通信网络常用协议和基本作用

3．1．4　网络体系结构

1）通信协议与层次结构

从通信的硬件设备来看，有了终端、信道和交换设备就能接通两个用户了，但是要顺利地进行信息交换，或者说通信网要正常运转那是不够的。为了保证通信正常进行，必须事先做一些规定，而且通信双方要正确执行这些规定。例如，电话网中有规定的信令方式，数据通信中要有传输控制规程等。这种通信双方必须遵守的规则和约定称为协议或规程。

协议的要素包括语法、语义和定时。语法规定通信双方“如何讲”，即确定数据格式、数据码型、信号电平等；语义规定通信双方“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信息、执行什么动作和返回什么应答等；定时关系则规定事件执行的顺序，即确定链路通信过程中通信状态的变化，如规定正确的应答关系等。

可见，协议能协调网的运转，使之达到互通、互控和互换的目的。由于协议十分复杂，涉及面很广，因此在制定协议时经常采用分层法。分层法的核心思路是上一层的功能是建立在下一层的功能基础上，并且在每一层内均要遵守一定的规则。

层次和协议的集合称为网络的体系结构。体系结构应当具有足够的信息，以允许软件设计人员给每层编写实现该层协议的有关程序，即通信软件。许多计算机制造商都开发了自己的通信网络系统，例如IBM公司从20世纪60年代后期开始开发了它的系统网络体系结构（SNA），并于1974年宣布了SNA及其产品；数字设备公司（DEC）也发展了自己的网络体系结构（DNA）。各种通信体系结构的发展增强了系统成员之间的通信能力，但是同时也产生了不同厂家之间的通信障碍，因此迫切需要制定全世界统一的网络体系结构标准。国际标准化组织（ISO）吸取了IBM公司的SNA和其他计算机厂商的网络体系结构，提出了开放系统互连参考模型（OSI－RM），按照这个标准设计和建成的计算机网络系统都可以互相连接。

2）OSI－RM

OSI－RM如图3．6所示。它采用分层结构化技术，将整个网络的通信功能分为7层。由低层至高层分别是:物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层。每一层都有特定的功能，并且上一层利用下一层的功能所提供的服务。

图3．6　OSI－RM

在OSI－RM中，各层的数据并不是从一端的第N层直接送到另一端的，第N层的数据在垂直的层次中自上而下地逐层传递直至物理层，在物理层的两个端点进行物理通信，我们把这种通信称为实通信。而对等层由于通信并不是直接进行，因而称为虚拟通信。

应该指出，OSI－RM只是提供了一个抽象的体系结构，从而根据它研究各项标准，并在这些标准的基础上设计系统。开放系统的外部特性必须符合OSI－RM，而各个系统的内部功能是不受限制的。

各层功能如下。

（1）物理层

物理层主要讨论在通信线路上比特流的传输问题。这一层协议描述传输介质的电气、机械、功能和过程的特性。其典型的设计问题有:信号的发送电平、码元宽度、线路码型、物理连接器插脚的数量、插脚的功能、物理拓扑结构、物理连接的建立和终止、传输方式等。

（2）数据链路层

数据路层主要讨论在数据链路上帧流的传输问题。这一层协议的内容包括:帧的格式、帧的类型、比特填充技术、数据链路的建立和终止信息流量控制、差错控制、向物理层报告一个不可恢复的错误等。这一层协议的目的是保障在相邻的站与节点或节点与节点之间正确地、有次序和有节奏地传输数据帧。常见的数据链路协议有两类:一类是面向字符的传输控制规程，如基本型传输控制规程（BSC）；另一类是面向比特的传输控制规程，如高级数据链路控制规程（HDLC）。主要是后一类。

（3）网络层

网络层主要处理分组在网络中的传输。这一层协议的功能是:路由选择、数据交换、网络连接的建立、终止一个给定的数据链路上网络连接的复用、根据从数据链路层来的错误报告而进行的错误检测和恢复、分组的排序、信息流的控制等。网络层的典型例子是ITU－TX．25建议的第3层标准。

（4）运输层

运输层是第1个端到端的层次，也就是计算机－计算机的层次。这一层的功能是:把运输层的地址变换为网络层的地址、运输连接的建立和终止、在网络连接上对运输连接进行多路复用、端－端的次序控制、信息流控制、错误的检测和恢复等。

（5）会话层

会话层是指用户与用户的连接，它通过在两台计算机间建立、管理和终止通信来完成对话。会话层的主要功能是:在建立会活时核实双方身份是否有权参加会活；确定何方支付通信费用；双方在各种选择功能方面（如全双工还是半双工通信）取得一致；在会话建立以后，需要对进程间的对话进行管理与控制，例如对话过程中某个环节出了故障，会话层在可能条件下必须存储这个对话的数据，使不丢失数据，如不能保留，那么终止这个对话，并重新开始。

（6）表示层

表示层主要处理应用实体间交换数据的语法，其目的是解决格式和数据表示的差别，从而为应用层提供一个一致的数据格式，如文本压缩、数据加密、字符编码的转换，从而使字符、格式等有差异的设备之间相互通信。

（7）应用层

应用层与提供网络服务相关，这些服务包括文件传送、打印服务、数据库服务、电子邮件等。应用层提供了一个应用网络通信的接口。

智能照明控制系统网络模型一般只用2层或3层。例如控制器局域网（CAN）总线就只用应用层、数据链路层和物理层，其与OSI－RM的对照如图3．7所示。

图3．7　OSI－RM对应的CAN总线网络