开 始 检 测 IPv6 的 可 行 性, 修 改 其 可 能 存 在 的 缺 陷 新 的 IPv6 数 据 包 结 构 如 图 8-17 所 示 Version Traffic Class Flow Label Payload Length Next Header Hop Limit Source IP Address(128bit) Destination IP Address(128bit) Payload 图 8-17 IPv6 数 据 包 结 构 IPv6 数 据 包 头 部 结 构 : 1 版 本 (Version) 域 : 长 度 4 比 特, 值 为 6 2 业 务 类 型 (Traffic Class) 域 : 长 度 4 比 特, 用 来 确 定 该 数 据 包 所 属 的 业 务 类 型 或 优 先 级 在 IPv6 规 范 中 0~7 级 的 优 先 级 为 受 拥 塞 控 制 的 业 务 量 所 使 用, 这 种 业 务 量 的 最 低 优 先 级 为 1,Internet 控 制 用 的 业 务 量 的 优 先 级 为 7, 如 图 8-18 所 示 3 流 量 记 (Flow Label) 域 : 长 度 为 24 比 特, 用 来 标 记 那 些 需 要 IPv6 路 由 器 特 殊 处 理 的 数 据 包, 两 台 主 机 之 间 建 立 连 接 时 分 配 该 识 别 号, 用 来 加 速 路 由 器 对 数 据 包 的 处 理

192 8.5 下 一 代 网 络 协 议 IPv6 187 优 先 级 意 义 0 无 特 殊 优 先 级 1 用 于 背 景 业 务 量 ( 如 网 络 新 闻 ) 2 零 散 的 数 据 传 送 ( 如 ) 3 保 密 4 持 续 业 务 量 ( 如 FTP) 5 保 留 6 会 话 型 业 务 量 ( 如 Telnet) 7 Internet 控 制 业 务 量 ( 如 SNMP) 图 8-18 受 拥 塞 控 制 的 业 务 量 中 的 IP 优 先 级 一 个 流 由 其 源 地 址 目 的 地 址 和 流 标 识 符 来 命 名 在 IPv6 规 范 中 对 流 作 如 下 定 义 : 流 是 指 从 某 个 信 源 向 ( 单 目 或 组 播 的 ) 信 宿 发 送 的 分 组 群 中, 信 源 要 求 中 间 路 由 器 作 特 殊 处 理 的 那 些 分 组 换 句 话 说, 流 是 指 信 源 信 宿 和 流 标 记 三 者 分 别 相 同 的 分 组 的 集 合 任 何 的 流 标 记 都 不 得 在 路 由 器 中 保 持 6 s 以 上 路 由 器 在 6 s 之 后 必 须 删 除 高 速 缓 存 (Cache) 中 登 录 项, 当 该 流 的 下 一 个 分 组 出 现 时, 此 登 录 项 被 重 新 学 习 并 非 所 有 的 分 组 都 属 于 流, 实 际 上 在 IPv4 向 IPv6 的 过 渡 期 间 大 部 分 的 分 组 不 属 于 特 定 的 流 例 如,SMTP FTP 以 及 WWW 浏 览 器 等 传 统 的 应 用 均 可 生 成 分 组 这 些 程 序 原 本 时 为 了 IPv4 而 设 计 的, 在 过 渡 期 为 使 IPv4 地 址 和 IPv6 地 址 都 能 处 理 而 进 行 了 改 进, 但 不 能 处 理 在 IPv4 中 不 存 在 的 流 在 这 分 组 中 应 置 入 由 24 比 特 0 组 成 的 空 流 标 记 4 有 效 荷 载 长 度 (Payload Length) 域 : 长 度 16 比 特, 以 8 比 特 为 单 位 表 示 不 包 含 IPv6 头 在 内 的 有 效 荷 载 数 据 长 度, 应 该 注 意 的 是 这 里 的 有 效 荷 载 长 度 包 含 IPv6 扩 展 头 部 的 长 度 但 如 果 使 用 逐 跳 (Hop By Hop) 选 项 扩 展 头 不 得 特 大 有 效 载 荷 选 项, 就 能 传 送 更 大 的 数 据 包 利 用 此 选 项 时 有 效 载 荷 长 度 置 0 5 下 一 个 头 部 标 记 (Next header) 域 : 长 度 8 比 特, 指 明 紧 接 在 IPv6 后 头 的 第 一 个 扩 展 头 部 (Extention Header) 的 类 型 扩 展 头 部 的 类 型 有 : 逐 跳 选 项 头 部 (hop by hop options header): 运 载 每 个 IP 路 由 器 必 须 解 释 的 选 项 信 息 例 如, 它 可 以 用 于 传 输 超 大 有 效 荷 载 信 息 路 由 选 择 头 部 (routing header): 定 义 了 该 包 必 须 经 过 IP 路 由 器 ( 也 称 源 路 由 ) 分 段 头 部 (fragment header): 当 传 输 的 用 户 数 据 大 于 有 效 荷 载 所 能 允 许 的 最 大 长 度 时 便 要 用 到 分 段 头 部, 分 段 头 部 传 送 了 有 效 荷 载 携 带 的 用 户 数 据 段 在 整 个 用 户 数 据 单 元 中 的 偏 移 量 身 份 验 证 头 部 (authentication header): 可 选 的 认 证 信 息 安 全 封 装 有 效 荷 载 头 部 (encapsulating security payload header): 携 带 有 效 荷 载 的 额 外 保 护 信 息 目 的 选 项 头 部 (destination options header): 携 带 仅 为 目 的 结 点 检 查 用 的 可 选 信 息 6 跳 数 限 制 (Hop Limit) 域 : 长 度 8 比 特, 域 IPv4 头 部 中 的 TTL 域 相 同, 表 示 本 IP 包 在 网 络 中 传 送 时 的 最 大 跳 数, 逐 跳 递 减, 为 0 时 该 IP 包 被 丢 失 7 源 IP 地 址 (Source IP Address) 域 : 长 度 为 128 比 特, 表 示 发 出 本 IP 包 的 源 地 址 8 目 的 IP 地 址 (Destination IP Address) 域 : 长 度 128 比 特, 表 示 本 IP 包 的 目 的 地 址

193 188 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 IPv6 与 IPv4 的 比 较 IPv6 与 IPv4 相 比, 最 显 著 的 特 点 在 于 其 地 址 和 安 全 方 面 IPv6 的 地 址 格 式 与 IPv4 不 同 : 一 个 IPv6 的 IP 地 址 由 8 个 地 址 节 组 成, 每 节 包 含 16 个 地 址 位 例 如, 一 个 用 点 分 十 进 制 记 法 表 示 的 128 位 比 特 地 址 : 明 显 可 以 看 出 用 点 分 十 进 制 记 法 表 示 IPv6 的 地 址 不 够 方 便 为 此,IPv6 以 4 个 十 六 进 制 数 书 写, 节 与 节 之 间 用 冒 号 分 隔, 前 面 的 例 子 就 变 成 68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF 除 了 128 位 的 庞 大 地 址 空 间,IPv6 还 为 点 对 点 通 信 设 计 了 一 种 具 有 分 级 结 构 的 地 址, 这 种 地 址 被 称 为 可 聚 合 全 局 单 点 广 播 地 址 (Aggregatable Global Unicast-Address) 开 头 3 个 地 址 位 是 地 址 类 型 前 缀, 用 于 区 别 其 他 地 址 类 型 其 后 13 位 TLA ID 16 位 SLA ID 和 64 位 主 机 接 口 ID, 分 别 用 于 标 识 分 级 结 构 中 自 顶 向 底 排 列 的 TLA(Top Level Aggregator, 顶 级 聚 合 体 ) NLA(Next Level Aggregator, 下 级 聚 合 体 ) SLA(Site Level Aggregator 位 置 聚 合 体 ) 和 主 机 接 口 TLA 是 与 长 途 服 务 供 应 商 和 电 话 公 司 相 互 联 接 的 公 共 网 络 接 入 点, 它 从 国 际 互 联 网 注 册 机 构 如 IANA 处 获 得 地 址 NLA 通 常 是 大 型 ISP, 它 从 TLA 处 申 请 获 得 地 址, 并 为 SLA 分 配 地 址 SLA 也 可 称 为 订 户 (Subscriber), 它 可 以 是 一 个 机 构 或 一 个 小 型 ISP SLA 负 责 为 属 于 它 的 订 户 分 配 地 址 SLA 通 常 为 其 订 户 分 配 由 连 接 地 址 组 成 的 地 址 块, 以 便 这 些 机 构 可 以 建 立 自 己 的 地 址 分 级 结 构 以 识 别 不 同 的 子 网 分 组 结 构 的 最 底 级 是 网 络 主 机 IPv6 继 承 了 IPv4 的 动 态 主 机 配 置 协 议 (DHCP,Dynamic Host Configuration Protocol), 并 将 其 称 为 全 状 态 自 动 配 置 (Stateful Auto-Configuration) 除 了 全 状 态 自 动 配 置, IPv6 还 采 用 了 一 种 被 称 为 无 状 态 自 动 配 置 (Stateless Auto-Configuration) 的 自 动 配 置 服 务 在 无 状 态 自 动 配 置 过 程 中, 主 机 首 先 通 过 它 的 网 卡 MAC 地 址 附 加 在 链 接 本 地 地 址 前 缀 之 后, 产 生 一 个 链 接 本 地 单 点 广 播 地 址 (IEEE 已 经 将 网 卡 MAC 地 址 由 48 位 改 为 64 位 如 果 主 机 采 用 的 网 卡 的 MAC 地 址 依 然 是 48 位, 那 么 IPv6 网 卡 驱 动 程 序 会 根 据 IEEE 的 一 个 公 式 将 48 位 MAC 地 址 转 换 为 64 位 MAC 地 址 ) 接 着 主 机 向 该 地 址 发 出 一 个 被 称 为 邻 居 探 测 (Neighbor Discovery) 的 请 求, 以 验 证 地 址 的 唯 一 性 如 果 请 求 没 有 得 到 相 应, 则 表 明 主 机 自 我 设 置 的 链 接 本 地 单 点 广 播 地 址 是 唯 一 的 否 则, 主 机 将 使 用 一 个 随 机 产 生 的 接 口 ID 组 成 一 个 新 的 链 接 本 地 单 点 广 播 地 址 然 后, 以 该 地 址 位 源 地 址, 主 机 向 本 地 链 接 中 所 有 路 由 器 多 点 广 播 一 个 被 称 为 路 由 器 请 求 (Router Solicitation) 的 配 置 信 息 请 求, 路 由 器 以 一 个 包 含 一 个 可 聚 合 全 局 单 点 广 播 地 址 前 缀 和 其 他 相 关 配 置 信 息 的 路 由 器 公 告 响 应 该 请 求 主 机 用 它 从 路 由 器 得 到 的 全 局 地 址 前 缀 加 上 自 己 的 接 口 ID, 自 动 配 置 全 局 地 址, 然 后 就 可 以 于 互 联 网 中 的 其 他 主 机 通 信 了 这 样, 无 需 手 动 干 预 就 能 够 改 变 网 络 中 所 有 主 机 的 IP 地 址 例 如, 当 企 业 更 换 了 联 入 互 联 网 的 ISP 时, 将 从 新 ISP 处 得 到 一 个 新 的 可 聚 合 全 局 地 址 前 缀,ISP 把 这 个 地 址 前 缀 从 它 的 路 由 器 上 传 送 到 企 业 路 由 器 上 由 于 企 业 路 由 器 将 周 期 性 地 向 本 地 链 接 中 的 所 有 主 机 多 点 广 播 路 由 器 公 告, 因 此 企 业 网 络 中 所 有 主 机 都 将 通 过 路 由 器 公 告 收 到 新 的 地 址 前 缀, 此 后, 它 们 就 会 自 动 产 生 新 的 IP 地 址 并 覆 盖 旧 的 IP 地 址 由 于 在 IPv4 协 议 设 计 之 初 没 有 充 分 考 虑 安 全 性, 因 而 在 早 期 的 互 联 网 上 时 常 发 生 诸 如 企 业 或 机 构 网 络 遭 到 攻 击 机 密 数 据 被 窃 取 等 不 幸 的 事 情, 为 了 加 强 互 联 网 的 安 全 性, 从 1995 年 开 始 IETF 着 手 研 究 制 定 了 一 套 用 于 保 护 IP 通 信 的 IP 安 全 (IPSec,IP-Security) 协 议 IPSec 是 IPv6 的 一 个 组 成 部 分, 而 同 时 也 是 IPv4 的 一 个 可 选 扩 展 协 议 IPSec 提 供 了 两 种 安 全 机 制 :

194 8.5 下 一 代 网 络 协 议 IPv6 189 认 证 和 加 密 认 证 机 制 使 IP 通 信 的 数 据 接 收 方 能 够 确 认 数 据 发 送 方 的 真 实 身 份 以 及 数 据 在 传 输 过 程 中 是 否 遭 到 改 动 加 密 机 制 通 过 对 数 据 进 行 编 码 来 保 证 数 据 的 机 密 性, 以 防 数 据 在 传 输 过 程 中 被 他 人 截 获 而 失 密 IPSec 的 认 证 包 头 (AH,Authentication Header) 协 议 定 义 了 认 证 的 应 用 方 法, 封 装 安 全 负 载 (ESP,Encapsulating Security Payload) 协 议 定 义 了 加 密 和 可 选 认 证 的 应 用 方 法 在 实 际 进 行 IP 通 信 时, 可 以 根 据 安 全 需 求 同 时 使 用 这 两 种 协 议 或 选 择 使 用 其 中 一 种 AH 和 ESP 都 可 以 提 供 认 证 服 务, 不 过,AH 提 供 的 认 证 服 务 要 强 于 ESP 在 一 个 特 定 的 IP 通 信 中 使 用 AH 或 ESP 时, 协 议 将 与 一 组 安 全 信 息 和 服 务 发 生 关 联, 称 为 安 全 关 联 ( SA,Security Association) SA 可 以 包 含 认 证 算 法, 用 于 认 证 和 加 密 密 钥 IPSec 使 用 一 种 密 钥 分 配 和 交 换 协 议 如 互 联 网 安 全 关 联 和 密 钥 管 理 协 议 ( ISAKMP,Internet Security Association and Key Management Protocol) 来 创 建 和 维 护 SA,SA 是 一 个 单 向 的 逻 辑 连 接, 也 就 是 说, 两 个 主 机 之 间 的 认 证 通 信 将 使 用 两 个 SA, 分 别 用 于 通 信 的 发 送 方 和 接 收 方 IPSec 定 义 了 两 种 类 型 的 SA: 传 输 模 式 SA 和 隧 道 模 式 SA 传 输 模 式 SA 是 在 IP 包 头 ( 以 及 任 何 可 选 的 扩 展 包 头 ) 之 后 和 任 何 高 层 协 议 ( 如 TCP 或 UDP) 包 头 之 间 插 入 AH 或 ESP 包 头, 隧 道 模 式 SA 是 将 整 个 原 始 的 IP 数 据 包 放 入 一 个 新 的 IP 数 据 包 中 在 采 用 隧 道 模 式 SA 时, 每 一 个 IP 数 据 包 都 有 两 个 IP 包 头 : 外 部 IP 包 头 和 内 部 IP 包 头 外 部 IP 包 头 指 定 将 对 IP 数 据 包 进 行 IPSec 处 理 的 目 的 地 址, 内 部 IP 包 头 指 定 原 始 IP 数 据 包 最 终 的 目 的 地 址 传 输 模 式 SA 只 能 用 于 两 个 主 机 之 间 的 IP 通 信, 而 隧 道 模 式 SA 既 可 以 用 于 两 个 主 机 之 间 的 IP 通 信, 还 可 以 用 于 两 个 安 全 网 关 之 间 或 一 个 主 机 与 一 个 安 全 网 关 之 间 的 IP 通 信 安 全 网 关 可 以 是 由 路 由 器 防 火 墙 或 VPN 设 备 作 为 IPv6 的 一 个 组 成 部 分,IPSec 是 一 个 网 络 层 协 议 它 只 负 责 其 下 层 的 网 络 安 全, 并 不 负 责 其 上 层 应 用 的 安 全, 如 Web 电 子 邮 件 和 文 件 传 输 等 也 就 是 说, 验 证 一 个 Web 会 话, 依 然 需 要 使 用 SSL 协 议 不 过,TCP/IP 协 议 族 中 的 协 议 可 以 从 IPSec 中 受 益, 例 如, 用 于 IPv6 的 OSPF 路 由 选 择 协 议 就 会 去 掉 了 用 于 IPv4 的 OSPF 中 的 认 证 机 制 IPv4 向 IPv6 的 过 渡 尽 管 IPv6 比 IPv4 具 有 明 显 的 先 进 性, 但 是 要 想 在 短 期 内 将 所 有 IP 网 络 从 IPv4 升 级 到 IPv6 是 不 可 能 的, 也 就 是 说,IPv6 与 IPv4 在 IP 网 络 中 长 期 共 存 是 不 可 避 免 的 为 此, 作 为 IPv6 研 究 工 作 的 一 个 部 分,IETF 制 定 了 推 动 IPv4 向 IPv6 过 渡 的 方 案, 其 中 包 括 了 三 个 机 制 : 兼 容 IPv4 的 IPv6 地 址 双 IP 协 议 栈 和 基 于 IPv4 隧 道 (IPv4 Tunnel) 的 IPv6 兼 容 IPv4 的 IPv6 地 址 是 一 种 特 殊 的 IPv6 单 点 广 播 地 址, 一 个 IPv6 节 点 与 一 个 IPv4 节 点 可 以 使 用 这 种 地 址 在 IPv4 网 络 中 通 信 这 种 地 址 是 由 96 个 0 位 加 上 32 位 IPv4 地 址 组 成 的, 例 如, 假 设 某 节 点 的 IPv4 地 址 是 , 那 么 兼 容 IPv4 的 IPv6 地 址 就 是 :0:0:0:0:0:0:C038:101, 简 记 为 :: C038:101 或 :: 双 IP 协 议 栈 是 在 一 个 系 统 ( 如 一 个 主 机 或 一 个 路 由 器 ) 中 同 时 使 用 IPv4 和 IPv6 两 个 协 议 栈 这 类 系 统 既 拥 有 IPv4 地 址, 也 拥 有 IPv6 地 址, 因 而 可 以 收 发 IPv4 和 IPv6 两 种 IP 数 据 包 与 双 IP 协 议 栈 相 比, 基 于 IPv4 隧 道 的 IPv6 是 一 种 更 为 复 杂 的 技 术, 它 是 将 整 个 IPv6 数 据 包 封 装 在 IPv4 数 据 包 中, 由 此 实 现 在 当 前 的 IPv4 网 络 ( 如 互 联 网 ) 中 IPv6 节 点 与 IPv4 节 点 之 间 的 IP 通 信 基 于 IPv4 隧 道 的 IPv6 实 现 过 程 分 为 3 个 步 骤 : 封 装 解 封 和 隧 道 管 理 封 装 是 指 由 隧 道 起 始 点 创 建 一 个 IPv4 包 头, 将 IPv6 数 据 包 装 入 一 个 新 的 IPv4 数 据 包 中 解 封 是 指 由 隧 道 终 结 点 移 去 IPv4 包 头, 还 原 原 始 的 IPv6 数 据 包 隧 道 管 理 是 指 隧 道 起 始 点 维 护 隧 道 的 配 置 信 息, 如 隧 道 支 持 的 最 大 传 输 单 元 (MTU) 的 尺 寸 等

195 190 第 8 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 双 IP 协 议 栈 和 基 于 IPv4 的 IPv6 网 络 使 用 IPv4 网 络 能 够 以 可 控 的 速 度 向 IPv6 迁 移 在 开 始 向 IPv6 过 渡 之 前 首 先 必 须 设 置 一 个 同 时 支 持 IPv4 和 IPv6 的 新 DNS 服 务 器 在 该 DNS 服 务 器 中,IPv6 主 机 名 称 与 地 址 的 映 射 可 以 使 用 新 的 AAAA 资 源 记 录 类 型 来 建 立,IPv4 主 机 名 称 与 地 址 的 映 射 仍 然 使 用 A 资 源 记 录 类 型 来 建 立 8.6 IP 封 装 分 段 和 重 组 数 据 报 传 输 与 帧 当 主 机 或 路 由 器 处 理 一 个 数 据 包 时, 首 先 选 择 数 据 包 发 往 的 下 一 跳 N, 然 后 通 过 物 理 网 络 将 数 据 包 传 送 给 N 但 是, 网 络 硬 件 并 不 了 解 数 据 包 格 式 或 Internet 寻 址 相 反, 每 种 硬 件 技 术 定 义 了 自 己 的 帧 格 式 和 物 理 寻 址 方 案, 硬 件 只 接 收 和 传 送 那 些 符 合 特 定 帧 格 式 以 及 使 用 特 定 的 物 理 寻 址 方 案 的 包 另 外, 由 于 一 个 Internet 可 能 包 含 异 构 网 络, 穿 过 当 前 网 络 的 帧 格 式 与 前 一 个 网 络 的 帧 格 式 可 能 是 不 同 的 IP 封 装 为 了 解 决 上 述 问 题, 引 入 了 封 装 (Encapsulation) 技 术 即 将 一 个 IP 数 据 包 封 装 进 一 个 帧 中, 这 时 整 个 数 据 包 被 放 进 帧 的 数 据 区 网 络 硬 件 像 对 待 普 通 帧 一 样 对 待 包 含 一 个 数 据 包 的 帧 事 实 上, 硬 件 不 会 检 测 或 改 变 帧 的 数 据 区 内 容 由 于 网 络 层 可 能 有 多 种 协 议 而 不 仅 仅 是 IP 协 议, 因 此 必 须 在 帧 头 中 设 置 类 型 域, 以 此 向 接 收 方 说 明 帧 类 型 这 样, 当 帧 到 达 接 收 方, 接 收 方 就 能 根 据 它 的 类 型 域 值 知 道 帧 中 含 有 一 个 IP 数 据 包 此 外, 帧 同 样 要 有 一 个 目 的 地 址, 它 需 要 根 据 数 据 包 中 的 IP 地 址, 经 过 定 址 后 获 得 它 实 际 上 是 从 收 到 数 据 包 的 主 机 到 目 的 IP 地 址 的 路 径 中 下 一 跳 主 机 的 物 理 地 址 需 要 指 出, 物 理 地 址 就 是 在 单 个 网 络 内 部 对 一 个 计 算 机 进 行 寻 址 所 使 用 的 地 址 在 局 域 网 中, 物 理 地 址 一 般 都 固 化 在 网 卡 上 的 ROM 中, 常 被 称 为 MAC 地 址 在 获 得 这 个 物 理 地 址 后, 当 前 主 机 即 可 将 该 帧 成 功 送 往 下 一 跳 当 帧 到 达 下 一 跳 时, 接 收 软 件 从 帧 中 取 出 数 据 包, 然 后 丢 弃 这 一 帧 如 果 数 据 包 必 须 通 过 另 一 个 网 络 转 发 时, 就 会 产 生 一 个 新 的 帧 由 于 每 个 网 络 可 能 使 用 一 种 不 同 于 其 他 网 络 的 硬 件 技 术, 因 此 帧 的 格 式 也 相 应 地 不 同 当 数 据 包 要 通 过 一 个 物 理 网 络 时, 会 被 封 装 进 这 个 网 络 所 对 应 的 帧 中 主 机 和 路 由 器 只 在 内 存 中 保 留 了 整 个 数 据 包 而 没 有 多 余 的 帧 头 信 息 当 数 据 包 通 过 一 个 物 理 网 络 时, 才 会 被 封 装 进 一 个 合 适 的 帧 中 帧 头 的 大 小 依 赖 于 相 应 的 网 络 技 术 例 如, 如 果 网 络 1 是 一 个 以 太 网, 则 帧 1 有 一 个 以 太 网 头 部 类 似 地, 如 果 网 络 2 是 一 个 FDDI 环, 则 帧 2 有 一 个 FDDI 头 部 分 段 每 一 种 硬 件 技 术 都 规 定 了 一 帧 所 能 携 带 的 最 大 数 据 量, 这 一 限 制 称 为 最 大 传 输 单 元 (MTU,Maximum Transmission Unit) 网 络 硬 件 在 设 计 上 不 能 接 受 或 传 输 数 据 量 大 于 MTU 的 帧, 因 而 一 个 数 据 包 必 须 小 于 或 等 于 一 个 网 络 的 MTU 在 一 个 Internet 中, 包 含 各 种 异 构 的 网 络, 它 们 的 MTU 各 不 相 同, 因 此 会 导 致 一 些 问 题 特 别 是 由 于 一 个 路 由 器 可 能 连 着 不 同 MTU 值 的 多 个 网 络, 能 从 一 个 网 上 接 收 数 据 包 并 不 意

196 8.6 IP 封 装 分 段 和 重 组 191 味 着 一 定 能 在 另 一 个 网 上 发 送 此 数 据 包 例 如, 图 8-19 中, 一 个 路 由 器 连 接 了 两 个 网 络, 这 两 个 网 络 的 MTU 值 分 别 为 和 图 8-19 路 由 器 R 连 接 两 个 不 同 MTU 网 段 在 图 8-19 中, 主 机 H2 连 着 MTU 值 为 1000 的 网 络 2 因 此,H2 能 传 送 的 数 据 包 的 尺 寸 小 于 等 于 1000 字 节 然 而, 主 机 H1 连 着 MTU 值 为 1500 的 网 络 1, 因 此 能 传 送 最 多 到 字 节 的 数 据 包 如 果 H1 将 一 个 字 节 的 数 据 包 发 给 H2, 路 由 器 R 收 到 数 据 包 后 却 不 能 在 网 络 2 上 发 送 它 为 此, 人 们 提 出 分 段 (Fragmentation) 技 术 来 解 决 这 一 问 题 当 一 个 数 据 包 的 尺 寸 大 于 将 发 往 的 网 络 的 MTU 值 时, 路 由 器 会 将 数 据 包 分 成 若 干 较 小 的 段 (Fragment), 然 后 再 将 每 段 独 立 的 进 行 发 送 每 个 段 与 原 数 据 包 具 有 同 样 的 格 式, 只 是 头 部 的 稍 有 不 同 : 标 志 (Identification) 域 中 有 一 位 标 识 了 一 个 数 据 包 是 一 个 段 还 是 一 个 完 整 的 数 据 包 ( 数 据 包 头 格 式 见 前 ) 段 的 头 部 中 的 其 他 域 中 包 含 有 其 他 一 些 信 息, 以 便 用 来 重 组 这 些 段, 重 新 生 成 原 始 数 据 包 另 外, 头 部 的 段 偏 移 (Fragment Offset) 域 指 出 该 段 在 原 始 数 据 包 中 的 位 置 在 对 一 个 数 据 包 分 段 时, 路 由 器 使 用 相 应 网 络 的 MTU 和 数 据 包 头 部 尺 寸 来 计 算 每 段 所 能 携 带 的 最 大 数 据 量 以 及 所 需 段 的 个 数, 然 后 生 成 这 些 段 路 由 器 先 为 每 一 段 生 成 一 个 原 数 据 包 头 部 的 副 本 作 为 段 的 头 部, 然 后 单 独 修 改 其 中 的 一 些 域, 例 如, 路 由 器 会 设 置 标 志 (Identification) 域 中 的 相 应 位 以 指 示 这 些 数 据 包 含 的 是 一 个 段 最 后, 路 由 器 从 原 数 据 包 中 复 制 相 应 的 数 据 到 每 个 段 中, 并 开 始 传 送 图 8-20 表 明 了 这 一 过 程 图 8-20 数 据 包 分 段 图 8-20 中, 该 IP 数 据 包 被 分 成 3 段 每 段 携 带 着 原 始 数 据 包 的 一 部 分 数 据, 并 有 类 似 于 原 始 数 据 包 的 IP 头 部, 每 个 段 尺 寸 小 于 它 所 经 网 络 的 MTU 重 组 在 所 有 的 段 的 基 础 上 重 新 产 生 原 数 据 包 的 过 程 叫 重 组 (Reassembly) 由 于 每 个 段 都 以 原 数 据 包 头 部 的 一 个 副 本 作 为 开 始, 因 此 都 有 与 原 数 据 包 同 样 的 目 的 地 址 另 外, 含 有 最 后 一 块 数 据 的 段 在 头 部 设 置 有 一 个 特 别 的 位, 因 此, 执 行 重 组 的 接 收 方 能 报 告 是 否 所 有 的 段 都 成

197 192 功 地 到 达 需 要 注 意 的 是, 只 有 最 终 目 的 主 机 才 会 对 段 进 行 重 组 例 如, 如 果 主 机 H1 发 送 一 个 字 节 的 数 据 包, 路 由 器 R1 将 会 把 数 据 包 分 为 两 段, 转 发 给 路 由 器 R2,R2 并 不 进 行 段 的 重 组, 只 是 直 接 转 发 这 些 段 最 终 目 的 主 机 H2 搜 集 了 这 些 段 之 后, 将 重 组 它 们, 以 生 成 原 数 据 包 只 在 最 终 目 的 地 重 组 段 有 两 大 好 处 首 先, 减 少 了 路 由 器 中 状 态 信 息 的 数 量 当 转 发 一 个 数 据 包 时, 路 由 器 不 需 要 知 道 它 是 不 是 一 个 段 其 次, 允 许 路 径 动 态 地 变 化 如 果 一 个 中 间 路 由 器 要 重 组 段, 则 所 有 的 段 都 须 到 达 这 个 路 由 器 才 行 而 且 通 过 将 重 组 推 后 到 目 的 地,IP 就 可 以 自 由 地 将 数 据 包 的 不 同 段 沿 不 同 的 路 径 传 输 前 面 说 过 IP 并 不 保 证 送 达, 因 而 单 独 的 段 可 能 会 丢 失 或 不 按 次 序 到 达 另 外, 如 果 一 个 源 主 机 将 多 个 数 据 包 发 给 同 一 个 目 的 地, 这 些 数 据 包 的 多 个 段 就 可 能 以 任 意 的 次 序 到 达 IP 软 件 怎 样 重 组 这 些 乱 序 的 段 呢? 发 送 方 将 一 个 唯 一 的 标 识 放 进 每 个 输 出 数 据 包 的 标 识 (Identification) 域 中 当 一 个 路 由 器 对 一 个 数 据 包 分 段 时, 就 会 将 这 一 标 识 数 复 制 到 每 一 段 中, 接 收 方 就 可 利 用 收 到 的 段 的 标 识 数 和 IP 源 地 址 来 确 定 该 段 属 于 那 个 数 据 包 另 外, 段 偏 移 (Fragment Offet) 域 可 以 告 诉 接 收 方 各 段 的 次 序 只 有 一 个 数 据 包 的 所 有 的 段 都 收 到 了, 才 能 重 组 该 数 据 包 因 此 有 一 个 相 应 问 题 出 现 : 一 个 数 据 包 的 一 部 分 段 到 达 的 同 时, 很 可 能 仍 有 一 些 段 被 延 迟 或 丢 失 尽 管 这 时 数 据 包 还 不 能 被 重 组, 接 收 方 仍 须 保 留 所 有 已 收 到 的 段, 以 防 未 到 的 段 可 能 只 是 被 延 迟 当 然, 接 收 方 不 能 将 这 些 段 保 留 任 意 长 的 时 间, 因 为 它 们 会 占 用 大 量 的 内 存 资 源 为 了 避 免 耗 尽 内 存,IP 规 定 了 保 留 段 的 最 大 时 间 当 数 据 包 的 某 一 段 第 一 个 到 达 时, 接 收 方 开 始 一 个 计 时 器 如 果 数 据 包 的 所 有 段 在 规 定 时 间 内 在 到 达, 接 收 方 取 消 计 时, 重 组 数 据 包 否 则, 到 了 时 间, 而 所 有 段 还 未 到 齐, 接 收 方 会 丢 弃 已 到 达 的 段 引 入 IP 重 组 计 数 器 结 果 是 全 有 / 全 无 (All-or-Nothing): 要 么 所 有 的 段 都 到 达 了 并 且 IP 重 组 数 据 包, 要 么 IP 丢 弃 了 整 个 数 据 包 另 外, 没 有 任 何 机 制 使 接 收 方 去 告 知 发 送 方 已 收 到 哪 些 段 由 于 发 送 方 本 身 并 不 知 道 有 关 分 段 的 事 情, 这 一 设 计 就 显 得 有 用 更 进 一 步 地, 如 果 发 送 方 重 发 该 数 据 包, 路 由 可 能 不 同, 因 为 每 次 传 输 并 不 总 是 通 过 同 样 的 路 由 器 因 此, 无 法 保 证 重 发 的 数 据 包 会 像 上 次 一 样 地 被 分 段 分 段 之 后, 路 由 器 将 每 一 段 转 发 给 它 的 目 的 地 如 果 某 段 遇 到 一 个 MTU 值 更 小 的 网 络 时, 将 在 已 有 分 段 的 基 础 上, 将 比 MTU 大 的 再 分 段 如 果 一 个 互 联 网 设 计 得 很 糟 糕, 其 中 的 网 络 按 MTU 从 大 到 小 依 次 连 接, 则 路 径 上 的 每 个 路 由 器 就 必 须 对 段 再 进 行 分 段 IP 对 源 段 与 子 段 并 不 加 以 区 分, 接 收 方 也 并 不 知 道 收 到 的 是 一 个 第 一 次 分 段 后 形 成 的 段 还 是 一 个 已 经 被 多 个 路 由 器 多 次 分 段 后 形 成 的 段 同 等 对 待 所 有 段 的 优 点 在 于 : 接 收 方 并 不 需 先 重 组 子 段 后 才 能 重 组 原 数 据 包, 这 样 一 来 就 节 省 了 CPU 时 间, 减 少 了 每 一 段 的 头 部 中 所 需 的 信 息 量

198 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 Internet 为 网 络 应 用 提 供 了 两 种 不 同 的 传 输 协 议 : 用 户 数 据 包 传 输 协 议 (UDP,User Datayrom Protocol) 和 传 输 控 制 协 议 TCP(Traster Contrd Protocol), 不 同 的 网 络 应 用 使 用 不 同 的 协 议 例 如,HTTP 使 用 TCP 协 议, 而 普 通 文 件 传 输 协 议 ( TFTP,Trivial File Transter Protocol) 则 使 用 UDP 协 议 9.1 UDP 用 户 数 据 包 协 议 UDP 是 一 个 简 单 的 面 向 非 连 接 的 传 输 层 协 议,UDP 不 提 供 可 靠 性, 即 UDP 协 议 不 提 供 端 到 端 的 确 认 和 重 传 功 能, 它 不 保 证 信 息 包 一 定 能 到 达 目 的 地, 因 此 称 为 不 可 靠 协 议 UDP 具 有 以 下 几 个 特 点 : 1UDP 是 一 个 无 连 接 协 议, 数 据 包 在 传 输 之 前 发 送 端 和 接 收 端 不 建 立 连 接 UDP 只 是 简 单 地 把 应 用 程 序 的 数 据 尽 快 的 发 送 到 网 络 上, 在 发 送 端,UDP 传 送 数 据 的 速 度 仅 仅 是 受 应 用 程 度 生 成 数 据 的 速 度 计 算 机 的 能 力 和 传 输 带 宽 的 限 制 ; 在 接 收 端,UDP 把 每 个 消 息 段 放 在 队 列 中, 应 用 程 序 每 次 从 队 列 中 读 一 个 消 息 段 2 由 于 传 输 数 据 之 前 不 建 立 连 接, 因 此 也 就 不 需 要 维 护 连 接 状 态, 包 括 收 发 状 态 等, 因 此 一 台 服 务 机 可 同 时 向 多 个 客 户 机 传 输 相 同 的 消 息 3UDP 数 据 包 的 首 部 很 短, 只 有 8 个 字 节, 对 于 TCP 的 20 个 字 节 信 息 包 来 说 其 额 外 开 销 比 较 小 4 吞 吐 量 不 受 拥 挤 控 制 算 法 的 调 节, 只 受 应 用 软 件 生 成 数 据 的 速 率 传 输 带 宽 发 送 端 和 接 收 端 主 机 性 能 的 限 制 也 就 是 说 网 络 出 现 的 拥 塞 不 影 响 发 送 端 的 发 送 速 率, 这 对 某 些 实 时 应 用 是 很 重 要 的, 很 多 的 实 时 应 用 ( 如 IP 电 话 实 时 视 频 会 议 等 ) 要 求 源 主 机 以 恒 定 的 速 率 发 送 数 据, 并 且 允 许 在 网 络 发 生 拥 塞 时 丢 失 一 些 数 据, 但 不 允 许 数 据 有 太 大 的 时 延 UDP 正 好 适 合 这 种 应 用 UDP 协 议 的 数 据 包 格 式 UDP 协 议 直 接 利 用 IP 协 议 进 行 UDP 数 据 包 的 传 输,UDP 数 据 包 封 装 成 一 份 IP 数 据 包 的 格 式 如 图 9-1 所 示 图 9-1 UDP 数 据 包 封 装

199 9.1 UDP 用 户 数 据 包 协 议 UDP 首 部 UDP 数 据 包 的 各 字 段 如 图 9-2 所 示, 它 由 5 个 域 组 成 : 源 端 口 (Source Port) 目 的 端 口 (Destination Port) 用 户 数 据 包 的 长 度 (Length) 校 验 和 (Checksum) 和 数 据 (Data), 其 中, 前 4 个 域 组 成 了 UDP 的 首 部 (UDP Header), 每 个 域 由 两 个 字 节 组 成 ; 检 查 和 域 用 来 检 测 传 输 过 程 中 时 否 出 现 了 错 误,UDP 长 度 字 段 指 的 是 UDP 首 部 和 UDP 数 据 的 字 节 长 度,UDP 长 度 的 冗 余 的 IP 数 据 包 长 度 指 的 是 数 据 包 全 文, 已 经 包 括 了 UDP 的 长 度 因 此 UDP 数 据 包 长 度 是 IP 全 长 减 去 首 部 的 长 度 位 源 端 口 号 16 位 目 的 端 口 号 16 位 UDP 长 度 16 位 UDP 校 验 和 数 据 图 9-2 UDP 首 部 字 段 和 数 据 2.UDP 校 验 和 UDP 校 验 和 覆 盖 UDP 首 部 和 UDP 数 据, 第 8 章 介 绍 了 IP 首 部 的 校 验 和 它 只 覆 盖 了 IP 的 首 部, 并 不 覆 盖 IP 数 据 中 的 任 何 数 据 如 果 校 验 和 的 计 算 结 果 为 0, 则 存 入 的 值 为 全 1(65535), 这 在 二 进 制 反 码 计 算 中 是 等 效 的, 如 果 传 送 的 校 验 和 为 0, 说 明 发 送 端 没 有 计 算 校 验 和 如 果 发 送 端 没 有 计 算 校 验 和 或 接 收 端 收 到 校 验 和 有 差 错, 那 么 UDP 数 据 包 就 要 被 丢 弃, 不 产 生 任 何 差 错 报 文 UDP 校 验 和 是 一 个 端 到 端 的 校 验 和, 它 由 发 送 端 计 算, 然 后 由 接 收 端 验 证 是 否 出 现 了 错 误 下 面 举 例 说 明 使 用 校 验 和 校 验 错 误 的 过 程 例 如, 从 发 送 端 A 发 送 下 列 3 个 16 位 二 进 制 数 :DATA1 DATA2 和 DATA3 到 接 收 端 B, 校 验 和 的 计 算 如 图 9-3 所 示 DATA DATA DATA SUM= DATA1+ DATA2+ DATA 校 验 和 (SUMR 的 反 码 ) 图 9-3 校 验 和 的 计 算 从 发 送 端 发 出 的 4 个 (DATA DATA2 DATA3 以 及 校 验 和 )16 位 二 进 制 数 之 和 全 是 , 就 以 为 传 输 过 程 中 没 有 出 差 错 UDP 协 议 的 应 用 既 然 UDP 是 一 种 不 可 靠 的 网 络 协 议, 那 么 还 有 使 用 价 值 吗? 其 实 不 然, 在 有 些 情 况 下 UDP 协 议 可 能 会 变 得 非 常 有 用, 因 为 UDP 具 有 TCP 所 望 尘 莫 及 的 速 度 优 势 虽 然 TCP 协 议 中 具 有 各 种 安 全 保 障 功 能, 但 是 在 实 际 执 行 的 过 程 是 会 占 用 大 量 的 系 统 开 销, 无 疑 使 速 度 受 到 严 重 的 影 响, 而 UDP 由 于 排 除 了 信 息 可 靠 传 递 机 制, 将 安 全 和 排 序 等 功 能 移 交 给 上 层 应 用

200 194 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 来 完 成, 极 大 地 降 低 了 执 行 时 间, 使 速 度 等 到 保 障 9.2 TCP 传 输 控 制 协 议 TCP 协 议 (Transmission Control Protocol) 是 面 向 连 接 的, 端 到 端 的 可 靠 协 议, 它 支 持 多 种 网 络 应 用 程 序 TCP 对 下 层 服 务 没 有 多 少 要 求, 它 假 定 下 层 只 能 提 供 不 可 靠 的 数 据 包 服 务, 它 可 以 在 多 种 硬 件 构 成 的 网 络 上 运 行 图 9-4 是 TCP 在 层 次 结 构 中 的 位 置, 它 的 下 层 是 IP 协 议,TCP 可 以 根 据 IP 协 议 提 供 的 服 务 传 送 大 小 不 定 的 数 据,IP 协 议 负 责 对 数 据 进 行 分 段 重 组 和 在 多 种 网 络 中 传 送 应 用 层 TCP IP 网 络 传 输 图 9-4 TCP/IP 的 层 次 结 构 TCP 的 上 层 是 应 用 程 序, 下 层 是 IP 协 议, 上 层 接 口 包 括 一 系 列 类 似 于 操 作 系 统 中 断 的 调 用, 下 层 接 口 我 们 假 定 为 IP 协 议 接 口 为 了 在 并 不 可 靠 的 网 络 上 实 现 面 向 连 接 的 可 靠 的 传 送 数 据,TCP 必 须 解 决 可 靠 性 流 量 控 制 的 问 题, 必 须 能 够 为 上 层 应 用 程 序 提 供 多 个 接 口, 为 多 个 应 用 程 序 提 供 数 据 ; 同 时,TCP 也 必 须 解 决 连 接 问 题, 这 样 TCP 才 能 称 得 上 是 面 向 连 接 的 ; 最 后,TCP 也 必 须 能 够 解 决 通 信 安 全 性 的 问 题 TCP 的 服 务 尽 管 TCP 和 UDP 都 使 用 相 同 的 网 络 层 (IP), TCP 却 向 应 用 层 提 供 UDP 完 全 不 同 的 服 务,TCP 提 供 一 种 面 向 连 接 的 可 靠 的 字 节 流 服 务 面 向 连 接 意 味 着 两 个 使 用 TCP 的 应 用 ( 通 常 是 一 个 客 户 端 和 一 个 服 务 器 端 ) 在 彼 此 交 换 数 据 之 前 必 须 先 建 立 一 个 TCP 连 接, 在 一 个 TCP 连 接 中, 仅 有 两 方 进 行 彼 此 通 信,TCP 通 过 下 列 方 式 来 提 供 可 靠 性 : 应 用 数 据 被 分 割 成 TCP 认 为 最 合 适 发 送 的 数 据 的 数 据 块, 这 和 UDP 完 全 不 同 应 用 程 序 的 数 据 包 长 度 将 保 持 不 变, 由 TCP 传 递 给 IP 的 信 息 单 位 称 为 报 文 手 段 (Segnent) 当 TCP 发 出 一 个 报 文 段 后, 它 启 动 一 个 定 时 器, 等 待 目 的 端 确 认 收 到 这 个 报 文 段 如 果 不 能 及 时 收 到 一 个 确 认 (ACK), 将 重 发 这 个 报 文 段 当 TCP 收 到 来 自 TCP 连 接 另 一 端 的 数 据, 它 将 发 送 一 个 确 认, 这 个 确 认 不 是 立 即 发 送, 通 常 是 将 推 迟 几 分 之 一 秒 TCP 将 保 持 它 首 部 和 数 据 的 校 验 和, 这 是 一 个 端 到 端 的 检 验 和, 目 的 是 检 测 数 据 在 传 输 过 程 中 的 任 何 变 化 如 果 收 到 段 的 校 验 和 有 差 错,TCP 将 丢 弃 这 个 报 文 段 和 不 确 认 收 到 此 报 文 段 ( 希 望 发 端 超 时 并 重 发 ) 既 然 TCP 报 文 段 段 作 为 IP 数 据 包 来 传 输 而 IP 数 据 包 的 到 达 可 能 会 失 序, 因 此 TCP 报 文 段 的 到 达 也 可 能 会 失 序, 所 以 TCP 将 对 收 到 的 数 据 进 行 重 新 排 序, 将 收 到 的 数 据 以 正 确 的 顺 序 交 给 应 用 层 既 然 IP 数 据 包 会 发 生 重 复 TCP 的 接 收 必 须 能 够 丢 弃 重 复 的 数 据

201 9.2 TCP 传 输 控 制 协 议 195 TCP 还 能 提 供 流 量 控 制 TCP 连 接 的 每 一 方 都 有 固 大 小 的 缓 冲 空 间,TCP 的 接 收 端 只 允 许 另 一 端 发 送 接 收 端 缓 冲 区 所 能 接 纳 的 数 据, 这 将 防 止 较 快 主 机 致 使 较 慢 主 机 的 缓 冲 区 溢 出 TCP 首 部 TCP 数 据 被 封 装 在 一 个 IP 数 据 包 中, 如 图 9-5 所 示 图 9-5 TCP 数 据 在 IP 数 据 包 中 的 封 装 图 9-6 显 示 的 数 据 包 格 式, 其 首 部 的 长 度 通 常 是 20 个 字 节, 其 名 字 段 定 义 如 下 : 图 9-6 TCP 数 据 包 的 格 式 116 位 源 端 口 号 和 16 位 目 的 端 口 号 : 每 个 TCP 报 文 段 都 包 含 源 端 和 目 的 端 口 号, 用 于 寻 找 发 送 端 的 应 用 程 序, 端 口 号 加 上 IP 首 部 中 的 源 端 IP 地 址 和 目 的 端 IP 地 址 将 唯 一 确 定 了 一 个 TCP 的 连 接, 端 口 号 通 常 也 称 为 进 程 地 址 232 位 序 号 : 序 号 用 来 标 识 从 TCP 发 送 端 口 向 TCP 接 收 端 发 送 的 数 据 字 节 流, 它 表 示 在 这 个 报 文 段 中 的 第 一 个 数 据 字 节 如 果 将 字 节 流 看 做 在 两 个 应 用 程 序 间 的 单 向 流 动, 则 TCP 用 序 号 对 每 个 字 节 进 行 计 数, 序 号 是 32 bit 的 无 符 号 数, 序 号 的 最 大 值 是 , 之 后 又 从 0 开 始

202 196 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 当 建 立 一 个 新 的 连 接 时,SYN 标 志 变 1 序 号 字 段 包 含 由 这 个 主 机 选 择 的 该 连 接 的 初 始 序 号 (Initial Sequence Number), 该 主 机 要 发 送 数 据 的 第 一 字 节 序 号 为 这 个 ISN 加 1, 因 为 SYN 标 志 占 用 了 一 个 序 号 332 位 确 认 序 列 号 : 如 果 设 置 了 ACK 控 制 位, 这 个 值 表 示 一 个 准 备 接 收 包 序 列 号, 每 个 传 输 的 字 节 都 被 计 数 确 认 序 列 号 包 含 发 送 确 认 的 一 端 所 期 望 收 到 的 下 一 序 号, 因 此, 确 认 序 号 应 当 是 上 次 已 成 功 收 到 数 据 字 节 序 号 加 1, 只 有 ACK 标 志 为 1 时 确 认 为 序 号 字 段 才 有 效 发 送 ACK 无 需 任 何 代 价, 因 为 32 bit 的 确 认 序 号 字 段 和 ACK 标 志 一 样, 总 是 TCP 首 部 的 一 部 分, 因 此, 我 们 看 到 一 旦 一 个 连 接 建 立 起 来, 这 个 字 段 总 是 被 设 置,ACK 标 志 是 被 设 置 为 1 44 位 首 部 长 度 : 首 部 长 度 指 出 了 首 部 中 32 bit 字 的 数 目, 正 常 的 TCP 首 部 长 度 是 20 字 节, 由 于 选 项 字 段 的 长 度 是 可 变, 所 以 有 时 首 部 长 度 可 能 会 大 于 20 字 节 这 个 字 段 占 4 bit, 因 此 TCP 我 有 60 字 节 的 首 部 56 个 标 志 字 段 : 在 TCP 首 部 中 6 个 标 志 比 特, 即 URG 紧 急 指 针 ACK 确 认 序 号 PSH 推 标 志 PST 重 建 连 接 SYN 同 步 序 号 和 FIN 结 束 标 志, 它 们 的 含 义 如 表 9-1 所 示 表 9-1 TCP 首 部 的 6 个 标 志 比 特 TCP 标 记 描 述 SYN: 同 步 标 志 ACK: 确 认 标 志 RST: 复 位 标 志 URG: 紧 急 标 志 PSH: 推 标 志 FIN: 结 束 标 志 同 步 序 列 编 号 (Synchronize Sequence Numbers) 栏 有 效 该 标 志 仅 在 三 次 握 手 建 立 TCP 连 接 时 有 效 它 提 示 TCP 连 接 服 务 端 检 查 序 列 编 号, 该 序 列 编 号 为 TCP 连 接 初 始 端 ( 一 般 是 客 户 端 ) 初 始 序 列 编 号, 在 这 里, 可 以 把 TCP 序 列 编 号 看 做 是 一 个 范 围 从 0 到 4,194,295 的 32 位 计 数 器 通 过 TCP 连 接 交 换 的 数 据 中 每 一 个 字 节 都 经 过 序 列 编 号 在 TCP 报 头 中 的 序 列 编 号 栏 包 括 了 TCP 分 段 中 第 一 个 字 节 的 序 列 编 号 确 认 编 号 (Acknowledgement Numter) 栏 有 效 太 多 大 多 数 情 况 下 该 标 志 是 置 位 的, TCP 报 头 内 的 确 认 编 号 栏 内 包 含 的 确 认 编 号 (W+1,Figure-1) 为 下 一 个 预 期 的 序 列 编 号, 同 时 提 示 远 端 系 统 已 经 成 功 接 收 到 所 有 数 据 对 当 前 通 信 的 状 态 进 行 复 位 当 通 信 时 发 生 了 不 可 恢 复 的 传 输 故 障 时, 就 要 使 用 复 位, 发 送 设 备 使 用 这 个 标 志 位 来 表 示 你 在 听 我 说 一 遍 吗?, 当 发 出 RST 之 后 通 信 会 话 必 须 重 新 开 始 表 明 发 送 设 备 有 一 些 优 先 级 更 高 的 信 息 要 发 送, 在 紧 急 (The Urgent Pointer) 标 志 有 效 的 数 据 包 中 有 重 要 的 信 息 当 设 备 接 收 到 设 置 了 URG 标 志 包 时, 它 首 先 处 理 这 个 信 息 该 标 志 被 设 置 时, 接 收 端 不 将 数 据 进 行 队 列 处 理, 而 是 尽 可 能 快 将 数 据 转 由 应 用 处 理 在 处 理 Telnet 或 Rlogin 等 交 互 模 式 的 连 接 时, 该 标 志 总 是 有 效 的 带 有 FIN 标 志 的 数 据 包 表 明 发 送 设 备 要 结 束 一 个 TCP 会 话, 但 对 应 端 口 仍 处 于 开 放 状 态, 准 备 接 收 后 续 数 据, 一 般 情 况 下, 通 信 会 话 中 每 一 个 设 备 在 实 际 中 断 连 接 之 前 会 发 送 FIN 616 位 窗 口 :TCP 协 议 可 以 表 述 为 一 个 没 有 选 择 确 认 或 否 认 的 滑 动 窗 口 协 议, 它 的 窗 口 大 小 是 可 变 的 我 们 说 TCP 缺 少 选 择 确 认 是 因 为 TCP 首 部 中 的 确 认 序 号 表 示 发 送 方 已 成 功 收 到 字 节, 但 还 不 包 含 确 认 序 列 号 所 指 的 字 节 当 前 还 无 法 对 数 据 流 中 选 定 的 部 分 进 行 确 认 例 如, 如 果 1~1 024 字 节 已 经 成 功 收 到, 下 一 报 文 段 中 包 含 序 号 从 2 049~3 072 的 字 节, 接 收 段 并 不 能 确 认 这 个 新 的 报 文 段 它 所 能 做 的 就 是 发 回 一 个 确 认 序 号 为 1025 的 ACK, 它 也

203 9.2 TCP 传 输 控 制 协 议 197 无 法 对 一 个 报 文 段 进 行 否 认 例 如, 如 果 收 到 1 025~2 048 字 节 的 报 文 段, 但 它 的 校 验 和 有 错,TCP 接 收 端 所 能 做 到 的 就 是 发 回 一 个 确 认 序 号 为 的 ACK TCP 的 流 量 控 制 由 连 接 的 每 一 端 通 过 声 明 的 滑 动 窗 口 大 小 来 提 供, 窗 口 大 小 为 字 节 数, 起 始 于 确 认 序 号 字 段 指 明 的 值, 这 个 值 是 接 收 端 正 期 望 接 收 的 字 节 窗 口 大 小 是 一 个 16 bit 字 段, 因 而 窗 口 大 小 最 大 为 字 节, 有 别 于 HDLC 高 级 数 据 链 路 控 制 协 议 的 滑 动 窗 口, TCP 协 议 的 滑 动 窗 口 大 小 是 可 变 的, 是 收 发 双 方 协 商 的 716 位 校 验 和 : 校 验 和 字 段 覆 盖 了 TCP 首 部 和 TCP 数 据, 这 个 字 段 一 定 是 由 发 送 端 计 算 和 存 储, 并 由 接 收 端 进 行 验 证 TCP 校 验 和 的 计 算 方 法 和 UDP 校 验 和 的 计 算 方 法 一 样 816 位 紧 急 指 针 :URG 标 志 置 1 时 紧 急 指 针 才 有 效, 紧 急 指 针 是 一 个 正 的 偏 移 量, 和 序 号 字 段 中 的 值 相 加 表 示 紧 急 数 据 最 后 一 个 字 节 的 序 号,TCP 的 紧 急 方 式 是 发 送 端 向 接 收 端 发 送 紧 急 数 据 的 一 种 方 式 TCP 连 接 的 3 次 握 手 TCP 是 一 种 面 向 连 接 的 可 靠 的 传 输 层 协 议 面 向 连 接 是 指 一 次 正 常 的 TCP 传 输 需 要 通 过 在 TCP 源 主 机 和 TCP 目 的 主 机 建 立 特 定 虚 电 路 连 接 来 完 成, 该 程 通 常 被 称 为 3 次 握 手 第 1 次 握 手 : 建 立 连 接 时, 源 主 机 发 送 SYN 包 ( 本 次 连 接 的 seq=x) 到 目 的 主 机, 并 进 入 SYN-SEND 状 态 等 待 目 的 主 机 的 确 认 第 2 次 握 手 : 目 的 主 机 收 到 SYN 请 求 包 后 如 果 同 意 连 接 则 发 送 SYN 的 确 认 ( ACK=x+1) 给 源 主 机, 同 时 也 发 送 一 个 自 己 的 SYN 包 (seq=y), 即 SYN+ACK 包, 此 时 目 的 主 机 进 入 SYN-REW 状 态 第 3 次 握 手 : 源 主 机 收 到 目 的 主 机 的 SYN+ACK 包 后 向 源 主 机 发 送 确 认 包 ACK (ACK=y+1), 此 包 发 送 后 源 端 和 目 的 端 进 入 Established 状 态, 完 成 3 次 握 手, 如 图 9-7 所 示 图 9-7 建 立 TCP 连 接 的 3 次 握 手 如 果 最 初 建 立 连 接 时 双 方 同 时 都 发 出 了 SYN, 双 方 会 发 现 这 个 SYN 中 没 有 确 认, 于 是 就 发 送 一 个 reset 来 解 决 这 种 情 况,3 次 握 手 减 少 了 连 接 失 败 的 可 能 性 下 面 是 一 个 TCP 连 接 建 立 的 例 子 : 3 次 报 文 同 步 :

204 198 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 TCP A TCP B CLOSED LISTEN 1.SYNSENT <SEQ=100><CTL=SYN> SYNRECEIVED 2. ESTABLISHED <SEQ=300 ><ACK=101><CTL=SYN,ACK> SYNRECEIVED 3. ESTABLISHED <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK> ESTABLISHED 4.STABLISHED <SEQ=101><ACK=301><CTL=ACK><DATA> ESTABLISHED 握 手 中 的 第 1 个 报 文,TCP A 发 送 SYN 初 始 化 序 列 号, 表 示 它 要 使 用 序 列 号 100; 第 2 个 报 文 中,TCP B 给 出 了 确 认, 并 且 希 望 接 收 序 列 号 是 101 的 数 据 段 ; 同 时 给 出 了 自 己 的 SYN=300; 在 第 3 个 报 文 段 中,TCP A 给 出 确 认, 在 第 4 个 报 文 中, 它 同 样 给 出 ACK=101, 并 发 送 了 一 些 数 据, 第 3 个 报 文 中 的 序 列 号 与 第 4 个 报 文 中 的 一 样, 这 是 因 为 ACK 信 息 不 占 用 序 列 空 间 内 的 序 列 号 同 时 产 生 请 求 的 情 况 如 下 所 示 : 同 时 请 求 连 接 : TCP A TCP B CLOSED CLOSED 1.SYN-SENT <SEQ=100><CTL=SYN> 2.SYN-RECEIVED <SEQ=300 ><CTL=SYN> SYN-SENT 3. <SEQ=100><ACK=301 ><CTL=SYN,ACK> SYN-RECEIVED 4. SYN-SENT <SEQ=100><ACK=301><CTL=SYN,ACK> 5. ESTABLISHED <SEQ=300><ACK=101><CTL=SYN,ACK> SYN-RECEIVED 6. <SEQ=101><ACK=301 ><CTL=CTL=ACK> ESTABLISHED 使 用 3 次 握 手 的 主 要 原 因 为 了 防 止 使 用 过 期 的 数 据 段 为 了 这 个 目 的, 必 须 引 入 新 的 控 制 报 文, 如 果 接 收 TCP 处 理 非 同 步 状 态, 在 接 收 到 RESET 后 返 回 到 LISTEN 状 态 如 果 TCP 处 理 下 面 几 种 状 态 ESTABLISHED FIN-WAIT-1 FIN-WAIT-2 CLOSE-WAIT CLOSING LAST-ACK TIME-WAIT 时, 放 弃 连 接 并 通 过 用 户 用 下 面 的 连 接 实 例 说 明 后 一 种 情 况 过 期 SYN 的 恢 复 : TCPA TCPB CLOSED LISTEN 1. SYN-SENT <SEQ=100><CTL=SYN> 2.(duplicate) SEQ=90><CTL=SYN> SYN-RECEIVED 3. SYN-SENT <SEQ=300><ACK=91><CLT=SYN,ACK> SYN-RECEIVED 4. SYN-SENT <SEQ=91><CTL=RST> LISTEN 5. SEQ=90><CTL=SYN> SYN> SYN-RECEIVED 6. SYN-SENT <SEQ=400><ACK=101><CTL=SYN,ACK> SYN-RECEIVED 7. ESTABLISHED <SEQ=101><ACK=401><CTL=ACK>

205 9.2 TCP 传 输 控 制 协 议 199 ESTABLISHED 通 过 上 面 的 例 子, 我 们 可 以 看 出 TCP 连 接 是 如 何 从 过 期 数 据 段 的 干 扰 下 恢 复 的, 注 意 第 4 个 报 文 段 中 的 RST(RESET 信 号 ) DOS( 拒 绝 服 务 攻 击 ) DOS(Denial Of Service), 利 用 3 次 握 手 的 拒 绝 服 务 攻 击 其 操 作 过 程 是 : 当 客 户 端 要 与 报 务 器 进 行 连 接 前, 要 进 行 3 次 握 手, 首 先 客 户 端 先 发 出 请 求, 服 务 端 回 复 请 求, 攻 击 就 在 这 个 时 候 产 生 的, 客 户 端 不 做 第 3 次 握 手, 而 是 重 新 建 立 一 个 新 的 连 接 请 求, 服 务 器 端 一 直 保 持 这 个 回 语, 等 待 客 户 端 连 接, 这 样 客 户 端 大 量 建 立 没 有 第 3 次 握 手 的 连 接, 导 致 服 务 器 系 统 资 源 占 用 过 高, 直 到 Down 机, 如 图 9-8 所 示 图 9-8 DOS 示 意 图 TCP 关 断 连 接 的 修 改 的 3 次 握 手 + 建 立 一 次 连 接 需 要 3 次 握 手, 而 断 开 一 个 TCP 连 接 需 要 修 改 的 3 次 握 手, 如 图 9-9 所 示

206 200 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 图 9-9 TCP 连 接 释 放 的 报 文 交 换 用 以 建 立 和 关 断 连 接 的 3 次 握 手 之 间 的 差 别 是 主 机 收 到 初 始 的 FIN 段 报 文 之 后,TCP 不 是 立 刻 产 生 第 2 个 FIN 报 文 段, 而 是 发 送 一 个 应 答, 然 后 将 关 断 连 接 的 请 求 通 知 应 用 程 序, 上 述 确 认 防 止 等 待 期 间 重 发 初 始 的 FIN 报 文 段 1. 半 开 连 接 和 其 他 非 正 常 状 态 如 果 一 方 在 未 通 过 另 一 方 的 情 况 下 关 闭 连 接, 或 双 方 虽 然 失 败 而 不 同 步 的 情 况 我 们 称 为 半 开 连 接 状 态 在 一 方 试 图 发 送 数 据 时 连 接 会 自 动 RESET 然 而 这 种 情 况 毕 竟 属 于 不 正 常 情 况, 应 该 作 出 相 应 的 处 理 如 果 A 处 的 连 接 已 经 关 闭,B 处 并 不 知 道, 当 B 希 望 发 送 数 据 到 A 时, 就 会 收 到 RESET 信 号, 表 示 这 个 TCP 连 接 有 误, 要 中 止 当 前 连 接 假 设 A 和 B 两 个 进 程 相 互 通 信 的 时 候,A 的 TCP 发 生 了 失 败,A 依 靠 操 作 系 统 支 持 TCP 的 存 在, 通 常 这 种 情 况 下 会 恢 复 机 制 起 作 用, 当 TCP 重 新 恢 复 的 时 候 A 可 能 希 望 从 恢 复 点 开 始 工 作 这 样 A 可 能 会 试 图 OPEN 连 接, 然 后 在 这 个 它 认 为 还 是 打 不 开 的 连 接 上 传 送 数 据, 这 时 A 会 从 本 地 ( 也 就 是 A 的 )TCP 上 获 得 错 误 消 息 未 打 开 连 接 A 的 TCP 将 以 送 包 括 SYN 的 数 据 段, 下 面 的 例 子 将 显 示 这 一 过 程 : 半 导 连 接 检 测 : TCP A TCP B 1.CRASH (send 300,receive 100) 2.CLOSED ESTABLISHED 3.SYN-SENT <SEQ=400><CTL=SYN> (??) 4.(!!) <SEQ=300><ACK=100><CTL= ACK> ESTABLISAED 5. SYN-SENT <SEQ=100><ACK=RST> (Abort!!) 6. SYN-SENT CLOSED 7. SYN-SENT <SEQ=400><CTL=SYN> 上 面 这 个 例 子 中,A 方 收 到 的 信 息 并 没 有 确 认 任 何 东 西, 这 时 候 A 发 现 出 了 问 题, 于 是 了 送 了 RST 控 制 信 息 另 一 种 情 况 发 生 在 A 失 败, 而 B 仍 然 试 图 发 送 数 据 时, 下 面 的 例 子 表 示 这 种 情 况, 请 注 意 第 2 行 中 A 对 B 发 送 来 的 信 息 不 知 所 云

207 9.2 TCP 传 输 控 制 协 议 201 主 动 方 引 起 半 开 连 接 检 测 TCP A TCP B 1.CRASH (send300,receive100) 2.(??) <SEQ=300><ACK=100><DATA=10><CTL=ACK> ESTABLISHED 3. <SEQ=400><CTL=RST> (ABORT!!!) 在 下 面 的 例 子 中,A 方 和 B 方 进 行 的 被 动 连 接, 它 们 都 在 等 待 SNY 信 息 过 期 的 包 传 送 到 B 方 使 B 回 应 了, 而 收 到 回 应 的 A 却 发 现 不 对 头, 传 送 RST 控 制 信 息,B 方 返 回 被 动 LISREN 状 态 TCP A TCP B 1.LISTEN LISTEN 2. SEQ=Z><CTL=SYN> SYN-RECEIVED 3.(??) <SEQ=X><ACK=Z+1><CTL=SYN,ACK> SYN-RECEIVED 4. <SEQ=Z+1><CTL=RST -RETURN TO LISTEN 5.LISTEN LISTEN 现 实 中 的 情 况 太 多 了, 我 们 列 举 一 些 产 生 RST 控 制 信 息 的 规 则 如 下 : 通 常 情 况 下,RST 在 收 到 信 息 不 是 期 待 的 信 息 时 产 生 如 果 在 不 能 确 定 时 不 要 轻 易 发 送 RST 控 制 信 息 下 面 有 三 类 情 况 : 1 如 果 连 接 已 经 不 存 在, 而 发 送 来 的 消 息 又 不 是 RST, 那 么 要 返 回 RST 如 果 想 拒 绝 参 不 存 在 的 连 接 进 行 SYN 可 以 使 用 这 种 办 法 如 果 到 达 的 信 息 有 一 个 ACK 域, 返 回 的 RST 信 息 可 以 从 ACK 域 中 取 得 序 列 号 ; 如 果 没 有 这 个 域, 就 把 RST 的 序 列 号 设 置 为 0,ACK 域 被 设 为 序 列 和 到 达 段 长 度 之 和 连 接 仍 然 处 于 CLOSE 状 态 2 如 果 连 接 处 于 非 同 步 状 态 (LISTEN,SYN-SENT,SYN-RECEIVED), 而 且 收 到 的 确 认 是 对 未 发 出 色 的 确 认 或 是 接 收 到 数 据 段 的 安 全 级 别 与 不 能 连 接 要 求 的 相 一 致 时, 就 发 送 RST. 如 果 SYN 未 被 确 认 时, 而 且 收 到 的 数 据 段 的 优 先 级 比 要 求 的 优 先 级 要 高, 那 么 要 么 提 高 本 地 优 先 级 ( 得 事 先 征 得 用 户 和 系 统 的 许 可 ) 要 么 发 送 RST; 如 果 接 收 数 据 段 的 优 先 级 比 要 求 的 优 先 级 低, 就 算 是 匹 配 了, 当 然 如 果 对 方 发 现 优 先 级 不 对 提 高 了 优 先 级, 在 下 一 个 包 中 提 高 了 优 先 级, 这 就 不 算 是 匹 配 了, 如 果 连 接 已 经 进 入 SYN, 那 么 接 收 到 数 据 段 的 优 先 级 必 须 和 本 地 优 先 级 一 样, 否 则 发 送 RST 如 果 到 达 的 信 息 有 一 个 ACK 域, 返 回 的 RST 信 息 可 以 从 ACK 域 中 取 得 序 列 号, 如 果 没 有 这 个 域, 就 把 RST 的 序 列 号 设 置 为 0,ACK 域 被 设 置 为 序 列 号 和 到 达 段 长 度 之 和 连 接 仍 然 处 于 与 原 来 相 同 的 状 态 3 如 果 连 接 处 于 同 步 状 态 (ESTABLISHED,FIN-WAIT-1,FIN-WAIT-2,CLOS-EWAIT, CLOSING,LAST-ACK,TIME-WAIT), 任 何 超 出 接 收 窗 口 的 序 列 号 的 数 据 段 都 产 生 如 下 结 果 : 发 出 一 个 空 确 认 数 据 段, 此 段 中 包 括 当 前 发 送 序 列 号, 另 外 还 包 括 一 个 确 认 指 出 希 望 接 收 的 下 一 个 数 据 段 的 序 列 号, 连 接 仍 然 保 存 在 原 来 的 状 态 如 果 因 为 安 全 级 优 先 级 之 类 的 问 题, 那 就 发 送 RST 信 号 然 后 进 入 CLOSED 状 态 2.RST 过 程 除 了 SYN-SENT 状 态 外 的 其 他 状 态 中, 所 有 的 RST 数 据 段 可 以 通 过 检 查 SEQ 域 查 明 如 果 序 列 号 在 接 收 窗 口 中,RST 是 有 效 的 当 连 接 处 于 SYN-SENT 状 态 时, 如 果 ACK 域 确 认 SYN, 那 么 RST 也 是 合 法 的 RST 的 接 收 方 首 先 确 认 它 的 合 法 性, 然 后 进 行 状 态 转 换 如 果 接 收 方 处 于 LISTEN 状 态, 它 就 忽 略 了 RST 包 如 果 接 收 方 处 于 SYN-RECEIVED 状 态, 而 且 以 前 处 于 LISTEN 状 态,

208 202 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 接 收 方 返 回 LISTEN 状 态, 否 则 接 收 方 关 闭 连 接 进 入 CLOSED 状 态 当 接 收 方 处 于 其 他 状 态 时, 直 接 关 闭 连 接 回 到 CLOSED 状 态 3. 关 闭 连 接 CLOSE 是 一 个 操 作, 它 的 意 思 就 是 本 方 已 经 有 数 据 发 送 由 于 是 全 双 工 的, 所 以 会 造 成 一 些 麻 烦, 因 为 接 收 方 对 于 处 理 接 收 方 的 连 接 有 点 麻 烦 我 们 以 一 种 简 单 的 方 式 对 得 CLOSE, 发 送 CLOSE 的 一 方 在 接 收 到 对 方 的 CLOSE 之 前, 还 要 继 续 收 数 据 因 此 程 序 可 以 在 一 个 CLOSE 之 后 初 始 化 几 个 SEND, 然 后 开 始 RECEIVE, 直 到 接 收 到 对 方 的 CLOSED 而 RECEIVE 失 败 为 止 我 们 假 设 TCP 通 知 用 户 连 接 关 闭, 即 使 仍 在 RECEIVE 也 可 以, 这 样 用 户 就 可 以 正 常 关 闭 了 这 样,TCP 可 以 在 连 接 关 闭 前 可 靠 地 发 送 数 据 下 面 列 举 了 3 种 基 本 情 况 : (1) 本 地 用 户 关 闭 这 种 情 况 下, 可 以 建 立 一 个 FIN 段 放 入 发 送 队 列 TCP 不 再 接 收 用 户 的 SEND 指 令,TCP 进 入 FIN-WAIT-1 状 态 RECEIVE 在 这 种 状 态 下 是 允 许 的, 所 以 数 据 段 和 FIN 在 未 接 收 到 确 认 以 前 会 一 直 发 送 当 另 一 个 TCP 确 认 FIN, 并 发 送 自 已 的 FIN 后, 本 地 的 TCP 可 以 确 认 以 前 这 个 FIN 了 注 意 :TCP 还 可 以 在 确 认 FIN 时 不 返 回 自 己 的 FIN, 直 到 用 户 关 闭 连 接 时 再 返 回 自 己 的 FIN (2)TCP 从 网 络 上 接 收 到 一 个 FIN 如 果 在 没 有 请 求 的 情 况 下 收 到 FIN,TCP 可 以 返 回 ACK 并 通 知 用 户 连 接 已 经 关 闭 用 户 可 以 以 CLOSE 响 应,TCP 在 发 送 完 剩 下 的 数 据 后 发 送 自 己 的 FIN, 然 后 TCP 等 待 对 这 个 FIN 的 确 认, 在 接 收 到 后, 它 关 闭 连 接 如 果 确 认 超 时, 可 以 关 闭 连 接 并 通 知 用 户 完 事 (3) 双 方 同 时 关 闭 双 方 同 时 关 闭 会 导 致 交 换 FIN, 双 方 全 在 收 到 对 自 己 FIN 的 确 认 后 关 闭 连 接 通 常 的 关 闭 顺 序 : TCP A TCP B 1. ESTABLISHED ESTABLISHED 2.CLOSE FIN-WAIT-1 <SEQ=100><ACK=300><CTL=FIN,ACK> CLOSE-WAIT 3. FIN-WAIT-2 <SEQ=300><ACK=101><CTL=ACK> CLOSE-WAIT 4. CLOSE TIME-WAIT <SEQ=300><ACK=101><CTL=FIN,ACK> LAST-ACK 5. TIME-WAIT <SEQ=101><ACK=301><CTL= ACK> CLOSED 6.(2MST) CLOSED 同 时 关 闭 : TCP A TCP B 1. ESTABLISHED ESTABLISHED 2.CLOSE CLOSE FIN-WAIT-1 <SEQ=100><ACK=300><CTL=FIN,ACK> FIN-WAIT-1

209 9.2 TCP 传 输 控 制 协 议 203 <SEQ=300><ACK=100><CTL=FIN,ACK> <SEQ=100><ACK=300><CTL=FIN,ACK> 3. CLOSING <SEQ=101><ACK=301><CTL= ACK> CLOSING SEQ=301><ACK=100><CTL=FIN,ACK> <SEQ=101><ACK=301><CTL= ACK> 4. TIME-WAIT TIME-WAIT (2MSL) (2MSL) CLOSE CLOSE TCP 标 志 字 段 的 应 用 1. 静 态 数 据 包 的 过 滤 静 态 数 据 包 过 滤 是 根 据 TCP 数 据 包 报 头 中 的 信 息 对 通 信 进 行 控 制 当 过 滤 设 备 ( 路 由 器 防 火 墙 ) 接 收 到 数 据 包 时, 它 将 数 据 包 报 头 中 的 数 据 属 性 与 访 问 控 制 列 表 (ACL) 进 行 比 较, 根 据 比 较 结 果, 决 定 是 转 发 不 是 丢 弃 这 个 数 据 包 一 般 情 况 下, 静 态 数 据 包 过 滤 使 用 下 列 信 息 : 目 的 IP 地 址 源 IP 地 址 目 的 服 务 端 口 源 服 务 端 口 标 记 这 里 我 们 简 要 介 绍 静 态 数 据 包 过 滤 能 够 根 据 TCP 报 头 中 的 标 记 字 段 控 制 通 信 标 记 字 段 在 控 制 通 信 时 起 到 什 么 作 用 呢? 在 前 面 介 绍 了 TCP 标 记 6 个 标 志 比 特 (URG 紧 急 指 针,ACK 确 认 序 号,PSH 推 标 志,RST 重 建 连 接,SYN 同 步 序 号,FIN 结 束 标 志 ), 在 TCP 连 接 过 程 中 不 同 的 标 志 值 表 明 了 不 同 的 特 征 表 9-1 列 出 了 6 个 标 记 和 主 要 用 途, 标 记 字 段 为 接 收 主 机 提 供 了 与 数 据 有 关 的 一 些 额 外 信 息, 在 静 态 数 据 包 过 滤 中 标 记 字 段 起 到 了 很 重 要 的 作 用 (1) 使 用 标 记 来 过 滤 连 接 请 求 考 虑 这 样 一 个 例 子 : 我 们 的 访 问 控 制 策 略 是 内 部 的 用 户 能 够 访 问 Internet 上 的 所 有 服 务, 但 是 所 有 发 送 到 内 部 网 络 的 通 信 都 要 被 阻 止 虽 然 这 看 上 去 好 像 是 ACL 要 阻 止 所 有 来 自 Internet 的 通 信, 但 实 际 上 并 不 是 这 样 的 所 有 的 通 信 都 包 含 两 个 步 骤 : 1 我 们 访 问 Web 站 点 时, 首 先 产 生 一 个 数 据 请 求 2Web 站 点 返 回 我 们 所 请 求 的 数 据 在 第 2 个 步 骤 里, 我 们 希 望 从 Internet 主 机 上 返 回 的 数 据 能 够 到 达 内 部 网 络 设 备 如 果 我 们 逐 字 地 解 释 控 制 策 略 的 后 半 句 话 ( 所 有 发 送 到 内 部 网 络 的 通 信 都 要 被 阻 止 ), 那 么 所 有 返 回 的 数 据 都 不 可 能 到 达 作 出 请 求 的 主 机 这 代 表 了 线 路 切 割 器 作 为 有 效 安 全 设 备 的 模 式, 这 是 因 为 防 火 墙 不 允 许 一 个 完 整 的 通 信 会 话 这 就 是 使 用 标 记 字 段 的 原 因 正 如 我 们 已 经 看 到 的, 在 TCP3 次 握 手 过 程 中, 起 源 设 备 发 送 一 个 数 据 色, 其 中 SYN=1, 而 其 他 标 记 都 是 0 这 种 序 列 只 有 在 一 台 设 备 要 与 另 一 台 设 备 建 立 连 接 时 才 使 用 数 据 包 过 滤 器 会 使 用 这 种 特 殊 的 标 记 设 置 来 控 制 TCP 会 话, 如 果 阻 止 了 初 始 连 接 请 求, 两 台 设 备 是 无 法 建 立 数 据 会 话 的 如 果 要 修 改 我 们 的 访 问 控 制 策 略, 让 它 从 技 术 上 更 加 正 确, 那 它 应 该 是 这 样 的 : 所 有

210 204 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 发 送 到 内 部 网 络 的 Internet 通 信, 如 果 它 的 SYN=1, 其 他 标 记 都 是 0, 那 么 就 应 该 阻 止 它 这 意 味 着 是 有 其 他 标 记 的 通 信 会 被 认 为 属 于 已 经 建 立 的 连 接, 并 且 允 许 被 转 发 (2) 标 记 的 使 用 认 为 所 有 SYN 不 等 于 1 的 数 据 包 属 于 已 往 建 立 的 会 话, 这 并 不 是 保 护 内 部 网 络 的 最 安 全 的 方 法 通 过 修 改 标 记 的 值, 故 意 的 攻 击 者 能 够 欺 骗 静 态 数 据 包 过 滤 器, 让 它 允 许 恶 意 的 通 信 通 过, 这 样 就 让 破 坏 者 战 胜 了 这 些 安 全 设 备 例 如, 有 一 种 称 为 端 口 扫 描 的 程 序, 它 能 够 探 查 目 的 主 机 有 哪 些 服 务 端 口 是 打 开 的, 它 所 有 服 务 端 口 ( 一 定 范 围 内 ) 发 送 连 接 请 求 (SYN=1) 如 果 其 中 有 任 何 连 接 请 求 让 目 的 主 机 返 回 了 一 个 连 接 请 求 确 认 (SYN=1,ACK=1), 它 就 知 道 这 个 端 口 上 有 一 个 服 务 由 于 简 单 的 数 据 包 过 滤 器 就 能 够 阻 止 这 种 端 口 扫 描, 有 些 人 进 行 了 一 些 有 创 造 性 的 工 作, 简 单 的 端 口 扫 描 程 序 变 成 了 FIN 扫 描, 它 和 端 口 扫 描 程 度 的 原 理 是 一 样 的, 不 同 点 是 在 这 发 送 的 数 据 色 中,FIN=1 ACK=1 其 他 标 记 都 是 0 由 于 我 们 的 数 据 包 过 滤 器 只 阻 止 SYN=1 同 时 其 他 标 记 为 0 的 数 据 包, 因 此 上 面 这 些 数 据 包 能 够 顺 利 地 通 过 结 果 是 攻 击 者 能 够 分 析 返 回 的 数 据 流, 从 而 确 定 哪 台 主 机 提 供 了 什 么 服 务 这 意 味 着 我 们 的 静 态 数 据 包 过 滤 器 不 能 检 测 到 这 种 扫 描 程 序 静 态 数 据 包 过 滤 器 是 非 智 能 的 过 滤 设 备, 对 于 高 级 的 攻 击 来 说, 它 们 只 能 提 供 有 名 无 实 的 保 护 它 们 只 查 看 很 少 的 住 处 来 决 定 是 否 传 输 数 据 包 既 然 静 态 数 据 包 过 滤 器 是 这 样 的 无 用, 为 什 么 还 要 使 用 它 呢? 虽 然 是 有 自 身 的 局 限 性, 静 态 数 据 包 过 滤 能 够 用 来 加 强 现 有 安 全 设 备 ( 比 如 防 火 器 ) 的 安 全 形 势, 或 是 在 不 太 可 能 暴 露 的 场 合 实 现 安 全 举 例 来 说, 也 许 防 火 墙 提 供 了 网 络 中 大 量 的 安 全 保 障, 但 是 如 果 软 件 代 码 中 有 漏 洞, 使 得 攻 击 者 能 够 穿 过 防 火 墙, 怎 么 办? 如 果 我 们 只 依 靠 防 火 墙, 攻 击 者 就 可 能 对 网 络 进 行 严 重 地 破 坏 如 果 我 们 在 边 界 路 由 器 上 使 用 静 态 数 据 包 加 强 安 全, 就 可 能 阻 止 攻 击 者 的 攻 法 静 态 过 滤 虽 然 不 是 保 证 网 络 安 全 的 最 好 形 式, 但 是 只 要 正 确 使 用, 它 会 是 一 个 十 分 有 效 的 安 全 工 具 2. 动 态 数 据 包 的 过 滤 动 态 数 据 包 过 滤 比 静 态 数 据 包 过 滤 又 前 进 了 一 步, 它 保 存 一 个 连 接 表 来 监 视 通 信 会 活 的 状 态, 而 不 仅 仅 依 赖 于 标 记 的 设 置 这 是 一 个 强 大 的 功 能, 可 以 更 好 地 控 制 通 信 假 设 攻 击 者 向 一 台 设 备 发 送 了 一 个 数 据 包, 其 中 包 含 了 用 于 让 系 统 崩 溃 的 有 效 载 荷 攻 击 者 会 修 改 数 据 包 的 形 式, 让 它 看 上 去 像 是 对 内 部 网 络 设 备 的 应 答 信 息 一 般 的 数 据 包 过 滤 器 会 分 析 这 个 数 据 包, 发 现 ACK 位 是 1, 因 此 错 误 地 认 为 这 是 对 数 据 请 求 的 响 应, 就 会 将 它 转 发 到 内 部 网 络 设 备 然 而 动 态 数 据 包 过 滤 器 是 不 会 这 么 轻 易 被 愚 弄 的, 当 动 态 数 据 包 过 滤 器 会 发 现 内 部 网 络 设 备 从 没 有 连 接 到 这 台 外 部 设 备 并 且 发 出 数 据 请 求, 由 于 这 个 信 息 没 有 被 明 确 地 请 求 动 态 数 据 包 过 滤 器 会 阻 挡 这 个 数 据 包 (1) 动 态 数 据 包 过 滤 的 过 程 为 了 更 好 地 理 解 动 态 数 据 包 过 滤 所 提 供 的 安 全 性, 下 面 我 们 来 介 绍 的 其 工 作 过 程 我 们 有 两 个 独 立 的 网 络 配 置 : 一 个 使 用 静 态 数 据 包 过 滤 器 保 护 内 部 网 络 的 主 机 ; 另 一 个 使 用 动 态 数 据 包 过 滤 器 两 台 设 备 用 于 控 制 通 信 的 访 问 规 则 是 : 1 允 许 被 保 护 的 主 机 与 远 程 服 务 器 建 立 任 何 服 务 会 话

211 9.2 TCP 传 输 控 制 协 议 转 发 所 有 属 于 已 经 建 立 的 会 话 的 通 信 3 丢 弃 其 他 所 有 通 信 第 1 条 规 则 允 许 被 保 护 的 主 机 与 远 程 服 务 器 建 立 连 接 这 意 味 着 只 有 当 源 地 址 是 被 保 护 的 主 机, 同 时 目 的 地 址 是 远 程 服 务 器 时,SYN=1 的 数 据 包 才 能 允 许 通 过 当 满 足 这 个 条 件 时, 远 程 服 务 器 上 的 任 何 服 务 都 是 可 用 的 第 2 条 规 则 基 本 的 意 思 是 如 果 通 信 属 于 一 个 已 经 建 立 的 连 接, 就 让 它 通 过 换 句 话 说, 只 要 没 有 设 备 SYN, 而 且 其 他 所 有 的 标 记 位 都 关 闭 了, 那 么 所 有 的 通 信 都 没 问 题 最 后 一 条 规 则 说 明 不 满 足 上 述 两 条 规 则 的 通 信 都 应 该 被 拒 绝, 这 完 全 是 出 于 安 全 的 目 的 两 台 过 滤 设 备 都 使 用 相 同 的 ACL, 而 它 们 在 控 制 通 信 时 所 能 够 使 用 的 信 息 是 不 一 样 的 我 们 来 发 送 一 些 信 息, 看 一 看 会 发 生 什 么 在 图 9-10 中, 内 部 网 络 设 备 要 与 远 程 服 务 器 建 立 一 个 通 信 会 话, 由 于 所 有 的 通 信 都 满 足 访 问 控 制 列 表 中 的 标 准, 因 此 两 台 过 滤 器 都 转 发 这 些 通 信 当 握 手 过 程 结 束 后, 被 保 护 的 主 机 发 送 了 一 个 数 据 请 求 这 个 数 据 包 中 的 ACK 位 被 设 置 了,PSH 位 也 可 能 被 设 置 了 当 远 程 服 务 器 接 收 这 个 请 求 后, 它 发 送 的 响 应 也 设 置 了 ACK 位, 也 可 能 设 置 了 PSH 位 当 数 据 传 输 结 束 后, 两 台 设 备 传 输 一 个 设 置 了 FIN 位 的 数 据 包, 从 而 关 闭 这 个 会 话 根 据 第 二 条 规 则 转 发 所 有 已 经 建 立 的 会 话 的 通 信, 这 些 通 信 都 会 通 过 防 火 墙 的, 然 而 两 名 防 火 墙 作 出 判 断 的 方 法 是 有 些 不 同 的 静 态 数 据 包 过 滤 器 查 看 标 记 字 段, 检 查 是 否 只 设 置 了 SYN 位 由 于 数 据 传 输 不 是 这 种 设 置, 因 此 它 就 认 为 这 是 属 于 已 经 建 立 的 会 话 的 通 信, 并 且 对 它 进 行 转 发 图 9-10 被 保 护 的 主 机 与 远 程 服 务 器 建 立 连 接 动 态 数 据 包 过 滤 器 也 进 行 同 样 的 检 查, 但 是 在 第 一 次 建 立 连 接 时, 它 还 创 建 一 个 状 态 表 当 远 程 服 务 器 每 次 要 响 应 被 保 护 的 主 机 时, 动 态 数 据 包 过 滤 器 都 参 考 状 态 表 来 确 定 :

212 206 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 1 被 保 护 的 主 机 的 确 进 行 了 数 据 请 求 2 源 端 口 信 息 是 正 确 的 3 目 的 端 口 信 息 是 正 确 的 在 我 们 的 例 子 里, 这 些 数 据 都 是 正 确 的, 因 此 动 态 数 据 包 过 滤 器 允 许 这 些 数 据 包 通 过, 当 两 名 设 备 发 送 了 FIN 数 据 包 之 后, 状 态 表 的 相 应 记 录 就 被 删 除 了 另 外, 如 果 在 一 定 时 间 内 ( 根 据 配 置 的 不 同, 可 能 是 一 分 钟 到 一 小 时 ) 没 有 收 到 响 应, 动 态 数 据 包 过 滤 器 会 认 为 远 程 服 务 器 不 会 响 应 了, 因 此 也 会 删 除 记 录 表 中 相 应 的 记 录, 这 样 就 保 证 了 状 态 表 是 最 新 的 现 在 我 们 假 设 一 个 伪 装 的 攻 击 者 注 意 到 了 这 个 数 据 流, 并 且 决 定 攻 击 被 保 护 的 主 机, 他 要 做 的 第 一 件 事 是 扫 描 被 保 护 主 机 的 端 口, 查 看 它 是 否 有 正 在 监 听 的 服 务 由 于 扫 描 数 据 包 中 SYN=1, 而 其 他 标 记 位 都 是 0, 因 此 两 种 防 火 墙 设 备 都 阻 挡 这 种 扫 描 攻 击 者 又 换 了 一 种 方 法, 他 尝 试 执 行 FIN 扫 描, 于 是 他 发 送 了 一 个 ACK=1 且 FIN=1 的 数 据 包 现 在, 两 种 过 滤 器 的 处 理 结 果 就 不 一 样 了, 如 图 9-11 所 示, 由 于 静 态 数 据 包 过 滤 器 只 是 拒 绝 SYN=1 的 数 据 包, 而 现 在 这 个 数 据 包 不 属 于 这 种 情 况, 因 此 它 会 转 发 这 个 数 据 包 图 9-11 静 态 和 动 态 过 滤 在 对 待 FIN 扫 描 攻 击 的 结 果 而 动 态 数 据 包 过 滤 器 就 谨 慎 的 多 它 发 现 数 据 包 的 SYN 位 并 没 有 被 设 置, 然 后 就 把 这 个 通 信 与 状 态 表 进 行 比 较, 这 时 过 滤 器 发 现 被 保 护 的 主 机 并 没 有 建 立 与 伪 装 攻 击 者 的 连 接, 如 果 被 保 护 的 主 机 没 有 建 立 这 个 连 接, 那 么 尝 试 终 止 这 个 会 话 就 是 不 合 理 的, 因 此 这 个 数 据 包 将 会 被 丢 弃 动 态 数 据 包 过 滤 器 是 一 种 智 能 设 备, 它 能 够 根 据 数 据 包 标 志 的 属 性 和 状 态 表 进 行 通 信 控 制

213 9.3 计 算 机 端 口 计 算 机 端 口 在 网 络 技 术 中, 端 口 (Port) 大 致 有 两 种 意 思 : 一 是 物 理 意 义 上 的 端 口, 比 如 ADSL Modem 集 体 器 交 换 机 路 由 器 和 用 于 连 接 其 他 网 络 设 备 的 接 口, 像 RJ-45 端 口,SC 端 口 等 二 是 逻 辑 意 义 上 的 端 口, 一 般 是 指 TCP/IP 协 议 中 的 端 口 ( 进 程 地 址 ), 端 口 号 的 范 围 为 0~65 535, 如 用 于 浏 览 网 页 服 务 的 80 端 口 用 于 FTP 服 务 的 21 端 口 等 我 们 这 里 将 要 介 绍 的 就 是 逻 辑 意 义 上 的 端 口 端 口 的 分 类 端 口 的 分 类 根 据 其 参 考 对 象 不 同 有 不 同 划 分 方 法, 如 果 从 端 口 的 性 质 来 分, 通 常 可 以 分 为 以 下 3 类 : 1. 公 认 端 口 (Well Known Ports) 这 类 端 口 也 常 称 之 为 常 用 端 口 这 类 端 口 的 端 口 号 为 0~1024, 它 们 紧 密 绑 定 于 一 些 特 定 的 服 务 通 常 这 些 端 口 的 通 信 明 确 表 明 了 某 种 服 务 的 协 议, 这 种 端 口 是 不 可 再 重 新 定 义 它 的 作 用 对 象 例 如,80 端 口 实 际 上 总 是 HTTP 通 信 所 使 用 的, 而 23 号 端 口 则 是 Telnet 服 务 专 用 的, 这 些 端 口 通 常 不 会 像 木 马 这 样 的 黑 客 程 序 利 用 为 了 使 大 家 对 这 些 常 用 端 口 多 一 些 认 识, 在 本 章 后 面 将 详 细 把 这 些 端 口 所 对 应 的 服 务 进 行 列 表, 供 各 位 理 解 和 参 考 2. 注 册 端 口 (Registered Ports) 端 口 号 为 1 025~ 它 们 松 散 地 绑 定 于 一 些 服 务 也 就 是 说 有 许 多 服 务 绑 定 于 这 些 端 口, 这 些 端 口 同 样 用 于 许 多 其 他 目 的 这 些 端 口 多 数 没 有 明 确 的 定 义 服 务 对 象, 不 同 程 序 可 根 据 实 际 需 要 自 己 定 义, 如 后 面 要 介 绍 的 这 程 控 制 软 件 和 木 马 程 序 中 都 会 有 这 些 端 口 的 定 义 的 记 住 这 些 常 见 的 程 序 端 口 在 木 马 程 序 的 防 护 和 查 杀 上 是 非 常 有 必 要 的 常 见 木 马 所 使 用 的 端 口 在 后 面 将 有 详 细 的 列 表 3. 动 态 和 / 或 私 有 端 口 (Dynamic and /or Private Poets) 端 口 号 为 ~ 理 论 上, 不 应 把 常 用 服 务 分 配 在 这 些 端 口 上 ; 实 际 上, 有 些 较 为 特 殊 的 程 序, 特 别 是 一 些 木 马 程 序 就 非 常 喜 欢 用 这 些 端 口 因 为 这 些 端 口 常 常 不 被 引 起 注 意, 容 易 隐 蔽 如 果 根 据 所 提 供 的 服 务 方 式 的 不 同, 端 口 又 可 分 为 TCP 协 议 端 口 和 UDP 协 议 端 口 两 种 因 为 计 算 机 之 间 相 互 通 信 一 般 采 用 这 两 种 通 信 协 议, 前 面 所 介 绍 的 连 接 方 式 是 一 种 直 接 与 接 收 方 进 行 的 连 接, 发 送 信 息 以 后, 可 以 确 认 信 息 是 否 到 达, 这 种 方 式 大 多 采 用 TCP 协 议 ; 另 一 种 不 是 直 接 与 接 收 方 进 行 连 接, 只 管 把 信 息 放 在 网 上 发 出 去, 而 不 管 信 息 是 否 到 达, 也 就 是 前 面 所 介 绍 的 无 连 接 方 式 这 种 方 式 大 多 数 采 用 UDP 协 议,IP 就 分 为 TCP 协 议 端 口 和 UDP 协 议 端 口 TCP 协 议 的 常 见 端 口 1. FTP 定 义 了 文 件 传 输 协 议, 使 用 21 端 口 常 说 某 某 计 算 机 开 了 FTP 服 务 便 是 启 动 了 文 件 传 输 服 务, 下 载 文 件, 上 传 主 页, 都 要 用 到 FIP 服 务 21 端 口 主 要 用 于 FTP(File Yransfer Protocol,

214 208 第 9 章 TCP 和 UDP 协 议 文 件 传 输 协 议 ) 服 务 主 要 是 为 了 在 两 台 计 算 机 之 间 实 现 文 件 的 上 传 与 下 载, 一 台 计 算 机 作 为 FTP 客 户 端 另 一 台 计 算 机 作 为 FTP 服 务 器, 可 以 采 用 匿 名 (anonymous) 登 录 和 授 权 用 户 名 与 密 码 登 录 两 种 登 录 FTP 服 务 器 目 前, 通 过 FTP 服 务 器 来 实 现 文 件 的 传 输 是 互 联 网 上 传 下 载 文 件 主 要 的 方 法, 另 外, 还 有 一 个 20 端 口 是 用 于 FTP 数 据 传 输 的 默 认 端 口 号 2. Telnet 它 是 一 种 用 于 远 程 登 录 的 端 口, 用 户 可 以 自 己 的 身 份 远 程 连 接 到 计 算 机 上, 通 过 这 种 端 口 可 以 提 供 一 种 基 于 DOS 模 式 下 的 通 信 服 务 如 以 前 的 BBS 纯 字 符 界 面 的, 支 持 BBS 的 服 务 器 将 23 端 口 打 开, 对 外 提 供 服 务 3. SMTP 定 义 了 简 单 邮 件 传 送 协 议, 现 在 很 多 邮 件 服 务 器 都 用 的 是 这 个 协 议, 用 于 发 送 邮 件 如 常 见 的 免 费 的 邮 件 服 务 中 用 的 就 是 这 个 邮 件 服 务 端 口, 所 以 在 电 子 邮 件 设 置 中 常 有 SMTP 端 口 设 置 这 个 栏, 服 务 器 放 开 的 是 25 号 端 口 4. POP3 它 是 SMTP 对 应,POP3 用 于 接 收 邮 件, 通 常 情 况 下,POP3 协 议 所 用 的 是 110 端 口 也 是 说, 只 要 用 户 有 相 应 的 使 用 POP3 协 议 的 程 序 ( 如 Foxmail 或 Outlook), 就 可 以 不 以 Web 方 式 登 录 进 邮 箱 里 面, 直 接 用 邮 件 程 序 就 可 以 收 到 邮 件 ( 如 是 163 邮 箱 就 没 有 必 要 先 进 入 网 易 网 站, 再 进 入 自 己 的 邮 箱 来 收 信 ) UDP 协 议 常 见 的 端 口 1. HTTP 这 是 大 家 用 得 最 多 的 协 议, 它 就 是 常 说 的 超 文 本 传 输 协 议 上 网 浏 览 网 页, 就 得 在 提 供 网 页 资 源 的 计 算 机 上 打 开 80 号 端 口 以 提 供 服 务 常 说 的 WWW 服 务 Web 服 务 器, 用 得 就 是 这 个 端 口 2. DNS 用 于 域 名 解 析 服 务, 这 种 服 务 在 Windows NT 系 统 中 用 得 最 多 的 因 特 网 上 的 每 一 台 计 算 机 都 有 一 个 网 络 地 址 与 之 相 对 应, 这 个 地 址 常 用 作 IP 地 址, 它 以 纯 数 字 加. 的 形 式 表 示, 然 而 这 却 不 便 记 忆, 于 是 出 现 了 域 名, 访 问 计 算 机 的 时 候 只 需 要 知 道 域 名, 域 名 和 IP 地 址 之 间 变 换 由 DNS 服 务 器 来 完 成,DNS 用 的 是 53 号 端 口 3. SNMP 简 单 网 络 管 理 协 议 使 用 161 号 端 口, 是 用 来 管 理 网 络 设 备 的, 由 于 网 络 设 备 很 多, 无 连 接 的 服 务 就 体 现 出 其 优 势 4. OICQ OICQ 程 序 既 接 受 服 务, 又 提 供 服 务, 这 样 两 个 聊 天 的 人 才 是 平 等 的 OICQ 用 的 是 无 连 接 的 协 议, 也 就 是 说 它 用 的 是 UDP 协 议 OICQ 服 务 器 是 使 用 8000 号 的 端 口, 侦 听 是 否 有 信 息 到 来, 客 户 端 使 用 号 端 口, 向 外 发 送 信 息 如 果 上 述 两 个 端 口 正 在 使 用, 有 很 多

215 9.3 计 算 机 端 口 209 人 同 时 和 几 个 好 友 聊 天, 就 顺 序 往 上 加 在 计 算 机 的 6 万 多 个 端 口 中, 通 常 把 端 口 号 为 以 内 的 称 之 为 常 用 端 口, 这 些 常 用 端 口 所 对 应 的 服 务 通 常 情 况 下 是 固 定 的 表 9-2 所 列 的 都 是 服 务 器 默 认 的 端 口, 不 允 许 改 变, 一 般 通 信 过 程 都 主 要 用 到 这 些 端 口 表 9-2 服 务 器 默 认 的 端 口 服 务 类 型 默 认 端 口 服 务 类 型 默 认 端 口 Echo 7 Daytime 13 FTP 21 Telnet 23 SMTP 25 Time 37 Whois 43 DNS 53 Gopher 70 Finger 79 WWW 80 POP3 110 NNTP 119 IRC Netstat 命 令 用 法 在 Windows 2000/XP/Server 2003 中 要 查 看 端 口, 可 以 使 用 Netstat 命 令 依 次 点 击 开 始 运 行, 键 入 cmd 并 回 车, 打 开 命 令 提 示 符 窗 口 在 命 令 提 示 符 状 态 下 键 入 netstat-a-n, 按 下 回 车 键 之 后 就 可 以 看 到 以 数 安 形 式 显 示 的 TCP 和 UDP 连 接 的 端 口 号 及 状 态 Netstat 命 令 格 式 :Netstat-a-e-n-o-s -a 表 示 显 示 所 有 活 动 的 TCP 连 接 以 及 计 算 机 监 听 的 TCP 和 UDP 端 口 -e 表 示 显 示 以 太 网 发 送 和 连 接 的 字 节 数 数 据 包 数 等 -n 表 示 只 发 数 字 形 式 显 示 所 有 活 动 的 TCP 连 接 的 地 址 和 端 口 号 -o 表 示 活 动 的 TCP 连 接 并 包 括 每 个 连 接 的 进 程 ID(PID) -s 表 示 按 协 议 显 示 各 种 的 统 计 信 息, 包 括 端 口 号

216 第 10 章 应 用 层 协 议 10.1 DNS 域 名 系 统 域 名 系 统 是 一 种 用 于 TCP/IP 应 用 程 序 的 分 布 式 数 据 库, 它 提 供 主 机 域 名 和 IP 地 址 之 间 的 转 换 及 有 关 电 子 邮 件 的 选 路 信 息 这 里 提 到 的 分 布 式 是 指 在 Internet 上 的 单 个 站 点 不 能 拥 有 所 有 的 信 息 每 个 站 点 ( 如 大 学 中 的 系 校 园 公 司 或 公 司 中 的 部 门 ) 保 留 它 自 己 的 信 息 数 据 库, 并 运 行 一 个 服 务 器 程 序 供 Internet 上 的 其 他 系 统 ( 客 户 程 序 ) 查 询 DNS 提 供 了 允 许 服 务 器 和 客 户 程 序 相 互 通 信 的 协 议 域 名 解 析 就 是 域 名 到 IP 地 址 的 转 换 过 程 IP 地 址 是 网 路 上 标 识 用 户 站 点 的 数 字 地 址, 为 了 简 单 好 记, 采 用 域 名 来 代 替 IP 地 址 标 识 站 点 地 址 域 名 的 解 析 工 作 由 DNS 服 务 器 完 成, DNS 称 为 域 名 系 统 DNS 分 为 Client 和 Server,Client 扮 演 发 问 的 角 色, 也 就 是 问 Server 一 个 Domain Name, 而 Server 必 须 要 回 答 此 Domain Name 的 真 正 IP 地 址 从 应 用 的 角 度 看, 对 DNS 的 访 问 是 通 过 一 个 地 址 解 析 器 (Resolver) 来 完 成 的 在 Unix 主 机 中, 该 解 析 器 主 要 是 通 过 两 个 库 函 数 gethostbyname() 和 gethostbyaddr() 来 访 问 的, 它 们 在 编 译 应 用 程 序 时 与 应 用 程 序 连 接 在 一 起 前 者 接 收 主 机 域 名 返 回 IP 地 址, 而 后 者 接 收 IP 地 址 来 寻 找 主 机 域 名 解 析 器 通 过 一 个 或 多 个 域 名 服 务 器 来 完 成 这 种 相 互 转 换 域 名 服 务 器 使 用 固 定 的 端 口 号 53, 支 持 UDP 和 TCP 访 问 DNS 查 询 和 响 应 通 常 经 过 广 域 网 分 组 丢 失 率 和 往 返 时 间 的 不 确 定 性 在 广 域 网 上 比 局 域 网 上 更 大, 要 求 DNS 客 户 程 序 具 有 好 的 差 错 控 制 功 能 域 名 分 类 1. 顶 级 域 名 IP 地 址 是 一 个 多 位 数, 不 便 记 忆,1985 年 Internet 开 发 了 域 名 管 理 系 统 DNS 它 允 许 使 用 域 名 代 替 IP 地 址, 域 名 是 一 个 用. 分 隔 成 多 个 域 的 字 符 串, 例 如 : 由 于 域 名 具 有 文 字 表 达 的 意 义, 比 IP 地 址 更 容 易 记 忆, 位 于 最 右 端 的 域 称 为 顶 级 域 Internet 定 义 了 三 套 顶 级 域 名 (TLD,Top Level Domain): 一 套 是 国 家 顶 级 域 名 (n TLD), 是 按 地 埋 范 围 划 分 的 ; 一 套 称 为 国 际 顶 级 域 名 (i TLD) 供 国 际 组 织 使 用 ; 一 套 是 通 用 顶 级 域 名 (g TLD), 是 按 机 构 划 分 的 (1)g TLD g TLD 定 义 了 6 种 机 构 名 : com: 商 业 机 构 edu: 教 育 机 构 net: 网 络 服 务 中 心 arg: 非 赢 利 刻 机 构

217 gov: 政 府 机 关 mil: 军 方 机 构 (2)n TLD 10.1 DNS 域 名 系 统 211 采 用 两 个 字 符 的 国 家 码 作 为 顶 级 域 名, 来 表 示 国 家 或 地 区 cn: 中 国 tw: 台 湾 de: 德 国 us: 美 国 jp: 日 本 kr: 韩 国 fr: 法 国 uk: 英 国 2. 中 国 互 联 网 域 名 体 系 结 构 及 中 文 域 名 中 国 的 域 名 管 理 采 用 层 次 结 构, 顶 级 域 名 采 用 cn, 二 级 域 名 分 为 类 别 域 名 和 行 政 域 名 两 类 中 文 域 名 应 该 包 含 汉 字, 各 级 中 文 域 名 长 度 不 可 超 过 20 个 字 符 3. 域 名 管 理 机 构 及 域 名 服 务 器 把 域 名 翻 译 成 IP 地 址 的 软 件 称 为 域 名 系 统, 即 Domain Name System, 简 称 DNS 它 是 一 种 管 理 名 字 的 方 法 这 种 方 法 是 : 分 不 同 的 组 来 负 责 各 子 系 统 的 名 字 系 统 中 的 每 一 层 叫 做 一 个 域, 每 个 域 用 一 个 点 分 开 所 谓 域 名 服 务 器, 即 Domain Name Server, 简 称 Name Server, 实 际 上 就 是 装 有 域 名 系 统 的 主 机 它 是 一 种 能 够 实 现 名 字 解 析 ( Name Resolution) 的 分 层 结 构 数 据 库 注 意 : 1 名 中 大 小 写 是 没 有 区 分 的 2 名 在 整 个 Internet 中 是 唯 一 的, 当 高 级 子 域 名 相 同 时, 低 级 子 域 名 不 允 许 重 复 3 一 台 计 算 机 只 能 有 一 个 IP 地 址, 但 是 却 可 以 有 多 个 域 名 ICANN 是 一 个 近 年 成 立 的 代 替 NSI 公 司 的 非 盈 利 机 构, 其 主 要 职 能 包 括 管 理 因 特 网 域 名 及 地 址 系 统 国 内 域 名 是 指 以.cn 为 结 尾 的 域 名 ; 管 理 机 构 是 : 中 国 互 联 网 络 信 息 中 心 (CNNIC) DNS 的 报 文 格 式 图 10-1 显 示 了 DNS 用 于 查 询 和 响 应 的 报 文 格 式 :

218 212 第 10 章 应 用 层 协 议 标 识 标 志 问 题 数 资 源 记 录 数 授 权 资 源 记 录 数 额 外 资 源 记 录 数 查 询 问 题 回 答 ( 资 源 记 录 数 可 变 ) 授 权 ( 资 源 记 录 数 可 变 ) 额 外 信 息 ( 资 源 记 录 数 可 变 ) 图 10-1 DNS 查 询 和 响 应 的 报 文 格 式 DNS 查 询 和 响 应 有 报 文 由 12 字 节 长 的 首 部 和 4 个 长 度 可 变 长 度 的 字 段 组 成 标 识 字 段 由 客 户 程 序 设 置 并 由 服 务 器 返 回 结 果, 客 户 程 序 通 过 它 来 确 定 响 应 与 查 询 是 否 正 确 16 比 特 的 标 志 字 段 被 划 分 为 若 干 子 字 段, 如 图 10-2 所 示 QR Opcode AA TC RD RA zero rcode 图 10-2 DNS 报 文 首 部 中 的 标 志 字 段 格 式 各 位 的 定 义 如 下 : 1QR: 报 文 类 型 字 段, 占 1 个 比 特,0 表 示 查 询 报 文,1 表 示 响 应 报 文 2Opcode: 操 作 码 字 段, 占 4 个 比 特,0= 标 准 查 询,1= 反 向 查 询,2= 服 务 器 状 态 请 求 3AA: 授 权 回 答 (Authoritative Answer) 标 志, 占 1 个 比 特 4TC: 可 截 断 的 (Trun Cated) 标 志, 占 1 比 特, 使 用 UDP 协 议 时, 它 表 示 当 应 答 的 总 长 度 超 过 512 字 节 时, 只 返 回 前 512 个 字 节 5RD: 期 望 递 益 归 (Recursion Desired) 标 志, 占 一 个 比 特 该 位 能 在 一 个 查 询 中 设 置, 并 在 响 应 中 返 回 这 个 标 志 告 诉 域 名 服 务 器 必 须 处 理 这 个 查 询, 也 称 为 一 个 递 归 查 询 如 果 该 位 为 0, 且 被 请 求 的 域 名 服 务 器 没 有 一 个 授 权 回 答, 它 就 返 回 一 个 能 解 答 该 查 询 的 其 他 域 名 服 务 器 列 表, 这 称 为 迭 代 查 询 6RA: 可 用 递 归 标 志, 占 1 个 比 特 如 果 域 名 服 务 器 支 持 递 归 查 询, 则 在 响 应 中 将 该 比 特 设 置 为 1 7zero: 零 标 志 字 段, 占 3 比 特, 必 须 为 0 8rcode: 返 回 码 字 段, 占 4 个 比 特 0= 没 有 差 错,3= 域 名 差 错, 表 示 在 查 询 中 制 定 的 域 名 不 存 在 1. DNS 查 询 报 文 中 的 问 题 数 字 段 问 题 数 字 段 中 每 个 问 题 的 格 式 如 图 10-3 所 示, 通 常 只 有 一 个 问 题

219 10.1 DNS 域 名 系 统 213 查 询 类 型 查 询 名 查 询 类 图 10-3 DNS 查 询 报 文 中 问 题 数 字 段 的 格 式 查 询 名 表 示 要 查 找 的 域 名, 它 是 一 个 或 多 个 标 识 符 的 序 列 每 个 标 识 符 以 首 字 节 的 计 数 值 来 说 明 随 后 标 识 符 的 字 节 长 度, 每 个 域 名 以 最 后 字 节 为 0 结 束, 长 度 为 0 的 标 识 符 是 根 标 识 符 计 数 字 节 的 值 必 须 是 0~63 的 数, 因 为 标 识 符 的 最 大 长 度 仅 为 63 不 像 我 们 看 到 的 许 多 其 他 报 文 格 式, 该 字 段 无 需 以 整 32 比 特 结 束, 无 需 填 充 字 节 图 10-4 表 示 如 向 存 储 域 名 图 10-4 域 名 的 表 示 每 个 问 题 有 一 个 查 询 类 型, 而 每 个 响 应 也 有 一 个 类 型 大 约 有 20 个 不 同 的 类 型 值, 查 询 类 型 是 类 型 中 的 一 个 超 集 (Superset) 最 常 用 的 查 询 类 型 是 A 类 型, 表 示 期 望 获 得 查 询 名 的 IP 地 址 一 个 PTR 查 询 则 请 求 获 得 一 个 IP 地 址 对 应 的 域 名, 这 是 一 个 指 针 查 询 查 询 类 一 般 为 1, 是 指 互 联 网 地 址 2. DNS 响 应 报 文 中 的 资 源 记 录 字 段 DNS 报 文 中 最 后 的 3 个 字 段 : 回 答 字 段 授 权 字 段 和 额 外 信 息 字 段, 均 采 用 一 种 称 为 资 源 记 录 RR(Resource Record) 的 相 同 格 式 图 10-5 显 示 了 资 源 记 录 的 格 式 类 型 域 名 生 存 时 间 资 源 数 据 长 度 资 源 数 据 图 10-5 DNS 资 源 记 录 格 式 1 域 名 : 记 录 中 资 源 数 据 对 应 的 域 名 2 类 型 : 说 明 RR 的 类 型 码 3 类 : 通 常 为 1, 指 Internet 数 据 4 生 存 时 间 : 客 户 程 序 保 留 该 资 源 记 录 的 秒 数 资 源 记 录 通 常 的 生 存 时 间 值 为 2 天 5 资 源 数 据 长 度 : 说 明 资 源 数 据 的 数 量 该 数 据 的 格 式 依 赖 于 类 型 字 段 的 值 对 于 类 型 类

220 214 第 10 章 应 用 层 协 议 1(A 记 录 ) 资 源 数 据 是 4 字 节 的 IP 地 址 DNS 工 作 流 程 示 例 DNS 分 为 Client 和 Server 端,Client 端 提 出 请 求, 也 就 是 问 Server 一 个 Domain Name, 而 Server 端 必 须 回 答 此 Domain Name 的 真 正 IP 地 址 Local DNS 首 先 查 询 自 己 的 资 料 库, 如 果 自 己 的 资 料 库 没 有 对 应 的 IP 地 址, 则 向 Local DNS 上 所 设 的 DNS 询 问, 得 到 结 果 之 后, 将 收 到 的 结 果 保 存 在 高 速 缓 冲 区, 并 回 答 Client DNS 服 务 器 会 根 据 不 同 的 授 权 区 (Zone), 记 录 所 属 该 网 域 下 的 各 域 名 资 料, 这 个 资 料 包 括 网 域 下 的 次 网 域 名 称 及 主 机 名 称 在 每 一 个 名 称 服 务 器 中 都 有 一 个 快 取 缓 存 区 (Cache), 这 个 快 取 缓 存 区 的 主 要 目 的 是 将 该 名 称 服 务 所 查 询 出 来 的 名 称 及 相 对 的 IP 地 址 记 录 在 快 取 缓 存 区 中, 这 样 当 下 一 次 还 有 另 外 一 个 客 户 端 到 次 服 务 器 上 去 查 询 相 同 的 名 称 时, 服 务 器 就 不 用 再 到 别 台 主 机 上 去 寻 找, 而 直 接 可 以 从 缓 存 区 中 找 到 该 笔 名 称 记 寻 资 料, 传 回 给 客 户 端, 加 速 客 户 端 对 名 称 查 询 的 速 度 例 如, 当 DNS 客 户 端 向 指 定 的 DNS, 服 务 器 查 询 网 际 网 路 上 的 某 一 台 主 机 名 称 DNS 服 务 器 会 在 该 资 料 库 中 寻 找 用 户 所 指 定 的 名 称, 如 果 没 有, 该 服 务 器 会 先 在 自 己 的 快 取 缓 存 区 中 查 询 有 无 该 笔 记 录 ; 如 果 找 到 该 笔 名 称 记 录 后, 会 从 DNS 服 务 器 直 接 将 所 对 应 到 的 IP 地 址 传 回 给 客 户 端 ; 如 果 域 名 服 务 器 在 资 料 记 录 查 不 到 且 快 取 缓 存 区 中 也 没 有 时, 服 务 器 首 先 会 向 别 的 域 名 服 务 器 查 询 所 要 的 域 名 例 如,DNS 客 户 端 指 定 的 DNS 服 务 器 查 询 互 联 网 上 某 台 主 机 域 名, 当 DNS 服 务 器 在 该 资 料 记 录 找 不 到 用 户 所 当 指 定 的 域 名 时, 会 转 向 该 服 务 器 的 快 取 缓 存 区 找 寻 是 否 有 该 资 料, 当 快 取 缓 存 区 也 找 不 到 时, 会 向 最 近 的 域 名 服 务 器 去 要 求 帮 忙 找 寻 该 域 名 的 IP 地 址, 在 另 一 台 服 务 器 上 也 有 相 同 的 动 作 的 查 询, 当 查 询 到 后 会 回 复 原 本 要 求 查 询 的 服 务 器, 该 DNS 服 务 器 在 接 收 到 另 一 台 DNS 服 务 器 查 询 的 结 果 后, 先 将 所 查 询 到 的 主 机 域 名 及 对 应 IP 地 址 记 录 到 快 取 缓 存 区 中, 最 后 在 将 所 查 询 到 的 结 果 回 复 给 客 户 端 现 在 我 们 举 例 来 说 明, 假 设 我 们 要 查 询 互 联 网 上 的 一 个 域 名 从 域 名 我 们 知 道 主 机 在 中 国.cn, 而 且 我 们 要 找 的 组 织 名 称 是 jlu.edu.cn, 域 下 的 www 主 机, 以 下 是 域 名 解 析 过 程 : 1 在 DNS 的 客 户 端 键 入 查 询 主 机 的 命 令, 如 : C:\ping Pinging www. jlu.edu. cn[ ]with 32bytes of data Reply from bytes time <10ms tll b2 2 被 指 定 的 DNS 服 务 器 先 行 查 询 是 否 属 于 该 网 域 下 的 主 机 名 称, 如 果 查 出 主 机 名 称 并 不 属 于 该 网 域 范 围 内, 之 后 会 再 查 询 高 速 缓 存 区 的 内 容, 查 是 否 有 此 主 机 名 称 3 查 询 后 发 现 缓 存 区 中 没 有 此 记 录 资 料, 会 取 得 一 台 根 网 域 的 其 中 一 台 服 务 器, 发 出 查 找 的 Request 4 在 根 网 域 中, 向 Root Name Server 询 问,Root Name Server 记 录 了 各 Top Domain 分 别 是 由 哪 些 DNS Server 负 责, 所 以 他 会 响 应 最 接 近 的 Name Server 为 控 制.cn 网 域 的 DNS 伺 服 主 机 5Root Name Server 正 告 诉 Local DNS Server 哪 部 Name Server 负 责.cn 这 个 Domain, 然 后 Local DNS 再 向 负 责 发 出 找 寻 的 名 称 Requent 6 在.cn 这 个 网 域 中, 被 指 定 的 DNS 服 务 器 在 主 机 上 没 有 找 到 此 名 称 的 记 录, 所 以 会 响 应 原 本 发 出 查 询 要 求 DNS 服 务 器 说 最 近 的 服 务 器 在 哪 里? 他 会 回 应 最 近 的 主 机 为 控 制

221 10.2 超 文 本 传 输 协 议 215 com.cn 网 域 的 DNS 主 机 7 原 本 被 查 询 的 DNS 服 务 器 主 机, 收 到 继 续 查 询 的 IP 位 置 后, 会 再 向 com.cn 的 网 域 的 DNS Server 发 出 寻 找 名 称 搜 寻 的 要 求 8com.cn 的 网 域 中, 被 指 定 的 DNS Server 在 主 机 上 没 有 找 到 此 名 称 的 记 录, 所 以 会 回 复 查 询 要 求 的 DNS Server 告 诉 他 最 接 近 的 服 务 器 在 哪 里? 他 就 回 应 最 接 近 为 控 制 test.com.cn 的 网 域 的 DNS 主 机 9 原 本 被 查 询 的 DNS Server, 在 接 收 到 应 继 续 查 询 的 位 置, 在 向 网 域 的 DNS Server 发 出 寻 找 的 要 求, 最 后 会 在 的 网 域 的 DNS Server 找 到 此 主 机 的 IP 10 所 以 原 本 发 出 查 询 要 求 的 DNS 服 务 器, 再 接 收 到 查 询 结 果 的 IP 位 置 后, 响 应 回 给 原 查 询 名 称 的 DNS 客 户 端 10.2 超 文 本 传 输 协 议 Internet 是 由 各 种 协 议 连 接 起 来 的,HTTP 超 文 本 传 输 协 议 是 我 们 现 在 使 用 最 广 泛 的 了 HTTP 使 浏 览 器 更 加 高 效, 使 网 络 传 输 减 少 任 何 服 务 器 除 了 包 括 HTTP 文 件 以 外, 还 有 一 个 HTTP 驻 留 程 序, 用 于 响 应 用 户 请 求 浏 览 器 是 HTTP 客 户, 向 服 务 器 发 送 请 求, 当 浏 览 器 中 输 入 了 一 个 地 址 或 点 击 了 一 个 超 级 链 接 时, 浏 览 器 就 向 服 务 器 发 送 了 HTTP 请 求, 该 请 求 会 被 送 往 由 IP 地 址 指 定 的 URL URL 统 一 资 源 定 位 器 Internet 使 用 统 一 资 源 定 位 器 (URL) 标 识 主 页 和 资 源 在 Web 上 寻 找 信 息 的 关 键 在 于 了 解 Web 服 务 器 和 客 户 端 如 何 定 位 服 务 器 和 文 件 的 位 置 HTTP 的 URL 语 法 为 : 主 机 全 名 [: 端 口 号 ]/ 文 件 路 径 / 文 件 名 HTTP 的 端 口 号 默 认 为 80, 例 如 吉 林 大 学 的 URL 是 : 这 个 URL 可 将 用 户 带 到 吉 林 大 学 主 页 它 可 以 分 为 : 协 议 服 务 器 名 域 目 录 文 件 在 上 述 示 例 中 : 协 议 是 HTTP 全 称 域 命 名 为 文 件 为 index.html 多 数 Web 服 务 都 配 置 为 可 自 动 提 供 缺 省 主 页 缺 省 主 页 为 index.html home.html default.html home.htm 或 index.htm, 这 部 分 可 不 写 其 他 常 见 的 URL 为 : ftp:// 服 务 器 域 名 / 目 录 / 文 件 Ftp:// 用 户 服 务 器 域 名 / 目 录 / 文 件 telnet:// 服 务 器 域 名 News:// 新 闻 服 务 器 域 名 / 新 闻 组 WWW 浏 览 WWW(World Wide Web) 万 维 网, 简 称 3W 是 Internet 上 发 展 最 快 应 用 最 广 泛 也 最 实 用

222 216 第 10 章 应 用 层 协 议 的 超 文 本 信 息 通 信 系 统, 它 以 Client/Server 模 式 进 行 数 据 通 信 服 务 器 端 通 过 Web Server 可 以 提 供 各 种 服 务 ; 客 户 端 可 以 通 过 浏 览 器 (Browser) 访 问 多 种 协 议 的 多 媒 体 信 息, 依 据 用 户 的 需 要 组 织 和 传 递 信 息 人 们 可 以 通 过 WWW 浏 览 器 浏 览 和 检 索 全 球 所 有 WWW 站 点 的 信 息, 这 使 得 信 息 的 共 享 与 交 流 越 来 越 方 便 WWW 成 为 目 前 Internet 上 信 息 发 布 的 重 要 途 径 WWW 的 最 大 特 色 在 于 为 用 户 提 供 良 好 的 信 息 查 询 界 面 WWW 把 各 种 形 式 的 信 息, 如 文 本 图 像 声 音 视 频 等 无 缝 隙 地 集 成 在 一 起, 用 户 只 需 要 提 出 自 己 的 查 询 要 求, 具 体 到 什 么 地 方, 如 何 取 回 信 息 都 由 WWW 自 动 完 成 通 过 浏 览 器, 用 户 只 需 用 鼠 标 点 击 显 示 屏 上 高 亮 度 或 有 下 划 线 的 词 语, 就 可 将 与 该 词 语 相 关 联 的 文 件 取 回 并 显 示 在 屏 幕 上, 用 户 无 需 关 心 这 些 文 件 存 放 在 Internet 上 的 哪 台 计 算 机 上 WWW 信 息 服 务 的 框 架 如 图 10-6 所 示 图 10-6 WWW 信 息 服 务 客 户 端 根 据 某 资 源 的 URL 向 Web Server 提 出 请 求,Web Server 的 HTTP Daemon( 守 护 进 程 ) 将 此 请 求 的 参 数 通 过 标 准 输 入 和 环 境 变 量 (Environment Variable) 传 递 给 指 定 的 服 务 接 口 程 序, 并 启 动 应 用 程 序 进 行 处 理, 处 理 结 果 通 过 标 准 输 出 返 回 给 HTTP Daemon 进 程, 再 由 HTTP Daemon 进 程 返 回 给 客 户 端, 由 浏 览 器 负 责 解 释 执 行, 将 最 终 结 果 显 示 在 用 户 面 前 实 现 WWW 的 通 信 协 议 是 HTTP(HyperText Transfor Protocol, 超 文 本 传 输 协 议 ), 它 定 义 了 HTTP 的 通 信 交 换 机 制, 请 求 及 响 应 消 息 的 格 式 等 ;HTML(HyperText Markup Language, 超 文 本 标 注 语 言 ) 是 用 来 描 述 WWW 上 发 布 的 信 息, 浏 览 器 通 过 解 释 执 行 HTML 文 件 显 示 出 图 文 并 茂 的 WWW 信 息, 向 用 户 提 供 良 好 的 信 息 查 询 界 面 ; 服 务 接 口 负 责 调 用 相 应 的 处 理 程 序, 并 返 回 处 理 结 果 HTTP 协 议 WWW 要 实 现 最 基 本 的 4 个 目 标 : 1 分 布 式 信 息 系 统 2 对 多 重 协 议 提 供 一 个 统 一 通 用 的 接 口 3 对 超 媒 体 支 持 4 可 扩 充 性, 能 够 支 持 所 有 的 数 据 格 式 HTTP 协 议 可 以 完 全 实 现 上 述 要 求 HTTP 规 范 表 明,HTTP 协 议 是 一 种 根 据 明 确 性 和 速 度 要 求, 为 建 立 分 布 式 协 作 超 媒 体 信 息 系 统 而 设 计 的 协 议, 它 是 一 种 简 单 的 无 状 态 的 面 向 对 象 的 协 议, 可 用 于 多 种 任 务, 如 域 名 服 务 器 和 分 布 式 对 象 管 理 等 HTTP 常 常 在 某 种 程 度 上 引 起 人 们 的 误 解, 仿 佛 HTTP 只 能 传 输 超 文 本, 其 实 不 然, 用

223 10.2 超 文 本 传 输 协 议 217 户 可 以 用 它 传 输 各 种 对 象, 而 不 必 考 虑 其 数 据 类 型 HTTP 设 计 得 简 单 而 灵 活, 它 是 无 状 态 和 无 连 接 的, 基 于 Client/Server 模 式 并 且 支 持 元 信 息 和 内 容 类 型 标 识 它 具 有 6 个 重 要 的 特 点 : 1. 以 Client/Server 模 型 为 基 础 HTTP 支 持 客 户 与 服 务 器 之 间 通 信 及 相 互 传 送 数 据, 一 个 服 务 器 可 以 为 分 布 在 世 界 各 地 的 许 多 客 户 服 务 2. 简 易 性 HTTP 被 设 计 成 一 个 非 常 简 单 的 协 议, 使 得 Web 服 务 器 能 高 效 地 处 理 大 量 请 求, 客 户 机 要 连 接 到 服 务 器, 只 需 发 送 请 求 方 式 和 URL 路 径 等 少 量 信 息 HTTP 规 范 定 义 了 7 种 请 求 方 式, 最 常 用 的 有 3 种 :GET HEAD 和 POST 每 一 种 请 求 方 式 都 允 许 客 户 以 不 同 类 型 的 消 息 与 Web 服 务 器 进 行 通 信,Web 服 务 器 也 因 此 可 以 是 简 单 小 巧 的 程 序, 由 于 HTTP 协 议 简 单, HTTP 的 通 信 与 FTP Telnet 等 协 议 的 通 信 相 比, 速 度 快 而 且 开 销 小 3. 灵 活 性 HTTP 允 许 任 意 类 型 数 据 的 传 送, 因 此 可 以 利 用 HTTP 传 送 任 何 类 型 的 对 象, 并 让 客 户 程 序 能 够 恰 当 地 处 理 它 们 4. 无 连 接 性 HTTP 是 无 连 接 的 协 议 的, 这 里 的 无 连 接 是 建 立 在 TCP/IP 协 议 之 上 的, 与 建 立 在 UDP 协 议 之 上 的 无 连 接 不 同 这 里 的 无 连 接 意 味 着 每 次 连 接 只 限 处 理 一 个 请 求 客 户 要 建 立 连 接 需 先 发 出 请 求, 收 到 响 应, 然 后 断 开 连 接, 这 实 现 起 来 效 率 十 分 高 采 用 这 种 无 连 接 协 议, 在 没 有 请 求 提 出 时, 服 务 器 就 不 会 在 那 里 空 闲 等 待 完 成 一 个 请 求 之 后, 服 务 器 即 不 会 断 续 为 这 个 请 求 负 责, 从 而 不 用 为 保 留 历 史 请 求 而 耗 费 宝 贵 的 资 源 在 服 务 器 的 一 方 实 现 起 来 是 非 常 简 单 的, 因 为 只 需 保 留 活 动 的 连 接 (Active Connection), 不 用 为 请 求 间 隔 而 浪 费 时 间 5. 无 状 态 性 HTTP 是 无 状 态 的 协 议, 这 既 是 优 点 也 是 缺 点 一 方 面, 由 于 缺 少 状 态, 使 得 HTTP 累 赘 少, 系 统 运 行 效 率 高, 服 务 器 应 答 快 ; 另 一 方 面, 由 于 没 有 状 态, 协 议 对 事 务 处 理 没 有 记 忆 能 力, 若 后 续 事 务 处 理 需 要 有 关 前 面 处 理 的 信 息, 那 么 这 些 信 息 必 须 在 协 议 外 面 保 存 另 外, 缺 少 状 态 意 味 着 所 需 的 前 面 信 息 必 须 重 现, 导 致 每 次 连 接 需 要 传 送 较 多 的 信 息 6. 元 信 息 (Meta Information) 收 到 数 据 的 浏 览 器 可 以 根 据 元 信 息 确 定 服 务 器 发 来 的 是 什 么 内 容, 预 料 有 多 少 数 据, 确 知 是 否 正 确 接 收 完 整 的 数 据, 以 及 发 送 过 程 中 是 否 有 错, 这 样 客 户 就 可 以 知 道 传 输 对 象 的 类 型 元 信 息 被 定 义 为 关 于 信 息 的 信 息, 元 信 息 允 许 服 务 器 提 供 所 发 送 数 据 的 信 息, 例 如, HTTP 可 以 提 供 所 发 送 的 对 象 的 语 言 和 类 型, 也 可 以 用 元 信 息 来 实 现 有 条 件 请 求 和 报 告 事 务 完 成 元 信 息 的 引 入 使 得 HTTP 协 议 所 能 做 的 工 作 更 多 了 HTTP 协 议 使 Web 服 务 器 和 浏 览 器 可 以 通 过 Web 交 换 数 据 它 是 一 种 请 求 / 响 应 协 议, 即 服 务 器 等 待 并 响 应 客 户 方 请 求 HTTP 不 维 护 与 客 户 方 的 连 接, 它 使 用 可 靠 的 TCP 连 接,

224 218 第 10 章 应 用 层 协 议 通 常 采 用 TCP80 端 口 客 户 / 服 务 器 传 输 过 程 可 分 为 4 个 基 本 步 骤 : 1 浏 览 器 与 服 务 器 建 立 连 接 2 浏 览 器 向 服 务 器 请 求 文 档 3 服 务 器 响 应 浏 览 器 请 求 4 断 开 连 接 HTTP 是 一 种 无 状 态 协 议, 它 不 维 护 连 接 的 状 态 信 息 为 了 使 服 务 器 与 客 户 端 通 信 成 为 可 能,HTTP 协 议 建 立 了 一 种 由 请 求 和 响 应 消 息 组 成 的 Web 语 言 (1) 客 户 请 求 客 户 请 求 包 含 以 下 信 息 : 请 求 方 法 请 求 头 0 请 求 数 据 请 求 方 法 是 用 于 特 定 URL 或 Web 页 面 的 程 序 表 10-1 列 出 了 可 用 的 请 求 方 法 GET 方 法 HEAD POST PUT DELETE OPTIONS TRACE 表 10-1 HTTP 请 求 方 法 请 求 指 定 的 文 档 仅 请 求 文 档 头 描 述 请 求 服 务 器 接 收 指 定 文 档 作 为 可 执 行 的 信 息 用 从 客 户 端 传 送 的 数 据 取 代 指 定 文 档 中 的 内 容 请 求 服 务 器 扫 除 页 面 允 许 客 户 端 查 看 服 务 器 的 性 能 用 户 测 试, 允 许 客 户 端 查 看 消 息 的 回 收 过 程 头 信 息 是 可 选 项, 它 用 于 服 务 器 提 供 客 户 端 的 其 他 信 息, 请 求 头 在 表 10-2 中 显 示 表 10-2 HTTP 请 求 头 头 描 述 头 描 述 Accept 客 户 端 接 收 的 数 据 类 型 User-Agent 客 户 方 软 件 类 型 Authorization 认 证 消 息 用 户 名 和 口 令 Refers 用 户 获 取 Web 页 而 如 果 客 户 采 用 某 种 方 法 获 取 数 据 ( 如 POST), 数 据 就 放 在 头 (Header) 之 后, 否 则 客 户 机 等 待 从 服 务 器 传 来 的 响 应 (2) 服 务 器 响 应 服 务 器 响 应 包 括 以 下 关 键 部 分 : 状 态 码 响 应 头 响 应 数 据 HTTP 定 义 了 多 组 返 回 给 浏 览 器 的 状 态 码

225 10.2 超 文 本 传 输 协 议 HTTP 通 信 交 换 过 程 HTTP 通 信 建 立 在 TCP/IP 连 接 之 上, 缺 省 的 TCP 端 口 号 是 80, 但 也 可 以 使 用 其 他 端 口, 图 10-7 所 示 的 是 一 个 HTTP 服 务 器 在 端 口 80 上 接 受 来 自 多 个 远 程 客 户 连 接 时 的 情 形 Web 服 务 器 运 行 着 一 个 守 护 进 程 (HTTP Daemon), 它 始 终 在 端 口 80 监 听 来 自 远 端 客 户 的 请 求 当 一 个 请 求 发 来 时, 它 就 会 产 生 一 个 子 进 程 来 处 理 当 前 请 求, 守 护 进 程 继 续 以 后 台 方 式 运 行, 在 端 口 80 继 续 监 听 来 自 远 端 的 连 接 请 求 图 10-7 HTTP 通 信 交 换 过 程 HTTP 通 信 中 客 户 提 出 请 求 应 该 带 上 全 部 必 要 的 信 息, 客 户 机 和 服 务 器 之 间 不 能 对 不 明 确 的 问 题 进 行 磋 商 一 旦 客 户 提 出 请 求, 服 务 器 感 到 信 息 不 够 时 没 有 办 法 要 求 客 户 给 出 进 一 步 信 息 客 户 与 服 务 器 通 信 流 程 图 如 图 10-8 所 示 图 10-8 客 户 与 服 务 器 通 信 流 程 图 HTTP 的 请 求 和 响 应 消 息 格 式 在 WWW 信 息 的 传 递 过 程 中, 客 户 端 向 服 务 器 按 照 特 定 的 格 式 发 出 请 求 消 息, 服 务 器 端 处 理 此 请 求, 并 将 结 果 按 照 特 定 的 格 式 作 为 响 应 返 回 给 客 户 1. 请 求 的 格 式 方 法 LLRIHTTP 版 本 号 首 部

226 220 第 10 章 应 用 层 协 议 ( 回 车 换 行 ) 实 体 - 主 体 方 法 描 述 了 对 资 源 应 作 的 处 理 最 常 用 的 是 GET HEAD 和 POST GET: 用 于 从 服 务 器 请 求 一 个 用 URL 标 识 的 资 源 对 象 如 果 对 象 是 文 档 或 文 件,GET 将 请 求 其 内 容 ; 如 果 对 象 是 程 序 或 脚 本,GET 将 请 求 程 序 的 运 行 结 果 或 脚 本 的 输 出 ; 如 果 对 象 是 数 据 库 查 询,GET 将 请 求 查 询 的 结 果 HEAD: 用 于 服 务 器 请 求 对 象 的 元 信 息, 这 时 用 户 也 许 想 知 道 对 象 的 大 小 或 最 近 的 修 改 日 期, 而 不 是 请 求 对 象 本 身 HEAD 方 法 的 请 求 速 度 要 快 得 多, 因 为 它 不 需 要 传 送 整 个 文 件 使 用 高 速 缓 存 的 客 户 经 常 使 用 HEAD 请 求 来 取 得 文 档 最 近 的 修 改 时 间, 与 缓 存 中 文 档 的 修 改 时 间 进 行 对 比, 如 果 一 致, 则 表 明 文 档 没 有 更 新, 因 而 无 须 读 取 整 个 文 档 POST: 用 于 客 户 向 服 务 器 传 送 数 据, 以 便 服 务 器 作 出 相 应 的 处 理 POST 方 法 经 常 用 于 向 HTTP 服 务 器 提 交 HTML 表 格 以 便 处 理 例 如, 网 上 的 联 机 就 业 服 务 中 心 就 是 靠 提 交 简 历 表 格 来 工 作 当 你 填 写 了 一 份 WWW 页 面 表 格 后, 浏 览 器 通 常 就 使 用 POST 方 法 向 服 务 器 提 交 你 输 入 的 数 据 每 个 资 源 都 有 其 特 定 的 URL 标 识, 经 由 各 种 不 同 的 协 议, 对 Internet 上 任 何 地 方 的 信 息 都 可 以 用 URL 定 位 或 取 回 URL 可 以 指 定 FTP 文 件 传 输 寻 找 新 闻 信 息 定 义 用 户 的 地 址 标 识 HTTP 文 件 和 其 他 类 型 数 据 2. 响 应 的 消 息 格 式 HTTP-Version Status-Code Reason-Phrase 首 部 ( 空 行 ) Entity-Body 状 态 码 表 示 服 务 器 是 否 成 功 地 满 足 了 客 户 的 请 求, 状 态 码 由 一 个 3 位 整 数 和 解 释 状 态 码 含 义 的 正 文 短 语 组 成 状 态 码 以 1,2,3,4,5 开 头, 在 HTTP/1.1 规 范 中 : 1 类 状 态 码 : 表 示 信 息 性 (Informational) 提 示 2 类 状 态 码 : 表 示 成 功 服 务 器 理 解 客 户 的 请 求, 并 且 毫 无 困 难 地 给 出 了 响 应 3 类 状 态 码 : 表 示 发 生 了 重 定 向, 服 务 器 理 解 请 求 并 能 够 取 得 资 源, 但 发 现 资 源 不 在 指 定 的 位 置 而 在 其 他 地 方 4 类 状 态 码 : 表 示 客 户 出 错 5 类 状 态 码 : 表 示 服 务 器 出 错 响 应 消 息 的 首 部 域 中, 通 常 会 指 明 所 传 输 数 据 的 编 码 压 缩 机 制, 服 务 器 端 软 件 等 由 于 HTTP 对 于 以 任 意 格 式 传 输 文 档 的 自 由 度 很 大, 所 以 它 可 以 是 图 形 音 频 视 频 文 件 等 多 媒 体 对 象, 只 需 要 在 首 部 域 中 标 明 其 类 型 即 可 对 任 意 格 式 传 输 数 据 的 完 全 开 放 性, 正 是 HTTP 和 Web 所 提 供 的 最 重 要 的 优 越 性 10.3 邮 件 协 议 电 子 邮 件 ( ) 是 最 流 行 的 应 用 程 序 所 有 TCP 连 接 中 大 约 一 半 是 用 于 简 单 邮 件 传 送 协 议 SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 电 子 邮 件 服 务 作 为 Internet 上 应 用 最 多 和 最 广 的 服 务 项 目 得 到 了 非 常 广 泛 的 应 用, 在 网 络 应 用 中 也 起 到 非 常 重 要 的 作 用 如 同 其 他 的 网 络 服 务, 电 子 邮 件 系 统 也 有 其 使 用 的 传 输 协 议, 包 括 SMTP(Simple Mail Transfer Protocol, 简 单 邮

227 10.3 邮 件 协 议 221 件 传 输 协 议 ),POP(Post Office Protocol, 邮 局 协 议 ) 和 IMAP(Internet Message Access Protocol, 互 联 网 消 息 访 问 协 议 ) 等, 这 些 协 议 用 于 电 子 邮 件 的 发 送 和 接 收 电 子 邮 件 的 工 作 原 理 电 子 邮 件 的 工 作 过 程 是 靠 计 算 机 技 术 和 通 信 技 术 来 完 成 的 发 信 者 注 明 收 件 人 姓 名 与 地 址 ( 即 邮 件 地 址 ), 发 送 方 服 务 器 把 邮 件 传 到 收 件 方 服 务 器, 收 件 方 服 务 器 再 把 邮 件 发 到 收 件 人 的 邮 箱 中 电 子 邮 件 涉 及 到 的 几 个 概 念 : MUA Mail User Agent, 邮 件 用 户 代 理, 帮 助 用 户 读 写 邮 件 MTA Mail Transport Agent, 邮 件 传 输 代 理, 负 责 把 邮 件 由 一 个 服 务 器 传 到 另 一 个 服 务 器 或 邮 件 投 递 代 理 MDA Mail Delivery Agent, 邮 件 投 递 代 理, 把 邮 件 放 到 用 户 的 邮 箱 里 邮 件 系 统 的 工 作 过 程 如 下 : 简 单 邮 件 传 输 协 议 SMTP 是 基 于 存 储 转 发 方 式 工 作 的, 这 意 味 着 它 允 许 邮 件 通 过 一 系 列 服 务 器 的 转 发 由 发 送 端 送 到 最 终 目 的 地 服 务 器 在 一 个 队 列 中 存 储 到 达 的 邮 件, 等 待 发 送 到 下 一 个 目 的 地 下 一 个 目 的 地 可 以 是 本 地 用 户, 或 者 是 另 一 个 邮 件 服 务 器 如 果 下 一 个 目 的 服 务 器 暂 不 可 用,MTA(Mail Transport Agent) 就 暂 时 在 队 列 中 保 存 信 件, 并 在 以 后 尝 试 发 送 当 用 户 发 送 一 封 电 子 邮 件 时, 他 并 不 能 直 接 将 信 件 发 送 到 对 方 邮 件 地 址 指 定 的 服 务 器 上, 而 是 必 须 首 先 试 图 去 寻 找 一 个 信 件 传 输 代 理, 把 邮 件 提 交 给 它 ; 信 件 传 输 代 理 得 到 邮 件 后, 首 先 将 它 保 存 在 自 身 的 缓 冲 队 列 中, 然 后 根 据 邮 件 的 目 标 地 址, 信 件 传 输 代 理 程 序 查 询 到 应 对 这 个 目 标 地 址 负 责 的 邮 件 传 输 代 理 服 务 器, 并 且 通 过 网 络 将 邮 件 传 送 给 它 对 方 的 服 务 器 接 收 到 邮 件 之 后, 将 其 缓 冲 存 储 在 本 地, 直 到 电 子 邮 件 的 接 收 者 察 看 自 己 的 电 子 信 箱 显 然, 邮 件 传 输 是 从 服 务 器 到 服 务 器 的, 而 且 每 个 用 户 必 须 拥 有 服 务 器 上 存 储 信 息 的 空 间 ( 称 为 信 箱 ) 才 能 接 受 邮 箱 而 投 递 代 理 则 从 信 件 传 输 代 理 取 得 信 件 传 送 至 最 终 用 户 的 邮 箱 显 然, 最 终 用 户 只 能 看 到 用 户 投 递 代 理 用 户 代 理 接 受 用 户 输 入 的 各 种 指 令, 将 用 户 的 邮 件 传 送 至 信 件 传 输 代 理 或 者 通 过 POP IMAP 协 议 将 信 件 从 传 输 代 理 服 务 器 上 取 到 本 机 上 常 见 的 用 户 代 理 有 FOXmail Outlook Express 等 邮 件 客 户 程 序 一 个 邮 件 传 输 代 理 的 主 要 工 作 是 监 视 用 户 代 理 的 请 求, 根 据 电 子 邮 件 的 目 标 地 址 找 出 对 应 的 邮 件 服 务 器, 将 信 件 在 服 务 器 之 间 传 输 并 且 将 接 收 到 的 邮 件 缓 冲 或 者 提 交 给 最 终 投 递 程 序 有 许 多 的 程 序 可 以 作 为 信 件 传 输 代 理, 包 括 Qmail Send mail Postfix 等 它 们 必 须 支 持 同 样 的 规 范, 如 传 输 信 件 的 报 文 格 式, 监 听 的 端 口 等 一 般 来 说, 系 统 管 理 员 并 不 需 要 了 解 信 件 传 输 的 命 令 标 准, 用 户 代 理 会 生 成 正 确 的 命 令 信 件 传 输 代 理 默 认 监 听 25 号 端 口 接 受 请 求, 当 接 受 用 户 的 请 求 时, 它 不 需 要 了 解 用 户 的 真 实 身 份, 或 者 说 不 需 要 身 份 验 证 因 此 用 户 不 需 要 提 交 用 户 口 令 就 可 以 发 出 电 子 邮 件, 这 意 味 着 任 何 用 户 都 可 以 冒 充 成 另 外 一 个 用 户 发 出 假 的 电 子 邮 件, 这 是 电 子 原 始 设 计 时 导 致 的 一 个 特 点, 无 法 消 除 用 户 与 用 户 代 理 打 交 道, 可 以 有 多 个 用 户 代 理 可 供 选 择 用 TCP 进 行 的 邮 件 交 换 是 由 报 文 传 送 代 理 MTA 完 成 的 用 户 通 常 不 和 MTA 打 交 道, 由 系 统 管 理 员 负 责 设 置 本 地 的 MTA, 通 常 用 户 可 以 选 择 他 们 自 己 的 用 户 代 理

228 222 第 10 章 应 用 层 协 议 地 址 为 了 保 证 电 子 邮 件 的 正 确 收 发,Internet 上 的 每 个 信 箱 都 有 一 个 唯 一 的 地 址, 即 地 址 地 址 由 两 部 分 组 成 : [email protected] 用 户 信 箱 名 域 名 信 箱 是 邮 件 最 终 的 目 的 地, 实 际 上 是 服 务 器 中 的 一 个 目 录 电 子 邮 件 协 议 1. SMTP 协 议 SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 简 单 邮 件 传 输 协 议, 它 是 Internet 上 传 输 电 子 邮 件 的 标 准 协 议, 用 于 提 交 和 传 送 电 子 邮 件,SMTP 协 议 规 定 了 主 机 之 间 传 输 电 子 邮 件 的 标 准 交 换 格 式 和 邮 件 在 链 路 层 上 的 传 输 机 制 SMTP 通 常 用 于 把 电 子 邮 件 从 客 户 机 传 输 到 服 务 器, 以 及 从 某 一 服 务 器 传 输 到 另 一 个 服 务 器 SMTP 协 议 的 主 要 工 作 集 中 在 发 送 SMTP 和 接 收 SMTP 上 首 先 对 用 户 发 出 的 邮 件 请 求, SMTP 建 立 一 条 连 接 到 接 收 SMTP 的 双 工 通 讯 链 路, 这 里 的 接 收 SMTP 是 相 对 于 发 送 SMTP 而 言 的, 实 际 上 它 既 可 以 是 最 终 的 接 收 者 也 可 以 是 中 间 传 送 者, 发 送 SMTP 负 责 向 接 收 SMTP 发 送 SMTP 命 令, 而 接 收 SMTP 则 负 责 接 收 并 反 馈 应 答 SMTP 协 议 在 发 送 SMTP 和 接 收 SMTP 之 间 的 会 话 是 靠 发 送 SMTP 的 SMTP 命 令 和 接 收 SMTP 反 馈 的 应 答 来 完 成 的 在 通 讯 链 路 建 立 后, 发 送 SMTP 发 送 Mail 命 令 指 示 邮 件 发 送 者, 若 接 收 SMTP 此 时 可 以 接 收 邮 件 则 反 馈 OK 的 应 答, 然 后 发 送 SMTP 继 续 发 出 RCPT 命 令 以 确 认 邮 件 是 否 收 到, 如 果 接 收 到 就 反 馈 OK 的 应 答, 否 则 就 发 出 拒 绝 接 收 应 答, 但 这 并 不 会 对 整 个 邮 件 操 作 造 成 影 响 双 方 如 此 反 复 多 次, 直 至 邮 件 处 理 完 毕 SMTP 协 议 共 包 含 10 个 SMTP 命 令, 如 表 10-3 所 示 SMTP 命 令 HELLO<domain><CRLF> MAIL FROM:<reverse-path> <CRLF> 表 10-3 SMTP 协 议 的 10 个 命 令 命 令 说 明 识 别 发 送 方 到 接 收 SMTP 的 一 个 HELLO 命 令 < reverse-path> 为 发 送 者 地 址 此 命 令 告 诉 接 收 方 一 个 新 邮 件 发 送 的 开 始, 并 对 所 有 的 状 态 和 缓 冲 区 进 行 初 始 化 此 命 令 开 始 一 个 邮 件 传 输 处 理, 最 终 完 成 将 邮 件 数 据 传 送 到 一 个 或 多 个 邮 箱 中 RCPT TO:<forward-path><CRLF> < forward-path > 标 识 各 个 邮 件 接 收 者 的 地 址 DATA<CRLF> REST<CRLF> 接 收 SMTP 将 把 其 后 的 行 为 看 作 邮 件 数 据 去 处 理, 以 <CRLF> <CRLF> 标 识 数 据 的 结 尾 退 出 / 复 位 当 前 的 邮 件 传 输 NOOP<CRLF> 要 求 接 收 SMTP 仅 作 OK 应 答 ( 用 于 测 试 ) QUIT<CRLF> VRFY<string><CRLF> EXPN<string><CRLF> HELP<CRLF> 要 求 接 收 SMTP 返 回 一 个 OK 应 答 并 关 闭 传 输 验 证 指 定 的 邮 箱 是 否 存 在, 由 于 安 全 因 素, 服 务 器 多 禁 止 此 命 令 验 证 给 定 的 邮 箱 列 表 是 否 存 在, 扩 充 邮 箱 列 表, 也 常 禁 止 使 用 查 询 服 务 器 支 持 什 么 命 令

229 10.3 邮 件 协 议 223 SMTP 协 议 的 每 一 个 命 令 都 会 返 回 一 个 应 答 码, 应 答 码 的 每 一 个 数 字 都 有 特 定 含 义 的, 如 第 一 位 数 字 为 2 时 表 示 命 令 成 功, 为 5 表 示 失 败 ;3 表 示 没 有 完 成 下 面 将 SMTP 的 应 答 码 列 表 如 下 : 应 答 码 501 参 数 格 式 错 误 502 命 令 不 可 实 现 503 错 误 的 命 令 序 列 504 命 令 参 数 不 可 实 现 表 10-4 SMTP 的 应 答 码 211 系 统 状 态 或 系 统 帮 助 响 应 214 帮 助 信 息 220 <domain> 服 务 就 绪 221 <domain> 服 务 关 闭 说 明 421 <domain> 服 务 未 就 绪, 关 闭 传 输 信 道 250 要 求 的 邮 件 操 作 完 成 251 用 户 非 本 地, 将 转 发 向 <forward-path> 450 要 求 的 邮 件 操 作 来 完 成, 邮 箱 不 可 用 550 要 求 的 邮 件 操 作 来 完 成, 邮 箱 不 可 用 451 放 弃 要 求 的 操 作, 处 理 过 程 中 出 错 551 用 户 非 本 地, 请 尝 试 <forward-path> 452 系 统 存 储 不 足, 要 求 的 操 作 未 执 行 552 过 量 和 存 储 分 配, 要 求 的 操 作 未 执 行 553 邮 箱 名 不 可 用, 要 求 的 操 作 未 执 行 354 开 始 邮 件 输 入, 以. 结 束 554 操 作 失 败 2. POP 协 议 POP(Post Office Protocol, 邮 局 协 议 ), 用 于 电 子 邮 件 的 接 收, 它 使 用 TCP 的 110 端 口, 现 在 常 用 的 是 第 三 版, 所 以 简 称 为 POP3,POP3 采 用 Client/Server 工 作 模 式 当 客 户 机 需 要 服 务 时, 客 户 端 的 软 件 (Outlook Express 或 Foxmail) 将 与 POP3 服 务 器 建 立 TCP 连 接, 此 后 要 经 过 POP3 协 议 的 三 种 工 作 状 态, 首 先 是 认 证 过 程, 确 认 客 户 机 提 供 的 用 户 名 和 密 码, 在 认 证 通 过 后 便 转 入 处 理 状 态, 在 此 状 态 下 用 户 可 收 取 自 己 的 邮 件 或 做 邮 件 的 删 除, 在 完 成 响 应 的 操 作 后 客 户 机 便 发 出 退 出 命 令, 此 后 便 进 入 更 新 状 态, 将 做 删 除 标 记 的 邮 件 从 服 务 端 删 除 掉, 到 此 为 止 整 个 POP 过 程 完 成 POP3 是 目 前 最 常 用 的 电 子 邮 件 服 务 协 议 POP3 除 了 支 持 离 线 工 作 方 式 外, 还 支 持 在 线 工 作 方 式 在 离 线 方 式 下, 用 户 收 发 邮 件 时, 首 先 通 过 POP3 客 户 程 序 登 录 到 支 持 POP3 协 议 的 邮 件 服 务 器, 然 后 发 送 邮 件 及 附 件 ; 接 着, 邮 件 服 务 器 将 为 用 户 收 存 的 邮 件 传 送 给 POP3 客 户 程 序, 并 将 这 些 邮 件 从 服 务 器 上 删 除 ; 最 后, 邮 件 服 务 器 将 用 户 提 交 的 发 送 邮 件, 转 发 到 运 行 SMTP 协 议 的 计 算 机 中, 通 过 它 实 现 邮 件 的 最 终 发 送 在 为 用 户 从 邮 件 服 务 器 收 取 邮 件 时,POP3 是 以 该 用 户 当 前 存 储 在 服

230 224 第 10 章 应 用 层 协 议 务 器 上 全 部 邮 件 为 对 象 进 行 操 作 的, 并 一 次 性 将 它 们 下 载 到 用 户 端 计 算 机 中 一 旦 客 户 的 邮 件 下 载 完 毕, 邮 件 服 务 器 对 这 些 邮 件 的 暂 存 托 管 即 告 完 成 使 用 POP3, 用 户 不 能 对 他 们 贮 存 在 邮 件 服 务 器 上 的 邮 件 进 行 部 分 传 输 离 线 工 作 方 式 适 合 那 些 从 固 定 计 算 机 上 收 发 邮 件 的 用 户 使 用 当 使 用 POP3 在 线 工 作 方 式 收 发 邮 件 时, 用 户 在 所 用 的 计 算 机 与 邮 件 服 务 器 保 持 连 接 的 状 态 下 读 取 邮 件 用 户 邮 件 保 留 在 邮 件 服 务 器 上 服 务 器 通 过 侦 听 TCP 端 口 110 开 始 POP3 服 务 当 客 户 主 机 需 要 使 用 服 务 时, 它 将 与 服 务 器 主 机 建 立 TCP 连 接 当 连 接 建 立 后,POP3 发 送 确 认 消 息 客 户 和 POP3 服 务 器 相 互 ( 分 别 ) 交 换 命 令 和 响 应, 这 一 过 程 一 直 要 持 续 到 连 接 终 止 POP3 命 令 由 一 个 命 令 和 一 些 参 数 组 成 所 有 命 令 以 一 个 CRLF 对 结 束 命 令 和 参 数 由 可 打 印 的 ASCII 字 符 组 成, 它 们 之 间 由 空 格 间 隔 命 令 一 般 是 三 到 四 个 字 母, 每 个 参 数 却 可 达 40 个 字 符 长 POP3 响 应 由 一 个 状 态 码 和 一 个 可 能 跟 有 附 加 信 息 的 命 令 组 成 所 有 响 应 也 是 由 CRLF 对 结 束 现 在 有 两 种 状 态 码, 确 定 ( +OK ) 和 失 败 ( -ERR ) 3. IMAP 协 议 IMAP(Internet Message Access Protocol), 顾 名 思 义, 主 要 提 供 的 是 通 过 Internet 获 取 信 息 的 一 种 协 议.POP3 在 收 信 时 用 户 首 先 与 邮 件 服 务 器 进 行 连 接, 在 验 证 完 用 户 名 和 密 码 后, 就 开 始 将 服 务 器 上 存 储 的 邮 件 下 载 到 自 己 的 硬 盘 上 IMAP 像 POP3 那 样 提 供 了 方 便 的 邮 件 下 载 服 务, 让 用 户 能 进 行 离 线 阅 读, 但 IMAP 能 完 成 的 却 远 远 不 只 这 些 IMAP 提 供 的 摘 要 浏 览 功 能 可 以 让 用 户 在 阅 读 完 所 有 的 邮 件 到 达 时 间 主 题 发 件 人 大 小 等 信 息 后 才 决 定 是 否 下 载 IMAP 还 具 备 智 能 存 储 功 能, 可 使 邮 件 保 存 在 服 务 器 上 10.4 SNMP 简 单 网 络 管 理 协 议 随 着 网 络 技 术 的 飞 速 发 展, 网 络 的 复 杂 性 在 不 断 增 长, 对 网 络 管 理 的 要 求 也 日 益 增 加 传 统 的 系 统 管 理 员 所 关 心 的 问 题 是 安 装 配 置 备 份 恢 复 资 源 共 享 系 统 安 全 和 性 能 优 化 等 等, 还 是 当 今 网 络 管 理 的 重 要 方 面 然 而, 网 络 的 复 杂 性 使 得 被 管 理 的 对 象 在 系 统 中 不 是 集 中 的, 而 是 分 散 的 分 布 式 的 管 理 必 然 要 求 网 络 管 理 员 在 网 络 的 协 议 层 次 结 构 上 对 系 统 管 理 做 出 重 新 的 认 识, 即 从 物 理 层 链 路 层 网 络 层 传 输 层 和 应 用 层 的 角 度 重 新 考 虑 系 统 管 理 的 涵 盖 内 容 基 于 TCP/IP 的 网 络 管 理 包 含 两 个 部 分 : 网 络 管 理 站 ( 也 叫 管 理 进 程,Manager) 和 被 管 理 的 网 络 单 元 ( 也 叫 被 管 设 备 ) 被 管 设 备 种 类 繁 多, 如 路 由 器 交 换 机 终 端 服 务 器 和 打 印 机 等 这 些 被 管 设 备 都 是 基 于 TCP/IP 协 议 工 作 的. 被 管 设 备 端 和 管 理 相 关 的 软 件 叫 做 代 理 程 序 (Agent) 或 代 理 进 程 管 理 站 可 以 显 示 所 有 被 管 设 备 的 状 态,( 如 连 接 状 态 流 量 状 况 等 ) 一 个 典 型 的 网 络 管 理 系 统 包 括 4 个 要 素 : 管 理 员 管 理 代 理 管 理 信 息 数 据 库 和 代 理 服 务 设 备 一 般 说 来, 前 3 个 要 素 必 需 的, 第 4 个 只 是 可 选 项 管 理 员 (Manager): 网 络 管 理 软 件 的 重 要 功 能 之 一, 就 是 协 助 网 络 管 理 完 成 整 个 网 络 的 工 作 网 络 管 理 软 件 要 求 管 理 代 理 定 期 收 集 重 要 的 设 备 信 息, 收 集 到 的 信 息 将 用 于 确 定 独 立 的 网 络 设 备 部 分 网 络 或 整 个 网 络 运 行 的 状 态 是 否 正 常 管 理 员 应 该 定 期 查 询 管 理 代 理 收 集 到 的 有 关 主 机 运 转 状 态 配 置 及 性 能 等 的 信 息

231 10.4 SNMP 简 单 网 络 管 理 协 议 管 理 代 理 (Agent): 网 络 管 理 代 理 是 驻 留 在 网 络 设 备 中 的 软 件 模 块, 这 里 的 设 备 可 以 是 UNIX 工 作 站 网 络 打 印 机, 也 可 以 是 其 他 的 网 络 设 备 管 理 代 理 软 件 可 以 获 得 本 地 设 备 的 运 转 状 态 设 备 特 性 系 统 配 置 等 相 关 信 息 管 理 代 理 软 件 完 成 网 络 管 理 员 布 置 的 采 集 信 息 的 任 务 管 理 代 理 软 件 所 起 的 作 用 是 充 当 管 理 系 统 与 管 理 代 理 软 件 驻 留 设 备 之 间 的 中 介 通 过 控 制 设 备 的 管 理 信 息 数 据 库 (MIB) 中 的 信 息 来 管 理 该 设 备 管 理 代 理 软 件 可 以 把 网 络 管 理 员 发 出 的 命 令 按 照 标 准 的 网 络 格 式 进 行 转 化, 收 集 所 需 的 信 息, 之 后 返 回 正 确 的 响 应 在 某 些 情 况 下, 管 理 员 也 可 以 通 过 设 置 某 个 MIB 对 象 来 命 令 系 统 进 行 某 种 操 作 路 由 器 交 换 器 集 线 器 等 许 多 网 络 设 备 的 管 理 代 理 软 件 一 般 是 由 原 网 络 设 备 制 造 商 提 供 的 它 可 以 作 为 底 层 系 统 的 一 部 分 也 可 以 作 为 可 选 的 升 级 模 块 设 备 厂 商 决 定 他 们 的 管 理 代 理 软 件 可 以 控 制 哪 些 MIB 对 象, 哪 些 对 象 可 以 反 映 管 理 代 理 软 件 开 发 者 感 兴 趣 的 问 题 3 管 理 信 息 数 据 库 (MIB): 定 义 了 一 种 数 据 对 象, 它 可 以 被 网 络 管 理 系 统 控 制 MIB 是 一 个 信 息 存 储 库, 这 里 包 括 了 数 千 个 数 据 对 象, 网 络 管 理 员 可 以 通 过 直 接 控 制 这 些 数 据 对 象 去 控 制 配 置 或 监 控 网 络 设 置 网 络 管 理 系 统 可 以 通 过 网 络 管 理 代 理 软 件 来 控 制 MIB 数 据 对 象 不 管 到 底 有 多 少 个 MIB 数 据 对 象, 管 理 代 理 都 需 要 维 持 它 们 的 一 致 性, 这 些 数 据 库 中 包 括 了 必 须 在 网 络 设 备 中 支 持 的 特 殊 对 象, 所 以 这 几 种 MIB 可 以 支 持 简 单 网 络 管 理 协 议 (SNMP) 4 代 理 设 备 ( Proxy): 代 理 设 备 在 标 准 网 络 管 理 员 和 软 件 不 直 接 支 持 标 准 协 议 的 系 统 之 间 起 桥 梁 作 用 利 用 代 理 设 备, 不 需 要 升 级 整 个 网 络 就 可 以 实 现 从 旧 协 议 到 新 版 本 的 过 渡 对 于 网 络 管 理 系 统 来 说, 重 要 的 是 管 理 员 和 代 理 之 间 所 使 用 的 协 议, 如 SNMP 和 它 们 共 同 遵 循 的 MIB 库 管 理 进 程 和 代 理 进 程 之 间 的 通 信 可 以 有 两 种 方 式 : 一 种 是 管 理 进 程 向 代 理 进 程 发 出 请 求, 询 问 一 个 具 体 的 参 数 值 ; 另 外 一 种 方 式 是 代 理 进 程 主 动 向 管 理 进 程 报 告 有 某 些 重 要 的 事 件 发 生 当 然, 管 理 进 程 除 了 可 以 向 代 理 进 程 询 问 某 些 参 数 值 外, 它 还 可 以 按 要 求 改 变 代 理 进 程 的 参 数 值 基 于 TCP/IP 的 网 络 管 理 包 含 3 个 组 成 部 分 : a. 一 个 管 理 信 息 库 MIB(Management Information Base), 管 理 信 息 库 包 含 所 有 代 理 进 程 的 所 有 可 被 查 询 和 修 改 的 参 数 b. 关 于 MIB 的 一 套 公 用 的 结 构 和 表 示 符 号, 叫 做 管 理 信 息 结 构 SMI(Structure of Management Information) 例 如,SMI 定 义 计 数 器 是 一 个 非 负 整 数, 它 的 计 数 范 围 是 0~ , 当 达 到 最 大 值 时, 又 从 0 开 始 计 数 c. 管 理 进 程 和 代 理 进 程 之 间 的 通 信 协 议, 叫 做 简 单 网 络 管 理 协 议 SNMP(Simple Network Management Protocol), SNMP 包 括 数 据 包 交 换 的 格 式 等 尽 管 可 以 在 运 输 层 采 用 各 种 各 样 的 协 议, 但 是 在 SNMP 中, 用 得 最 多 的 协 议 还 是 UDP SNMP 协 议 模 型 基 于 TCP/IP 的 互 联 网 使 用 IAB( 因 特 网 活 动 委 员 会 ) 制 定 的 网 络 管 理 体 系, 它 由 3 个 部 分 组 成, 即 管 理 信 息 结 构 (SMI) 管 理 信 息 库 (MIB) 和 简 单 网 络 管 理 协 议 (SNMP) 1. 管 理 信 息 库 MIB 是 网 络 管 理 数 据 的 标 准, 其 中 详 细 规 定 了 网 络 元 素 必 须 保 存 的 数 据 项 目, 数 据 类 型 以 及 每 个 数 据 项 目 中 的 操 作 其 中, 网 络 元 素 指 的 是 网 络 中 的 具 体 的 通 信 设 备, 如 主 机 网 桥 和 路 由 器 等 通 过 访 问 局 域 网 或 企 业 网 络 的 所 有 网 络 元 素 的 MIB, 对 获 得 的 统 计 内 容 进 行

232 226 第 10 章 应 用 层 协 议 综 合 智 能 分 析, 即 可 实 现 基 本 的 网 络 管 理 2. 管 理 信 息 结 构 用 于 定 义 和 识 别 MIB 变 量 的 一 组 规 则 3. 管 理 协 议 SNMP 为 应 用 层 协 议, 是 TCP/IP 协 议 簇 的 一 部 分, 它 是 通 过 用 户 数 据 包 协 议 (UDP) 来 操 作 的 网 络 管 理 协 议 提 供 了 管 理 系 统 的 授 权 管 理 网 络 运 行 中 心 (NOC) 对 网 络 及 其 设 备 的 管 理 有 3 种 方 式 : 本 地 终 端 方 式 远 程 Telnet 命 令 方 式 和 基 于 SNMP 的 代 理 / 服 务 器 方 式 1 本 地 终 端 方 式 : 通 过 被 管 理 设 备 的 RS 232 接 口 与 管 理 用 计 算 机 相 连 接, 进 行 相 应 的 监 控 配 置 计 费 以 及 性 能 和 安 全 等 管 理 的 方 式 这 种 方 式 一 般 适 用 于 管 理 单 台 的 重 要 网 络 设 备, 如 路 由 器 等 2 远 程 Telnet 命 令 方 式 通 过 计 算 机 网 络 对 已 知 地 址 和 管 理 口 令 的 设 备 进 行 远 程 登 录, 并 进 行 各 种 命 令 操 作 和 管 理 这 种 方 式 也 只 适 用 于 对 网 络 中 的 单 台 设 备 进 行 管 理 与 本 地 终 端 方 式 管 理 的 区 别 是 这 种 方 式 可 以 异 地 操 作, 不 必 亲 临 现 场 3 基 于 SNMP 的 代 理 / 服 务 器 网 管 方 式 也 称 SNMP 网 络 管 理 模 型, 包 括 以 下 几 个 组 成 部 分 : (1) 网 络 管 理 站 ( 网 络 管 理 器 ) 它 负 责 发 出 管 理 操 作 的 指 令, 并 接 收 来 自 代 理 的 信 息 一 般 为 具 有 如 下 功 能 的 主 机 : 1 运 行 简 单 网 管 协 议 (SNMP) 2 运 行 网 管 支 持 工 具 和 网 管 应 用 软 件 其 中,SNMP 提 供 网 络 管 理 的 控 制 与 通 信 机 制, 而 网 管 支 持 工 具 与 应 用 软 件 则 提 供 相 应 的 管 理 策 略 方 法 和 用 户 界 面 (2) 被 管 理 网 络 设 备 ( 网 络 管 理 代 理 Agent) 把 来 自 管 理 者 的 命 令 或 信 息 请 求 转 换 为 本 设 备 特 有 的 指 令, 完 成 管 理 者 的 指 示, 或 返 回 所 在 设 备 的 信 息 存 在 于 下 述 4 类 设 备 中 : 1 主 机, 如 工 作 站 服 务 器 等 2 网 络 交 换 设 备, 如 路 由 器 ATM 交 换 机 以 及 以 太 网 交 换 机 等 3 外 部 设 备, 如 打 印 机 图 像 输 入 输 出 设 备 等 4 调 制 解 调 器 网 桥 和 老 式 的 网 络 交 换 机 等 前 3 类 设 备 的 共 同 特 点 是 装 有 TCP/IP 协 议, 另 外 还 有 管 理 协 议 SNMP 和 管 理 工 具 等 3 大 部 分 软 件 其 中,TCP/IP 协 议 不 仅 用 于 传 输 管 理 信 息, 而 且 还 要 传 输 用 户 数 据 第 4 类 设 备 内 存 较 小, 无 法 安 装 TCP/IP 协 议 与 网 管 代 理 等 只 能 安 装 在 代 理 服 务 器 上 网 管 工 作 站 通 过 代 理 服 务 器 与 第 4 类 设 备 进 行 交 互 和 通 信 (3) 被 管 网 络 信 息 库 (MIB) 是 每 个 被 管 设 备 中 代 理 所 维 持 的 状 态 信 息 的 集 合 (4)SNMP 协 议 用 于 网 络 管 理 站 与 被 管 设 备 的 网 管 代 理 之 间 交 互 管 理 信 息 网 络 管 理 站 通 过 SNMP 协 议 向 被 管 设 备 的 网 管 代 理 发 出 各 种 请 求 报 文, 网 管 代 理 则 接 收 这 些 请 求 后 完 成 相 应 的 操 作

233 10.4 SNMP 简 单 网 络 管 理 协 议 SNMP 报 文 格 式 关 于 管 理 进 程 和 代 理 进 程 之 间 的 交 互 信 息,SNMP 定 义 了 5 种 报 文 : 1 get-request 操 作 : 从 代 理 进 程 处 提 取 一 个 或 多 个 参 数 值 2 get-next-request 操 作 : 从 代 理 进 程 处 提 取 一 个 或 多 个 参 数 的 下 一 个 参 数 值 3 get-request 操 作 : 设 备 代 理 进 程 的 一 个 或 多 个 参 数 值 4 get-response 操 作 : 返 回 的 一 个 或 多 个 参 数 值 这 个 操 作 是 由 代 理 进 程 发 出 的, 它 是 前 面 3 种 操 作 的 响 应 操 作 5 trap 操 作 : 代 理 进 程 主 动 发 出 的 报 文 通 知 管 理 进 程 有 某 些 事 情 发 生 前 面 的 3 个 操 作 是 由 管 理 进 程 向 代 理 进 程 发 出 的 后 面 两 个 是 代 理 进 程 发 给 管 理 进 程 的 ( 为 了 简 化 起 见, 前 面 3 个 操 作 今 后 叫 做 get get-next 和 set 操 作 ) 既 然 这 些 操 作 中 的 前 4 种 操 作 是 简 单 的 请 求 应 答 方 式 ( 也 就 是 管 理 进 程 和 发 出 请 求 代 理 进 程 应 答 响 应 ), 而 且 在 SNMP 中 往 往 使 用 UDP 协 议, 所 以 可 能 发 生 管 理 进 程 和 代 理 之 间 数 据 包 丢 失 的 情 况 因 此 一 定 要 有 超 时 和 重 传 机 制 管 理 进 程 发 出 的 前 面 3 种 操 作 采 用 UDP 的 161 端 口, 代 理 进 程 发 出 的 Trap 操 作 采 用 UDP 的 162 端 口 由 于 收 发 采 用 了 不 同 的 端 口 号, 所 以 一 个 系 统 可 以 同 时 为 管 理 进 程 和 代 理 进 程 图 10-9 是 封 装 成 UDP 数 据 包 的 5 种 操 作 的 SNMP 报 文 格 式 图 10-9 SNMP 报 文 的 格 式 图 10-9 中, 我 们 仅 仅 对 IP 和 UDP 的 首 部 长 度 进 行 了 标 注 这 是 由 于 SNMP 报 文 的 编 码 采 用 了 ASN.1 和 BER, 这 就 使 得 报 文 的 长 度 取 决 于 变 量 的 类 型 和 值 版 本 字 段 是 0, 该 字 段 的 值 是 通 过 SNMP 版 本 号 减 去 1 得 到 的 显 然 0 代 表 SNMPV1 图 显 示 各 种 PDU 对 应 的 值 (PDU 即 协 议 数 据 单 元, 也 就 是 分 组 )

234 228 第 10 章 应 用 层 协 议 PDU 类 型 名 称 0 get-request 1 get-next-request 2 Get-response 3 get-request 4 trap 图 SNMP 报 文 中 的 PDU 类 型 共 同 体 字 段 是 一 个 字 符 串 这 是 管 理 进 程 和 代 理 进 程 之 间 的 口 令, 是 明 文 格 式, 默 认 的 值 是 Public 对 于 get get-next 和 set 操 作, 请 求 标 识 由 管 理 进 程 设 置, 然 后 由 代 理 进 程 在 get-response 中 返 回 这 种 类 型 的 字 段 我 们 在 其 他 UDP 应 用 中 曾 经 见 过 这 个 字 段 的 作 用 是 使 客 户 进 程 ( 在 目 前 情 况 下 是 管 理 进 程 ) 能 够 将 服 务 器 进 程 ( 即 代 理 进 程 ) 发 出 的 响 应 和 客 户 进 程 发 出 的 查 询 进 行 匹 配 这 个 字 段 允 许 管 理 进 程 对 一 个 或 多 个 代 理 进 程 发 出 多 个 请 求, 并 且 从 返 回 的 众 多 应 答 中 进 行 分 类 差 错 状 态 字 段 是 一 个 整 数, 它 是 由 代 理 进 程 标 注 的, 指 明 有 差 错 发 生 表 10-5 是 参 数 值 名 称 和 描 述 之 间 的 对 应 关 系 表 10-5 SNMP 差 错 状 态 的 值 差 错 状 态 名 称 描 述 0 no Error 没 有 错 误 1 toobig 代 理 进 程 无 法 把 响 应 放 在 一 个 SNMP 消 息 中 发 送 2 no Such Name 操 作 一 个 不 存 在 的 变 量 3 bad Value Set 操 作 的 值 或 语 义 有 错 误 4 read Only 管 理 进 程 试 图 修 改 一 个 只 读 变 量 5 Gen Err 其 他 错 误 差 错 索 引 字 段 是 一 个 整 数 偏 移 量, 指 明 当 有 差 错 发 生 时, 差 错 发 生 在 哪 个 参 数 它 由 代 理 进 程 标 注 的, 并 且 只 有 在 发 生 no Such Name read Only 和 bad Value 差 错 时 进 行 标 注 在 get get-next 和 set 的 请 求 数 据 包 中, 包 含 变 量 名 称 和 变 量 值 的 一 张 表 对 于 get 和 get-next 操 作, 变 量 值 部 分 被 忽 略, 也 就 是 不 需 要 填 写 SNMP 管 理 控 制 框 架 与 实 现 1.SNMP 管 理 控 制 框 架 SNMP 定 义 了 管 理 进 程 (Manager) 和 管 理 代 理 (Agent) 之 间 的 关 系, 这 个 关 系 称 为 共 同 体 (Community) 描 述 共 同 体 的 语 义 是 非 常 复 杂 的, 但 其 句 法 却 很 简 单 位 于 网 络 管 理 工 作 站 ( 运 行 管 理 进 程 ) 上 和 各 网 络 元 素 上 利 用 SNMP 相 互 通 信 对 网 络 进 行 管 理 的 软 件 统 统 称 为 SNMP 应 用 实 体 若 干 个 应 用 实 体 和 SNMP 组 合 起 来 形 成 一 个 共 同 体, 不 同 的 共 同 体 之 间

235 10.4 SNMP 简 单 网 络 管 理 协 议 229 用 名 字 来 区 分, 共 同 体 的 名 字 必 须 符 合 Internet 的 层 次 结 构 命 名 规 则, 由 无 保 留 意 义 的 字 符 串 组 成 此 外, 一 个 SNMP 应 用 实 体 可 以 加 入 多 个 共 同 体 SNMP 的 应 用 实 体 对 Internet 管 理 信 息 库 中 的 管 理 对 象 进 行 操 作 一 个 SNMP 应 用 实 体 可 操 作 的 管 理 对 象 子 集 称 SNMP MIB 授 权 范 围, 只 读 可 读 写 等 SNMP 体 系 结 构 中 要 求 对 每 个 共 同 体 都 规 定 授 权 范 围 及 其 对 每 个 对 象 的 访 问 方 式 记 录 这 些 定 义 的 文 件 称 为 共 同 体 定 义 文 件 SNMP 的 报 文 总 是 源 自 每 个 应 用 实 体, 报 文 中 包 括 该 应 用 实 体 所 在 的 共 同 体 的 名 字 这 种 报 文 在 SNMP 中 称 为 有 身 份 标 志 的 报 文, 共 同 体 名 字 是 在 管 理 进 程 和 管 理 代 理 之 间 交 换 管 理 信 息 报 文 时 使 用 的, 管 理 信 息 报 文 中 包 括 以 下 两 部 分 内 容 : 1 共 同 体 名, 加 上 发 送 方 的 一 些 标 识 信 息 ( 附 加 信 息 ), 用 以 验 证 发 送 方 确 实 是 共 同 体 中 的 成 员, 共 同 体 实 际 上 就 是 用 来 实 现 管 理 应 用 实 体 之 间 身 份 鉴 别 的 2 数 据, 这 是 两 个 管 理 应 用 实 体 之 间 真 正 交 换 的 信 息 在 第 三 版 本 前 的 SNMP 中 实 现 了 简 单 的 身 份 鉴 别, 接 收 方 仅 凭 共 同 体 名 来 判 定 收 发 双 方 是 否 在 同 一 个 共 同 体 中, 而 前 面 提 到 的 附 加 信 息 尚 未 应 用 接 收 方 在 验 明 发 送 报 文 的 管 理 代 理 或 管 理 进 程 的 身 份 后 要 对 其 访 问 权 限 进 行 检 查 访 问 权 限 检 查 涉 及 到 以 下 因 素 : 1 一 个 共 同 体 内 各 成 员 可 以 对 哪 些 对 象 进 行 读 写 等 管 理 操 作, 这 些 可 读 写 对 象 称 为 该 共 同 体 的 授 权 对 象 ( 在 授 权 范 围 内 ) 2 共 同 体 成 员 对 授 权 范 围 内 每 个 对 象 定 义 了 访 问 模 式 : 只 读 或 可 读 写 3 规 定 授 权 范 围 内 每 个 管 理 对 象 ( 类 ) 可 进 行 的 操 作 ( 包 括 get get-next set 和 trap) 4 管 理 信 息 库 (MIB) 对 每 个 对 象 的 访 问 方 式 限 制 管 理 代 理 通 过 上 述 预 先 定 义 的 访 问 模 式 的 权 限 来 决 定 共 同 体 中 其 他 成 员 要 求 的 管 理 对 象 访 问 ( 操 作 ) 是 否 允 许 共 同 体 概 念, 同 样 适 用 于 转 换 代 理 (Proxy Agent), 只 不 过 转 换 代 理 中 包 含 的 对 象 主 要 是 其 他 设 备 的 内 容 2.SNMP 实 现 方 式 为 了 提 供 遍 历 管 理 信 息 库 的 手 段,SNMP 在 其 MIB 中 采 用 了 树 状 命 名 方 法 对 每 个 管 理 对 象 实 例 命 名 每 个 对 象 实 例 的 名 字 都 由 对 象 类 名 字 加 上 一 个 后 缀 构 成 对 象 类 的 名 字 是 不 会 相 互 重 复 的, 因 而 不 同 对 象 类 的 对 象 实 例 之 间 也 少 有 重 名 的 危 险 在 共 同 体 定 义 中 一 般 要 规 定 该 共 同 体 授 权 的 管 理 对 象 范 围 相 应 地 也 就 规 定 了 哪 些 对 象 实 例 是 该 共 同 体 的 管 辖 范 围 据 此, 共 同 体 的 定 义 可 以 想 象 为 一 个 多 叉 树, 以 词 典 序 提 供 了 遍 历 所 有 管 理 对 象 实 例 的 手 段 有 了 这 个 手 段,SNMP 就 可 以 使 用 get-next 操 作 符, 顺 序 地 从 一 个 对 象 找 到 下 一 对 象 get-next(object-instance) 操 作 返 回 的 结 果 是 一 个 对 象 实 例 标 识 符 及 其 相 关 信 息, 该 对 象 实 例 在 上 面 的 多 叉 树 紧 排 在 指 定 标 识 符 object-instance 对 象 后 面 这 种 手 段 的 优 点 在 于 即 使 不 知 道 管 理 对 象 实 例 的 具 体 名 字, 管 理 系 统 也 能 逐 个 地 找 到 它, 并 提 取 到 它 的 有 关 信 息 遍 历 所 有 管 理 对 象 的 过 程 可 以 从 第 一 个 对 象 实 例 开 始 ( 这 个 实 例 一 定 要 给 出 ), 然 后 逐 次 使 用 get-next, 直 到 返 回 一 个 差 错 ( 表 示 不 存 在 的 管 理 对 象 实 例 ) 结 束 ( 完 成 遍 历 ) 由 于 信 息 以 表 格 形 式 ( 一 种 数 据 结 构 ) 存 放 的, 在 SNMP 的 管 理 概 念 中, 把 所 有 表 格 都 视 为 子 树, 其 中 一 张 表 格 ( 及 其 名 字 ) 是 相 应 子 树 的 根 节 点, 每 个 列 是 根 下 面 的 子 节 点, 一 列 中 的 每 个 行 则 是 该 列 节 点 下 面 的 子 节 点, 并 且 是 子 树 的 叶 节 点, 如 图 所 示 因 此, 按 照 前 面 的 子 树 遍 历 思 路, 对 表 格 的 遍 历 是 先 访 问 第 一 列 的 所 有 元 素, 再 访 问 第 二 列 所 有 元

236 230 第 10 章 应 用 层 协 议 素 直 到 最 后 一 个 元 素 若 试 图 得 到 最 后 一 个 元 素 的 下 一 个 元 素, 则 返 回 差 错 标 记 图 SNMP 树 形 表 格 结 构 示 意 图 SNMP 中 各 种 管 理 信 息 大 多 以 表 格 形 式 存 在, 一 个 表 格 对 应 一 个 对 象 类, 每 个 元 素 对 应 于 该 类 的 一 个 对 象 实 例 那 么, 管 理 信 息 表 对 象 中 单 个 元 素 ( 对 象 实 例 ) 的 操 作 可 以 用 前 面 提 到 的 get-next 方 法, 也 可 以 用 后 面 将 介 绍 的 get/set 等 操 作 下 面 主 要 介 绍 表 格 内 一 行 信 息 的 整 体 操 作 : 1 增 加 一 行 : 通 过 SNMP 只 用 一 次 Set 操 作 就 可 在 一 个 表 格 中 增 加 一 行 操 作 中 的 每 个 变 量 都 对 应 于 待 增 加 行 中 的 一 个 列 元 素, 包 括 对 象 实 例 标 识 符 如 果 一 表 格 中 有 8 列, 则 set 操 作 中 必 须 给 出 8 个 操 作 数, 分 别 对 应 8 个 列 中 的 相 应 元 素 2 删 除 一 行 : 删 除 一 行 也 可 以 通 过 SNMP 调 用 一 次 Set 操 作 完 成, 并 且 比 增 加 一 行 还 简 单 删 除 一 行 只 需 要 用 Set 操 作 将 该 行 中 的 任 意 一 个 元 素 ( 对 象 实 例 ) 设 置 成 非 法 即 可 但 该 操 作 有 一 个 例 外 : 地 址 翻 译 组 对 象 中 有 一 个 特 殊 的 表 ( 地 址 变 换 表 ), 该 表 中 未 定 义 一 个 元 素 的 非 法 条 件 因 此,SNMP 中 采 用 的 办 法 是 将 该 表 中 的 地 址 设 置 成 空 串, 而 空 字 符 串 将 被 视 为 非 法 元 素 至 于 删 除 一 行 时, 表 中 的 一 行 元 素 是 否 真 的 在 表 中 消 失, 则 每 个 设 备 ( 管 理 代 理 ) 的 具 体 实 现 有 关 因 此, 管 理 网 络 操 作 中, 运 行 管 理 进 程 可 能 从 管 理 代 理 中 得 到 非 法 数 据, 即 已 经 删 除 的 不 再 使 用 的 元 素 的 内 容, 因 此 管 理 进 程 必 须 能 通 过 各 数 据 字 段 的 内 容 来 判 断 数 据 的 合 法 性 共 同 体 和 安 全 控 制 网 络 管 理 是 一 种 分 布 式 的 应 用 与 其 他 分 布 式 的 应 用 相 同, 网 络 管 理 中 已 含 有 一 个 应 用 协 议 支 持 的 多 个 应 用 实 体 的 相 互 作 用 在 SNMP 网 络 管 理 中, 这 些 应 用 实 体 就 是 采 用 SNMP 的 管 理 站 应 用 实 体 和 被 管 理 站 的 应 用 实 体 SNMP 网 络 管 理 具 有 一 些 不 同 于 其 他 分 布 式 应 用 的 特 性, 它 包 含 一 个 管 理 站 和 多 个 被 管 理 站 一 间 一 对 多 的 关 系 反 过 来, 我 们 也 要 看 到 SNMP 网 络 管 理 中 已 含 另 外 一 种 一 对 多 的 关 系, 即 一 个 被 管 理 站 和 多 个 管 理 站 之 间 的 关 系, 每 个 被 管 理 站 控 制 着 自 己 的 本 地 MIB, 同 时 必 须 能 控 制 多 个 管 理 站 对 这 个 本 地 MIB 的 访 问 这 里 所 说 的 控 制 有 以 下 3 个 方 面 : 认 证 服 务 将 对 MIB 的 访 问 限

237 10.5 WINS 网 际 名 字 服 务 231 定 在 授 权 的 管 理 站 的 范 围 内 ; 访 问 策 略 对 不 同 的 管 理 站 给 予 不 同 的 访 问 权 限 ; 代 管 服 务 提 的 是 一 个 被 管 理 站 可 以 作 为 其 他 一 些 被 管 理 站 ( 托 管 站 ) 的 代 管, 这 就 要 求 在 这 个 代 管 系 统 中 实 现 为 托 管 站 服 务 的 认 证 服 务 和 访 问 权 限 以 上 这 些 控 制 都 是 为 了 被 管 系 统 保 护 它 们 的 MIB 不 被 非 法 地 访 问 SNMP 通 过 共 同 体 (Community) 的 概 念 提 供 了 初 步 和 有 限 的 安 全 能 力 SNMP 用 共 同 体 来 定 义 一 个 代 理 者 和 一 组 管 理 者 之 间 的 认 证 访 问 控 制 和 代 管 特 性 建 立 一 个 共 同 体 每 个 共 同 体 被 赋 予 一 个 在 被 管 系 统 内 部 唯 一 的 共 同 体 名, 该 共 同 体 名 要 提 供 给 共 同 体 内 的 所 有 管 理, 以 便 它 们 在 get 和 set 操 作 中 应 用 代 理 者 可 以 与 多 个 管 理 站 建 立 多 个 共 同 体, 同 一 个 管 理 站 可 以 出 现 在 不 同 的 共 同 体 中 由 于 共 同 体 在 代 理 者 处 本 地 定 义 的, 因 此 不 同 的 代 理 者 处 可 能 会 定 义 相 同 的 共 同 体 名 共 同 体 名 相 同 并 不 意 味 着 共 同 体 有 什 么 相 似 之 处, 因 此, 管 理 站 必 须 将 共 同 体 名 与 代 理 者 联 系 起 来 加 以 应 用 10.5 WINS 网 际 名 字 服 务 WINS 是 Windows Internet Name Service(Windows 网 际 名 字 服 务 ) 的 简 称 WINS 为 Net BIOS 名 字 提 供 名 字 注 册 更 新 释 放 和 转 换 服 务, 这 些 服 务 允 许 WINS 服 务 器 维 护 一 个 将 Net BIOS 名 链 接 到 IP 地 址 的 动 态 数 据 库, 减 轻 了 对 网 络 传 输 的 负 担 为 了 便 于 用 户 与 网 络 中 的 其 他 用 户 共 享 资 源, 微 软 的 Windows 系 统 安 装 配 置 好 基 本 的 网 卡 网 络 协 议 和 服 务 后, 都 会 在 桌 面 上 自 动 生 成 一 个 网 上 邻 居 快 捷 方 式 用 户 如 果 查 看 网 络 上 另 一 计 算 机 的 共 享 资 源, 只 需 在 网 上 邻 居 上 一 步 步 进 行 简 单 的 双 击 操 作, 即 可 找 到 并 打 开 相 应 主 机 上 的 共 享 文 件 但 就 是 这 样 一 个 看 似 非 常 简 单 的 过 程, 其 中 就 涉 及 到 许 多 服 务 程 序 或 协 议 的 复 杂 工 作, 其 中 就 包 括 : 名 称 注 册 名 称 解 析 TCP/IP 协 议 NetBIOS 协 议 WINS 和 DNS 等 在 整 个 微 软 Windows 名 称 解 析 过 程 中,Windows 2000 以 前 的 版 本 和 以 后 的 版 本 主 要 是 通 过 DNS 服 务 进 行 解 析 的 NetBIOS 简 介 NetBIOS( 网 络 基 本 输 入 / 输 出 系 统 ) 是 一 种 应 用 协 议, 也 是 一 种 命 名 方 式, 还 是 一 种 网 络 编 程 接 口 为 了 给 计 算 机 提 供 LAN 的 环 境, 微 软 公 司 和 其 他 供 应 商 对 使 用 NetBIOS 接 口 设 计 联 网 系 统 组 件 和 程 序 进 行 了 标 准 化 NetBIOS 名 称 空 间 是 单 层 的, 这 意 味 着 在 一 个 网 络 内 只 能 使 用 一 次 该 名 称 这 些 名 称 是 在 计 算 机 启 动, 服 务 开 始 或 用 户 登 录 时 动 态 注 册 的 NetBIOS 名 称 可 以 注 册 为 唯 一 名 称 或 组 名 唯 一 名 称 有 一 个 与 名 称 相 关 联 的 地 址, 组 名 有 多 个 映 射 到 名 称 上 的 地 址 在 Windows 2000 之 前, 所 有 基 于 MS-DOS 和 Windows 的 操 作 系 统 都 需 要 NetBIOS 命 令 接 口 来 支 持 网 络 功 能 在 Windows 2000 发 布 之 后, 计 算 机 的 网 络 连 接 就 不 再 需 要 对 NetBIOS 命 名 接 口 的 支 持 了 例 如, 使 用 Windows 2000 和 其 他 不 需 要 NetBIOS 名 称 的 操 作 系 统 ( 如 某 些 版 本 的 UNIX), 可 以 建 立 并 运 行 一 个 由 支 持 使 用 域 名 系 统 (DNS) 的 主 机 和 程 序 组 成 环 境 但 是, 多 数 网 络 仍 然 要 将 要 求 NetBIOS 网 络 名 称 的 老 的 操 作 系 统 与 运 行 Windows 2000 的 计 算 机 集 成 在 一 起 由 于 这 个 原 因, Windows 2000 继 续 为 NetBIOS 名 称 提 供 默 认 支 持 以 便 与 需 要 它 们 的 老 的 操 作 系 统 的 交 互 操 作 这 种 支 持 主 要 是 以 两 种 方 式 提 供 的 : 1 默 认 情 况 下, 所 有 使 用 TCP/IP 的 Windows 2000 计 算 机, 都 默 认 对 注 册 和 解 析 Net BIOS 名 称 提 供 客 户 端 支 持 这 种 支 持 是 通 过 TCP/IP 上 的 NetBIOS(Net BT) 来 提 供 的, 而

238 232 第 10 章 应 用 层 协 议 且 需 要 时 可 以 动 手 禁 用 2 Windows 2000 Server 通 过 Windows 网 际 名 称 服 务 (WINS) 继 续 提 供 服 务 器 端 支 持 WINS 可 以 用 来 有 效 地 管 理 基 于 Net BT 的 网 络 一 个 NetBIOS 名 称 包 含 16 个 字 节, 每 个 名 称 的 前 15 个 字 节 是 用 户 指 定 的 它 分 别 用 于 表 示 : 1 标 识 与 网 络 上 单 个 用 户 或 计 算 机 相 关 的 某 个 资 源 的 唯 一 名 称 2 标 识 与 网 络 上 的 一 组 用 户 或 计 算 机 相 关 联 的 某 个 资 源 的 组 名 每 个 NetBIOS 名 称 中 的 第 16 个 字 符 被 NetBIOS 客 户 用 作 名 称 后 缀, 用 来 标 识 该 名 称, 并 表 明 用 该 名 称 在 网 络 上 注 册 的 资 源 的 有 关 信 息 每 个 NetBIOS 名 称 都 配 置 成 一 个 唯 一 的 ( 有 的 ) 名 称 或 组 ( 非 专 有 的 ) 名 唯 一 名 称 通 常 用 来 向 计 算 机 上 的 特 定 进 程 发 送 网 络 通 讯 组 名 用 来 同 时 向 多 台 计 算 机 发 送 信 息 计 算 机 名 ( 机 器 名 ) 是 典 型 的 专 有 NetBIOS 名 字 之 一, 而 工 作 组 名 是 一 种 组 NetBIOS 名 NetBIOS 定 义 了 两 个 组 件 : 1 会 话 层 接 口 : 该 NetBIOS 接 口 是 一 个 应 用 程 序 可 以 使 用 的 标 准 API 这 些 应 用 程 序 将 网 络 输 入 输 出 和 控 制 指 令 提 交 给 下 层 网 络 协 议 软 件, 以 便 通 过 网 络 进 行 传 输, 您 可 以 在 支 持 NetBIOS 接 口 的 任 意 协 议 软 件 上, 运 行 所 有 使 用 NetBIOS API 进 行 网 络 通 讯 的 应 用 程 序 2 会 话 管 理 和 数 据 传 输 协 议 : 这 里 使 用 的 协 议 可 以 是 用 来 执 行 NetBIOS 接 口 命 令 集 的 实 际 传 输 和 通 讯 的 任 何 网 络 连 接 协 议 及 其 相 关 软 件 TCP/IP 和 NetBIOS 协 议 软 件 就 是 两 个 例 子, 大 多 数 较 早 版 本 的 Windows 操 作 系 统 都 有 这 两 个 协 议 要 实 现 在 网 上 邻 居 上 进 行 正 常 计 算 机 及 文 件 浏 览, 首 先 需 要 客 户 机 把 自 己 的 名 字 在 网 上 注 册, 然 后 通 过 特 定 的 名 称 解 析 方 法 把 注 册 的 名 称 与 对 应 的 IP 地 址 进 行 对 应 有 了 两 步, Windows 系 统 才 可 以 通 过 浏 览 服 务 在 网 上 邻 居 上 进 行 浏 览 在 较 早 版 本 的 Windows NT 中, 所 有 网 络 服 务 都 只 使 用 NetBIOS 名 称 注 册, 而 对 于 Windows 2000, NetLogon 服 务 及 其 他 可 能 的 网 络 服 务 都 将 在 DNS 中 注 册 而 且 以 前 的 网 络 命 令 行 应 用 程 序 ( 如 各 种 Net 命 令 ) 也 使 用 NetBIOS 名 称 来 访 问 这 些 服 务, 其 他 基 于 NetBIOS 的 计 算 机 ( 如 Windows for Work groups LAN Manager 和 LAN Manager for UNIX 主 机 ) 也 使 用 NetBIOS 名 称 网 络 上 的 一 个 主 机 如 何 知 道 一 个 特 定 的 NetBIOS 名 字 对 应 哪 个 IP 呢? 这 就 是 名 称 解 析 的 任 务 了 名 称 解 析 是 为 用 户 提 供 易 于 记 忆 的 服 务 器 名 称 的 过 程, 这 样 用 户 就 无 需 记 忆 那 些 在 TCP/IP 网 络 上 用 于 标 识 服 务 器 的 数 字 IP 地 址 了, 解 析 名 称 的 方 式 有 多 种, 大 致 可 分 为 : 本 地 解 析 广 播 解 析 和 服 务 器 解 析 3 种 方 式 在 WINS 和 DNS 服 务 出 现 以 前,NetBIOS 名 称 的 解 析 是 通 过 广 播 或 者 静 态 的 Lmhosts 文 件 的 方 式 实 现 的 Lmhosts 等 文 件 位 于 各 个 计 算 机 本 地, 对 于 Windows 95/98 计 算 机, 它 位 于 \Windows 目 录 中, 对 手 Windows NT4.0 系 统 的 计 算 机, 它 位 于 \Winnt\system32\drivers\etc 目 录 中 Lmhosts 是 一 个 静 态 的 纯 文 本 文 件, 其 中 存 放 NetBIOS 计 算 机 名 与 相 应 IP 地 址 的 映 射 行, 用 于 解 析 远 程 计 算 机 名 与 相 应 IP 地 址 的 对 应 问 题 由 于 是 静 态 文 件, 其 中 的 数 据 需 要 手 工 输 入, 一 旦 新 增 加 或 改 变 了 网 络 的 计 算 名 与 其 IP 地 址,Lmhosts 文 件 无 法 像 WINS 服 务 器 那 样 地 动 态 地 自 动 更 新 数 据, 只 能 手 工 更 新, 维 护 工 作 量 较 大 网 络 上 的 每 一 台 计 算 机 的 NetBIOS 名 字 还 可 以 通 过 广 播 的 方 式 来 提 供 更 新 和 解 析 的 也 就 是 说, 假 如 网 络 上 有 n 台 计 算 机, 那 么 每 一 台 计 算 机 就 要 广 播 n-1 次 对 于 小 型 网 络 来 说, 这 似 乎 并 不 会 影 响 网 络 传 输, 但 是 对 于 大 型 网 络 来 讲, 将 加 重 网 络 的 负 担 广 播 的 缺 点 是 增 加 了 网 络 的 负 荷, 此 外 广 播 一 般 不 能 通 过 路 由 器 ;Lmhosts 文 件 的 缺 点

239 10.5 WINS 网 际 名 字 服 务 233 是 需 要 手 工 维 护, 并 且 当 用 户 计 算 机 的 IP 地 址 经 常 变 化 时 ( 如 DHCP 客 户 ), 它 不 能 有 效 地 解 决 名 称 解 析 问 题 如 果 有 一 个 全 局 的 名 字 服 务 器, 就 可 以 避 免 这 些 问 题, 在 一 个 大 型 网 络 中, 优 势 尤 其 明 显 因 此, 自 WINS 和 DNS 服 务 出 现 后,NetBIOS 名 称 解 析 的 任 务 就 交 给 它 们 了 1.Windows Internet 名 称 服 务 (WINS) Windows Internet 95/98NT/Me 这 样 的 早 期 系 统, 一 般 是 通 过 WINS 服 务 完 成 局 域 网 内 的 NetBIOS 名 字 解 析 的 WINS 是 一 个 可 靠 的 软 件 组 件, 出 现 在 组 件 列 表 的 网 络 服 务 下 面 如 果 在 服 务 器 上 安 装 WINS, 则 需 要 为 该 服 务 器 指 定 一 个 静 态 IP 地 址 此 外 还 需 要 配 置 WINS 客 户 端, 以 便 使 它 们 识 别 这 个 IP 地 址 后 面 将 较 详 细 地 介 绍 WINS 2. 域 名 系 统 (DNS) DNS 是 一 个 用 于 在 Internet 和 专 用 TCP/IP 网 络 上 定 位 计 算 机 的 分 层 命 名 系 统 传 统 的 DNS 域 名 和 地 址 之 间 的 解 析 微 软 在 Windows 2000 之 后 新 开 发 的 DNS, 支 持 NetBIOS 名 字 解 析 局 域 网 中 通 常 需 要 安 装 一 个 或 多 个 DNS 服 务 器, 并 在 每 个 客 户 端 指 定 DNS 服 务 器 IP Internet 电 子 邮 件 Web 浏 览 和 Active Directory 都 需 要 DNS, 某 些 带 有 运 行 Windows 2000 客 户 端 的 域 名 也 需 要 DNS 当 创 建 域 控 制 器 ( 或 将 某 个 服 务 器 提 升 为 域 控 制 器 ) 时, 会 自 动 安 装 DNS( 域 内 已 有 DNS 服 务 器 时 例 外 ) 这 种 名 称 解 析 方 法 通 常 应 用 于 Internet 和 Windows 2000 域 中 WINS 原 理 Windows Internet 命 名 服 务 (WINS) 注 册 和 查 询 网 络 上 计 算 机 和 用 户 组 NetBIOS 名 称 的 动 态 映 射 提 供 分 布 式 数 据 库 WINS 将 NetBIOS 名 称 映 射 为 IP 地 址, 并 设 计 以 解 决 路 由 环 境 的 NetBIOS 名 称 解 析 中 所 出 现 的 问 题 WINS 对 于 使 用 TCP/IP 上 的 NetBIOS 路 由 网 络 中 的 NetBIOS 名 称 解 析 是 最 佳 选 择 早 期 版 本 的 Windows 操 作 系 统 使 用 NetBIOS 名 称 以 标 识 和 定 位 计 算 机 以 及 其 他 共 享 或 群 集 资 源, 要 在 网 络 上 使 用 这 些 资 源 需 要 注 册 或 名 称 解 析 在 早 期 版 本 的 Windows 操 作 系 统 中 (Windows 2000 以 前 的 系 统 ), NetBIOS 名 称 对 于 创 建 网 络 服 务 是 必 需 的, 尽 管 可 以 对 非 TCP/IP 的 网 络 协 议 使 用 NetBIOS 命 名 协 议 ( 如 NetBIOS 或 IPX/SPX), 但 是 仍 然 专 门 设 计 了 WINS 支 持 TCP/IP 上 的 NetBIOS(Net BT) WINS 服 务 器 为 客 户 端 提 供 名 字 注 册 更 新 释 放 和 解 析 服 务, 下 面 介 绍 这 4 个 基 本 服 务 的 工 作 原 理 : 1. 名 字 注 册 名 字 注 册 就 是 客 户 端 从 WINS 服 务 器 获 得 信 息 的 过 程, 在 WINS 服 务 中, 名 字 注 册 是 动 态 的 当 一 个 客 户 启 动 时, 它 向 所 配 置 的 WINS 服 务 器 发 送 一 个 名 字 注 册 信 息 ( 包 括 了 客 户 机 的 IP 地 址 和 计 算 机 名 ), 如 果 WINS 服 务 器 正 在 运 行, 并 且 没 有 其 他 客 户 计 算 机 注 册 了 相 同 的 名 字, 服 务 器 就 向 客 户 端 计 算 机 返 还 一 个 成 功 注 册 的 信 息 ( 包 括 了 名 字 注 册 的 生 存 期 TTL) 就 像 IP 地 址 一 样, 每 台 计 算 机 都 要 求 唯 一 的 计 算 机 名, 否 则 就 无 法 通 信 如 果 名 字 已 经 被 其 他 计 算 机 注 册 了,WINS 服 务 将 会 验 证 该 名 字 是 否 正 在 使 用 如 果 该 名 字 正 在 使 用 则 注 册 失 败 ( 发 回 一 个 否 认 信 息 ) 否 则 就 可 以 继 续 注 册

240 234 第 10 章 应 用 层 协 议 2. 名 字 更 新 因 为 客 户 端 被 分 配 了 一 个 TTL( 生 存 期 ), 所 有 它 的 注 册 也 有 一 定 的 期 限, 过 了 这 个 期 限 WINS 服 务 器 将 从 数 据 库 中 删 除 这 个 名 字 的 注 册 信 息 它 的 过 程 是 这 样 的 : 1 在 过 了 生 存 期 的 1/8 后 客 户 端 开 始 不 断 试 图 更 新 它 的 名 字 注 册, 如 果 收 不 到 任 何 响 应, WINS 客 户 端 每 两 分 钟 重 复 更 新, 直 到 存 活 期 过 了 一 半 2 当 生 存 期 过 了 一 半 时, 仍 然 没 有 成 功 的 话, 该 客 户 端 又 回 到 它 的 首 选 WINS 服 务 器 了 3. 名 字 释 放 在 客 户 端 的 正 常 关 机 过 程 中,WINS 客 户 端 向 WINS 服 务 器 发 送 一 个 名 字 释 放 的 请 求, 以 请 求 释 放 其 映 射 在 WINS 服 务 器 数 据 库 中 的 IP 地 址 和 NetBIOS 名 字 收 到 释 放 请 求 后, WINS 服 务 器 验 证 一 下 它 的 数 据 库 中 是 否 有 该 IP 地 址 和 NetBIOS 名, 如 果 有 就 可 以 正 常 释 放 了, 否 则 就 会 出 现 错 误 (WINS 服 务 器 向 WINS 客 户 端 必 送 一 个 负 响 应 ) 4. 名 字 解 析 当 客 户 端 在 许 多 网 络 操 作 中 需 要 WINS 服 务 器 解 释 名 字, 例 如 当 使 用 网 络 上 其 他 计 算 机 的 共 享 文 件 时, 为 了 得 到 共 享 文 件, 用 户 需 要 指 定 两 件 事 : 系 统 名 和 共 享 名, 而 系 统 名 就 需 要 转 换 成 IP 地 址 名 字 解 析 过 程 是 : 1 当 客 户 端 计 算 机 想 要 转 换 一 个 名 字 时, 它 首 先 检 查 本 地 NetBIOS 名 字 缓 存 器 2 如 果 名 字 不 在 本 地 NetBIOS 名 字 缓 存 器 中, 便 发 送 一 个 名 字 查 询 到 首 选 WINS 服 务 器 ( 每 隔 15 s 发 送 一 次, 共 发 3 次 ); 如 果 请 求 失 败, 则 向 次 选 WINS 发 送 同 样 的 请 求 3 如 果 都 失 败 了, 那 么 名 字 解 析 可 以 通 过 其 他 途 经 来 转 换 WINS 注 册 与 更 新 过 程 WINS 在 基 于 TCP/IP 网 络 中 简 化 管 理 NetBIOS 名 称 空 间 下 面 描 述 了 已 含 WINS 客 户 端 和 服 务 器 的 一 组 典 型 的 事 件 : 在 该 示 例 中, 将 发 生 以 下 事 件 : 1 WINS 客 户 HOST-A 使 用 WINS-A 和 已 配 置 的 WINS 服 务 器 注 册 任 何 本 地 NetBIOS 名 称 2 另 一 个 WINS 客 户 HOST-B 查 询 WINS-A 以 定 位 网 络 上 HOST-A 的 IP 地 址 3WINS-A 使 用 IP 地 址 应 答 HOST-A WINS 减 少 使 用 NetBIOS 名 称 解 析 的 本 地 IP 广 播, 并 允 许 客 户 很 容 易 地 定 位 远 程 网 络 上 的 系 统 因 为 WINS 注 册 在 每 次 启 动 并 加 入 网 络 时 自 动 执 行, 所 以 WINS 数 据 库 在 进 行 更 改 动 态 地 址 配 置 时 会 自 动 更 新 例 如, 当 DHCP 服 务 器 将 新 的 或 已 更 改 的 IP 地 址 发 布 到 启 用 WINS 的 客 户 计 算 机 时, 将 更 新 客 户 的 WINS 信 息 这 不 需 要 用 户 或 网 络 管 理 员 进 行 手 动 更 改 WINS 用 于 解 析 NetBIOS 名 称, 但 是 为 了 使 名 称 解 析 生 效, 客 户 必 须 可 以 动 态 添 加 删 除 或 更 新 WINS 中 的 名 称 在 WINS 服 务 系 统 中, 所 有 名 称 都 通 过 WINS 服 务 器 注 册 名 称 存 储 在 WINS 服 务 器 的 数 据 库 项 的 名 称 IP 地 址 解 析 请 求, 通 过 网 络 中 使 用 多 个 WINS 服 务 器 来 维 护 冗 余 和 负 载 平 衡 为 了 维 护 NetBIOS 名 称 空 间 的 一 致 性, 服 务 器 日 期 性 地 相 互 复 制 数 据 库 项

241 10.5 WINS 网 际 名 字 服 务 235 每 个 名 称 在 数 据 库 中 都 有 一 项, 该 数 据 库 归 用 来 注 册 的 WINS 服 务 器 所 有, 并 且 是 所 有 其 他 WINS 服 务 器 上 的 复 制 每 一 项 都 有 一 个 与 之 相 关 的 状 态, 此 状 态 可 以 是 活 动 释 放 或 消 亡 ( 也 称 为 逻 辑 删 除 ) 状 态, 系 统 还 为 这 些 项 指 派 了 版 本 ID WINS 也 允 许 静 态 名 称 注 册, 这 允 许 管 理 员 为 那 些 运 行 无 法 进 行 动 态 名 称 注 册 的 操 作 系 统 的 服 务 器 注 册 名 称 WINS 区 分 动 态 和 静 态 项, 对 静 态 名 称 的 处 理 与 对 动 态 名 称 不 同 名 称 注 册 又 分 相 同 IP 地 址 的 名 称 和 不 同 IP 地 址 的 注 册 名 称 两 类 : 1. 同 IP 地 址 的 注 册 名 称 如 果 名 称 HOST-C 已 经 输 入 到 数 据 库 中, 而 且 名 称 IP 地 址 与 请 求 的 相 同, 则 采 取 的 操 作 取 决 于 现 有 名 称 的 状 态 和 所 有 权 如 果 该 项 标 志 为 活 动, 并 且 该 项 服 务 器 WINS-A 所 有, 那 么 该 服 务 器 就 会 更 新 该 刻 录 的 时 间 戳, 并 给 客 户 返 回 一 个 肯 定 的 响 应 如 果 该 项 标 记 为 已 释 放 或 已 逻 辑 删 除, 或 者 该 次 为 另 一 台 WINS 服 务 器 所 有, 则 该 注 册 将 被 作 为 新 的 注 册 对 待 时 间 戳 版 本 ID 和 所 有 权 都 将 被 更 新, 并 返 回 一 个 肯 定 的 响 应 2. 不 同 IP 地 址 的 注 册 名 称 如 果 WINS 数 据 库 中 已 经 有 该 名 称, 但 IP 地 址 不 同, 则 WINS 服 务 器 会 避 免 重 复 的 名 称 如 果 该 数 据 库 项 处 于 释 放 或 逻 辑 删 除 状 态, 则 WINS 服 务 器 可 以 分 配 该 名 称 但 是, 如 果 该 项 处 理 活 动 状 态, 具 有 该 名 称 的 节 点 就 会 被 质 询, 以 确 定 它 是 否 仍 在 网 络 中 这 种 情 况 下, WINS 服 务 器 (WINS-A) 可 以 执 行 一 个 名 称 质 询, 并 采 取 以 下 步 骤 : 1WINS-A 向 请 求 客 户 (HOST-C) 发 送 一 个 等 待 认 可 (Wack) 响 应, 指 定 TTL 域 中 的 某 个 时 间, 在 该 时 间 内 客 户 应 等 待 响 应 2 然 后,WINS-A 将 向 当 前 的 服 务 器 数 据 库 中 注 册 该 名 称 的 节 点 发 送 一 个 名 称 查 询 请 求 3 如 果 该 节 点 仍 然 存 在, 将 WINS-A 返 回 一 个 肯 定 的 响 应 4 接 下 来,WINS-A 会 向 请 求 客 户 (HOST-C) 发 送 一 个 否 定 的 名 称 注 册 响 应, 拒 绝 该 名 称 注 册 5 如 果 WINS-A 发 送 的 第 一 个 质 询 没 有 收 到 肯 定 的 响 应, 则 随 后 进 行 两 次 名 称 查 询 如 果 第 三 次 尝 试 都 没 有 响 应, 则 质 询 过 程 完 成, 并 向 请 求 客 户 (HOST-C) 返 回 一 个 肯 定 的 注 册 响 应, 而 且 服 务 器 中 更 新 的 名 称 将 用 于 新 的 客 户 注 册 6 与 启 用 WINS 的 客 户 不 同, 非 WINS 客 户 ( 如 NetBT6 节 点 客 户 ) 不 能 直 接 与 WINS 服 务 器 联 系 ; 非 WINS 客 户 必 须 先 注 册, 然 后 通 过 发 送 和 回 复 本 地 网 内 和 广 播 名 称 查 询, 不 断 地 保 护 其 注 册 名 称 7NetBIOS 名 称 是 通 过 Windows 网 际 名 服 务 (WINS) 来 注 册 的 并 且 计 算 机 正 常 关 机 时 通 常 要 释 放 该 名 称 如 果 计 算 机 不 是 正 常 关 机, 或 者 计 算 机 在 关 机 时 不 能 与 WINS 服 务 器 联 系, 则 可 以 使 用 NetBIOS 命 令 在 WINS 中 刷 新 该 计 算 机 的 本 地 名 称 这 对 于 在 网 络 中 不 同 位 置 之 间 移 动 或 便 携 式 计 算 机 很 有 用 WINS 客 户 需 要 通 过 WINS 服 务 器 定 期 更 新 其 NetBIOS 名 称 注 册 WINS 服 务 器 处 理 名 称 更 新 请 求 与 新 名 称 注 册 类 似 当 客 户 第 一 次 通 过 WINS 服 务 器 注 册 时,WINS 服 务 器 将 返 回 带 有 生 存 时 间 (TTL) 值 的 消 息, 该 消 息 表 明 客 户 注 册 何 时 到 期 需 要 更 新 如 果 到 时 还 不 更 新, 则 名 称 注 册 将 在 WINS 服 务 器 上 到 期, 最 终 系 统 将 名 称 项 从 WINS 数 据 库 中 删 除 然 而, 静 态 WINS 名 称 项 不 会 到 期, 因 此, 不 需 要 在 WINS 服 务 器 数 据 库 中 更 新 8WINS 数 据 库 中 项 的 默 认 更 新 间 隔 为 六 天 因 为 在 过 了 50% 的 TTL 时 间 值 时,WINS

242 236 第 10 章 应 用 层 协 议 客 户 将 尝 试 更 新 注 册, 所 以 大 多 数 WINS 客 户 每 隔 三 天 更 新 一 次 在 些 时 间 隔 结 束 必 须 刷 新 名 称, 否 则 系 统 会 将 其 释 放 WINS 客 户 通 过 将 名 称 刷 新 请 求 发 送 到 WINS 服 务 器 来 刷 新 其 名 称 9 在 大 多 数 情 况 下, 默 认 值 就 是 相 应 的 更 新 间 隔 无 论 何 时 使 用 多 个 WINS 服 务 器, 都 应 该 为 所 有 服 务 器 复 制 伙 伴 设 置 相 同 的 更 新 间 隔 10 调 整 更 新 间 隔 不 当 会 影 响 系 统 和 网 络 的 性 能 WINS 解 析 过 程 默 认 情 况 下, 当 用 WINS 服 务 器 地 址 配 置 运 行 Windows 2000 计 算 机 ( 手 动 或 通 过 DHCP) 的 名 称 解 析 时, 除 非 配 置 了 其 他 NetBIOS 节 点 类 型, 否 则 计 算 机 将 支 持 使 用 混 合 节 点 作 为 NetBIOS 名 称 注 册 的 节 点 类 型 对 于 NetBIOS 名 称 查 询 和 解 析, 它 也 支 持 混 合 节 点 的 操 作, 但 有 少 许 差 异 对 于 NetBIOS 名 称 解 析,WINS 客 户 通 常 执 行 以 下 一 系 列 步 骤 来 解 析 名 称 1 户 检 查 查 询 的 名 称 是 否 是 它 所 拥 有 的 本 地 NetBIOS 计 算 机 名 称 : 2 客 户 检 查 远 程 名 称 的 本 地 NetBIOS 名 称 缓 存 远 程 客 户 的 解 析 名 称 设 置 在 该 缓 存 中, 并 将 保 留 10 min 3 客 户 将 NetBIOS 查 询 转 发 到 已 配 置 的 主 WINS 服 务 器 中 如 果 主 WINS 服 务 器 应 答 查 询 失 败 ( 因 为 该 主 WINS 服 务 器 不 可 用, 或 因 为 它 没 有 名 称 项 ), 则 客 户 将 按 照 列 出 和 配 置 使 用 的 顺 序 尝 试 与 其 他 已 配 置 的 WINS 服 务 器 联 系 4 客 户 将 NetBIOS 查 询 广 播 到 本 地 子 网 5 如 果 配 置 客 户 端 级 使 用 Lm hosts 文 件, 则 客 户 将 检 查 与 查 询 匹 配 的 Lmhosts 文 件 6 如 果 将 其 配 置 成 单 个 客 户, 则 客 户 会 尝 试 Hosts 文 件 然 后 尝 试 DNS 服 务 器 WINS 客 户 的 名 称 解 析 是 网 络 上 TCP/IP(Net BT) 客 户 上 所 NetBIOS 的 相 同 名 称 解 析 的 扩 展, 它 解 析 网 络 上 的 NetBIOS 名 称 查 询 实 际 的 名 称 解 析 方 法 对 用 户 是 透 明 的 对 于 Windows 2000, 一 旦 使 用 net use 或 类 似 的 基 于 NetBIOS 应 用 程 序 进 行 查 询,WINS 客 户 将 使 用 下 列 一 系 列 选 项 解 析 名 称 : 1 确 定 名 称 是 否 多 于 15 个 字 符, 或 是 否 包 含 小 数 点 (.) 如 果 是 这 样, 则 向 DNS 查 询 名 称 2 确 定 名 称 是 否 存 储 在 客 户 的 远 程 名 称 缓 存 中 3 联 系 并 尝 试 配 置 了 WINS 的 服 务 器, 使 用 WINS 解 析 名 称 4 对 子 网 使 用 本 地 IP 广 播 5 如 果 在 连 接 的 Internet 协 议 (TCP/IP) 属 性 中 启 用 了 启 用 Lmhosts 搜 索, 则 检 查 Lmhosts 文 件 6 检 查 Hosts 文 件 7 查 询 DNS 服 务 器 对 于 由 运 行 Windows 2000 Server 的 服 务 器 和 运 行 Windows 2000 Professional 的 所 有 其 他 计 算 机 组 成 的 网 络,NetBIOS 对 基 于 TCP/IP 的 网 络 已 不 再 需 要 当 决 定 是 否 需 要 使 用 WINS 时, 应 首 先 考 虑 以 下 问 题 : 1 在 需 要 使 用 NetBIOS 名 称 的 网 络 上 是 否 有 旧 式 计 算 机 运 行 在 以 前 版 本 的 Microsoft 操 作 系 统 下 的 所 有 网 络 计 算 机, 例 如 MS-DOS 的 各 种 版 本,Windows 95/98 或 Windows NT, 都 需 要 NetBIOS 名 称 支 持 Windows 2000 是 第 一 再 需 要 NetBIOS 命 名 支 持 的 操 作 系 统, 但 在 网 络 上 仍 然 可 以 需 要 NetBIOS 名 称 以 对 使 用 的 许 多 旧 式 应 用 程 序 提 供 基 本 文 件 或 打 印 服 务 以 及 支 持

243 10.6 SMB 服 务 信 息 块 协 议 是 否 配 置 网 络 上 的 所 有 计 算 机 以 支 持 使 用 其 他 类 型 网 络 命 名, 如 DNS 网 络 命 名 仍 然 是 在 整 个 网 络 定 位 计 算 机 的 资 源 的 重 要 服 务, 甚 至 当 不 需 要 NetBIOS 时 也 是 如 此 在 决 定 消 除 WINS 或 NetBIOS 名 称 支 持 之 前, 请 确 定 网 络 上 的 所 有 计 算 机 和 程 序 可 以 使 用 其 他 命 名 服 务 正 常 工 作 通 常,Windows 操 作 系 统 支 持 两 种 主 要 的 网 络 名 称 解 析 方 法 它 们 是 : 主 机 名 称 解 析 : 这 是 Windows 基 于 套 接 字 的 名 称 解 析 方 式, 它 执 行 了 gethost- byname(), API 函 数 搜 索 主 机 IP 地 址, 该 地 址 是 建 立 在 自 己 查 询 的 主 机 名 称 基 础 上 的 该 方 法 依 赖 于 Hosts 文 件 或 查 询 DNS 以 执 行 名 称 解 析 功 能 NetBIOS 名 称 解 析 : 该 名 称 解 析 使 用 NetBIOS 重 定 向 器 来 搜 索 基 于 查 询 的 NetBIOS 名 称 地 址 该 方 法 依 赖 于 Lmhosts 文 件 或 查 询 WINS 执 行 名 称 解 析 在 默 认 情 况 下, 运 行 Windows 2000 的 WINS 客 户 被 配 置 为 先 使 用 DNS 解 析 长 度 超 过 15 个 字 符 或 已 含 小 数 点 (.) 的 名 称, 如 果 将 客 户 配 置 为 使 用 的 DNS 服 务 器, 则 也 可 以 在 WINS 查 询 失 败 之 后 再 次 将 DNS 用 作 最 终 选 项 如 果 运 行 的 是 纯 Windows 2000 环 境, 请 检 查 当 前 配 置 了 DOS 并 可 以 由 网 络 上 的 所 有 客 户 计 算 机 用 来 解 析 名 称 如 果 运 行 计 算 机 的 混 合 环 境, 即 计 算 机 正 在 Windows 2000 和 其 他 操 作 系 统 平 台 下 ( 如 UNIX) 运 行, 请 确 认 其 他 主 机 只 使 用 DNS 解 析 主 机 名 称 3 网 络 是 单 个 子 网 还 是 有 多 个 子 网 路 由 的 网 络, 如 果 整 个 网 络 由 单 个 小 型 局 域 网 (LAN) 组 成, 该 局 域 网 占 据 物 理 网 段 并 有 少 于 50 个 客 户, 那 么 可 以 不 使 用 WINS 服 务 器 将 在 Windows 2000 系 统 下 运 行 的 所 有 计 算 机 和 早 期 基 于 Microsoft 和 WINS 客 户 都 配 置 为 混 合 式 节 点 类 型 客 户, 并 使 用 以 下 方 法 之 一 处 理 NetBIOS 请 求 以 解 析 或 注 册 名 称 : 如 果 配 置 了 WINS 服 务 器, 请 与 之 直 接 点 对 点 联 系 请 求 到 本 地 子 网 的 NetBIOS 广 播 对 于 小 型 网 络, 后 面 的 选 项 通 常 是 将 NetBIOS 名 称 服 务 提 供 到 少 数 基 于 LAN 客 户 的 有 效 而 简 单 的 解 决 方 案 要 提 供 对 DNS 查 询 的 充 分 使 用, 可 像 这 部 分 所 描 述 的 和 Windows 2000 与 NetBIOS 名 称 解 析 过 程 中 使 用 的 那 样 对 早 期 Windows 客 户, 如 Windows 95 或 Windows NT4.0 客 户 ( 该 客 户 支 持 该 选 项 作 为 可 配 置 的 TCP/IP 属 性 设 置 ), 选 择 启 用 DNS 进 行 WINS 解 析 10.6 SMB 服 务 信 息 块 协 议 SMB(Server Message Block) 简 称 服 务 信 息 块 协 议, 由 IBM 微 软 和 其 他 几 家 公 司 一 起 开 发 的 公 用 标 准, 主 要 用 于 计 算 机 间 共 享 文 件 系 统 打 印 机 和 其 他 资 源 Windows NT OS/2 和 Linux 均 对 SMB 提 供 本 地 支 持, 其 他 系 统 可 以 通 过 第 三 方 软 件 对 SMB 提 供 支 持 通 用 互 联 网 文 件 系 统 CIFS(Common Internet File System) 是 由 ( 微 软 SCO 通 用 数 据 等 公 司 ) 共 同 开 发, 它 是 SMB 的 公 用 版 本, 支 持 在 互 联 网 上 共 享 资 源 SMB/CIFS 协 议 SMB 技 术 的 发 展 开 始 于 20 世 纪 80 年 代, 是 一 个 通 过 网 络 在 共 享 文 件 设 备 命 名 管 道 之 间 操 作 数 据 的 协 议 CIFS 客 户 系 统 在 网 络 上 向 服 务 器 请 求 文 件 和 打 印 服 务 的 开 放 跨 平 台 的 运 行 机 制, 是 建 立 在 广 泛 应 用 于 个 人 电 脑 和 工 作 站 等 操 作 系 统 的 标 准 服 务 器 消 息 块 (SMB) 协 议 实 际 上,SMB 协 议 是 一 个 在 LAN 常 用 的 协 议 CIFS 是 SMB 的 一 个 公 共 版 本

244 238 第 10 章 应 用 层 协 议 SMB 与 CIFS 的 区 别 :Windows 2000 以 前 版 本 的 Windows 使 用 NetBIOS 协 议 解 决 各 计 算 机 名 的 问 题 通 过 向 WINS 服 务 器 发 送 通 信 对 象 的 NetBIOS 名, 取 得 IP 地 址 而 Windows 2000 以 后 的 版 本 所 采 用 的 CIPS 则 利 用 DNS 解 决 计 算 机 的 命 名 问 题, 根 据 DNS 服 务 器 中 的 名 字 列 表 信 息, 寻 找 需 要 通 信 的 对 象 如 果 顺 利 地 得 到 对 象 的 IP 地 址, 就 可 以 访 问 共 享 资 源 CIFS 和 SMB 解 决 计 算 机 名 的 方 法 不 同 SMB 使 用 NetBIOS 名 的 广 播 和 WINS 解 析 计 算 机 名, 而 CIFS 则 使 用 DNS SMB 可 以 运 行 在 TCP/IP NetBEUI DECNet 和 IPX/SPX 协 议 之 上, 同 时 NetBIOS 名 字 必 须 被 使 用 1.SMB 客 户 端 的 可 用 系 统 for Microsoft: Windows 95,Windows for workgroups 3.x,Windows NT Windows 2000 and XP for Linux: Smblient from Samba,Smbfs for Linux 2.SMB 服 务 器 Samba Microsoft Windows for workgroups 3.x Microsoft Windows 95 Microsoft Windows NT The PATHWORKS family of servers from Digi pal LAN Manager for OS/2,SCO,etc Vision FS from SCO Total NET Advanced Server from Syntax Advanced Server for UNIX from AT&T(NCR?) LAN Server for OS/2 from IBM 3. 会 话 的 建 立 一 个 客 户 端 是 如 何 与 一 个 服 务 器 建 立 SMB 会 话 的 呢? 假 设 一 个 客 户 端 希 望 访 问 一 台 服 务 器 上 的 特 定 资 源 首 先, 必 须 知 道 一 个 SMB 域 名 ( 用 来 监 别 一 个 SMB 服 务 器 上 的 一 组 资 源, 如 用 户 打 印 机 文 件 等 ) 1 开 始 时, 客 户 端 向 服 务 器 请 求 一 个 NetBIOS 会 话 客 户 端 发 送 已 编 码 的 NetBIOS 名 字 到 SMB 服 务 器 ( 在 139 端 口 监 听 连 接 请 求 ) 服 务 器 接 收 到 NetBIOS 名 字 后 回 复 一 个 NetBIOS 会 话 数 据 包 给 有 效 的 会 话 连 接 客 户 端 在 建 立 之 后 才 能 进 入 访 问 2 客 户 端 发 送 一 个 SMB negport 请 求 数 据 包 (negprot 是 否 磋 商 协 议 negotiate protocol 的 简 写 ) 这 时 客 户 端 列 出 了 所 支 持 的 所 有 SMB 协 议 版 本 3 通 过 磋 商 之 后, 客 户 端 进 程 向 服 务 器 发 起 一 个 用 户 或 共 享 的 认 证 这 个 过 程 是 通 过 发 送 Sessetup X( 它 是 会 话 建 立 和 X Session setup and X 的 简 称 ) 请 求 数 据 包 实 现 的 客 户 端 发 送 一 对 登 录 名 / 密 码 或 一 个 简 单 密 码 到 服 务 器, 然 后 服 务 器 通 过 发 送 一 个 Sessetup X 应 答 数 据 包 来 允 许 或 拒 绝 本 次 连 接 4 在 客 户 端 完 成 了 磋 商 和 认 证 之 后, 它 会 发 送 一 个 TconX 数 据 包 并 列 出 已 想 访 问 的 特 定 网 络 资 源 的 名 称, 之 后 服 务 器 会 发 送 一 个 TconX 应 答 数 据 包 以 表 示 此 次 连 接 是 否 接 受 或 拒 绝

245 具 体 过 程 描 述 如 下 : netblos Session request (netblos name) [client] [Server] 1) netblos session qranted [client] [Server] SMB negprot request [client] [Server] 2)SMB negprot reply [client] [Server] SMB sessetup X request [client] [Server] 3)SMB sessetup X reply [client] [Server] SMB T con X request [client] [Server] 4)SMB T con X reply [client] [Server] SMB 数 据 包 格 式 10.6 SMB 服 务 信 息 块 协 议 239 了 解 SMB 协 议 的 数 据 包 和 特 征 是 掌 握 SMB 的 工 作 机 制 和 进 行 攻 击 的 基 础, 通 常 情 况 下, SMB 运 行 于 TCP/IP 协 议 组, 位 于 TCP 层 之 上 SMB 数 据 包 的 格 式 如 图 所 示 TCP Header NetBIOS Header SMB Base header SMB Command header DATA 图 SMB 数 据 包 其 中 : SMB Base header 包 含 了 几 种 信 息 例 如, 接 收 缓 冲 区 的 长 度 ; 允 许 的 最 大 连 接 数 目 ; 包 含 了 一 个 鉴 别 请 求 命 令 的 数 字 等 SMB Command header 包 含 了 所 有 的 请 求 命 令 的 参 数 ( 像 磋 商 协 议 版 本 命 令 ) DATA 容 纳 了 请 求 命 令 的 数 据 我 们 把 SMB packet 看 成 是 NETBIOS Header + SMB Base Header + SMB Command Header+ DATA 的 组 合 1.NetBIOS 与 SMB NetBIOS(Net work Basic Input and Output System) 是 在 微 软 的 网 络 系 统 中 被 广 泛 使 用 它 是 一 个 软 件 接 口 和 命 名 系 统 每 台 主 机 都 有 一 个 长 度 为 15 个 字 符 的 NetBIOS 名 字, 且 第 16 个 字 符 的 选 择 情 况 有 两 种 :0 00 电 脑 或 工 作 站 和 0 20 资 源 共 享 服 务 器 这 些 选 项 可 用

246 240 第 10 章 应 用 层 协 议 来 鉴 定 一 台 工 作 站 和 服 务 器 在 一 个 SMB 数 据 包 中,NetBIOS 头 部 对 应 NetBIOS 会 话 头 部 定 义 如 下 : UCHAR Type; //Type of the Packet UCHAR Flags; //Flags UCHAR Length;//Count of data bytes (NetBIOS header not //included) 其 中 的 Plags 域 的 值 总 是 被 置 为 0, 而 Type 域 有 几 种 可 能 的 选 择 : 0 81 对 应 一 个 NetBIOS 会 话 请 求 这 个 代 码 在 客 户 端 发 送 它 的 NetBIOS 名 字 到 服 务 器 时 使 用 0 82 对 应 一 个 NetBIOS 会 议 应 答 这 个 代 码 在 服 务 器 向 客 户 端 批 准 NetBIOS 会 话 时 使 用 0 00 对 应 一 个 会 话 消 息 这 个 代 码 总 是 在 SMB 会 话 中 使 用 另 外, Length 域 包 含 了 数 据 字 节 的 长 度 (NetBIOS 头 部 没 有 被 包 含 在 内 ) 数 据 包 含 在 NetBIOS 头 部 以 上 将 所 有 部 分 ( 它 可 能 是 SMB Base Header + SMB Command header + DATA 或 NetBIOS 名 字 ) 2. NetBIOS 名 字 与 编 码 NetBIOS 编 码 名 字 的 长 度 为 32 字 节,NetBIOS 名 字 总 是 以 大 写 码 形 式 存 在 编 码 一 个 NetBIOS 名 字 非 常 的 简 单 例 如, 计 算 机 的 NetBIOS 名 字 是 BILL, 它 是 一 个 工 作 站, 所 以 它 的 第 十 六 个 字 符 为 0 00 如 果 一 个 NetBIOS 名 字 比 15 字 节 短 就 会 在 右 边 填 补 上 空 格 例 如, BILL 十 六 制 表 示 为 : C 0 4C 每 个 字 节 都 分 裂 为 4 位 一 组, 即 C , 而 且 每 个 4 位 都 要 添 加 ASCII 码 A (0 41) 的 值 例 如 : =0 45 ASCII Value=E =0 43 ASCII Value=C 最 后 NetBIOS 名 字 被 编 码 为 32 字 节 长 注 意 :SMB 可 以 直 接 运 行 于 TCP 之 上 而 无 需 NBT 在 Windows 2k 和 XP 上 它 们 使 用 455 端 口 此 时,NetBIOS 名 字 没 有 被 限 制 在 15 字 符 内 3. SMB 报 文 头 部 这 个 头 部 在 所 有 的 SMB 数 据 包 中 部 会 被 使 用 定 义 如 下 : UCHAR Protocol[4]; //Contains 0 FF, SMB UCHAR Command;//Command code Union{ struct{ UCHAR Error Class; //Error class UCHAR Reserved;//Reserved for future use USHDRT Error;//Error code }Dos Error; ULONG Status;//32-bit error code }Status; UCHAR Flags;//Flags USHDRT Flags2;//More Flags

247 10.6 SMB 服 务 信 息 块 协 议 241 Union{ USHORT Pad[6];//Ensure section is 12 bytes long struct{ USHART Pid High;//High Part or PID ULONG Unused;//Not used ULONG Unused2; }Extra; }; USHORT Tid;//Tree identifier USHORT Pid;//Caller s Process id USHORT Uid;//Unauthenticated user id USHORT Mid;//multiplex id UCHAR Word Count;//Count of Parameter Words USHORT Parameter words[word Count];//The Par meter Words USHORT Byte Count;//Count of bytes UCHAR Buffer[Byte Count];//The Bytes 其 中 : Protocol 域, 包 含 一 个 协 议 (SMB) 的 名 字, 名 字 前 包 含 一 个 0 FF Command 域, 包 含 一 个 请 求 命 令 的 数 据 例 如,0 72 磋 商 协 议 命 令 Tid 域 表 示 在 客 户 端 成 功 地 和 一 台 SMB 服 务 器 上 的 资 源 建 立 连 接 后 被 使 用 TID 数 字 用 来 鉴 别 资 源 Uid 域 表 示 在 一 个 用 户 被 成 功 地 通 过 会 证 后 被 使 用,UID 数 字 用 来 鉴 别 用 户 Pid 域 表 示 在 服 务 器 上 创 建 一 个 进 程 并 使 用 PID 数 字 用 来 鉴 别 进 程 Mid 域 表 示 在 一 个 用 户 被 有 的 请 求 ( 如 进 程 线 程 文 件 访 问 等 ) 是 和 PID 同 时 使 用 Flags 域 表 示 如 果 第 15 位 置 1, 则 使 用 UNICODE 编 码 4. SMB 命 令 的 描 述 SMB 磋 商 协 议 (Negprot) 在 SMB 会 话 建 立 连 接 码 第 一 步 时 使 用 在 SMB 基 础 报 文 头 部 中 的 Command 域 被 填 充 为 0x72, 下 面 是 Negprot 请 求 与 应 答 数 据 包 的 定 义 : Request header UCHAR Word Count; //Count of Parameter Words=0 USHORT Byte Count; //Count of data bytes struct{ UCHAR BufferFormat; //0x02,Dialect UCHAR Dialect Name[]; //ASCII null-terminated string }Dialects[]; 这 个 数 据 包 包 括 客 户 端 向 服 务 器 发 送 的 主 所 支 持 SMB 协 议 的 所 有 版 本 信 息 在 这 个 报 文 中 有 3 件 事 要 说 明 : Word Count 域 总 是 被 置 为 零 ; Byte Count 域 等 于 结 构 Dialects 的 长 度 ; Buffer Format 域 总 是 等 于 0x02 Dialect Name 包 含 SMB 协 议 支 持 的 n 种 版 本 信 息 应 答 数 据 包 头 部 : UCHAR Word Count; Count of Parameter words=17 USHORT Dialect Index; Index of Selected dialect

248 242 第 10 章 应 用 层 协 议 UCHAR Security Mode; Security mode; bit 0:0=share,1=user bit 1:1=encrypt Passwords USHORT MaxMpxCount; max pending multiplexed requests USHORT MaxNamDerVcs; Max Vcs between client and server ULONG MaxBufferSize; Max transmit buffer size ULONG MaxRawSize ; Maximum raw buffer size ULONG SessionKey; Unique token ideneifying this session ULONG Capabilities; Server capabilities ULONG SystemTimeLow; System(UTC)Time of the server(low) ULONG SystemTimeHigh; System(UTC)Time of the server(high) USHORT ServerTimezone; Time zone of server(min from UTC) UCHAR EncryptionKeyLength; Length of encryption key USHORT Byte Count; Count of data bytes UCHAR EncryptionKey[]; The challenge encryption key UCHAR OemDomainName[]; The name of the domain(in OEM chars) 这 个 数 据 包 由 服 务 器 发 出, 它 包 含 SMB 协 议 支 持 的 版 本 列 表, 服 务 器 的 SMB 域 名, 如 果 需 要 还 要 包 含 密 钥 Security Mode 位 是 安 全 模 式 域 如 果 第 0 位 被 选 中, 那 么 我 们 就 选 择 了 用 户 安 全 模 式 ; 如 果 没 有, 则 拥 有 共 享 安 全 模 式, 如 果 第 1 位 被 选 中, 密 码 注 使 用 DEC 加 密 算 法 进 行 编 码 SessionKey 域 表 明 服 务 器 是 否 支 持 UNICODE 字 符 串 或 NTLM0.12 特 别 的 命 令 等 数 据 被 放 在 报 文 头 部 的 结 要 处 通 过 一 个 negprot 应 答, 这 些 数 据 与 EncryptionKey 和 DemDomainName 相 对 应 OemDomainName 域 的 长 度 等 于 (Byte count Encryption keg length) Oem omainname 字 符 串 包 含 服 务 器 的 SMB 域 名 Sessetup X(Session Setup and X) Sessetup X 数 据 包 被 用 来 处 理 用 户 鉴 别, 或 在 你 访 问 资 源 时 提 供 一 个 密 码 Sessetup X 的 命 令 代 码 是 :0x73 5. 请 求 数 据 包 头 部 UCHAR WordCount; Count of parameter words=13 UCHAR AndXcom and; Secondary(X)Command;0Xff=name UCHAR And XReserved; Reserved(must be 0) USHORT AndXOffset; Offset to next command word count USHORT MaxBufferSize; Clients maximum buffer size USHORT Max MPXCount; Actual maximum multiplexed pending requests USHORT VcNumber; O=first(only),nonzero=additional vcnumber ULONG SessionKey; Session key(valid iff vcnumber!=0) USHORT CaseInSensitivePasswordLength; A count Password size ANSI USHORT CaseSensitive Password Length; A count Password size, Unicode ULONG Reserved; must be 0

249 10.6 SMB 服 务 信 息 块 协 议 243 ULONG Capabilities; Capabilities USHORT ByteCount; Count of data bytes; min=0 UCHAR CaseInSensitivePassword[]; Account Password, ANSI UCHAR CaseSensitivePassword[]; Account Passrord, Unicode STRING AccountName[]; Account Name, Unicode STRING PrimaryDomain[]; Clients Perating domain,unicode STRING NativeLanMan[]; Client s native LAN Manager type Unicode 这 个 报 文 提 供 很 多 关 于 客 户 端 系 统 的 信 息 MaxBufferSize 域 是 非 常 的 重 要, 它 提 供 客 户 端 可 以 接 收 数 据 包 的 最 大 长 度 如 果 用 户 将 该 域 设 置 为 0, 那 么 用 户 不 会 接 收 到 任 何 类 型 的 数 据 该 数 据 包 内, 最 重 要 的 是 CaseSensitivePassWord ( 这 是 UNICODE 编 码 的 密 码 ) 域 和 CaseInSensitivePassword (ANSI 编 码 的 密 码 ) 域 这 两 个 域 如 何 被 使 用, 取 决 于 服 务 器 是 否 支 持 UNICODE 编 码 ( 在 磋 商 协 议 应 答 报 文 中 描 述 ) 密 码 的 长 度 保 存 在 CaseInSensitivePasswordLength 或 CaseSensitivePassword Length 里, 数 据 的 长 度 保 存 在 ByteCount 域 中 6. 应 答 数 据 头 部 UCHAR WordCount; Count of Parameter words=3 UCHAR AndXCommand; Secondary(X)command;0xFF=none UCHAR AndXReserved; Reserved(must be 0) USHORT AndXoffset; Offset to next command Word Count USHORT Action; Request mode: bit 0=logged in as GUEST USHORT ByteCount; Count of data bytes STRING NativeOS[]; Server s native operating system STRING NativeLanMan[]; Server s native LAN Manager type STRING PrimaryDomain []; Server s Primary domain 在 这 个 数 据 包 文 里 也 包 含 了 很 多 信 息, 如 操 作 系 统 类 型,SMB 服 务 器 版 本 信 息 和 服 务 器 的 域 名 等 如 果 连 接 失 败, 那 么 在 应 答 数 据 包 头 部 中 的 NativeOS NativeLanman and PrimaryDomain 等 字 符 串 值 为 空 SMB 协 议 的 安 全 问 题 SMB 有 两 种 安 全 模 式 第 一 种 是 共 享 级 的 安 全 模 式, 这 种 安 全 模 式 需 要 一 个 访 问 网 络 上 共 享 资 源 的 密 码, 用 户 通 过 这 个 正 确 的 密 码 来 访 问 网 络 资 源, 它 可 以 是 一 个 共 享 网 络 资 源 服 务 器 名 字 的 用 户 第 二 种 是 用 户 级 的 安 全 模 式, 这 是 在 第 一 种 模 式 上 的 增 强 版, 它 使 用 登 录 名 / 密 码 来 访 问 共 享 资 源, 所 以 如 果 一 个 用 户 想 访 问 这 种 类 型 的 共 享 资 源, 就 必 须 同 时 提 供 登 录 名 和 密 码 在 SMB 协 议 中, 如 果 用 户 想 进 行 一 次 在 服 务 器 上 的 请 求 认 证, 用 户 的 密 码 可 以 原 码 或 加 密 后 的 形 式 发 送 到 服 务 器 端 如 果 服 务 器 支 持 加 密 属 性, 客 户 端 必 须 发 送 一 个 应 答 信 号 在 negprot 应 答 数 据 包 中, 服 务 器 会 给 客 户 端 发 送 一 个 密 钥 然 后, 客 户 端 将 密 码 加 密 并 通 过 SessetupX 请 求 数 据 包 发 送 到 服 务 器 端 服 务 器 将 会 核 查 密 码 的 有 效 性, 并 由 此 允 许 或 拒

250 244 第 10 章 应 用 层 协 议 绝 客 户 端 的 访 问 一 个 SMB 密 码 ( 未 加 密 ) 的 最 大 长 度 是 14 位 密 钥 的 长 度 一 般 为 8 位, 加 密 过 后 的 口 令 长 度 为 24 位 在 ANSI 密 码 中, 密 码 中 的 所 有 位 都 转 换 成 大 写 的 形 式 然 后 再 加 密, 密 码 是 以 DEC 编 码 方 式 进 行 加 密 的 安 全 对 策 的 基 本 原 则 是 关 闭 不 需 要 的 服 务 如 果 不 起 动 服 务, 即 便 外 部 发 来 连 接 请 求, 机 器 也 不 会 作 出 响 应 要 做 到 这 一 步, 电 脑 管 理 员 就 必 须 充 分 了 解 哪 些 服 务 是 必 须 的, 以 及 目 前 实 际 上 启 动 了 哪 些 服 务 在 Windows 系 统 中 默 认 条 件 下 会 启 动 很 多 服 务, 而 很 多 管 理 员 不 仅 认 识 不 到 端 口 开 放 的 危 险 性 在 SMB 通 信 中, 通 过 向 WINS 服 务 器 发 送 通 信 对 象 的 NetBIOS 名 取 得 通 信 对 象 的 IP 地 址, 然 后 向 通 信 对 象 发 生 开 始 通 信 的 请 求 如 果 对 方 允 许 进 行 通 信, 就 会 确 立 会 话 层 (Session) 并 使 用 它 向 对 方 发 送 用 户 和 密 码 信 息 进 行 认 证 如 果 认 证 成 功, 就 可 以 访 问 对 方 的 共 享 文 件 在 这 些 一 连 串 的 通 信 中 使 用 的 就 是 139 端 口 Windows 2000 和 XP 除 些 之 外 还 使 用 445 端 口 文 件 共 享 功 能 本 身 与 139 端 口 相 同, 但 该 端 口 使 用 的 是 与 SMB 不 同 的 协 议, 这 就 是 在 Windows 2000 中 最 新 使 用 的 CIFS 协 议 因 此, 在 文 件 服 务 器 和 打 印 服 务 器 使 用 Windows 的 公 司 网 络 环 境 中, 就 无 法 关 闭 139 和 445 端 口 很 多 情 况 下, 文 件 共 享 和 打 印 机 共 享 在 普 通 的 业 务 中 是 不 可 缺 少 的 功 能 而 客 户 端 如 果 自 身 不 公 开 文 件, 就 可 以 关 闭 这 两 个 端 口 假 如 是 仅 2000 版 本 以 后 的 Windows 构 成 的 网 络 就 可 以 关 闭 139 端 口 这 是 因 为 如 前 所 述, 该 网 络 只 用 445 端 口 就 能 够 进 行 文 件 共 享 由 于 在 解 决 计 算 机 名 过 程 中 使 用 DNS, 所 以 也 可 以 关 闭 地 137 和 138 端 口 不 过, 在 目 前 情 况 下, 基 本 上 所 有 的 网 络 系 统 都 还 在 混 合 使 用 2000 以 前 的 Windows 版 本 在 混 合 网 络 环 境 中 由 于 必 须 使 用 139 端 口 通 过 SMB 协 议 进 行 通 信, 因 此 就 无 法 关 闭 139 端 口, 公 开 服 务 器 打 开 139 和 445 端 口 是 非 常 危 险 的, 一 定 要 关 闭 139 和 445 端 口

251 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 建 好 Internet 以 后, 如 何 保 证 它 正 常 运 行, 这 就 需 要 对 其 进 行 日 常 的 管 理 和 维 护, 包 括 对 网 络 中 各 个 组 件 的 操 作 的 管 理 和 维 护 同 时, 随 着 网 络 应 用 与 社 会 生 活 联 系 的 日 益 紧 密, 网 络 安 全 性 问 题 显 得 越 来 越 重 要 了 解 网 络 安 全 风 险 的 种 类 掌 握 基 本 的 安 全 防 护 方 法, 对 我 们 管 理 网 络 有 很 大 的 帮 助 11.1 ISO 对 网 络 管 理 的 定 义 国 际 标 准 化 组 织 ISO 把 网 络 管 理 分 为 以 下 几 类 : 配 置 与 命 名 管 理 性 能 测 试 管 理 安 全 性 管 理 记 账 管 理 错 误 诊 断 管 理 配 置 与 命 名 管 理 配 置 与 命 名 管 理 时 指 对 网 络 的 硬 件 配 置 与 软 件 设 置 的 管 理, 即 是 对 网 络 设 备 进 行 配 置 与 命 名 如 配 置 交 换 机 路 由 器 设 置 网 络 协 议 参 数, 标 识 命 名 各 种 网 络 设 备 等 性 能 测 试 管 理 性 能 测 试 管 理 是 指 对 网 络 系 统 性 能 参 数 进 行 测 试, 从 而 判 断 网 络 是 否 运 行 正 常, 以 便 提 出 进 一 步 的 对 策 通 常 测 试 的 网 络 系 统 参 数 包 括 : 响 应 时 间 服 务 质 量 通 过 流 量 与 阻 塞 情 况 安 全 性 管 理 安 全 性 管 理 是 指 对 网 络 的 访 问 控 制 权 限 数 据 的 完 整 性 文 件 的 加 密 与 认 证 等 的 管 理 目 的 就 是 让 已 授 权 用 户 能 够 获 得 完 整 有 效 的 数 据, 而 让 非 授 权 用 户 无 法 获 取 有 效 数 据 记 账 管 理 记 账 管 理 是 指 对 用 户 使 用 网 络 资 源 的 情 况 进 行 计 算, 确 定 其 对 资 源 的 使 用 与 占 有 情 况 例 如 计 量 用 户 Internet 的 时 间, 就 属 于 记 账 管 理 错 误 诊 断 管 理 错 误 诊 断 管 理 包 括 检 测, 确 定 和 纠 正 网 络 出 现 的 故 障

252 246 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 11.2 网 络 管 理 与 维 护 工 具 网 络 与 维 护 工 具 包 括 软 件 与 硬 件 工 具, 当 然 了, 信 息 设 备 的 核 心 总 是 软 件 故 所 谓 软 件 工 具 与 硬 件 工 具 的 区 分 主 要 是 指 形 态 上 的 软 件 工 具 只 需 要 以 程 序 的 形 式 安 装 在 网 络 的 主 机 中 就 可 以 使 用 ; 而 硬 件 工 具 是 一 个 物 理 实 体, 通 常 要 通 过 接 口 与 网 络 连 接 后 才 能 使 用, 功 能 强 大 的 硬 件 工 具 中 必 须 有 控 制 的 软 件 网 络 操 作 系 统 具 有 一 定 的 网 络 管 理 功 能, 如 Windows 2000 中 提 供 的 一 些 配 置 查 看, 连 通 性 测 试 命 令 等, 但 是 功 能 毕 竟 有 限 各 大 网 络 设 备 生 产 商 针 对 自 己 生 产 开 发 的 网 络 管 理 系 统 ( 软 件 工 具 ), 提 供 了 比 网 络 操 作 系 统 更 强 的 网 络 管 理 功 能 为 了 统 一 标 准, 不 同 厂 商 的 网 络 设 备 能 被 不 同 的 网 络 管 理 系 统 进 行 管 理 出 现 了 两 个 重 要 的 协 议 : 简 单 网 络 管 理 协 议 (SNMP,Sample Network Management Protocol) 公 共 管 理 信 息 协 议 (CMIP,Common Management Information Protocol) 简 单 网 络 管 理 协 议 (SNMP) SNMP 是 网 络 中 重 要 的 网 管 协 议, 它 以 在 网 络 上 交 换 信 息 包 的 方 式 来 实 现 网 络 管 理 SNMP 的 原 理 如 下 : 在 网 络 设 备 中 内 置 被 称 为 SNMP Agent 的 软 件, 而 把 符 合 SNMP 协 议 的 网 络 管 理 软 件 安 装 在 称 为 网 络 管 理 工 作 站 (NMS) 的 网 络 主 机 中 通 过 网 管 工 作 站, 网 络 管 理 员 指 定 被 管 理 设 备 的 IP 地 址, 就 可 以 对 该 设 备 的 状 态 和 某 些 参 数 进 行 监 控 和 管 理 网 管 软 件 把 管 理 员 的 指 令 通 过 网 络 传 给 被 管 理 的 设 备 被 管 理 设 备 的 SNMP Agent 解 析 处 网 络 指 令 并 根 据 指 令 产 生 响 应 的 操 作 SNMP 的 基 本 控 制 命 令 只 有 读 取 信 息 Get, 设 置 信 息 Set 和 Agent 主 动 向 NMS 发 送 的 中 断 陷 入 信 息 trap 管 理 的 实 现 过 程 十 分 简 单, 故 名 简 单 网 络 协 议 SNMP 是 由 众 多 网 络 厂 商 支 持 的 事 实 上 的 工 业 标 准, 很 多 网 络 产 品 均 支 持 SNMP 公 共 管 理 信 息 协 议 (CMIP) 简 单 管 理 协 议 主 要 针 对 局 域 网 的 一 个 网 管 协 议, 且 在 大 型 的 局 域 网 中 表 现 不 佳 CMIP 是 一 个 针 对 大 型 复 杂 的 网 络 而 指 定 的 管 理 协 议 标 准, 对 Internet 这 种 世 界 规 模 的 网 络 管 理 也 能 提 供 支 持 CMIP 与 SNMP 一 样, 管 理 信 息 的 交 换 页 发 生 在 NMS 与 Agent 之 间, 但 CMIP 的 基 本 命 令 要 多 一 些, 其 命 令 包 括 : 读 取 信 息 get 设 置 信 息 set 操 作 action 事 件 报 告 event report 创 建 create 删 除 delete 初 始 化 initialize 终 止 terminate

253 11.3 网 络 故 障 现 象 原 因 与 排 除 247 CMIP 是 由 国 际 标 准 化 组 织 指 定 的 网 络 管 理 标 准, 支 持 CMIP 的 网 络 产 品 不 是 很 多 网 络 系 统 产 品 网 络 系 统 产 品 主 要 是 IBM AT&T HP CISCO Sun Microsytems 等 国 外 大 公 司 争 霸 市 场 近 年 来 国 内 华 为 等 公 司 也 推 出 了 自 己 的 网 管 系 统 产 品, 现 只 把 产 品 列 出 如 下 : IBM:Netview 与 System View AT&T:Accumaster Integrator HP:Open View Sun Microsytems:SunNet Manager CISCO:Cisco Works for Windows 这 些 网 管 系 统 均 是 商 业 化 的 大 型 软 件, 能 够 实 现 部 分 或 全 部 以 下 功 能 : 对 局 域 网 拓 扑 的 管 理, 如 VLAN 的 划 分 等 ; 统 计 网 络 流 量, 查 看 设 备 端 口 状 态 参 数 ; 自 动 收 集 报 告 各 种 网 络 参 数, 分 类 报 告 系 统 警 告 信 息, 实 现 记 账 管 理 等 这 些 网 络 管 理 软 件 一 般 都 比 较 昂 贵, 小 型 网 络 没 有 必 要 购 置 安 装 11.3 网 络 故 障 现 象 原 因 与 排 除 网 络 故 障 现 象 及 其 产 生 的 原 因 1. 网 络 故 障 的 现 象 网 络 故 障 的 现 象 种 类 繁 多, 花 样 百 出, 如 不 能 登 录 服 务 器 不 能 收 发 电 子 邮 件 不 能 使 用 网 络 打 印 机 某 个 网 段 或 某 个 网 络 不 能 正 常 工 作 等 总 括 起 来, 从 设 备 看, 就 是 网 络 中 的 某 个 某 些 主 机 或 整 个 网 络 都 不 能 正 常 工 作 ; 从 功 能 看, 就 是 网 络 的 部 分 或 全 部 功 能 丧 失 2. 故 障 产 生 的 原 因 每 一 个 故 障 现 象 都 有 产 生 的 原 因 尽 管 具 体 的 故 障 原 因 多 种 多 样, 但 总 的 看 来 不 外 乎 两 大 类, 那 就 是 : (1) 网 络 硬 件 的 连 通 性 问 题 网 络 硬 件 的 连 通 性 是 故 障 发 生 后 首 先 应 当 考 虑 的 原 因 连 通 性 的 问 题 通 常 涉 及 到 网 卡 交 换 机 信 息 插 座 跳 线 网 线 等 设 备 和 传 输 介 质 其 中, 任 何 一 个 设 备 或 连 线 的 损 坏, 都 会 导 致 网 络 连 接 的 中 断 连 通 性 通 常 可 以 采 用 软 件 和 硬 件 工 具 进 行 测 试 例 如, 当 Intranet 中 某 一 计 算 机 不 能 浏 览 Web 时, 首 先 就 应 确 定 是 否 为 连 通 性 的 问 题 可 用 以 下 方 法 进 行 判 断 : 1 观 察 网 卡 交 换 机 或 HUB 上 对 应 端 口 的 指 示 灯 的 闪 亮 情 况 2 进 行 FTP 登 录 3 收 发 电 子 邮 件 4 查 看 网 络 邻 居 5 Ping 同 一 网 段 或 同 一 VLAN 的 其 他 主 机 若 任 意 一 个 现 象 表 现 正 常 或 任 意 一 个 操 作 能 够 完 成, 则 不 是 本 地 子 网 的 硬 件 连 通 性 问 题 若 所 有 操 作 不 能 完 成, 则 有 可 能 是 连 通 性 问 题

254 248 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 (2) 网 络 软 件 配 置 问 题 在 网 络 中, 服 务 器 客 户 端 计 算 机 交 换 机 和 路 由 器 都 需 要 进 行 配 置 如 果 配 置 文 件 或 配 置 选 项 设 置 不 当, 配 置 的 的 网 络 通 信 协 议 有 误 同 样 会 导 致 网 络 故 障 例 如 : 1 计 算 机 网 卡 配 置 不 当, 会 导 致 无 法 连 接 的 故 障 2 服 务 器 权 限 的 设 置 不 当, 会 导 致 资 源 无 法 共 享 的 故 障 3 交 换 机 的 VLAN 设 置 不 当, 会 导 致 VLAN 内 的 通 信 故 障 4 路 由 器 的 访 问 列 表 配 置 不 当, 会 导 致 Internet 连 接 故 障 5 网 络 通 信 协 议 配 置 不 当, 则 网 络 根 本 就 无 法 工 作 网 络 故 障 的 排 除 在 分 析 故 障 现 象, 判 断 出 故 障 原 因 后, 排 除 故 障 是 顺 理 成 章 的 事 因 此, 要 排 除 故 障, 使 得 网 络 运 行 恢 复 正 常, 关 键 是 要 准 确 判 断 引 起 故 障 的 具 体 原 因 工 欲 善 其 事, 必 先 利 其 器 借 助 网 络 测 试 工 具 和 在 网 络 管 理 维 护 中 积 累 的 经 验 ( 对 每 一 个 故 障 的 现 象 原 因 和 排 除 过 程 做 好 书 面 记 录 是 一 个 非 常 好 的 积 累 经 验 的 方 法 ), 可 以 较 快 地 定 位 和 排 除 故 障 1. 网 络 测 试 软 件 工 具 前 面 提 到 的 网 络 管 理 系 统, 当 然 也 是 很 好 的 测 试 工 具 但 动 辄 数 万 元 数 十 万 元 甚 至 更 高 的 价 格 使 得 小 型 网 络 的 管 理 员 只 有 望 洋 兴 叹 有 当 然 好, 没 有 这 类 高 档 工 具, 使 用 其 他 的 也 可 以 维 护 好 网 络 Windows 2000 自 带 了 一 些 常 用 的 网 络 测 试 命 令, 用 于 网 络 的 连 通 性 测 试, 配 置 参 数 测 试 和 协 议 配 置 路 由 跟 踪 测 试 等 常 用 的 命 令 如 下 : Ping 命 令 Ipconfig 命 令 Winipcfg 命 令 Tracert 命 令 PathPing 命 令 (1) Ping 命 令 1 Ping 命 令 的 格 式 与 使 用 Ping 命 令 是 TCP/IP 内 含 的 应 用 程 序, 是 网 络 中 使 用 最 频 繁 的 测 试 连 通 性 的 工 具, 同 时 它 还 可 以 诊 断 其 他 一 些 故 障 Ping 命 令 使 用 ICMP (Internet Control Message Protocol, 国 际 消 息 控 制 协 议 ) 来 发 送 一 个 网 络 数 据 包 并 请 求 答 应, 接 受 到 请 求 的 目 标 主 机 也 使 用 ICMP 发 回 相 同 的 数 据, 于 是 Ping 命 令 便 可 对 每 个 包 的 发 送 和 接 受 时 间 进 行 报 告, 并 报 告 无 响 应 包 的 百 分 比 这 在 确 定 网 络 是 否 正 常 连 接 以 及 网 络 连 接 的 状 况 ( 包 丢 失 率 ) 十 分 有 用 Ping 命 令 可 在 开 始 菜 单 的 运 行 对 话 框 中 直 接 执 行, 也 可 以 在 命 令 提 示 符 下 执 行 Ping 命 令 的 格 式 : Ping host-name( 主 机 名 ) Ping domain-name( 域 名 ) Ping ip-address(ip 地 址 ) Ping 命 令 的 使 用 :

255 11.3 网 络 故 障 现 象 原 因 与 排 除 249 a. Ping 本 地 的 IP 地 址 主 机 名 或 域 名 Ping 本 机 IP 地 址 或 环 回 测 试 用 地 址 WINNT>Ping Ping with 32 bytes of data: Reply from :bytes=32 time=lms TTL=128 Reply from :bytes=32 time=lms TTL=128 Reply from :bytes=32 time=lms TTL=128 Reply from :bytes=32 time<10ms TTL=128 Ping statistics for : Packets:Sent=4,Received=4,Lost=0(0%loss) Approximate round trip time in milli-seconds: Minimum=0ms,Maximum=1ms,Avenage=0ms 是 本 机 的 IP 地 址 如 上 所 示 的 响 应 代 表 环 回 测 试 成 功, 可 以 确 定 本 机 的 网 卡 安 装 驱 动 正 常,TCP/IP 设 置 正 常 如 果 测 试 不 成 功, 则 可 采 取 如 下 步 骤 排 除 故 障 i. 确 认 该 计 算 机 是 否 正 常 安 装 了 网 卡 驱 动 程 序 在 控 制 面 板 的 系 统 属 性 中 查 看 网 卡 名 前 方 是 否 有 一 个 黄 色 的! 或 红 色 的 如 果 有!, 删 除 该 网 卡, 并 重 新 安 装 驱 动 程 序, 然 后 再 试 ; 如 果 有, 表 明 该 网 卡 被 禁 用, 应 重 新 启 用 它, 如 果 测 试 仍 不 成 功, 则 应 进 行 如 下 确 认 i i. 确 认 该 计 算 机 是 否 正 常 配 置 了 IP 地 址 和 子 网 掩 码 在 控 制 面 板 的 网 络 和 拨 号 连 接 的 本 地 连 接 属 性 中 查 看 IP 地 址 和 子 网 掩 码 是 否 设 置 正 确 如 果 设 置 不 正 确, 重 新 设 置 后 再 试 Ping 本 机 域 名, 如 果 测 试 成 功, 表 明 网 卡 TCP/IP 配 置 正 常 外, 还 表 明 DNS 服 务 器 对 该 机 的 域 名 解 析 正 常 b. Ping 同 一 子 网 或 同 一 VLAN 中 其 他 计 算 机 的 IP 地 址 Ping 同 一 VLAN 中 其 他 计 算 机 的 地 址, 如 果 测 试 不 成 功, 则 应 确 认 IP 地 址 子 网 掩 码 的 设 置 是 否 正 常 如 果 设 置 有 误, 重 新 设 置 后 再 试 ; 如 果 设 置 正 确, 或 再 试 仍 不 成 功, 则 应 确 认 交 换 机 的 VLAN 设 置 是 否 正 确 如 果 设 置 有 误, 重 新 设 置 后 再 试 ; 如 果 设 置 正 确, 或 再 试 仍 不 成 功, 则 应 该 确 认 网 络 连 接 是 否 正 常, 应 对 网 络 设 备 或 通 信 介 子 逐 段 进 行 测 试, 检 查 并 排 除 故 障 c. Ping 广 域 网 或 Internet 中 远 程 主 机 的 IP 地 址 Ping 远 程 主 机 的 地 址, 如 果 不 成 功, 应 确 认 网 卡 的 设 置 是 否 正 常 ; 如 果 测 试 不 成 功, 应 该 在 控 制 面 板 的 网 络 与 拨 号 连 接 的 本 地 连 接 属 性 中 查 看 默 认 网 关 设 置 是 否 正 常 如 果 设 置 不 正 确, 重 新 设 置 后 再 试, 默 认 网 关 应 设 为 路 由 器 的 局 域 网 或 广 域 网 端 口 的 IP 地 址 ; 如 果 设 置 正 确 或 重 试 后 仍 不 成 功, 则 应 该 确 认 路 由 器 的 配 置 是 否 正 确 如 果 该 计 算 机 被 加 入 到 禁 止 出 站 访 问 IP 控 制 列 表 中, 那 么 该 机 将 无 法 访 问 Internet, 自 然 也 就 Ping 不 通 远 程 主 机 了 如 果 路 由 器 配 置 正 确, 该 机 也 有 访 问 权 限, 则 应 该 确 认 远 端 设 备 和 线 路 是 否 正 常 从 其 他 计 算 机 Ping 远 程 主 机, 如 果 从 任 意 一 台 计 算 机 Ping 任 意 一 台 远 程 主 机 的 连 接 都 超 时, 或 丢 包 率 非 常 高, 则 应 当 与 电 信 服 务 商 或 ISP 共 同 检 查 广 域 网 或 Internet 连 接, 包 括 线 路 Modem 本 地 和 远 程 路 由 器 的 设 置 等 d. Ping 远 程 主 机 的 域 名 如 果 Ping IP 地 址 响 应 正 常 而 Ping 域 名 测 试 不 成 功, 则 应 确 认 使 用 DNS 服 务 器 设 置 是 否 正 常 在 本 机 控 制 面 板 的 网 络 与 拨 号 连 接 的 本 地 连 接 属 性 中 查 看 域 名 服 务 器 (DNS)

256 250 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 设 置 是 否 正 确 如 首 选 或 备 用 的 DNS 服 务 器 的 IP 地 址 设 置 是 否 正 常 等 如 果 设 置 不 正 确, 重 新 设 置 后 再 试 ; 如 果 设 置 正 确 或 再 试 仍 不 成 功, 则 分 两 种 情 况 处 理 : i. 如 果 Intranet 自 有 DNS 服 务 器, 则 查 看 DNS 服 务 器 的 配 置, 确 认 Intranet 的 DNS 服 务 器 配 置 是 否 正 确 i i. 如 果 是 使 用 ISP 的 DNS 服 务 器, 则 可 Ping 其 IP 地 址, 看 能 否 Ping 通 ; 与 ISP 联 系, 确 认 ISP 的 DNS 服 务 器 工 作 是 否 正 常 例 如 : Ping C:>WINNT>Ping Ping 32 bytes of data: Reply from :bytes=32 time=236ms TTL=239 Reply from :bytes=32 time=559ms TTL=239 Reply from :bytes=32 time=1034ms TTL=239 Request timed out. Ping statistics for : Packets:Sent=4,Received=3,Lost=1(25%loss) Approximate round trip time in milli-seconds: Minimum=236ms,Maximum=1034ms,Avenage=518ms 本 例 表 明 传 输 速 率 较 慢, 且 数 据 包 有 部 分 丢 失 说 明 网 上 线 路 拥 挤 或 路 由 器 等 设 备 负 荷 过 重 Ping 命 令 的 出 错 信 息 : 如 果 Ping 命 令 测 试 不 成 功, 通 常 在 屏 幕 上 显 示 的 出 错 信 息 有 : i..unknown host:unknown host 意 味 不 知 名 的 主 机, 该 出 错 信 息 的 含 义 是 被 Ping 主 机 的 域 名 不 能 被 域 名 服 务 器 转 换 成 为 IP 地 址 故 障 原 因 可 能 是 所 Ping 名 字 不 正 确 域 名 服 务 器 有 故 障 或 者 网 络 系 统 与 远 程 主 机 之 间 的 通 信 线 路 有 故 障 例 如 : C:\WINNT>Ping Unknown host ii. No answer:no answer 意 为 没 有 响 应, 该 出 错 信 息 的 含 义 是 本 地 网 络 有 一 条 到 达 所 Ping 主 机 的 路 由, 但 却 接 受 不 到 该 远 程 主 机 的 任 何 数 据 包 响 应 ( 回 复 ) 故 障 原 因 可 能 是 : 远 程 主 机 没 有 工 作, 远 程 主 机 网 络 配 置 不 正 确, 远 程 的 路 由 器 没 有 工 作, 通 信 线 路 有 故 障 iii.timed out:timed out 意 为 超 时, 即 与 远 程 主 机 的 连 接 超 时, 数 据 包 全 部 丢 失, 故 障 原 因 可 能 是 : 本 机 到 路 由 器 的 连 接 有 问 题, 数 据 包 没 能 通 过 路 由 器, 远 程 主 机 未 工 作 例 如 : C:\WINDOWS>Ping Ping with 32 bytes of data: Request timed out Request timed out Request timed out Request timed out Ping statistics for

257 11.3 网 络 故 障 现 象 原 因 与 排 除 251 C:\WINDOWS>Ping Packets:Sent=4,Received=0,Lost=4(100%loss) Approximate round trip time in milli-seconds: Minimum=0ms,Maximum=0ms,Avenage=0ms iv. Ping 命 令 可 选 参 数 详 解 命 令 格 式 : Ping [-t] [-a] [-n count] [-1 size][-f] [-i TTL] [-v TOS] [-r count] [-s count] [-j host-list] [-k host-list] [-w timeout] destination-list 参 数 : -t 一 直 Ping 指 定 的 计 算 机 直 到 按 组 合 键 Ctrl+C 终 止 -a 将 目 标 IP 地 址 解 析 为 计 算 机 名 -n count 发 送 count 指 定 的 ECHO 数 据 包 数, 默 认 值 为 4-1 length 发 送 包 含 有 length 指 定 的 数 据 长 度 ECHO 数 据 包, 默 认 值 为 32 字 节, 最 大 值 是 f 在 数 据 包 发 送 不 要 分 段 标 志 这 样 数 据 包 就 不 会 被 路 由 上 的 网 关 分 段 -i TTL 把 生 存 时 间 字 段 设 置 为 ttl 指 定 的 值 -v TOS 把 服 务 类 型 字 段 设 置 为 tos 指 定 的 值 -r count 在 记 录 路 由 字 段 中 记 录 传 出 和 返 回 数 据 包 的 路 由 Count 可 以 指 定 最 少 1 个 最 多 9 个 跃 点 -s count 为 count 次 跳 跃 提 供 时 间 标 签, 取 值 范 围 为 1~4 -j host-list 利 用 host-list 指 定 的 计 算 机 列 表 路 由 数 据 包 相 邻 计 算 机 可 以 被 中 间 网 关 分 隔 ( 路 由 稀 疏 源 ) 允 许 的 最 大 个 数 为 9 -k host-list 利 用 host-list 指 定 的 计 算 机 列 表 路 由 数 据 包 相 邻 计 算 机 可 以 被 中 间 网 关 分 隔 ( 路 由 严 格 源 ) 允 许 的 最 大 个 数 为 9 -w timeout 指 定 超 时 时 间 间 隔, 单 位 为 毫 秒 destination-list 指 定 要 Ping 的 远 程 计 算 机 IP 地 址 或 域 名 (2) Ipconfig 命 令 1 Ipconfig 命 令 的 格 式 与 使 用 Ipconfig 也 是 内 含 TCP/IP 的 应 用 程 序 之 一, 是 在 网 络 中 常 用 的 参 数 测 试 工 具, 用 于 显 示 本 地 计 算 机 的 TCP/IP 配 置 信 息 和 网 卡 的 MAC 地 址 Ipconfig 命 令 的 格 式 : 在 命 令 提 示 符 下 键 入 Ipconfig a. 显 示 本 机 所 有 网 卡 的 IP 地 址 子 网 掩 码 和 默 认 网 关 配 置 C:\WINNT>ipconfig 0 Ethernet adapter: Ip Address Subnet Mast Default Gateway ; 1 Ethernet adapter: Ip Address Subnet Mast Default Gateway

258 252 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 2 Ethernet adapter: Ip Address Subnet Mast Default Gateway b. 显 示 本 机 所 有 网 卡 的 IP 地 址 配 置 MAC 地 址 主 机 名 DHCP 和 WINS 服 务 器 等 详 细 信 息 这 时 在 Ipconfig 后 面 加 参 数 all 例 如 : C:\WINNT>ipconfig/all 屏 幕 显 示 如 图 11-1 所 示 图 11-1 在 ipconfig 后 面 加 参 数 all 以 后 的 信 息 2 ipconfig 命 令 参 数 使 用 详 解 使 用 该 命 令 显 示 所 有 当 前 的 TCP/IP 网 络 配 置, 如 上 所 述 该 命 令 允 许 用 户 决 定 和 更 新 DHCP 配 置 的 TCP/IP 配 置 值 命 令 格 式 : ipconfig[/all/renew adapter /release adapter] 参 数 : /all 显 示 全 部 参 数 在 没 有 该 开 关 的 情 况 下, ipconfig 只 显 示 IP 地 址 子 网 掩 码 和 每 个 网 卡 的 默 认 网 关 /renew adapter 更 新 DHCP 配 置 的 IP 地 址 参 数 该 选 项 在 运 行 DHCP 客 户 端 的 系 统 上 使 用, 需 要 指 定 网 卡 的 名 称 可 键 入 不 带 参 数 的 Ipconfig 命 令 显 示 使 用 的 网 卡 名 称 /release adapter 放 弃 当 前 的 DHCP 配 置 的 IP 地 址 参 数 该 选 项 在 运 行 DHCP 客 户 端 上 使 用, 需 要 指 定 网 卡 的 名 称 键 入 不 带 参 数 的 Ipconfig 命 令 可 显 示 网 卡 的 名 称 (3) Winipcfg 命 令 Winipcfg 命 令 是 内 置 于 Windows 9x 的 TCP/IP 应 用 程 序, 它 以 图 形 界 面 显 示 IP 地 址 配 置 信 息 和 网 卡 的 MAC 地 址 以 及 其 他 参 数 信 息 作 用 于 Ipconfig 命 令 相 同 在 命 令 提 示 符 下 或 在 开 始 菜 单 的 运 行 对 话 框 中 键 入 Winipcfg 后, 屏 幕 显 示 如 图 11-2 所 示

259 11.3 网 络 故 障 现 象 原 因 与 排 除 253 单 击 详 细 信 息 按 钮 之 后, 屏 幕 显 示 如 图 11-3 所 示 对 话 框 图 11-2 IP 配 置 信 息 图 11-3 配 置 IP 详 细 信 息 对 话 框

260 254 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 (4) Tracert 命 令 Tracert 命 令 也 是 内 含 于 TCP/IP 的 应 用 程 序 与 Ping 命 令 一 样, 它 也 是 通 过 向 目 标 发 送 不 同 生 命 时 间 (TTL) 的 TCMP 数 据 包, 根 据 接 收 到 的 回 应 数 据 包 的 经 历 信 息 显 示 来 诊 断 到 达 目 标 的 路 由 是 否 有 问 题 数 据 包 所 经 路 径 上 的 每 个 路 由 器 在 转 发 数 据 包 之 前, 将 数 据 包 上 的 TTL 递 减 1, 当 数 据 包 的 TTL 减 为 0 时, 路 由 器 把 ICMP 已 超 时 的 消 息 发 回 原 系 统 1 Tracert 命 令 的 格 式 与 使 用 Tracert 命 令 的 格 式 : Tracert 远 程 主 机 的 IP 地 址 或 域 名 Tracert 命 令 的 使 用 a. 查 看 路 由 Tracert 命 令 可 显 示 源 主 机 于 目 标 主 机 之 间 数 据 包 走 过 的 路 径 C:\WINNT>tracert Tracing route to Over a maximum of 30 hops: 1 3ms 3ms 3ms ms 31ms 32ms ms 41ms 36ms ms 38ms 43ms ms 39ms 46ms ms 93ms 66ms ms 53ms 50ms ms 54ms 48ms Tracert complete. b. 使 用 Tracert 命 令 可 能 确 定 数 据 包 在 网 络 上 的 停 止 位 置 C:\WINNT>tracert Tracing route to over a maximum of 30 hops 1 Destination net unreachable. Trace complete. 此 信 息 表 示, 从 本 机 出 发 的 第 一 跳 路 由 器 就 不 能 到 达 这 可 能 时 默 认 网 关 设 置 有 误, 或 者 路 由 器 配 置 有 问 题, 或 者 时 网 络 不 存 在 2 Tracert 命 令 参 数 的 使 用 详 解 命 令 格 式 : Tracert[-d] [-h maximum-hops] [-j host-list] [-w timeout] Target-name 参 数 : -d 指 定 不 将 地 址 解 析 为 计 算 机 名 -h maximum-hops 指 定 搜 索 目 标 的 最 大 跃 点 数 -j host-list 指 定 沿 computer-list 和 稀 疏 源 路 由 -w timeout 每 次 应 答 等 待 timeout 指 定 的 微 秒 数 Target-name 目 标 计 算 机 的 名 称

261 11.3 网 络 故 障 现 象 原 因 与 排 除 255 (5) PathPing 命 令 PathPing 命 令 综 合 了 Ping 命 令 和 Tracert 命 令 的 功 能, 并 且 能 够 计 算 显 示 出 路 径 中 任 意 一 路 由 器 或 结 点, 以 及 链 接 处 的 数 据 包 丢 失 的 比 例 信 息 由 此 可 找 到 丢 失 包 严 重 的 路 由 器 在 命 令 提 示 符 下 执 行 : PathPing 目 标 主 机 域 名 或 IP 地 址 则 屏 幕 先 显 示 跃 点 表, 与 使 用 Tracert 命 令 的 显 示 相 同 接 着 该 命 令 最 大 花 费 125 s 的 时 间, 从 路 径 上 的 路 由 器 收 集 信 息, 进 行 统 计 计 算, 最 后 显 示 如 下 信 息 在 屏 幕 上 : Computing statistics for 125 seconds Source to Here This Node/Link Hop RTT Lost/Sent=Pet Lost/Sent=Pet Address /100=0% 1 21ms 0/100=0% 0/100=0% /100=15% 2 24ms 17/100=17% 3/100=4% /100=0% 3 25ms 14/100=14% 1/100=0% /100=0% 4 46ms 0/100=0% 0/100=0% /100=15% 5 23ms 13/100=13% 0/100=0% /100=2% 6 26ms 12/100=12% 0/100=0% 表 明 在 结 点 4 和 5 之 间 的 链 路 上, 数 据 包 丢 失 率 为 15%, 较 为 严 重, 其 他 基 本 正 常 2. 网 络 故 障 的 排 除 连 通 性 故 障 时 网 络 中 最 常 见 的 故 障 之 一 (1) 连 通 性 故 障 的 表 现 1 计 算 机 无 法 登 录 服 务 器 2 计 算 机 在 网 上 邻 居 中 只 能 看 到 自 己, 而 看 不 到 同 一 网 段 的 其 他 计 算 机 3 计 算 机 无 法 通 过 局 域 网 联 入 Internet 4 网 络 中 的 部 分 计 算 机 运 行 速 度 十 分 缓 慢 (2) 导 致 连 通 性 故 障 的 原 因 1 网 卡 硬 件 故 障 2 网 卡 驱 动 程 序 未 安 装 正 确 3 网 络 协 议 未 安 装 或 未 正 确 安 装

262 256 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 4 网 线 跳 线 或 信 息 插 座 故 障 5 交 换 机 硬 件 故 障 6 交 换 机 设 置 有 误, 入 VLAN 设 置 不 正 确 7 路 由 器 硬 件 故 障 或 配 置 有 误 由 上 可 见, 硬 件 和 软 件 设 置 的 错 误 都 可 能 导 致 网 络 不 能 连 通, 为 了 分 析 方 便 起 见, 这 里 把 连 通 性 故 障 限 定 为 硬 件 的 连 通 性 问 题 协 议 或 参 数 的 设 置 问 题 导 致 的 连 通 性 故 障 归 在 协 议 故 障 和 配 置 故 障 里 面 (3) 连 通 性 故 障 排 除 步 骤 1 确 认 连 通 性 故 障 : a. 当 出 现 一 种 网 络 应 用 故 障 时, 如 无 法 浏 览 Internet 的 Web 页 面, 首 先 尝 试 使 用 其 他 网 络 应 用, 如 收 发 查 找 Internet 上 的 其 他 站 点 或 使 用 局 域 网 络 中 的 Web 浏 览 等 如 果 其 他 一 些 网 络 应 用 可 正 常 使 用, 如 能 够 在 网 上 邻 居 中 发 现 其 他 计 算 机, 或 可 Ping 其 他 计 算 机, 那 么 可 以 排 除 内 部 网 连 通 性 有 故 障 b. 查 看 网 卡 的 指 示 灯 是 否 正 常 正 常 情 况 下, 在 不 传 送 数 据 时, 网 卡 的 指 示 灯 闪 烁 较 慢, 传 输 数 据 时, 闪 烁 较 快 无 论 指 示 灯 是 不 亮 还 是 亮 了 不 灭, 都 表 明 有 故 障 存 在 如 果 网 卡 的 指 示 灯 不 正 常, 则 需 要 更 换 网 卡 c. Ping 本 地 的 IP 地 址, 检 查 网 卡 和 IP 网 络 协 议 是 否 安 装 完 好 如 果 Ping 的 通, 说 明 该 计 算 机 的 网 卡 和 网 络 协 议 设 置 都 没 有 问 题 问 题 出 在 计 算 机 与 网 络 的 连 接 上 这 时 应 当 检 查 网 线 的 连 通 性 和 交 换 机 及 交 换 机 端 口 的 状 态 如 果 Ping 不 同, 说 明 TCP/IP 协 议 有 问 题 d. 在 控 制 面 板 的 系 统 中 查 看 网 卡 ( 网 络 适 配 器 ) 是 否 已 经 安 装 或 是 否 出 错 如 果 在 系 统 中 的 硬 件 列 表 中 没 有 发 现 网 络 适 配 器, 或 网 络 适 配 器 前 方 有 个 黄 色 的! 说 明 网 卡 未 安 装 正 确, 需 将 未 知 设 备 或 带 有 黄 色 的! 网 络 适 配 器 删 除, 刷 新 安 装 网 卡, 并 为 该 网 卡 正 确 安 装 和 配 置 网 络 协 议, 然 后 进 行 网 络 测 试, 如 果 网 卡 无 法 正 确 安 装, 说 明 网 卡 可 能 损 坏, 必 须 还 一 块 网 卡 重 试 e. 使 用 Ipconfig/all 命 令 查 看 本 地 计 算 机 是 否 安 装 TCP/IP 协 议, 以 及 是 否 设 置 好 IP 地 址 子 网 掩 码 和 默 认 网 关 以 及 DNS 域 名 解 析 服 务 如 果 尚 未 安 装 协 议, 或 协 议 尚 未 设 置 好, 则 安 装 并 设 置 好 协 议 后, 重 新 启 动 计 算 机 执 行 基 本 检 查 操 作 如 已 经 安 装 协 议, 认 真 查 看 网 络 协 议 的 项 设 置 是 否 正 确 如 果 协 议 设 置 错 误, 修 改 后 重 新 启 动 计 算 机, 然 后 再 进 行 应 用 测 试 如 果 协 议 设 置 正 确, 则 可 确 定 时 网 络 连 接 问 题 2 故 障 定 位 : 到 连 接 至 同 一 台 交 换 机 的 其 他 计 算 机 上 进 行 网 络 应 用 测 试 如 果 仍 不 正 常, 在 确 认 网 卡 和 网 络 协 议 都 正 确 安 装 的 前 提 下, 可 初 步 认 定 时 交 换 机 发 生 了 故 障 为 了 进 一 步 确 认, 可 再 换 一 台 计 算 机 继 续 测 试 进 而 确 定 交 换 机 故 障 如 果 再 其 他 计 算 机 上 测 试 结 果 完 全 正 常, 则 说 明 交 换 机 没 有 问 题 故 障 发 生 在 原 计 算 机 与 网 络 的 连 通 性 上 3 故 障 排 除 : 如 果 确 定 交 换 机 发 生 了 故 障, 应 首 先 检 查 交 换 面 板 上 的 各 指 示 灯 闪 烁 是 否 正 常, 如 果 所 有 指 示 灯 都 在 非 常 频 繁 地 闪 烁 或 一 直 亮 着, 可 能 是 由 于 网 卡 损 坏 而 发 生 了 广 播 风 暴, 关 闭 再 重 新 打 开 电 源 后 试 试 看 能 否 恢 复 正 常 如 果 恢 复 正 常, 找 到 红 灯 闪 烁 的 端 口, 将 网 线 从 该 端 口 中 拨 出 然 后 找 该 端 口 所 连 接 的 计 算 机, 测 试 并 更 换 损 坏 的 网 卡 如 果 面 板 指 示 灯 一 个 也 不 亮, 则 先 检 查 一 个 UPS 是 否 正 常 工 作, 交 换 机 电 源 是 否 已 经 打 开, 或 电 源 插 头 接 触 不 良 如 果 电 源 没 有 问 题, 则 说 明 交 换 机 硬 件 出 了 故 障, 只 有 更 换 了

263 11.3 网 络 故 障 现 象 原 因 与 排 除 257 如 果 确 定 故 障 发 生 在 某 一 连 接 上, 则 首 先 应 测 试 确 认 并 更 换 有 问 题 的 网 卡 若 网 卡 正 常, 则 用 线 缆 测 试 仪 对 该 连 接 中 涉 及 到 的 所 有 网 线 和 跳 线 进 行 测 试, 确 认 网 线 的 连 通 性, 重 新 制 作 网 线 接 头 或 更 换 网 线 如 果 网 线 正 常, 则 检 查 交 换 机 相 应 端 口 的 指 示 灯 是 否 正 常, 更 换 一 个 端 口 再 试 配 置 错 误 引 起 的 故 障 也 在 网 络 故 障 中 占 有 一 定 的 比 例 网 络 管 理 员 对 服 务 器 交 换 机 路 由 器 的 不 当 设 置, 网 络 使 用 者 对 计 算 机 设 置 的 不 当 修 改, 都 会 导 致 网 络 故 障 配 置 故 障 较 多 地 表 现 在 不 能 实 现 网 络 所 提 供 的 某 些 服 务 上, 如 不 能 接 入 Internet, 不 能 访 问 某 个 服 务 器 或 不 能 访 问 某 个 数 据 库 等, 但 能 够 使 用 网 络 所 提 供 的 另 一 些 服 务, 与 硬 件 连 通 性 故 障 在 表 现 上 会 有 较 大 差 别, 硬 件 连 通 性 故 障 通 常 表 现 为 所 有 的 网 络 服 务 都 不 能 使 用 (1) 配 置 故 障 表 现 1 计 算 机 无 法 登 录 至 服 务 器 2 计 算 机 无 法 通 过 代 理 服 务 器 或 路 由 器 接 入 Inernet 3 计 算 机 能 使 用 Intranet 的 Web 和 服 务 器, 但 无 法 接 入 Internet 4 计 算 机 无 法 在 Intranet 的 服 务 器 里 收 发 电 子 邮 件 5 计 算 机 只 能 与 某 些 计 算 机 而 不 是 全 部 计 算 机 进 行 通 信 6 整 个 局 域 网 均 无 法 访 问 Internet (2) 导 致 故 障 配 置 的 原 因 1 服 务 器 配 置 错 误 例 如, 域 控 制 器 未 设 置 用 户 或 已 到 期 的 用 户 无 法 登 录, 服 务 器 配 置 错 误 导 致 Web 或 FTP 服 务 停 止 2 代 理 服 务 器 或 路 由 器 的 访 问 列 表 设 置 不 当, 阻 止 有 权 用 户 或 全 部 用 户 接 入 Intermet 3 第 三 层 交 换 机 的 路 由 设 置 不 当, 用 户 将 无 法 访 问 另 一 VLAN 的 计 算 机 4 当 交 换 机 配 置 安 全 端 口 后, 非 授 权 用 户 对 该 端 口 的 访 问, 会 使 得 端 口 锁 死, 从 而 导 致 该 端 口 所 连 接 得 计 算 机 无 法 继 续 访 问 网 络 5 用 户 配 置 错 误 例 如, 浏 览 器 的 连 接 设 置 不 当, 用 户 将 无 法 通 过 代 理 服 务 器 接 入 Internet; 邮 件 客 户 端 的 邮 件 服 务 器 设 置 不 当, 用 户 将 无 法 收 发 (3) 配 置 故 障 排 除 步 骤 首 先 检 查 发 生 故 障 得 计 算 机 得 相 关 配 置 如 果 发 现 错 误, 修 改 后, 再 测 试 相 应 的 网 络 服 务 能 否 实 现 如 果 没 有 发 现 错 误, 或 相 应 的 网 络 服 务 不 能 实 现, 则 执 行 下 一 步 骤 测 试 同 一 网 络 内 的 其 他 计 算 机 是 否 有 类 似 的 故 障, 如 果 有, 说 明 问 题 肯 定 出 现 再 服 务 器 或 网 络 设 备 上 ; 如 果 没 有, 也 不 能 排 除 服 务 器 和 网 络 设 备 存 在 配 置 错 误 的 可 能 性, 都 应 对 服 务 器 或 网 络 设 备 的 各 种 设 置, 配 置 文 件 进 行 认 真 仔 细 的 检 查 协 议 故 障 也 是 一 种 配 置 故 障 (1) 协 议 故 障 的 表 现 1 计 算 机 无 法 登 录 服 务 器 2 计 算 机 在 网 上 邻 居 中 既 看 不 到 自 己, 也 看 不 到 其 他 计 算 机 或 查 找 不 到 其 他 计 算 机 3 计 算 机 在 网 上 邻 居 中 能 看 到 自 己 其 他 成 员, 但 无 法 在 无 法 在 局 域 网 中 浏 览 Web 收 发 4 计 算 机 在 网 上 邻 居 中 既 看 不 到 自 己, 也 无 法 在 局 域 网 中 浏 览 Web 收 发 5 计 算 机 无 法 通 过 局 域 网 联 入 Internet

264 258 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 (2) 导 致 协 议 故 障 的 原 因 1 协 议 未 安 装 仅 实 现 局 域 网 通 信, 需 安 装 NetBEUI 或 IPX/SPX 或 TCP/IP 协 议 ; 实 现 Internet 通 信, 需 安 装 TCP/IP 协 议 2 协 议 配 置 不 正 确 TCP/IP 协 议 涉 及 到 基 本 配 置 参 数 有 4 个, 即 IP 地 址 子 网 掩 码 DNS( 域 名 解 析 服 务 ) 和 默 认 网 关, 任 何 一 个 设 置 错 误, 都 可 能 导 致 故 障 发 生 3 在 同 一 网 络 或 VLAN 中 有 两 个 或 两 个 以 上 的 计 算 机 使 用 同 一 计 算 机 名 称 或 IP 地 址 (3) 协 议 故 障 排 除 步 骤 当 计 算 机 出 现 以 上 协 议 故 障 现 象 时, 应 当 按 照 以 下 步 骤 进 行 故 障 定 位 : 1 检 查 计 算 机 是 否 安 装 有 TCP/IP 协 议 或 相 关 协 议, 如 欲 访 问 Novell 网 络, 则 还 应 添 加 IPX/SPX 等 2 检 查 计 算 机 的 TCP/IP 属 性 参 数 配 置 是 否 正 确 如 果 设 置 有 问 题, 将 无 法 浏 览 Web 和 收 发 , 也 无 法 享 受 网 络 提 供 的 其 他 Internet 或 Intranet 服 务 3 使 用 Ping 命 令, 测 试 与 其 他 计 算 机 和 服 务 器 的 连 接 状 况 4 在 控 制 面 板 的 网 络 属 性 中, 单 击 文 件 及 打 印 共 享 按 钮, 在 弹 出 的 文 件 及 打 印 共 享 对 话 框 检 查 一 下 是 否 选 中 了 允 许 其 他 用 户 使 用 我 的 文 件 和 允 许 其 他 计 算 机 使 用 我 的 打 印 机 复 选 框 如 果 没 有, 全 部 选 中 或 选 中 一 个, 否 则, 将 无 法 使 用 共 享 文 件 夹 或 共 享 网 络 打 印 机 5 若 某 台 计 算 机 屏 幕 提 示 名 字 或 IP 地 址 重 复, 则 在 网 络 属 性 的 标 识 中 重 新 为 该 计 算 机 命 名 或 分 配 IP 地 址, 使 其 在 网 络 中 具 备 唯 一 性 11.4 网 络 安 全 风 险 与 防 护 网 络 安 全 风 险 的 种 类 网 络 安 全 风 险 包 括 数 据 的 安 全 和 设 备 的 安 全 风 险 本 章 主 要 讨 论 数 据 的 安 全 问 题 网 络 提 供 了 本 地 或 远 程 共 享 和 传 输 数 据 的 能 力 同 时, 也 正 因 为 如 此, 网 络 又 面 临 着 安 全 风 险, 因 为 数 据 可 能 被 窃 取 篡 改 或 删 除 数 据 安 全 风 险 可 能 来 源 于 Internet 的 外 部, 也 可 能 来 源 于 Internet 的 内 部 ; 可 能 是 有 意 的 攻 击 ( 包 括 恶 作 剧 ), 也 可 能 是 无 意 造 成 的 损 害 ; 风 险 可 能 是 潜 在 的, 也 可 能 是 现 实 如 网 络 操 作 系 统 和 应 用 软 件 的 漏 洞 或 后 门 常 是 攻 击 的 突 破 口, 这 是 潜 在 的 风 险, 一 旦 受 到 攻 击, 就 变 成 现 实 的 风 险 风 险 大 致 可 分 为 以 下 几 种 : 1. 无 意 失 误 的 风 险 系 统 管 理 员 安 全 策 略 设 置 不 当 ; 用 户 安 全 意 识 不 强 ; 用 户 密 码 选 择 不 慎, 账 号 随 意 转 借 他 人 或 与 他 人 共 享 等 经 常 出 现 的 黑 客 攻 入 Internet 的 事 件, 其 中 大 部 分 就 是 因 为 安 全 措 施 不 完 善 所 导 致 的 2. 恶 意 攻 击 的 风 险 这 是 计 算 机 网 络 所 面 临 的 最 大 威 胁, 敌 对 性 的 攻 击 和 计 算 机 犯 罪 就 属 于 这 一 类 此 类 攻 击 又 可 以 分 为 : 1 破 坏 性 攻 击 : 以 各 种 方 式 有 选 择 地 破 坏 信 息 的 有 效 性 和 完 整 性

265 11.5 网 络 安 全 防 护 窃 听 性 攻 击 : 是 在 不 影 响 网 络 工 作 的 情 况 下, 进 行 截 获 窃 取 破 译 以 获 得 未 经 授 权 的 信 息 3. 网 络 软 件 的 漏 洞 和 后 门 的 风 险 软 件 不 可 能 没 有 缺 陷 和 漏 洞 而 这 些 缺 陷 和 漏 洞 恰 恰 是 被 攻 击 的 首 选 目 标 软 件 的 后 门 是 软 件 公 司 的 设 计 编 程 人 员 为 了 自 便 或 其 他 目 的 而 设 置 的, 一 般 不 为 外 人 所 知 在 特 殊 情 况 下 ( 如 恶 性 商 业 竞 争 或 发 生 战 争 ), 后 门 就 成 了 敌 人 攻 击 的 通 道 网 络 攻 击 网 络 攻 击 是 指 可 能 导 致 一 个 网 络 受 到 破 坏, 网 络 服 务 受 到 影 响 的 所 有 行 为 攻 击 的 动 机 和 目 的 是 为 了 谋 取 超 越 目 标 网 络 安 全 策 略 所 限 定 的 服 务, 或 者 是 为 了 使 目 标 网 络 服 务 受 到 影 响 甚 至 停 止 1. 攻 击 的 动 机 对 国 家 机 密 商 业 秘 密 的 企 图, 对 雇 主 的 不 满, 对 网 络 安 全 技 术 的 挑 战 ; 银 行 账 号 信 用 卡 等 金 钱 利 益 的 诱 惑, 利 用 攻 击 网 络 站 点 而 出 名 的 动 机, 以 及 好 奇 心 恶 作 剧 等 都 可 引 起 攻 击 者 的 蓄 意 攻 击 行 为 2. 攻 击 的 来 源 根 据 有 关 统 计 数 据, 网 络 攻 击 主 要 的 4 种 来 源 依 次 是 国 外 政 府 竞 争 对 手 黑 客 和 对 雇 主 不 满 的 雇 员 当 前 出 于 政 治 目 的 和 商 业 竞 争 的 网 络 攻 击 日 益 增 多 由 中 国 驻 南 斯 拉 夫 使 馆 被 炸 中 美 撞 机 事 件 等 引 发 的 红 黑 客 网 络 大 战 及 报 载 的 某 高 级 工 程 师 制 造 的 大 型 电 力 变 压 器 系 统 监 控 软 件 人 为 逻 辑 故 障 等 事 件 可 见 一 斑 网 络 安 全 防 护 包 括 : 物 理 安 全 防 护 周 界 安 全 防 护 信 息 加 密 与 验 证 物 理 安 全 防 护 1. 防 护 的 目 的 11.5 网 络 安 全 防 护 1 保 护 路 由 器 交 换 机 工 作 站 服 务 器 及 打 印 机 等 硬 件 设 备 和 通 信 链 路 免 受 自 然 灾 害 人 为 破 坏 和 搭 线 窃 听 等 攻 击 2 确 保 网 络 设 备 由 一 个 良 好 的 工 作 环 境 3 保 护 网 络 线 路 和 访 问 点 不 被 非 法 使 用 2. 防 护 的 措 施 1 抑 制 和 防 止 系 统 对 外 界 的 电 磁 辐 射 与 外 界 对 系 统 的 电 磁 干 扰 前 者 可 导 致 信 息 的 泄 漏,

266 260 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 而 后 者 可 影 响 系 统 的 正 常 工 作 防 止 措 施 是 对 电 源 线 和 信 号 线 加 装 性 能 良 好 的 滤 波 器, 减 小 导 线 间 的 交 叉 耦 合 采 用 各 种 电 磁 屏 蔽 措 施, 如 对 设 备 的 金 属 外 壳 接 地, 天 花 板 安 装 金 属 丝 网 并 与 地 线 相 接 等 2 防 静 电 干 扰 通 过 安 装 防 静 电 地 板, 使 用 金 属 手 环 等 来 实 现 3 释 放 电 磁 干 扰 以 掩 盖 系 统 的 电 磁 泄 漏, 即 在 计 算 机 系 统 工 资 的 同 时, 利 于 干 扰 装 置 产 生 一 种 与 计 算 机 系 统 辐 射 相 关 的 伪 噪 声, 向 空 间 辐 射 来 掩 盖 计 算 机 系 统 的 工 作 频 率 和 信 息 特 征 4 健 全 的 管 理 体 系 周 界 安 全 防 护 虚 拟 局 域 网 与 防 火 墙 技 术 周 界 安 全 防 护 是 根 据 安 全 等 级 要 求 的 差 异 将 网 络 进 行 分 段 隔 离, 把 攻 击 和 入 侵 造 成 的 威 胁 限 制 在 较 小 的 范 围 之 中, 提 高 网 络 整 体 的 安 全 水 平 通 过 交 换 机 划 分 虚 拟 局 域 网 (VLAN) 是 局 域 网 主 要 隔 离 措 施 ; 使 用 防 火 墙 是 当 前 主 要 的 网 络 分 隔 手 段, 既 可 用 于 局 域 网, 又 可 用 于 广 域 网 与 Internet 周 界 安 全 防 护 是 集 中 防 止 来 自 某 一 范 围 外 部 的 攻 击, 但 不 能 防 止 来 之 内 部 的 攻 击 1. 虚 拟 局 域 网 利 用 虚 拟 局 域 网 技 术, 可 根 据 安 全 策 略, 把 位 于 同 一 交 换 机 的 工 作 划 分 到 不 同 的 虚 拟 局 域 网 中, 火 灾 把 位 于 不 同 交 换 机 的 工 作 站 划 分 到 同 一 虚 拟 局 域 网 2. 网 络 防 火 墙 防 火 墙 的 名 字 非 常 形 象, 在 网 络 中 的 地 位 如 同 它 的 名 字 一 样, 它 是 一 道 安 全 之 墙 根 据 网 络 安 全 等 级 和 可 信 任 关 系, 将 网 络 划 分 成 一 些 相 对 独 立 的 子 网, 两 侧 间 的 通 信 受 到 防 火 墙 的 检 查 控 制, 它 可 以 根 据 既 定 的 安 全 策 略 允 许 特 定 的 数 据 包 通 过, 同 时 把 安 全 策 略 不 允 许 的 数 据 包 隔 离 开 来 根 据 防 火 墙 的 物 理 位 置, 可 把 其 分 为 外 部 防 火 墙 和 内 部 防 火 墙 外 部 防 火 墙 位 于 Intranet 与 Internet 之 间 或 Internet 与 Internet 之 间, 内 部 防 火 墙 则 位 于 Internet 内 部 各 个 子 网 之 间 防 火 墙 无 法 防 止 来 自 防 火 墙 内 侧 的 攻 击 防 火 墙 对 各 种 已 知 类 型 攻 击 的 防 御 有 赖 于 防 火 墙 的 正 确 配 置, 对 各 种 最 新 的 攻 击 类 型 的 防 御 取 决 于 防 火 墙 软 件 更 新 的 速 度 和 相 应 配 置 更 新 的 速 度 防 火 墙 一 方 面 阻 止 来 自 Internet 的 对 Intranet 的 未 授 权 或 未 验 证 的 访 问, 另 一 方 面 允 许 内 部 网 络 的 用 户 对 Internet 进 行 访 问 还 可 作 为 访 问 权 限 控 制 关 口, 如 只 允 许 Intranet 内 特 定 的 人 可 以 出 访 防 火 墙 同 时 还 具 有 一 些 其 他 功 能, 如 进 行 身 份 鉴 别 对 信 息 进 行 加 密 处 理 等 防 火 墙 不 仅 可 用 于 对 Internet 的 连 接 防 护, 也 可 以 用 来 在 Intranet 之 间 和 Intranet 内 部 保 护 重 要 的 设 备 和 数 据 对 受 保 护 数 据 的 访 问 都 必 须 经 过 防 火 墙 的 过 滤, 即 使 该 访 问 是 来 自 Internet 内 部 防 火 墙 保 护 的 最 小 单 元 还 可 以 是 单 台 主 机, 这 时 应 在 该 机 上 安 装 防 火 墙 软 件 当 外 部 网 络 的 用 户 访 问 网 内 资 源 时, 要 经 过 防 火 墙 ; 而 内 部 网 络 的 用 户 要 访 问 网 外 资 源 时, 也 会 经 过 防 火 墙 这 样, 防 火 墙 就 起 到 一 个 虑 网 的 作 用, 可 以 将 需 要 禁 止 的 数 据 包 在 这 里 过 滤 掉 通 常 可 把 防 火 墙 分 为 两 大 类 : 网 络 层 防 火 墙 和 应 用 层 防 火 墙 1 网 络 层 防 火 墙 主 要 获 取 数 据 包 的 包 头 信 息, 如 协 议 号 地 址 号 目 的 地 址 和 目 的 端 口 等, 或 者 直 接 获 取 包 头 的 一 段 数 据

267 2 应 用 层 防 火 墙 则 对 整 个 信 息 流 进 行 分 析 常 见 的 防 火 墙 有 以 下 5 种 (1) 应 用 网 关 (Application Gateway) 11.5 网 络 安 全 防 护 261 检 验 通 过 此 网 关 的 所 有 数 据 包 中 的 应 用 层 的 数 据 如 FTP 应 用 网 关, 对 于 连 接 的 Client 端 来 说 时 一 个 FTP Server, 对 于 Server 端 来 说 是 一 个 FTP Client 连 接 中 传 输 的 所 有 FTP 数 据 包 都 必 须 经 过 此 FTP 应 用 网 关 (2) 电 路 级 网 关 (Circuit-Level Gateway) 此 电 路 指 虚 电 路 在 TCP 或 UDP 发 起 (Open) 一 个 连 接 或 握 手 之 前, 验 证 该 会 话 的 可 靠 性 只 有 在 握 手 被 验 证 为 合 法 且 握 手 完 成 之 后, 才 允 许 数 据 包 的 传 输 一 个 会 话 建 立 后, 此 会 话 的 信 息 被 写 入 防 火 墙 维 护 的 有 效 连 接 表 中 数 据 包 只 有 在 它 所 含 的 会 话 信 息 符 合 该 有 效 连 接 表 中 的 某 一 入 口 时, 才 被 允 许 通 过 会 话 结 束 时, 该 会 话 在 表 中 的 入 口 被 删 掉 电 路 级 网 关 只 对 连 接 的 会 话 层 进 行 验 证 一 旦 验 证 通 过, 在 top 层 对 此 会 话 进 行 验 证, 如 果 验 证 通 过, 则 所 有 的 数 据 都 可 以 通 过 此 连 接 进 行 传 输, 直 至 会 话 结 束 (3) 包 过 滤 (Packet Filter) 对 每 个 数 据 包 按 照 用 户 所 定 义 的 规 则 进 行 过 滤, 如 比 较 数 据 包 的 源 地 址 目 的 地 址 是 否 符 合 规 则 等 包 过 滤 不 管 会 话 的 状 态, 也 不 分 析 数 据 如 用 户 规 定 允 许 端 口 是 80 或 者 大 于 等 于 1024 的 数 据 包 通 过, 则 只 要 在 端 口 符 合 该 条 件, 数 据 包 便 可 以 通 过 此 防 火 墙 如 果 配 置 的 规 则 比 较 符 合 实 际 应 用 的 话, 在 这 一 层 能 够 过 滤 掉 很 多 有 安 全 隐 患 的 数 据 包 (4) 代 理 (Proxy) 通 常 情 况 下 指 的 是 地 址 代 理, 一 般 位 于 一 台 代 理 服 务 器 或 路 由 器 上 它 的 机 制 是 将 网 内 主 机 的 IP 地 址 和 端 口 替 换 为 服 务 器 或 路 由 器 的 IP 地 址 和 端 口 例 如, 一 个 公 司 内 部 网 络 的 地 址 是 网 段, 而 公 司 对 外 的 正 式 IP 地 址 是 ~ , 则 内 部 的 主 机 通 过 浏 览 器 以 WWW 方 式 访 问 Internet 上 的 某 一 WWW 服 务 器 时, 在 通 过 代 理 服 务 器 后,IP 地 址 和 端 口 可 能 为 和 4001 在 代 理 服 务 器 中 维 护 着 一 张 地 址 对 应 表, 当 外 部 网 络 的 WWW 服 务 器 返 回 结 果 时, 代 理 服 务 器 会 将 此 IP 地 址 和 端 口 转 化 为 内 部 网 络 的 IP 地 址 和 端 口 80 代 理 服 务 器 阻 止 了 所 有 的 外 部 网 络 的 主 机 与 内 部 网 络 之 间 的 直 接 访 问, 所 有 的 通 信 都 必 须 通 过 它 来 代 理 实 现, 这 样 就 可 起 到 对 特 定 资 源 的 保 护 作 用 (5) 网 络 地 址 转 换 (NAT) 基 于 端 口 的 NAT 原 理 和 安 全 性 其 实 与 代 理 服 务 器 类 似 通 常 路 由 器 的 防 火 墙 功 能 主 要 是 基 于 包 过 滤 和 NAT 信 息 的 加 密 与 验 证 信 息 加 密 的 目 的 时 保 护 网 络 中 的 数 据 文 件 密 码 和 控 制 信 息, 保 护 网 络 会 话 的 完 整 性, 即 使 数 据 被 窃 听 者 非 法 获 取 了, 也 不 能 见 到 其 庐 山 真 面 目 加 密 技 术 是 网 络 安 全 最 有 效 的 技 术 之 一, 与 前 两 种 安 全 防 护 联 合 使 用, 确 保 数 据 的 安 全 信 息 加 密 可 对 在 链 路 级 网 络 级 应 用 级 等 进 行, 信 息 加 密 由 许 多 加 密 算 法 来 实 施 1. 对 称 与 不 对 称 加 密 据 不 完 全 统 计, 到 目 前 为 止, 已 经 公 开 发 表 的 各 种 加 密 算 法 多 达 数 百 种, 如 果 按 照 收 发

268 262 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 双 方 密 钥 是 否 相 同 来 分 类, 可 以 将 这 些 加 密 算 法 分 为 : (1) 对 称 密 码 算 法 在 对 称 密 码 中, 加 密 和 解 密 使 用 相 同 的 密 钥, 即 加 密 密 钥 和 解 密 密 钥 时 相 同 或 等 价 的 著 名 的 私 钥 密 码 算 法 有 : 美 国 的 DES 及 其 变 种, 欧 洲 的 IDEA RC4 RC5, 以 及 代 换 密 码 和 转 轮 密 码 为 代 表 的 古 典 密 码 等 对 称 密 码 的 优 点 时 有 很 强 的 保 密 强 度, 经 受 住 了 时 间 的 检 验, 但 其 密 钥 必 须 通 过 安 全 途 径 传 送 因 此, 其 密 钥 管 理 成 为 系 统 安 全 的 重 要 因 素 (2) 不 对 称 密 码 算 法 在 不 对 称 密 码 中, 加 密 和 解 密 使 用 的 密 钥 互 不 相 同, 而 且 几 乎 不 可 能 从 加 密 密 钥 推 导 出 解 密 密 钥 比 较 著 名 的 公 钥 密 码 算 法 有 RSA Diffie-hellman 等 最 有 影 响 的 公 钥 密 码 算 法 是 RSA, 它 能 抵 抗 到 目 前 为 止 的 已 知 的 所 有 种 类 的 密 码 攻 击 公 钥 密 码 的 优 点 是 可 以 适 应 网 络 的 开 放 性 要 求, 密 约 管 理 较 为 简 单 尤 其 可 方 便 地 实 现 数 字 签 名 和 验 证, 缺 点 时 其 算 法 复 杂, 加 密 数 据 的 速 率 较 低 随 着 信 息 技 术 和 密 码 技 术 的 发 展, 公 钥 密 码 算 法 将 是 一 种 很 有 前 途 的 网 络 安 全 加 密 体 制 现 在 流 行 的 PGP 和 SSL 等 加 密 技 术 将 私 钥 密 码 和 公 钥 密 码 结 合 在 一 起 使 用, 采 用 DES 或 IDEA 来 加 密 信 息, 采 用 RAS 来 传 递 会 话 密 钥 2. 网 络 加 密 的 传 送 与 认 证 对 网 络 用 户 的 用 户 名 和 密 码 进 行 验 证 时 防 止 非 法 访 问 的 的 一 道 防 线 用 户 注 册 时 首 先 输 入 用 户 名 和 密 码, 服 务 器 将 验 证 所 输 入 的 用 户 名 是 否 合 法 如 果 验 证 合 法, 又 继 续 验 证 用 户 输 入 的 密 码 是 否 合 法 否 则, 用 户 将 被 拒 绝 于 网 络 之 外 用 户 的 密 码 是 用 户 入 网 的 关 键 所 在 为 了 保 证 密 码 的 安 全 性, 用 户 密 码 不 能 显 示 在 显 示 屏 上, 用 户 密 码 通 常 是 经 过 加 密 后 存 储 在 主 机 系 统 中 的 但 是 在 Internet 上 包 括 TELNET FTP HTTP POP3 等 应 用, 传 送 的 均 是 明 文 ( 非 加 密 的 密 码 ), 网 络 窃 听 可 以 非 常 容 易 地 得 到 明 文 的 用 户 密 码 针 对 这 种 传 输 的 弱 点, 可 以 采 用 的 加 强 措 施 包 括 : 1 使 用 Windows 2000 Server 的 加 密 协 议 和 密 码 验 证 协 议 2 使 用 SSH, 可 以 用 来 将 强 TELNET 它 把 登 录 时 的 密 码 加 密 后 传 送, 该 软 件 在 Internet 上 可 以 免 费 获 得 3 使 用 SSL( 几 乎 可 以 和 大 多 数 应 用 配 合 使 用 ), 最 典 型 的 应 用 时 加 强 HTTP 4 一 次 性 用 户 密 码 : 如 S/KEY 系 统 等, 这 样 即 使 明 文 密 码 被 截 获, 但 由 于 下 次 登 录 时 系 统 将 使 用 新 密 码, 从 而 使 攻 击 无 效 5PGP: 通 过 的 私 钥 加 密 工 具, 可 以 用 来 加 密 电 子 邮 件 机 密 文 档 等 安 全 性 的 关 键 在 于 私 钥 本 身 的 安 全 性 Windows 2000 Server 内 置 的 PGP,Internet 上 可 以 免 费 获 得 该 软 件 的 国 际 版 6 呼 叫 方 ID 和 自 动 回 呼 功 能 : 远 程 访 问 服 务 器 设 定 呼 叫 应 来 自 特 定 电 话 号 码 和 对 来 自 特 定 电 话 号 码 呼 叫 的 自 动 回 拨, 可 以 防 止 假 冒 的 拨 号 用 户 多 数 远 程 访 问 服 务 器 都 支 持 该 功 能

269 11.6 网 络 安 全 工 具 软 件 网 络 安 全 工 具 软 件 网 络 安 全 漏 洞 扫 描 软 件 安 全 漏 洞 是 网 络 安 全 防 护 中 的 一 项 重 要 技 术, 其 原 理 使 采 用 模 拟 攻 击 的 形 式 对 目 标 可 能 存 在 的 已 知 安 全 漏 洞 进 行 逐 项 检 查 目 标 可 以 使 工 作 站 服 务 器 交 换 机 数 据 库 应 用 等 各 种 对 象, 然 后 根 据 扫 描 结 果 向 系 统 管 理 员 提 供 周 密 可 靠 的 安 全 分 析 报 告, 为 提 高 网 络 安 全 整 体 水 平 产 生 重 要 依 据 在 网 络 安 全 体 系 的 建 设 中, 安 全 扫 描 工 具 花 费 低 效 果 好 见 效 快, 与 网 络 的 运 行 相 对 独 立, 安 装 运 行 简 单, 可 大 大 减 轻 安 全 管 理 员 的 劳 动 评 价 网 络 安 全 扫 描 工 具 的 性 能 主 要 应 考 虑 下 面 一 些 因 素 : 能 够 扫 描 发 现 的 安 全 漏 洞 的 数 量 和 数 据 库 的 更 新 速 度 扫 描 效 率 以 及 对 目 标 网 络 系 统 的 影 响 定 制 模 拟 攻 击 方 法 的 灵 活 性 扫 描 程 序 的 易 用 性 稳 定 性 分 析 报 告 的 形 式 产 品 的 性 能 取 决 于 开 发 公 司 的 实 力, 即 掌 握 最 新 的 安 全 漏 洞 和 攻 击 方 法 的 能 力 网 络 安 全 扫 描 市 场 的 主 要 产 品 包 括 NAI 公 司 的 Cyber Cop Scanner,ISS 公 司 的 ISS Scanner,Axent 公 司 的 NetRecon, 中 科 院 高 能 所 的 Netpower 等 网 络 入 侵 检 测 软 件 网 络 入 侵 检 测 系 统 (IDS) 可 以 分 为 基 于 网 络 数 据 包 分 析 和 基 于 主 机 的 两 种 基 本 方 式 前 者 在 网 络 通 信 中 寻 找 符 合 网 络 父 亲 模 式 的 数 据 包, 并 立 即 作 出 相 应 反 应 ; 后 者 在 宿 主 系 统 审 计 日 志 文 件 中 寻 找 攻 击 特 征, 然 后 给 出 统 计 分 析 报 告 它 们 各 有 有 缺 点, 互 为 补 充 1. 基 于 网 络 的 入 侵 检 测 基 于 网 络 的 入 侵 检 测 系 统 从 网 卡 处 实 时 监 视 和 分 析 所 有 通 过 共 享 式 网 络 传 输 的 数 据, 部 分 产 品 可 以 利 用 交 换 式 网 络 中 的 端 口 映 射 功 能 来 监 视 特 定 端 口 的 网 络 信 息 流 一 旦 攻 击 ( 非 法 数 据 ) 被 检 测 到, 响 应 模 块 就 按 照 配 置 对 攻 击 作 出 反 应 这 些 反 应 通 常 包 括 发 送 电 子 邮 件 寻 呼 记 录 日 记 声 音 报 警 及 切 断 网 络 连 接 等 其 特 点 是 : 1 基 于 网 络 的 IDS 技 术 不 要 求 在 大 量 的 主 机 上 安 装 和 管 理 软 件, 允 许 在 重 要 的 访 问 端 口 检 查 面 向 多 个 网 络 系 统 的 流 量 在 一 个 网 段 只 需 一 套 系 统, 则 可 以 监 视 整 个 网 段 的 通 信, 花 费 较 低 2 由 于 主 机 的 IDS 不 查 看 包 头, 因 而 会 遗 漏 一 些 关 键 信 息, 而 基 于 网 络 的 IDS 通 过 检 查 所 有 的 包 头 来 识 别 恶 意 和 可 疑 的 行 为 例 如, 许 多 拒 绝 服 务 (DOS) 只 能 在 它 们 通 过 网 络 传 输 时, 检 查 其 包 头 信 息 才 能 识 别 3 基 于 网 络 IDS 的 宿 主 机 通 常 处 于 比 较 隐 蔽 的 位 置, 一 般 不 对 外 提 供 服 务, 因 此 也 比 较 坚 固 这 样 对 于 攻 击 者 来 说, 消 除 攻 击 证 据 非 常 困 难, 捕 获 的 数 据 可 以 作 为 攻 击 者 曾 经 发 起 过 攻 击 的 证 据 而 基 于 主 机 IDS 的 数 据 源 则 可 能 已 经 被 精 通 审 计 日 志 的 黑 客 篡 改 4 基 于 网 络 的 IDS 具 有 更 好 的 实 时 性 例 如, 它 可 以 在 目 标 主 机 崩 溃 之 前 切 断 TCP 连 接, 从 而 达 到 保 护 的 目 的 而 基 于 主 机 的 系 统 是 在 攻 击 发 生 之 后, 用 于 防 止 攻 击 者 的 进 一 步 攻 击 5 检 测 不 成 功 的 攻 击 和 恶 意 企 图 基 于 网 络 的 IDS 可 以 检 测 到 不 成 功 的 攻 击 企 图, 而 基

270 264 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 于 主 机 的 系 统 则 可 能 会 遗 漏 一 些 重 要 消 息 6 基 于 网 络 的 IDS 不 依 赖 于 被 保 护 主 机 的 操 作 系 统 2. 基 于 主 机 的 入 侵 检 测 基 于 主 机 的 入 侵 检 测 通 常 采 用 查 看 针 对 可 疑 行 为 的 审 计 记 录 来 执 行 它 通 过 把 新 的 记 录 条 目 与 攻 击 特 征 相 比 较, 并 检 查 系 统 文 件 的 校 验 和 来 分 析 系 统 是 否 被 入 侵 或 者 被 攻 击 如 果 发 现 与 攻 击 模 式 匹 配,IDS 系 统 就 通 过 向 管 理 员 报 警 和 其 他 呼 叫 行 为 来 响 应 它 的 主 要 目 的 是 在 事 件 发 生 后 提 供 足 够 的 分 析 来 阻 止 进 一 步 的 攻 击, 反 应 的 时 间 依 赖 于 定 期 检 测 的 时 间 间 隔 实 时 性 没 有 基 于 网 络 的 IDS 系 统 好, 其 特 点 是 : 1 监 视 所 有 系 统 的 行 为 基 于 主 机 的 IDS 能 够 监 视 所 有 的 用 户 登 录 和 退 出 甚 至 用 户 所 进 行 的 所 有 操 作 审 计 系 统 在 日 志 里 记 录 的 策 略 改 变 监 视 关 键 系 统 文 件 和 可 执 行 文 件 的 改 变 可 以 提 供 比 基 于 网 络 的 IDS 更 为 详 细 的 主 机 内 部 活 动 的 信 息 2 有 些 攻 击 在 网 络 的 数 据 流 中 很 难 发 现, 或 者 根 本 没 有 通 过 网 关 而 在 本 地 进 行 这 时 基 于 网 络 的 IDS 系 统 将 无 能 为 力 3 适 应 交 换 和 加 密 基 于 主 机 的 IDS 系 统 可 以 较 为 灵 活 地 配 置 在 多 个 关 键 主 机 上, 不 必 考 虑 网 络 拓 扑 问 题 这 对 于 需 要 保 护 的 关 键 主 机 分 散 在 多 个 网 段 上 的 环 境 特 别 有 利 某 些 类 型 的 加 密 也 是 对 基 于 网 络 的 IDS 的 挑 战, 它 可 以 使 基 于 网 络 的 IDS 系 统 不 能 判 断 确 切 的 攻 击 基 于 主 机 的 IDS 没 有 这 种 限 制 4 不 要 求 有 额 外 的 硬 件 设 备 基 于 主 机 的 IDS 配 置 在 被 保 护 的 主 机 上, 不 要 求 在 网 络 上 增 加 额 外 的 硬 件 设 备 基 于 主 机 的 IDS 与 基 于 网 络 的 IDS 可 以 互 相 补 充, 网 络 部 分 提 供 早 期 警 告, 基 于 主 机 的 部 分 提 供 攻 击 成 功 与 否 的 确 认 目 前 流 行 的 管 理 器 代 理 (Manager/agent) 结 构 不 仅 可 以 监 视 整 个 网 络 的 入 侵 和 攻 击 活 动 审 查 日 志 管 理, 还 可 以 进 行 实 时 入 侵 活 动 的 探 测 它 包 含 了 两 种 技 术 的 优 点, 代 表 了 网 络 入 侵 检 测 技 术 的 发 展 趋 势 3. 网 络 入 侵 检 测 系 统 产 品 市 场 上 基 于 网 络 IDS 的 典 型 产 品 包 括 ISS 公 司 的 RealSecure Engine,Axent 公 司 的 Netpower,Cisco 公 司 的 NetRanger 等 基 于 主 机 的 典 型 产 品 包 括 ISS 公 司 的 Real Secure Agent, Axent 公 司 的 Intruder Alert(ITA) NET 公 司 的 Cyber Cops Monitor(CCM) 则 兼 顾 了 两 种 技 术 Windows 2000 Server 集 成 了 较 为 强 大 的 主 机 IDS 功 能 11.7 数 据 备 份 与 恢 复 备 份 数 据 是 在 网 络 体 系 由 于 各 种 原 因 出 现 灾 难 事 件 时 恢 复 数 据 和 分 析 原 因 的 最 后 手 段 应 该 制 定 完 整 的 系 统 备 份 计 划, 并 严 格 实 施 备 份 中 应 该 系 统 数 据 和 用 户 数 据 的 备 份 ; 备 份 方 式 包 括 完 全 和 增 量 备 份, 确 定 完 全 和 增 量 备 份 的 频 度 和 责 任 人 等 备 份 数 据 媒 体 ( 磁 带 光 盘 移 动 式 硬 盘 等 ) 的 物 理 安 全 是 整 个 网 络 安 全 体 系 中 最 重 要 的 环 节 之 一 每 种 备 份 至 少 应 该 是 双 份, 并 存 放 于 不 同 的 地 方 定 期 检 验 备 份 媒 体 的 有 效 性 也 是 非 常 重 要 的 一 环

271 11.8 网 络 安 全 监 视 系 统 网 络 安 全 监 视 系 统 Windows 2000 的 安 全 监 视 系 统 可 以 管 理 和 监 视 网 络 通 信, 包 括 Intranet 内 部 的 通 信 和 远 程 访 问 另 外, 系 统 资 源 如 网 络 磁 盘 CPU 以 及 内 存 等 使 用 情 况 也 受 到 跟 踪 和 监 视 网 络 监 视 器 事 件 查 看 器 IPSec 监 视 器 和 系 统 监 视 是 Windows 2000 集 成 的 网 络 安 全 监 视 系 统 (IDS) 1. 网 络 监 视 器 网 络 监 视 器 可 捕 获 和 显 示 运 行 Windows 2000 Server 的 计 算 机 从 局 域 网 (LAN) 上 接 收 的 数 据 包 ( 帧 ) 网 络 管 理 员 可 以 使 用 网 络 监 视 器 检 测 和 解 决 在 本 地 计 算 机 上 遇 到 的 网 络 问 题, 包 括 用 来 诊 断 硬 件 和 软 件 问 题 网 络 监 视 器 捕 获 的 帧 可 以 保 存 为 文 件, 然 后 发 给 专 业 的 网 络 分 析 人 员 或 支 持 机 构 网 络 监 视 器 包 括 网 络 监 视 器 和 网 络 监 视 器 驱 动 程 序, 必 须 两 者 都 安 装 后, 才 能 使 用, 安 装 网 络 监 视 器 和 网 络 监 视 器 驱 动 程 序 的 方 法 如 下 : (1) 安 装 网 络 监 视 器 1 打 开 添 加 / 删 除 程 序 单 击 开 始, 指 向 设 置, 单 击 控 制 面 板, 然 后 双 击 添 加 / 删 除 程 序 2 在 添 加 / 删 除 程 序 中 单 击 添 加 / 删 除 Windows 组 件 3 在 Windows 组 件 向 导, 选 中 管 理 和 监 视 工 具, 然 后 单 击 详 细 信 息 4 在 管 理 和 监 视 工 具 对 话 框 中, 选 中 网 络 监 视 器 复 选 框, 然 后 单 击 确 定 5 如 果 系 统 提 示 用 户 需 要 其 他 文 件, 请 插 入 Windows 2000 光 盘, 或 者 键 入 网 路 上 文 件 的 位 置 的 路 径 网 络 监 视 器 只 能 在 Windows 2000 Server 上 使 用 在 Windows 2000 Server 上 安 装 时, 该 程 序 自 动 安 装 网 络 监 视 器 驱 动 程 序 (2) 安 装 网 络 监 视 器 驱 动 程 序 1 网 络 监 视 器 驱 动 程 序 使 网 络 监 视 器 可 接 受 来 自 本 地 网 卡 的 帧 在 Windows 2000 Server 和 Professional 中 都 可 安 装 2 在 控 制 面 板 中 打 开 网 络 和 拨 号 连 接 单 击 开 始 指 向 设 置, 再 单 击 控 制 面 板, 然 后 双 击 网 络 和 拨 号 连 接 3 单 击 本 地 连 接, 单 击 文 件 菜 单, 然 后 单 击 属 性 4 在 本 地 连 接 属 性 对 话 框 中, 单 击 协 议, 然 后 单 击 添 加 5 在 选 择 网 络 组 建 类 型 对 话 框 中, 单 击 协 议, 然 后 单 击 添 加 6 在 选 择 网 络 协 议 对 话 框 中, 单 击 网 络 监 视 器 驱 动 程 序, 然 后 单 击 确 定 7 如 果 系 统 提 示 用 户 需 要 其 他 文 件, 请 插 入 Windows 2000 的 光 盘, 或 键 入 网 络 上 文 件 位 置 的 路 径 要 完 成 安 装 过 程, 必 须 登 录 为 管 理 员 或 管 理 组 成 员 还 可 能 需 先 断 开 与 网 络 的 连 接, 因 为 如 果 用 户 的 计 算 机 连 接 在 网 络 上, 则 网 络 规 则 设 置 也 可 能 会 禁 止 用 户 完 成 该 过 程 如 果 用 户 正 在 运 行 Windows 2000 Server, 用 户 可 以 使 用 网 络 监 视 器 显 示 并 分 析 网 络 监 视 器 驱 动 程 序 收 集 到 的 信 息

272 266 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 (3) 捕 获 网 络 数 据 网 络 监 视 器 复 制 帧 的 过 程 称 为 捕 获 可 以 捕 获 发 到 本 地 网 卡 或 从 本 地 网 卡 发 出 的 所 有 网 络 通 信, 也 可 以 设 置 一 个 捕 获 筛 选 器 来 捕 获 帧 的 子 集, 如 TCP 序 列 的 帧, 还 可 以 指 定 一 系 列 条 件 来 触 发 网 络 监 视 器 捕 获 筛 选 器 的 事 件 通 过 使 用 网 络 监 视 器 的 触 发 器, 网 络 监 视 器 可 以 实 时 响 应 网 络 上 的 事 件 例 如, 可 以 使 Windows 在 网 络 监 视 器 检 测 到 网 络 上 的 一 系 列 特 定 情 况 启 动 可 执 行 文 件 在 捕 获 数 据 之 后, 还 可 以 查 看 它 网 络 监 视 器 通 过 将 原 始 捕 获 数 据 转 化 为 它 的 逻 辑 帧 结 构, 从 而 可 进 行 许 多 数 据 分 析 工 作 网 络 监 视 器 使 用 网 络 驱 动 程 序 接 口 规 范 (NDIS) 功 能, 将 它 检 测 到 的 所 有 帧 复 制 到 捕 获 缓 存 中 捕 获 网 络 帧 的 操 作 步 骤 如 下 : 1 打 开 网 络 监 视 器 单 击 开 始, 指 向 设 置, 然 后 单 击 控 制 面 板, 双 击 管 理 工 具, 然 后 单 击 网 络 监 视 器 2 如 果 系 统 提 示 在 默 认 的 网 络 上 捕 获 帧, 那 么 请 选 择 在 默 认 情 况 下 想 要 捕 获 数 据 的 本 地 网 络 3 在 捕 获 菜 单 上 单 击 开 始 4 如 果 系 统 提 示 输 入 其 他 文 件, 请 插 入 Windows 2000 关 盘 或 者 键 入 网 络 上 文 件 位 置 的 路 径 (4) 显 示 捕 获 的 数 据 网 络 监 视 器 通 过 解 释 在 捕 获 过 程 中 收 集 的 原 始 数 据 以 及 在 帧 查 看 器 对 话 框 中 显 示 数 据 来 简 化 数 据 分 析 过 程 要 在 帧 查 看 器 对 话 框 中 显 示 捕 获 的 信 息, 请 在 进 行 捕 获 时 单 击 捕 获 菜 单 上 的 停 止 和 查 看 或 者 打 开 一 个 捕 获 文 件.cap 要 显 示 Network General Sniffer 捕 获 帧 的 数 据, 请 打 开 未 压 缩 的 Sniffer 文 件 要 查 看 压 缩 的 Sniffer 文 件, 请 在 Sniffer 中 打 开 此 文 件 然 后 以 不 压 缩 格 式 保 存 此 文 件 或 者 从 Network General 中 获 取 Sniffer 文 件 的 解 压 缩 工 具 帧 查 看 器 对 话 框 如 表 11-1 所 示 表 11-1 帧 查 看 器 窗 格 显 示 摘 要 详 细 信 息 十 六 进 制 已 捕 获 的 一 般 信 息, 按 捕 获 的 顺 序 排 列 帧 的 内 容, 包 含 发 送 此 帧 所 使 用 的 协 议 捕 获 数 据 的 十 六 进 制 和 ASCII 表 示 法 2. 事 件 查 看 器 使 用 事 件 查 看 器 可 以 监 视 各 种 硬 件 和 软 件 活 动 事 件 查 看 器 通 过 检 查 事 件 日 志 完 成 这 个 任 务, 事 件 日 志 记 录 应 用 程 序 系 统 和 安 全 事 件 例 如, 可 以 查 看 事 件 日 志, 检 查 动 态 主 机 配 置 协 议 服 务 (DHCP) 启 动 和 停 止 的 时 间 以

273 11.8 网 络 安 全 监 视 系 统 267 及 该 服 务 器 是 否 因 为 出 错 而 无 法 启 动 Windows 2000 系 统 以 3 种 日 志 方 式 记 录 事 件 : 1 应 用 程 序 日 志 : 应 用 程 序 日 志 包 含 由 应 用 程 序 或 系 统 程 序 记 录 的 事 件 例 如, 数 据 库 程 序 可 在 应 用 日 志 中 记 录 文 件 错 误, 程 序 开 发 员 决 定 记 录 哪 一 个 事 件 2 系 统 日 志 : 系 统 日 志 包 含 Windows 2000 的 系 统 组 件 记 录 的 事 件, 例 如, 在 启 动 过 程 将 加 载 的 驱 动 程 序 或 者 其 他 系 统 组 建 的 失 败 记 录 在 系 统 日 志 中 Windows 2000 预 先 确 定 由 系 统 组 件 记 录 的 事 件 类 型 3 安 全 日 志 : 安 全 日 志 可 以 记 录 安 全 事 件, 如 有 效 的 和 无 效 的 登 录 尝 试, 以 及 与 创 建 打 开 或 删 除 文 件 等 资 源 使 用 相 关 联 的 事 件 管 理 器 可 以 指 定 在 安 全 日 志 中 记 录 什 么 事 件 例 如, 如 果 用 户 已 启 用 登 录 审 核, 登 录 系 统 的 尝 试 将 记 录 在 安 全 日 志 里 事 件 查 看 器 显 示 下 述 事 件 的 类 型 1 错 误 : 重 要 的 问 题, 如 数 据 丢 失 或 功 能 丧 失 例 如, 如 果 在 启 动 过 程 中 某 个 服 务 加 载 失 败, 这 个 错 误 将 被 记 录 下 来 2 警 告 : 并 不 是 非 常 重 要, 但 是 可 能 说 明 将 来 的 潜 在 问 题 的 事 件 例 如, 当 磁 盘 空 间 不 足 时, 将 会 记 录 警 告 3 信 息 : 描 述 了 应 用 程 序 驱 动 程 序 或 服 务 的 成 功 操 作 的 事 件 例 如, 当 网 络 驱 动 程 序 加 载 成 功 时, 将 会 记 录 一 个 信 息 事 件 4 成 功 审 核 : 成 功 地 审 核 安 全 访 问 尝 试 例 如, 用 户 试 图 登 录 系 统 成 功 后 被 作 为 成 功 审 核 事 件 记 录 下 来 5 失 败 审 核 : 失 败 的 审 核 安 全 登 录 尝 试 例 如, 用 户 试 图 访 问 网 络 驱 动 器 并 失 败 了, 则 该 尝 试 将 会 作 为 失 败 审 核 事 件 记 录 下 来 启 动 Windows 2000 时,Event-Log 服 务 会 自 动 启 动 所 有 用 户 都 可 以 查 看 应 用 程 序 和 系 统 日 志, 但 只 有 管 理 员 才 能 访 问 安 全 日 志 在 默 认 的 情 况 下, 安 全 日 志 时 关 闭 的, 可 以 使 用 组 策 略 来 启 用 安 全 日 志 3. IPSec 监 视 器 IPSec 监 视 器 用 来 确 认 受 IPSec 安 全 体 制 保 护 的 通 信 是 否 成 功, 它 显 示 了 本 地 或 远 程 计 算 机 上 的 活 动 安 全 关 联 (SA) 例 如, 可 以 使 用 IPSec 监 视 器 来 确 定 是 否 有 身 份 验 证 或 SA 失 败 安 全 策 略 设 置 不 兼 容 或 身 份 验 证 方 法 不 匹 配 就 可 能 导 致 这 样 的 失 败 IPSec 监 视 器 可 以 在 本 地 计 算 机 上 运 行, 如 果 远 程 计 算 机 网 络 连 接, 也 可 以 远 程 运 行 启 动 IPSec 监 视 器 的 操 作 : 1 单 击 开 始, 然 后 单 击 运 行 2 键 入 ipsecmon Computername 其 中 Computername 是 要 监 视 的 计 算 机 名, 这 时 会 打 开 如 图 11-4 所 示 的 对 话 框

274 268 第 11 章 网 络 管 理 与 安 全 图 11-4 IP 安 全 监 视 器 对 话 框 3 单 击 选 项 可 设 置 刷 新 速 度, 默 认 值 是 15 s 每 一 个 动 态 安 全 关 联 都 显 示 一 个 条 目 每 个 条 目 中 的 信 息 包 括 活 动 IPSec 策 略 的 名 称, 活 动 筛 选 器 操 作 和 IP 筛 选 器 列 表 ( 包 括 活 动 筛 选 的 相 信 信 息 ), 如 果 指 定, 还 会 有 隧 道 端 点 IPSec 监 视 器 还 提 供 有 助 于 调 整 IPSec 性 能 和 排 除 故 障 的 许 多 统 计 信 息, 包 括 : 1 主 模 式 和 快 速 模 式 中 的 主 密 钥 和 会 话 密 钥 总 数, 成 功 的 安 全 关 联 最 初 将 创 建 一 个 主 密 钥 和 一 个 会 话 密 钥 ( 后 续 的 密 钥 重 新 生 成 并 显 示 未 附 加 密 钥 ) 2 发 送 或 接 受 的 加 密 (ESP) 字 节 总 数 或 验 证 过 的 (ESP 或 AH) 字 节 数 因 为 ESP 提 供 身 份 验 证 和 机 密 性, 所 以 两 个 计 算 器 值 都 增 加 3 软 关 联 总 数 对 话 框 刷 新 速 度 是 唯 一 可 配 置 的 选 项 默 认 情 况 下, 统 计 每 15 s 更 新 一 次 统 计 内 容 是 随 着 每 次 用 IPSec 的 通 信 累 积 的 4. 系 统 监 视 器 系 统 监 视 器 用 于 衡 量 自 己 计 算 机 或 网 络 中 其 他 计 算 机 的 性 能, 跟 踪 系 统 资 源 的 使 用 情 况, 测 试 应 用 程 序 使 用 系 统 资 源 的 情 况, 提 高 有 关 服 务 器 的 安 全 信 息 等 它 可 以 通 过 配 置 一 系 列 的 计 数 器 来 实 现 其 功 能, 系 统 监 视 器 可 以 : 1 收 集 并 查 看 本 地 计 算 机 或 多 台 远 程 计 算 机 上 的 实 时 性 能 数 据 2 查 看 计 数 器 日 志 中 当 前 或 以 前 搜 集 的 数 据 3 用 图 形 直 方 图 或 报 表 视 图 来 表 示 数 据 4 利 用 自 动 操 作 将 系 统 监 视 器 的 功 能 并 入 Microsoft Word 或 Microsoft office 套 件 中 的 其 他 应 用 程 序 5 在 性 能 视 图 下 创 建 HTML 页

275 11.8 网 络 安 全 监 视 系 统 创 建 可 使 用 Microsoft 管 理 控 制 台 在 其 他 计 算 机 上 安 装 的 并 可 重 新 使 用 的 监 视 配 置 系 统 监 视 器 科 研 通 过 下 列 方 式 定 义 要 求 搜 集 的 数 据 : 1 数 据 类 型 通 过 指 定 性 能 对 象 性 能 计 数 器 和 对 象 实 例 来 选 择 要 搜 集 的 数 据 一 些 对 象 提 供 有 关 系 统 资 源 ( 如 内 存 ) 的 数 据, 而 其 他 对 象 则 提 供 有 关 应 用 程 序 运 行 的 数 据 ( 如 计 算 机 中 正 在 运 行 的 系 统 服 务 或 Microsoft BackOffice 应 用 程 序 ) 2 数 据 源 系 统 监 视 器 可 以 从 本 地 计 算 机 或 网 络 上 用 户 所 拥 有 权 限 的 其 他 计 算 机 中 搜 集 数 据 ( 默 认 情 况 下, 应 该 拥 有 管 理 权 限 ) 此 外, 可 以 包 含 实 时 数 据 和 以 前 使 用 计 数 器 日 志 搜 集 的 数 据 3 采 样 参 数 系 统 监 视 器 支 持 根 据 需 要 手 动 采 样 或 根 据 指 定 的 时 间 间 隔 自 动 采 样 查 看 记 录 的 数 据 时, 还 可 以 实 时 选 择 开 始 和 停 止 的 时 间, 以 便 查 看 跨 越 特 定 时 间 范 围 的 数 据 系 统 监 视 器 还 可 以 灵 活 设 置 视 图 的 外 观

276 附 录 1 参 考 模 拟 试 卷 试 卷 一 一 选 择 题 1.OSI 模 型 的 工 作 是 作 为 一 个 ( ) A. 制 造 计 算 机 的 蓝 图 B. 功 能 准 则 C. 传 输 数 据 的 协 议 D. 所 有 其 他 组 织 向 它 汇 报 的 控 制 体 2. 当 数 据 分 组 从 低 层 向 高 层 传 送 时, 分 组 的 头 要 被 ( ) A. 加 上 B. 去 掉 C. 重 新 处 置 D. 修 改 3. 多 个 数 据 字 符 组 成 的 数 据 块 之 前, 以 一 个 或 多 个 同 步 字 符 SYN 作 为 开 始, 帧 尾 是 另 一 个 控 制 字 符, 这 种 传 输 方 案 称 为 ( ) A. 面 向 字 符 的 同 步 传 输 B. 异 步 传 输 C. 面 向 位 的 同 步 传 输 D. 起 止 式 传 输 4. 数 据 链 路 层 中 的 数 据 块 常 被 称 做 ( ) A. 信 息 B. 分 组 C. 帧 D. 比 特 流 5.ISO 为 运 输 层 定 义 了 4 种 类 型 的 服 务 原 语, 由 运 输 层 服 务 用 户 产 生 的 原 语 是 ( ) A. 请 求 原 语 指 示 原 语 B. 请 求 原 语 响 应 原 语 C. 指 示 原 语 确 认 原 语 D. 相 应 原 语 确 认 原 语 6. 表 示 层 的 功 能 是 ( ) A. 给 物 理 层 送 一 串 位 以 供 传 输 B. 在 屏 幕 上 显 示 数 据 以 供 用 户 查 看 C. 将 数 据 转 换 成 一 种 默 认 格 式 D. 上 述 全 是 7. ( ) 层 决 定 同 步 点 的 位 置 A. 数 据 链 路 层 B. 网 络 层 C. 会 话 层 D. 表 示 层 8.ATM 技 术 是 一 种 ( ) A. 类 似 于 高 速 电 话 交 换 的 包 交 换 技 术 B. 提 供 低 耗 数 据 传 输 的 串 行 电 缆 技 术 C. 允 许 数 据 在 非 高 峰 时 间 传 输 的 新 的 WAN 解 决 方 法 D. 提 供 类 似 以 太 网 特 性 的 光 缆 策 略

277 试 卷 一 千 兆 以 太 网 比 快 速 以 太 网 有 ( ) 数 据 传 输 率 和 ( ) 的 碰 撞 域 A. 高 大 B. 高 小 C. 低 大 D. 低 小 10.ISDN 中 2B+D 通 路 中 的 B 和 D 的 意 义 是 ( ) A.4 KHz 的 模 拟 话 路 和 内 部 信 令 B.64 Kbps 的 PCM 通 路 和 内 部 信 令 C.16 Kbps 的 数 字 通 路 和 带 外 信 令 D.64 Kbps 的 PCM 通 路 和 带 外 信 令 二 填 空 题 1. 信 息 交 换 方 式 有 3 种, 其 中 方 式 又 分 为 和 方 式 2. 计 算 机 网 络 的 三 个 组 成 部 分 是 和 3. 网 络 交 换 机 的 三 种 交 换 方 式 是 和 4. 对 于 一 个 大 中 型 网 络, 需 要 一 个 网 络 管 理 系 统 进 行 管 理 当 前 流 行 的 各 类 网 管 平 台 软 件 都 支 持 协 议 驻 留 在 的 网 管 平 台 软 件 可 以 通 过 该 协 议 调 阅 被 管 的 网 络 结 点 中 的 内 容 三 简 答 题 1. 说 明 曼 彻 斯 特 编 码 方 式 的 优 点 和 缺 点, 并 对 比 特 流 写 出 曼 彻 斯 特 的 编 码 图 示 2. 协 议 与 服 务 有 何 区 别? 有 何 关 系? 3. 若 两 台 计 算 机 通 过 一 条 M 的 同 轴 电 缆 链 接, 电 缆 的 时 延 特 性 为 4.33 us/km, 考 虑 与 延 时 有 关 的 其 他 因 素 38.5 us, 网 络 的 传 输 速 率 为 10 Mb/s, 假 设 在 检 测 到 总 线 空 时 站 点 就 发 送, 问 发 送 的 帧 的 最 短 长 度 是 多 少 字 节? 4. 若 生 成 多 项 式 为 x 3 +1, 信 息 比 特 多 项 式 为 x 6 +x 4 +1, 则 循 环 冗 余 码 的 校 验 码 是 多 少? 5. 设 某 路 由 器 建 立 了 如 下 的 路 由 表 : 此 路 由 器 可 以 直 接 从 接 口 0 和 接 口 1 转 发 分 组, 也 可 通 过 相 邻 的 路 由 器 R2 R3 和 R4 进 行 转 发 现 共 收 到 5 个 分 组, 其 目 的 站 IP 地 址 分 别 为 : (1) (2) (3) (4) (5) 分 别 计 算 其 下 一 站 6.SMTP 和 POP 协 议 都 是 我 们 在 中 经 常 用 到 的 协 议, 试 说 明 两 种 协 议 的 不 同 用 处

278 272 附 录 1 参 考 模 拟 试 卷 7. 什 么 是 虚 拟 局 域 网? 试 卷 二 一 选 择 题 1.OSI 模 型 的 任 何 给 定 层 都 会 给 报 文 加 上 一 个 报 头 ( ) A. 对 B. 错 2. 调 制 解 调 器 的 作 用 是 ( ) A. 传 送 数 字 信 号 B. 传 送 模 拟 信 号 C. 进 行 数 字 和 模 拟 信 号 转 换 D. 防 止 信 号 衰 减 3.SDLC HDLC 和 LLC 都 是 在 OSI 模 型 的 哪 一 层 上 操 作 的 协 议? A. 数 据 链 路 层 B. 网 络 层 C. 会 话 层 D. 表 示 层 4. 运 输 层 的 功 能 是 ( ) A. 移 动 数 据 通 过 多 个 网 络 B. 保 证 可 靠 的 数 据 传 送 C. 为 一 个 应 用 向 另 一 个 应 用 携 带 数 据 D. 以 上 都 不 是 5. 会 话 层 的 功 能 是 ( ) A. 将 数 据 转 换 成 物 理 层 可 以 理 解 的 一 串 1 和 0 B. 将 数 据 转 换 成 发 送 和 接 收 计 算 机 都 能 理 解 的 语 言 C. 将 数 据 以 一 种 可 靠 的 方 式 移 动 通 过 网 络 D. 维 持 网 络 应 用 之 间 的 对 话 6. 邮 件 服 务 和 目 录 服 务 是 通 过 ( ) 层 提 供 给 用 户 的 A. 数 据 链 路 层 B. 网 络 层 C. 会 话 层 D. 应 用 层 7.X.25 协 议 属 OSI( ) 层 上 的 操 作 A. 物 理 B. 数 据 链 路 C. 网 络 D. 以 上 全 是 8. 因 为 ATM( ) 即 信 元 沿 同 一 条 路 径 走, 信 元 一 般 不 会 失 序 A. 是 异 步 的 B. 是 多 路 复 用 的 C. 是 一 个 网 络 D. 用 虚 电 路 9.100Base-X 与 1000Base-T4 的 区 别 是 ( ) A. 数 据 传 输 率 B. 拓 扑 结 构 C. 帧 格 式 D. 工 作 站 和 HUB 之 间 的 电 缆 数 目 10. 局 域 网 功 能 的 两 个 方 面 是 ( ) A. 避 免 冲 突 和 冲 突 检 测 B. 避 免 冲 突 和 令 牌 传 递 C. 分 布 检 测 和 重 发

279 试 卷 三 273 D. 令 牌 传 递 和 分 布 检 测 二 填 空 题 1. 常 用 的 多 路 复 用 方 式 有 等 2. 一 个 网 络 可 分 为 两 个 子 网, 即 和 子 网 3.RIP 协 议 是 一 个 基 于 的 路 由 协 议,OSPF 协 议 也 称 为 协 议 4.ATM 的 信 元 总 长 是 个 字 节, 信 息 段 是 个 字 节 5. 影 响 局 域 网 络 的 3 个 主 要 因 素 是 和 三 简 答 题 1.HDLC 为 数 据 链 路 层 的 通 信 规 程 中,(1) 一 帧 的 信 息 字 段 I= 地 址 字 段 为 A= , 控 制 字 段 为 C= , 生 成 多 项 式 为 G(x)= x 4 +x+1, 求 出 CRC 校 验 码?(2) 设 有 一 原 始 数 据 码 为 , 试 问 在 传 输 线 路 上 的 数 据 码 是 什 么? 在 接 收 端 接 收 到 的 数 据 码 又 是 什 么? 2. 什 么 是 (N)-PDU,(N)-SDU? 它 们 相 互 有 什 么 关 系? 3. 试 描 述 防 火 墙 分 为 哪 几 种 类 型? 各 有 什 么 优 缺 点? 4. 假 设 一 个 网 桥 连 接 2 个 802.5(TOKEN RING)LAN, 如 下 图 所 示, 在 左 边 的 网 络 中 的 一 个 站 点 要 向 右 边 网 络 的 一 个 站 点 发 送 一 帧 数 据 网 桥 在 向 右 边 的 网 络 转 发 了 帧 的 拷 贝 后, 请 问 它 是 将 地 址 识 别 位 和 数 据 拷 贝 位 置 位 以 表 示 收 到 这 帧, 然 后 将 帧 发 送 到 左 边 网 络 的 下 一 个 站 呢 还 是 不 做 这 些 操 作 就 像 是 该 帧 丢 失 了 一 样 呢? 5. 快 速 以 太 网 的 出 现, 在 提 高 传 输 率 的 同 时, 帧 的 最 小 长 度 没 有 改 变, 那 么 其 传 输 速 率 的 提 高 是 以 什 么 为 代 价 的? 6. 解 释 URL 的 含 义, 并 给 出 几 个 不 同 的 实 例 说 明 具 体 的 URL 表 现 形 式 7. 在 以 太 网 的 帧 格 式 中, 为 什 么 有 一 个 填 充 字 段, 填 充 字 段 的 长 度 最 小 值 是 多 少? 最 小 值 在 什 么 情 况 下 出 现? 以 太 网 的 帧 长 度 最 小 是 多 少? 为 什 么 要 有 最 小 值? 试 卷 三 一 选 择 题 1. 当 数 据 从 设 备 A 向 设 备 B 传 送 时,A 的 第 5 层 信 息 的 头 被 B 的 ( ) 层 读 取 A. 应 用 层 B. 会 话 层

280 274 附 录 1 参 考 模 拟 试 卷 C. 网 络 层 D. 物 理 层 2. 物 理 层 的 职 责 是 ( ) A. 多 工 信 号 B. 将 位 组 合 成 帧 C. 将 数 据 从 一 个 网 络 段 移 到 另 一 个 网 络 段 D. 确 定 1 和 0 是 怎 样 将 电 或 电 磁 信 号 传 送 过 网 络 3.go back N ( 后 退 N) 差 错 处 理 策 略 和 选 择 重 发 的 区 别 主 要 是 ( ) A. 两 者 的 接 收 窗 口 不 一 样 B. 发 送 窗 口 不 一 样 C. 回 答 信 息 不 一 样 D. 计 时 器 超 时 不 一 样 4. 整 个 报 文 (message) 的 端 到 端 (end end ) 传 递 是 ( ) 层 的 事 情 A. 数 据 链 路 层 B. 网 络 层 C. 运 输 层 D. 表 示 层 5. 当 采 用 数 据 包 服 务 时, 负 责 端 到 端 的 流 量 控 制 的 是 ( ) A. 主 机 B. 通 信 子 网 C. 主 机 和 通 信 子 网 D. 交 换 机 6. 下 面 中 哪 个 不 是 TCP/IP 所 带 来 的 标 准 工 具? A.TELNET B.FTP C.FTAM D.SMTP 7.ATM 协 议 的 ( ) 层 将 其 他 网 络 接 收 到 数 据 重 组 A. 物 理 B.ATM C. 应 用 适 配 层 D. 数 据 适 配 层 8.IEEE802 规 范 主 要 与 OSI 模 型 的 哪 些 层 有 关? A. 较 低 的 4 层 B. 物 理 层 和 网 络 层 C. 物 理 层 和 数 据 链 路 层 D. 数 据 链 路 层 和 网 络 层 9.Ethernet 和 Token Ring 都 使 用 哪 一 种 交 换 技 术? A. 包 交 换 B. 消 息 交 换 C. 电 路 交 换 D. 上 述 都 不 是 10.xDSL 技 术 包 括 了 A.HFC B.ADSL C.ISDN D.SDH 二 填 空 题 1. 数 据 通 信 中 的 差 错 控 制 方 法 有 和 两 类 2. 网 络 协 议 的 3 个 要 素 是 和 子 网 3. 网 络 在 不 同 层 次 上 互 联 的 设 备 名 称 是 和 4. 计 算 机 之 所 以 可 以 通 过 Internet 互 相 通 信, 是 因 为 它 们 遵 循 了 一 套 共 同 的 Internet 协 议 这 套 协 议 的 核 心 是, 在 其 上 建 立 的 无 连 接 的 运 输 层 协 议 是, 万

281 试 卷 三 275 维 网 WWW 超 文 本 传 输 遵 循 协 议, 电 子 邮 件 传 输 遵 循 协 议 5. 数 据 包 交 换 有 两 种 类 型, 分 别 是 交 换 和 交 换 三 简 答 题 1.IEEE 802 协 议 中, 为 什 么 将 数 据 链 路 层 分 为 两 个 子 层? 2. 令 牌 环 网 的 数 据 传 送 率 为 4 Mb/s, 线 路 的 传 播 延 时 为 5 μs/km 那 么 1 bit 的 延 迟 相 当 于 多 长 的 线 路? 3. 说 出 一 个 情 况 说 明 若 不 经 过 3 次 握 手, 一 个 TCP 连 接 会 出 问 题? 4. 对 于 选 择 重 传 协 议, 发 送 窗 口 大 小 Wt 接 收 窗 口 大 小 Wr 和 序 号 比 特 数 n 之 间 的 关 系 是 什 么? 为 什 么? 5. 下 图 给 出 了 一 个 单 位 分 配 到 的 网 络 地 址 是 掩 码 是 单 位 管 理 员 将 本 单 位 的 网 络 又 分 成 了 3 个 子 网 如 果 你 是 网 管 人 员, 请 你 分 配 合 适 的 子 网 地 址 和 掩 码 主 机 (H1~H6) 地 址 和 路 由 器 (R1 R2) 地 址

282 附 录 2 词 汇 表 第 一 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 协 议 : Protocol, 指 通 信 双 方 通 信 时 遵 守 的 一 系 列 约 定 或 规 范 资 源 子 网 : 计 算 机 网 络 从 信 息 的 不 同 处 理 方 式 分 为 通 信 子 网 和 资 源 子 网, 资 源 子 网 指 互 联 的 主 机 对 面 向 用 户 的 信 息 进 行 处 理 的 实 体 的 集 合 通 信 子 网 : 控 制 信 息 在 网 络 上 从 一 方 传 递 到 另 一 方 的 软 硬 件 资 源 的 集 合 IMP: Interface Message Processor, 接 口 报 文 处 理 机, 指 通 信 子 网 中 对 信 息 进 行 转 发 的 设 备 节 点 存 储 转 发 : Store and Forward, 是 信 息 在 网 络 上 传 输 的 一 种 方 式, 指 信 息 包 从 一 个 通 信 节 点 发 送 到 另 一 个 通 信 节 点 时, 一 个 节 点 先 将 报 文 接 收 下 来, 等 转 发 的 线 路 空 闲 时 再 发 送 到 下 一 个 节 点 这 样 一 条 物 理 线 路 可 以 被 多 个 收 发 会 话 所 共 享 网 络 拓 扑 结 构 : 指 组 成 网 络 的 通 信 节 点 和 主 机 被 通 信 线 路 链 接 的 具 体 形 状 网 络 拓 扑 有 总 线 星 型 树 型 环 型 和 不 规 则 的 网 状 型 等 分 组 交 换 : 是 分 组 转 发 的 一 种 类 型, 分 组 就 是 将 要 发 送 的 报 文 分 成 长 度 固 定 的 格 式 进 行 存 储 转 发 的 数 据 单 元, 长 度 固 定 有 利 于 通 信 节 点 的 处 理 第 二 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 网 络 体 系 结 构 : 构 成 计 算 机 网 络 系 统 的 功 能 划 分 和 它 们 之 间 的 相 互 关 系 基 本 参 考 模 型 : 指 国 际 标 准 化 组 织 ISO 定 义 的 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型 (OSI/RM), 基 本 参 考 模 型 将 网 络 的 体 系 结 构 划 分 成 7 层, 俗 称 7 层 协 议 标 准 实 体 系 统 子 系 统 : OSI 参 考 模 型 中 的 几 个 术 语, 实 体 (Entity) 指 执 行 某 个 特 定 功 能 的 进 程 系 统 ( System) 指 网 络 上 执 行 全 部 功 能 的 集 合 子 系 统 指 执 行 某 一 层 功 能 的 实 体 的 集 合 TCP/IP 协 议 : 指 一 簇 协 议 的 集 合,Internet 采 用 的 协 议, 其 中 的 主 要 协 议 是 TCP( 传 输 控 制 协 议 ) 和 IP( 互 联 网 协 议 )

283 第 三 章 数 据 通 信 基 础 277 第 三 章 数 据 通 信 基 础 基 带 传 输 : 由 计 算 机 或 终 端 产 生 的 频 谱 从 零 开 始, 而 未 经 调 制 的 数 字 信 号 所 占 用 的 频 率 范 围 就 叫 基 本 频 带 ( 这 个 频 带 从 直 流 起 可 高 到 数 百 千 赫, 甚 至 若 干 兆 赫 ), 简 称 基 带 (Base Band), 这 种 数 字 信 号 就 称 基 带 信 号 传 送 数 据 时, 以 原 封 不 动 的 形 式, 把 基 带 信 号 送 入 线 路, 称 为 基 带 传 输 频 带 传 输 : 用 基 带 脉 冲 对 载 波 波 形 的 某 些 参 量 进 行 控 制, 使 这 些 参 量 随 基 带 脉 冲 变 化, 也 就 是 调 制, 经 过 调 制 的 信 号 称 为 已 调 信 号 已 调 信 号 通 过 线 路 传 输 到 接 收 端, 然 后 经 过 解 调 恢 复 为 原 始 基 带 脉 冲 传 送 数 据 时, 把 已 调 信 号 送 入 线 路, 称 为 频 带 传 输 模 拟 信 号 : 模 拟 信 号 是 一 种 连 续 变 化 的 信 号, 其 取 值 可 以 为 无 限 多 个 数 字 信 号 : 数 字 信 号 是 一 种 离 散 信 号, 只 包 含 有 限 数 目 的 预 定 值 数 字 信 号 从 一 个 值 到 另 一 个 值 的 转 换 是 瞬 时 发 生 的 同 步 传 输 : 在 同 步 传 输 方 式 中, 利 用 时 钟 的 同 步 使 发 送 和 接 收 装 置 之 间 的 定 时 不 发 生 误 差 使 时 钟 保 持 同 步 的 方 法 之 一, 是 在 接 收 装 置 和 发 送 装 置 之 间 采 用 单 独 的 时 钟 信 息, 称 为 同 步 法 另 一 种 方 法 是 将 定 时 信 号 包 含 在 数 据 信 号 中 发 送, 直 接 从 数 据 波 形 本 身 中 提 取 同 步 信 号, 称 自 同 步 法 同 步 传 输 又 分 为 面 向 字 符 方 式 和 面 向 比 特 方 式 异 步 传 输 : 在 异 步 传 输 方 式 中, 每 次 传 送 一 个 字 符 (5~8 位 ), 都 在 每 个 字 符 代 码 前 加 一 起 始 位, 表 示 该 字 符 代 码 的 开 始 在 字 符 和 校 验 码 后 加 一 停 止 位, 以 示 该 代 码 的 结 束, 所 以 又 称 起 止 式 同 步 波 特 : 波 特 表 示 每 秒 种 传 输 离 散 信 号 事 件 的 个 数 或 每 秒 信 号 电 平 的 变 化 次 数 也 即 波 特 所 表 示 的 是 调 制 速 度, 是 单 位 时 间 内 传 输 线 路 上 调 制 状 态 的 变 化 数 带 宽 : 在 通 信 信 道 上 可 以 传 输 的 频 率 范 围 称 带 宽 调 制 方 式 : 调 制 是 使 载 波 信 号 的 幅 度 频 率 或 相 位 ( 其 中 的 一 种 或 几 种 ) 随 发 送 信 号 变 化 的 过 程 常 见 的 调 制 方 式 有 幅 度 调 制 频 率 调 制 相 位 调 制 等 多 路 复 用 : 多 路 复 用 指 的 是 复 用 信 道, 即 是 利 用 一 个 物 理 信 道 同 时 传 输 多 个 信 号, 以 提 高 信 道 利 用 率, 使 得 一 条 线 路 能 同 时 由 多 个 用 户 使 用 而 互 不 影 响 时 分 多 路 复 用 : 时 分 多 路 复 用 是 将 传 输 信 号 的 时 间 进 行 分 割, 使 不 同 的 信 号 在 不 同 时 间 内 传 送, 即 将 整 个 传 输 时 间 分 为 许 多 时 间 间 隔 ( 称 为 时 隙 时 间 片 等,Slot Time), 每 个 时 间 片 被 一 路 信 号 占 用

284 278 附 录 2 词 汇 表 频 分 多 路 复 用 : 频 分 复 用 是 把 线 路 或 空 间 的 频 带 资 源 分 成 多 个 频 段 ( 带 ), 将 其 分 别 分 配 给 多 个 用 户, 每 个 用 户 终 端 的 数 据 通 过 分 配 给 它 的 子 通 路 ( 频 段 ) 传 输 波 分 多 路 复 用 : 在 光 纤 信 道 上 使 用 的 是 频 分 多 路 复 用 的 一 个 变 种, 即 波 分 多 路 复 用 不 同 的 信 号 使 用 不 同 波 长 的 光 波 在 光 纤 中 传 输 检 错 : 检 错 是 指 在 要 发 送 的 数 据 块 上 附 加 足 够 的 冗 余 信 息, 使 接 收 方 知 道 有 差 错 发 生, 给 出 错 误 指 示, 但 不 知 道 是 什 么 样 的 差 错 纠 错 : 纠 错 是 指 在 要 发 送 的 数 据 块 上 附 加 足 够 的 冗 余 信 息, 使 接 收 方 能 够 推 导 出 已 发 送 的 数 据 应 该 是 什 么 CRC 校 验 : CRC(Cyclic Redundancy Code) 校 验, 即 循 环 冗 余 校 验, 是 一 种 实 践 中 广 泛 采 用 的 检 错 方 法 曼 彻 斯 特 编 码,4B/5B 编 码 : 曼 彻 斯 特 编 码 在 每 个 比 特 间 隙 中 间 引 入 跃 迁 来 同 时 代 表 不 同 比 特 和 同 步 信 息 一 个 负 电 平 到 正 电 平 的 跳 变 代 表 比 特 1 而 一 个 正 电 平 到 负 电 平 的 跳 变 则 代 表 比 特 0 曼 彻 斯 特 编 码 的 缺 点 在 于 编 码 效 率 较 低, 只 有 50% 因 而 人 们 采 取 了 各 种 编 码 效 率 更 高 的 编 码 方 法,4B/5B 编 码 就 是 其 中 一 种 它 实 际 上 是 用 5 比 特 的 码 组 来 编 码 4 比 特 的 输 入 数 据, 其 特 点 是 每 个 5 比 特 码 组 中 不 含 多 于 3 个 0, 或 者 不 会 少 于 2 个 1 转 换 成 电 信 号 的 波 形 采 用 了 非 归 零 反 相 编 码 (NRZI) 方 式 第 四 章 OSI 下 三 层 RS232-C: 是 由 美 国 电 子 工 业 协 会 EIA 制 定 的 一 个 终 端 DTE 与 Modem(DCE) 间 的 物 理 层 接 口 标 准 DTE: DTE(Data Terminal Equipment) 是 数 据 终 端 设 备, 也 就 是 具 有 一 定 数 据 处 理 能 力 以 及 发 送 和 接 收 数 据 能 力 的 设 备 及 其 通 信 控 制 器 DCE: DCE(Data Circuit-Terminating Equipment) 是 数 据 电 路 端 接 设 备, 指 自 动 呼 叫 设 备, 调 制 解 调 器 (Modem) 以 及 其 他 一 些 中 间 装 置 的 集 合 帧 : 帧 是 具 有 一 定 长 度 和 格 式 的 信 息 块, 一 般 由 一 些 字 段 和 标 志 组 成 比 特 填 充 : 为 了 避 免 在 两 个 标 志 字 段 之 间 的 比 特 串 中 碰 巧 出 现 了 和 标 志 字 段 一 样 的 组 合, 从 而 造 成 被 误 认 为 是 帧 边 界 的 错 误, 可 以 采 用 比 特 填 充 法 具 体 做 法 是 : 在 发 送 端, 在 加 标 志 字 段 之 前, 先 对 比 特 串 扫 描, 若 发 现 5 个 连 续 的 1, 立 即 在 其 后 加 一 个 0 在 接 收 端 收 到 帧 后, 去 掉 头 尾 的 标 志 字 段, 对 比 特 串 进 行 扫 描, 当 发 现 5 个 连 续 的 1 时, 立 即 删 除 其 后 的 0, 这 样 就 还 原 成 原 来 的 比 特 流 了 透 明 传 输 :

285 第 五 章 运 输 层 279 透 明 传 输 就 是 不 管 所 传 数 据 是 什 么 样 的 比 特 组 合, 都 应 当 能 够 在 链 路 上 传 送 而 不 会 使 接 收 方 误 认 为 是 控 制 信 息 链 路 : 链 路 就 是 一 条 无 源 的 点 到 点 的 物 理 线 路 段, 中 间 没 有 任 何 其 他 的 交 换 节 点 数 据 链 路 : 数 据 链 路 是 链 路 的 硬 件 加 上 实 现 数 据 传 输 规 程 的 软 件 HDLC: HDLC(High-level Data Link Control) 是 一 个 面 向 位 的 数 据 链 路 层 协 议 滑 动 窗 口 : 滑 动 窗 口 是 数 据 链 路 层 的 流 量 控 制 协 议, 主 要 是 通 过 发 送 窗 口 和 接 收 窗 口 来 限 制 发 送 方 和 接 收 方 所 能 发 送 和 接 收 的 分 组 数 量 达 到 流 量 控 制 的 目 的 虚 电 路 : 分 组 交 换 的 一 种 方 式, 数 据 传 输 前, 需 要 建 立 一 条 由 发 送 方 到 接 收 方 的 虚 电 路, 所 有 分 组 将 沿 着 这 条 虚 电 路 转 发, 数 据 传 输 完 后 要 进 行 虚 电 路 拆 除 数 据 包 : 分 组 交 换 的 一 种 方 式, 所 有 分 组 独 立 转 发, 与 先 前 传 送 的 分 组 无 关 路 由 : 路 由 选 择 是 网 络 层 功 能 的 一 部 分, 负 责 确 定 所 收 到 的 分 组 应 传 送 的 外 出 路 线 即 在 具 有 许 多 节 点 的 广 域 网 里, 应 通 过 哪 条 通 路 才 能 将 数 据 从 源 主 机 传 到 所 要 通 信 的 目 的 主 机 RIP: RIP(Routing Information Protocol) 是 一 种 采 用 距 离 向 量 路 由 算 法 的 协 议 距 离 向 量 路 由 选 择 : 一 种 自 适 应 路 由 算 法, 路 由 器 通 过 向 邻 居 扩 散 它 所 知 道 的 路 由 使 得 所 有 路 由 器 找 到 到 达 其 他 路 由 器 的 最 短 路 径 链 路 状 态 路 由 选 择 : 一 种 自 适 应 路 由 算 法, 所 有 路 由 器 在 整 个 网 络 扩 散 它 的 邻 居 信 息, 路 由 器 根 据 这 些 信 息 构 造 出 整 个 网 络 的 拓 扑 结 构, 再 根 据 一 定 的 算 法 算 出 最 短 路 径 拥 塞 控 制 : 当 到 达 通 信 子 网 中 某 一 部 分 的 分 组 数 高 于 一 定 的 阈 值, 使 得 该 部 分 网 络 来 不 及 处 理 这 些 分 组 时, 就 会 使 这 部 分 以 至 整 个 网 络 的 性 能 下 降, 这 种 情 况 称 为 拥 塞 拥 塞 控 制 就 是 研 究 如 何 避 免 和 解 决 拥 塞 流 量 控 制 : 流 量 控 制 是 保 证 发 送 方 不 会 以 高 于 接 收 方 能 承 受 的 速 率 传 输 数 据, 一 般 采 用 接 收 方 向 发 送 方 发 送 反 馈 信 息 的 方 式 进 行 控 制 X.25: X.25 是 一 个 公 共 分 组 交 换 网 采 用 的 标 准 访 问 协 议, 它 定 义 了 DTE 和 DCE 通 信 时 下 三 层 的 交 换 信 息 的 格 式 和 意 义 第 五 章 运 输 层 运 输 服 务 质 量 : 运 输 层 依 据 会 话 层 的 服 务 质 量 (QoS,Quality of Service) 要 求, 选 择 适 当 的 网 络 层 服 务 和 运

286 280 附 录 2 词 汇 表 输 层 协 议, 以 便 提 供 可 靠 的 价 格 合 理 的 与 网 络 层 无 关 的 数 据 传 送 服 务 运 输 服 务 质 量 包 括 差 错 率 差 错 恢 复 能 力 吞 吐 率 延 时 费 用 等 残 留 差 错 率 : 残 留 差 错 是 指 网 络 实 体 不 可 检 测 的 差 错 残 留 差 错 率 反 映 了 网 络 层 的 差 错 检 测 能 力 服 务 访 问 点 SAP TSAP: (N) 层 实 体 向 (N+1) 层 实 体 提 供 服 务,(N+1) 层 实 体 向 (N) 层 实 体 请 求 服 务, 从 概 念 上 讲, 这 是 通 过 位 于 ( N ) 层 和 ( N+1) 层 的 界 面 上 的 服 务 访 问 点 (N)-SAP(N-Service Access Point ) 来 实 现 的 (N)-SAP 是 一 个 访 问 工 具, 由 一 组 服 务 元 素 和 抽 象 操 作 组 成, 并 由 ( N+1) 实 体 在 该 点 调 用 TSAP 是 指 传 输 服 务 访 问 点 (Transport SAP) 协 议 数 据 单 元 PDU TPDU: 已 建 立 起 连 接 的 同 层 对 等 (N) 实 体 间 交 换 信 息 的 单 元 称 为 (N) 协 议 数 据 单 元 (N )-PDU (( N ) Protocol Data Unit) TPDU 是 指 运 输 协 议 数 据 单 元 (Transport PDU) 服 务 原 语 : 服 务 的 请 求 与 提 供 是 通 过 在 服 务 访 问 点 SAP 上 服 务 原 语 (Primitive) 的 发 送 或 接 收 来 实 现 的 这 是 (N)- 服 务 用 户 与 (N)- 服 务 提 供 者 跨 服 务 访 问 点 (N)-SAP 进 行 交 互, 它 指 出 了 相 应 的 服 务 和 必 须 执 行 的 抽 象 操 作 服 务 原 语 是 一 种 原 子 动 作, 它 由 服 务 用 户 发 出 也 可 由 服 务 提 供 者 发 起 原 语 所 描 述 的 交 互 只 是 一 种 抽 象 交 互 方 式 交 互, 并 不 涉 及 交 互 实 体 在 服 务 访 问 点 N-SAP 上 如 何 具 体 交 换 信 息 第 六 章 OSI 高 三 层 协 议 同 步 点 : 同 步 是 在 发 生 了 错 误 或 不 符 合 协 议 的 情 况 下, 使 会 话 实 体 返 回 到 一 个 已 知 状 态 的 过 程 这 个 已 知 状 态 就 是 一 个 同 步 点, 同 步 点 分 为 主 同 步 点 和 次 同 步 点 活 动 : 活 动 用 于 区 别 数 据 传 送 的 不 同 逻 辑 工 作 段 每 次 活 动 可 以 看 成 一 次 独 立 的 数 据 传 送, 或 者 可 看 成 会 话 服 务 用 户 间 传 送 数 据 中 的 一 个 特 定 阶 段 令 牌 : 令 牌 是 会 话 连 接 的 属 性, 表 示 会 话 连 接 用 户 使 用 会 话 服 务 的 权 力 抽 象 语 法 : 在 实 际 的 计 算 机 中, 分 别 用 各 自 的 形 式 ( 局 部 语 法 ) 来 表 示 信 息 语 义 的,OSI 环 境 下, 将 信 息 表 示 标 准 化, 这 个 标 准 的 语 义 表 示 就 是 抽 象 语 法 传 送 语 法 : 由 应 用 实 体 提 交 来 的 抽 象 语 法 表 示 的 信 息 要 传 到 对 方 去, 需 要 对 信 息 进 行 编 码, 这 就 是 传 送 语 法 表 示 上 下 文 : 对 于 某 一 抽 象 语 法, 表 示 实 体 将 根 据 应 用 的 要 求, 选 择 适 当 的 传 送 语 法, 并 按 表 示 协 议 与 对 方 进 行 协 商, 最 后 确 定 适 当 的 传 送 语 法, 这 种 抽 象 语 法 与 传 送 语 法 对 应 关 系 称 为 表 示 上 下 文, 其 控 制 功 能 称 为 上 下 文 控 制 ASN.1: Abstract Syntax Notation One, 由 OSI 定 义 的 抽 象 语 法 的 表 示 法, 称 为 抽 象 语 法 记 法 1 公 共 应 用 服 务 元 素 CASE:

287 第 七 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 281 公 共 应 用 服 务 元 素 (CASE) 是 用 户 元 素 和 特 定 应 用 服 务 元 素 公 共 使 用 的 那 部 分 服 务 元 素, 因 此, 公 共 应 用 服 务 元 素 提 供 给 各 种 特 定 应 用 服 务 元 素 和 用 户 元 素 都 是 通 用 的 服 务, 这 些 服 务 均 与 应 用 的 性 质 无 关 特 定 访 问 服 务 元 素 SASE: 提 供 满 足 特 定 应 用 的 特 殊 需 求 能 力 的 服 务 元 素 MHS: 报 文 处 理 系 统 (Message Handling System), 是 OSI 参 考 模 型 应 用 层 所 支 持 的 一 种 应 用, 它 可 以 利 用 分 组 交 换 网 作 为 运 载 工 具, 传 递 包 括 文 本 话 音 图 象 二 进 制 数 据 等 多 种 类 型 的 报 文, 从 而 为 用 户 提 供 电 子 邮 件 服 务 FTAM: 文 件 传 送 访 问 和 管 理 (File Transfer Access and Management), 是 OSI 参 考 模 型 应 用 层 所 支 持 的 一 种 应 用, 规 定 了 在 不 同 的 系 统 之 间 传 送 访 问 和 管 理 文 件 而 要 进 行 转 换 的 标 准 第 七 章 局 域 网 体 系 结 构 及 应 用 LAN: Local Area Network, 局 域 网, 覆 盖 范 围 较 小 的 一 类 网 络, 通 常 指 一 个 大 楼 或 一 个 工 厂 的 范 围, 局 域 网 有 自 己 的 明 显 一 些 特 征 IEEE802 标 准 : IEEE 制 定 的 局 域 网 标 准, 包 括 CSMA/CD 令 牌 总 线 和 令 牌 环 等, 它 被 ANSI 接 受 为 美 国 国 家 标 准, 被 ISO 作 为 国 际 标 准 ( 称 为 ISO8802 标 准 ) CSMA/CD: Carry Sense Multiple Access/Collision Detection, 带 冲 突 检 测 的 载 波 侦 听 多 路 访 问, 是 局 域 网 采 用 的 一 种 总 线 竞 争 协 议 Ethernet: 以 太 网, 一 种 局 域 网 标 准, 与 IEEE802.3 标 准 基 本 相 似 FDDI: 光 纤 分 布 式 数 据 接 口 (Fiber Distributed Data Interface), 是 由 ANSI X3T9.5 委 员 会 负 责 制 定 的 标 准 该 标 准 规 定 了 一 个 100Mbps 光 纤 环 型 局 域 网 的 介 质 访 问 控 制 (MAC) 协 议 和 物 理 层 规 范 LLC: Logical Link Control, 逻 辑 链 路 控 制, 其 协 议 标 准 是 IEEE802.2 MAC: Media Access Control, 介 质 访 问 控 制 包 括 CSMA/CD,Token Ring,Token Bus 等 多 种 协 议 快 速 以 太 网 : 快 速 以 太 网, 是 指 最 大 数 据 传 输 速 率 能 达 到 100Mbps 的 以 太 网 技 术, 其 标 准 是 IEEE802.3u 高 速 以 太 网 : 是 指 最 大 数 据 传 输 速 率 能 达 到 1 Gbps 的 以 太 网 技 术, 其 标 准 是 IEEE802.3z 交 换 式 以 太 网 : 具 有 交 换 功 能 的 以 太 网 技 术, 其 交 换 设 备 是 以 太 网 交 换 集 线 器 或 以 太 网 交 换 机

288 282 附 录 2 词 汇 表 第 八 章 IP 网 络 协 议 及 技 术 IP 层 IP 层,Internet Protocol 层, 也 被 称 为 网 际 层 网 络 互 联 层 是 TCP/IP 模 型 的 关 键 部 分 它 的 功 能 是 使 主 机 可 以 把 IP 数 据 包 (Datagram) 发 往 任 何 网 络, 并 使 数 据 包 独 立 地 传 向 目 标 ( 中 途 可 能 经 由 不 同 的 网 络 ) IP 地 址 IP 地 址 是 网 络 协 议 地 址 (Internet Protcol address, IP) 的 简 称 用 于 Internet 上 主 机 的 唯 一 标 识 IP 数 据 包 IP 是 TCP/IP 协 议 族 中 最 为 核 心 的 协 议 所 有 的 TCP UDP ICMP 及 IGMP 数 据 都 以 IP 数 据 包 格 式 传 输 IP 数 据 包 与 硬 件 帧 有 类 似 的 基 本 格 式 : IP 数 据 包 也 是 以 一 个 头 部 开 始, 后 跟 数 据 区 重 组 在 所 有 的 段 的 基 础 上 重 新 产 生 原 数 据 包 的 过 程 叫 重 组 (Reassembly) ICMP TCP/IP 协 议 系 列 包 含 了 一 个 专 门 用 于 发 送 差 错 报 文 的 协 议, 这 一 协 议 就 叫 Internet 控 制 报 文 协 议 (ICMP, Internet Control Message Protocol) 该 协 议 对 IP 的 标 准 执 行 是 必 要 的 两 个 协 议 是 相 互 依 赖 的 :IP 在 发 送 一 个 差 错 报 文 时 要 用 到 ICMP, 而 ICMP 利 用 IP 来 传 递 报 文 Ipv6: Internet Protocol version 6,IP 协 议 版 本 6 IPv6 是 下 一 代 IP 协 议 它 对 IP 协 议 的 改 进 主 要 是 将 IP 地 址 扩 展 为 16 个 字 节 并 提 供 了 更 好 的 安 全 性 IPv6 曾 被 称 为 Ipng 第 九 章 TCP 和 UDP 协 议 TCP: Transmission Control Protocol, 传 输 控 制 协 议,TCP 协 议 将 数 据 分 成 可 被 IP 层 传 输 的 数 据 包 交 IP 层 传 送, 或 者 将 从 IP 层 收 到 的 数 据 包 重 新 组 合 为 完 整 的 消 息 并 进 行 校 验 TCP 工 作 在 ISO/OSI 的 第 四 层 即 运 输 层 UDP: User Datagram Protocol, 用 户 数 据 包 协 议 它 是 TCP/IP 协 议 中 的 非 连 接 协 议, 对 应 于 ISO/OSI 模 型 中 的 运 输 层 它 将 应 用 程 序 产 生 的 数 据 信 息 转 化 成 数 据 包, 然 后 经 由 IP 发 送 它 不 验 证 消 息 是 否 正 确 发 送, 其 可 靠 性 依 赖 于 产 生 消 息 的 应 用 程 序 自 身 第 十 章 应 用 层 协 议 HTTP: Hypertext Transfer Protocol, 超 级 文 本 传 输 协 议 用 于 在 Internet 上 访 问 信 息 的 客 户 机 / 服 务 器 协 议 DNS:

289 第 十 一 章 网 络 管 理 与 安 全 283 Domin Name System, 域 名 系 统, 或 者 Domin Name Service, 域 名 服 务 域 名 系 统 指 给 Internet 上 的 主 机 指 定 域 名 地 址, 同 时 可 使 其 也 具 有 IP 地 址 域 名 地 址 由 用 户 使 用 并 自 动 转 换 成 可 供 IP 包 路 由 软 件 使 用 的 数 据 形 式 的 IP 地 址 域 名 服 务 指 实 现 域 名 系 统 的 Internet 工 具 电 子 邮 件, 指 在 计 算 机 或 终 端 机 之 间 通 过 网 络 ( 局 域 网 或 Internet) 进 行 消 息 和 文 件 的 交 换 SMTP: Simple Mail Transfer Protocol, 简 单 邮 件 传 输 协 议, 是 TCP/IP 协 议 的 一 种, 用 于 在 网 络 上 从 一 台 计 算 机 向 另 一 台 计 算 机 发 送 消 息 该 协 议 典 型 地 用 于 Internet 上 对 电 子 邮 件 进 行 路 由 传 送 FTP: File Transfer Protocol 文 件 传 输 协 议, 一 种 在 基 于 TCP/IP 协 议 的 网 络 ( 如 Internet) 中 远 程 传 送 文 件 或 从 远 端 取 回 文 件 到 本 地 机 器 的 协 议 该 协 议 允 许 用 户 对 远 程 文 件 使 用 FTP 命 令 WWW: WWW(World Wide Web) 是 一 个 大 规 模 联 机 式 的 信 息 储 藏 所, 用 户 可 以 通 过 一 个 被 称 作 为 浏 览 器 (Browser) 的 交 互 式 应 用 程 序 来 查 找 浏 览 信 息 Intranet: 企 业 内 部 互 联 网 用 来 在 公 司 或 组 织 内 处 理 信 息 的 网 络 它 可 以 提 供 文 档 分 发 软 件 发 布 访 问 数 据 库 等 服 务, 并 且 使 用 了 Web Web 浏 览 器 FTP 服 务 电 子 邮 件 等 服 务 程 序 第 十 一 章 网 络 管 理 与 安 全 SNMP: Simple Network Management Protocol, 简 单 网 络 管 理 协 议, 它 能 实 时 地 监 测 和 维 护 从 小 型 的 局 域 网 到 大 型 的 互 联 网 在 网 络 正 常 运 行 时, 它 能 提 供 统 计 配 置 和 测 试 手 段 ; 而 当 网 络 出 现 故 障 或 异 常 时, 它 又 能 提 供 必 要 的 差 错 检 测 和 恢 复 功 能 SNMP 是 基 于 TCP/IP 的 网 络 管 理 协 议, 也 能 扩 展 到 其 他 类 型 的 网 络 设 备 上 SNMP 协 议 使 用 户 能 够 通 过 轮 询 设 置 一 些 关 键 字 和 监 视 一 些 网 络 事 件 来 达 到 网 络 管 理 目 的 它 工 作 在 TCP/IP 协 议 体 系 中 的 UDP 协 议 上 DES: Data Encryption Standard, 数 据 加 密 标 准 DES 体 制 属 于 常 规 密 钥 密 码 体 制 它 由 IBM 公 司 研 制, 于 1977 年 被 美 国 定 为 联 邦 信 息 标 准 DES 是 一 种 分 组 密 码 密 钥 : 设 已 知 信 息 m, 通 过 一 组 含 有 参 数 k 的 变 换 Ek 得 到 密 文 c, 即 : c=ek(m) 这 个 过 程 称 之 为 加 密, 参 数 k 被 称 为 密 钥 公 钥 : 在 非 对 称 加 密 体 系 中 使 用 的 两 种 密 钥 之 一 该 密 钥 是 公 开 的 它 和 相 应 的 私 钥 一 起 工 作 私 钥 : 在 非 对 称 加 密 体 系 中 使 用 的 两 种 密 钥 之 一 为 了 保 证 安 全 通 信, 只 有 私 钥 的 制 造 者 知 道 它 鉴 别 : 用 来 确 定 传 输 的 数 据 是 否 完 整 的 过 程, 特 别 是 用 来 确 定 消 息 的 完 整 性

290 284 附 录 2 词 汇 表 数 字 签 名 : 一 种 身 份 验 证 机 制 消 息 创 建 者 通 过 这 种 方 法 在 消 息 中 添 加 一 段 代 码, 这 段 代 码 就 是 签 名 这 种 签 名 能 够 说 明 消 息 的 来 源 并 保 证 消 息 的 完 整 性 防 火 墙 FireWall: 防 火 墙 是 一 类 防 范 措 施 的 总 称, 它 使 得 内 部 网 络 与 Internet 之 间 或 者 与 其 他 外 部 网 络 互 相 隔 离 限 制 网 络 互 访 用 来 保 护 内 部 网 络 防 火 墙 简 单 的 可 以 只 用 路 由 器 实 现, 复 杂 的 可 以 用 主 机 甚 至 一 个 子 网 来 实 现 设 置 防 火 墙 目 的 都 是 为 了 在 内 部 网 与 外 部 网 之 间 设 立 唯 一 的 通 道, 简 化 网 络 的 安 全 管 理 SSL: Secure Sockets Layer, 安 全 套 接 字 协 议 层, 由 Netscape Communication 开 发 的 一 个 推 荐 开 放 标 准, 使 用 了 公 用 密 钥 加 密 技 术, 用 于 建 立 一 个 安 全 的 通 信 通 道 以 防 止 对 敏 感 信 息 的 截 取 和 侦 听 安 全 套 接 字 层 的 设 计 包 括 实 现 与 其 他 Internet 服 务 的 协 商 工 作, 其 主 要 设 计 目 的 是 实 现 在 WWW 上 进 行 电 子 商 务 活 动