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计算机通讯网络的组成和主要层级原理

来源:原创论文网 添加时间:2019-08-09

  摘要:本文主要介绍了计算机通讯网络的组成, 七层模型的搭建, 每一层模型的物理组成、数据封装、协议介绍和功能介绍, 指出工业控制环境中通讯信号存在的问题和弊端。

  关键词:网络搭建; 网络分层; 信号通讯; 工控环境;

通讯工程论文

  1 计算机网络的组成

  计算机网络模型一般分为7层结构, 每层都可以有几个子层。7层从上到下分别是:7应用层、6表示层、5会话层、4运输层、3网络层、2数据链路层、1物理层;其中高层 (即7、6、5、4层) 定义了应用程序的功能, 下面3层 (即3、2、1层) 主要面向通过网络的端到端的数据流。

  物理层:信号传输的媒体。该物理媒体 (physical medium) 可以具有多种形状和形式, 并且对沿途的每个传输器-接收器而言不必具有相同的类型。物理媒体的例子包括双绞铜线、同轴电缆、多模光纤缆、陆地无线电频谱和卫星无线电频谱。物理媒体划分为两类:引导型媒体 (guided media) 和非引导型媒体 (unguided media) 。对于引导型媒体, 电波沿着固定媒体前行, 如光缆、双绞铜线和同轴电缆。对于非引导型媒体, 电波在空气或外层空间中传播, 例如在无线局域网或数字卫星频道中。物理层的任务是将每帧数据中的一个一个比特从一个节点移动到下一个节点。该层的协议是与链路相关的, 并且与实际传输媒体相关。

  链路层:链路层提供的服务取决于该链路的特定链路层协议。某些协议提供基于链路的可靠传递, 但其不同于运输层的TCP, TCP提供从一个端系统到另外一个端系统的可靠交付。但是一个数据报 (datagram) 从源到目的地传送通常需要经过几条链路, 一个数据报可能被沿途不同链路上的不同链路层协议处理。链路层分组一般称为帧 (frame) 。

  网络层:网络层分组一般称为数据报 (datagram) , 网络层负责将数据报从一台主机移动到另一台主机。源主机中的运输层协议 (TCP或者UDP) 向网络层递交报文段和目的地址。网络层包含了IP协议, 该协议定义了数据报中的各个字段以及端系统和路由器如何作用于这些字段。IP是网络连接在一起的粘合剂。

  运输层:运输层在应用程序之间输送应用层报文。因特网中有2个运输协议, 即TCP和UDP, 利用其中的任一个都能运输应用层报文。TCP向它的应用程序提供了面向连接的服务。运输层分组成为报文段 (segment) 。

  会话层:它定义了如何开始、控制和结束一个会话, 包括对多个双向消息的控制和管理, 以便在只完成连续消息的一部分时可以通知应用, 从而使表示层看到的数据是连续的, 在某些情况下, 如果表示层收到了所有的数据, 则用数据代表表示层。示例:RPC, SQL等。

  表示层:这一层的主要功能是定义数据格式及加密。例如, FTP允许你选择以二进制或ASCII格式传输。如果选择二进制, 那么发送方和接收方不改变文件的内容。如果选择ASCII格式, 发送方将把文本从发送方的字符集转换成标准的ASCII后发送数据。在接收方将标准的ASCII转换成接收方计算机的字符集。示例:加密, ASCII等。

  应用层:应用层协议分布在多个端系统上, 一个端系统中的应用程序使用协议与另一个端系统中的应用程序交换信息。应用层的信息分组成为报文 (message) 。

  2 主要层级原理概述

  2.1 链路层

  成帧 (framing) 。在每个网络层数据报经链路传送之前, 几乎所有的链路层协议都要将其用链路层帧封装起来。一个帧由一个数据字段和若干首部字段组成, 其中网络层数据报就插在数据字段中。帧的结构由链路层协议规定。

  链路接入。媒体访问控制 (M e中u m A c c e s s Control, MAC) 协议规定了帧在链路上传输的规则。链路的一端仅有一个发送方、链路的另一端仅有一个接收方的点对点链路, MAC协议比较简单 (或者不存在) , 即无论何时链路空闲, 发送方都能够发送帧。更有趣的情况是当多个结点共享单个广播链路时, 即所谓多路访问问题。这里, MAC协议用于协调多个结点的帧传输。

  可靠交付。当链路层协议提供可靠交付服务时, 它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。链路层的可靠交付服务通常是通过确认和重传取得的。链路层可靠交付服务通常用于易于产生高差错率的链路, 例如无线链路, 其目的是本地 (也就是在差错发生的链路上) 纠正一个差错, 而不是通过运输层或应用层协议迫使进行端到端的数据重传。然而, 对于低比特差错的链路, 包括光纤、同轴电缆和许多双绞铜线链路, 链路层可靠交付可能会被认为是一种不必要的开销。由于这个原因, 许多有线的链路层协议不提供可靠交付服务。

  差错检测和纠正。当帧中的一个比特作为1传输时, 接收方结点中的链路层硬件可能不正确地将其判断为0, 反之亦然。这种比特差错是由信号衰减和电磁噪声导致的。因为没有必要转发一个有差错的数据报, 所以许多链路层协议提供一种机制来检测这样的比特差错。通过让发送结点在帧中包括差错检测比特, 让接收结点进行差错检查, 以此来完成这项工作。

  2.2 网络层

  转发。当一个分组到达路由器的一条输入链路时, 路由器必须将该分组移动到适当的输出链路。

  路由选择。当分组从发送方流向接收方时, 网络层必须决定这些分组所采用的路由或路径。计算这些路径的算法被称为路由选择算法 (routing algorithm) 。

  2.3 运输层

  运输层协议有两种。一种是UDP (用户数据报协议) , 它为调用它的应用程序提供了一种不可靠、无连接的服务。另一种是TCP (传输控制协议) , 它为调用它的应用程序提供了一种可靠的、面向连接的服务。UDP和TCP最基本的责任是, 将两个端系统间IP的交付服务扩展为运行在端系统上的两个进程之间的交付服务。将主机间交付扩展到进程间交付被称为运输层的多路复用 (transport-layer multiple) 与多路分解 (demultiplexing) 。我们将在下一节讨论运输层的多路复用与多路分解。UDP和TCP还可以通过在其报文段首部中包括差错检查字段而提供完整性检查。进程到进程的数据交付和差错检查是两种最低限度的运输层服务, 也是UDP所能提供的仅有的两种服务。UDP是一种不可靠的服务, 即不能保证一个进程所发送的数据能够完整无缺地 (或全部!) 到达目的进程。TCP为应用程序提供了几种附加服务。首先, 它提供可靠数据传输 (reliable data transfer) 。通过使用流址控制、序号、确认和定时器 (本章将详细介绍这些技术) , TCP确保正确地、按序地将数据从发送进程交付给接收进程。这样, TCP就将两个端系统间的不可靠IP服务转换成了一种进程间的可靠数据传输服务。TCP还提供拥塞控制 (conge::.tion control) 。拥塞控制与其说是一种提供给调用它的应用程序的服务, 不如说是一种提供给整个因特网的服务, 这是一种带来通用好处的服务。不太严格地说, TCP拥塞控制防止任何一条TCP连接用过多流址来淹没通信主机之间的链路和交换设备TCP力求为每个通过一条拥塞网络链路的连接平等地共享网络链路带宽。这可以通过调节TCP连接的发送端发送进网络的流址速率来做到。在另一方面, UDP流批是不可调节的。使用UDP传输的应用程序可以根据其需要以其愿意的任何速率发送数据。

  3 通讯传输存在的问题

  有线信号在物理媒介中传输时, 会有一部分在传输过程中衰减, 通讯信号在编码之后成为高低电波传输时, 衰减带来的影响更大。无线信号在传输过程中更会受到天气、粉尘等的影响。工业控制环境更加复杂多变, 其中各种配电元器件带来的电磁干扰也更加强烈, 这对于通讯传输也是不小的挑战。

  在链路层、网络层、运输层或应用层的可靠数据传送, 都需要许多重要的特定协议。但这些协议都不是完美无缺的。其纠错机制在使用过程仍然有不足的地方导致传输数据出现问题。相比模拟量信号, 其稳定性不够。

  参考文献
  [1] James F.Kurose Keith W.Ross.计算机网络自顶向下法
  [2] 姚羽, 祝烈煌, 武传坤.工业控制网络安全技术与实践
  [3] 数据通信.William Stallings Thomas Case

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