网络体系结构协议设计浅析

网络体系结构协议浅析

77队吴朔桐

概述：计算机网络是一个涉及计算机技术、通信技术等多个领域的复杂的系统，现在已经渗透到日常生活的各个领域之中。如此庞大复杂的系统要有效而可靠的运行，网络中各个部分就必须遵守一整套合理而严格的结构化管理规则。计算机网络就是按照高度结构化的方法，采用功能分层原理实现，计算机网络中同层之间进行数据交换而建立的规则标准或约定称之为协议。本文重点研究位于数据链路层、网络层和传输层的协议设计要点、工作原理以及在相关协议日常生活中的应用举例。

关键词：协议 差错控制 流量控制

计算机网络中包含多种类型的计算机，它们的硬件系统和软件系统各不相同，为了使这些计算机之间能够相互通信，就必须有一套通信管理机制使通信双方能够有效的发送和接收信息，从而定义了同层数据传输需要遵守的规则，即协议的概念。协议通常有三部分组成：语法、语义和交换规则。在不同层网络体系结构中协议的语法、语义和交换规则各不相同，但总体上协议的设计要点主要围绕以下几个方面：

（1）数据传输需要一种体制标识发送方和接收方 （2）数据传输过程中是否需要优先级标识

（3）数据传输是否要进行差错控制，采用何种机制进行差控 （4）数据传输是否要保持报文顺序，进行按序接收 （5）数据传输采取何种机制进行流量控制，避免数据淹没 （6）接收方如何进行数据校验，确保正确接收数据

一、数据链路层协议

数据链路层位于网络体系结构中第二层，在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其基本服务是将发送方来自网络层的数据可靠的传输给接收方的网络层。数据链路层必须具备一系列相应的功能，它们主要有：如何将数据组合成

数据块，在数据链路层中将这种数据块称为帧，帧是数据链路层的传送单位；如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使之与接收方相匹配；在两个网路实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放管理。

数据链路层进行数据传输的数据格式为帧，成帧的主要方法包括字符计数法、字符填充法、位填充法和物理层编码违例法，在这里不做过多论述。重点介绍数据链路层流量控制、差错控制、链路管理的实现方法、相关协议及其基本工作原理，并对局域网和无线网络如何实现共享介质访问控制的基本协议作以简要介绍。

（一）停止等待协议 1、完全理想化的数据传输 （1）假设条件

a．理想信道，无传输错误，数据也不丢失； b．发送方任意速度发送，接收方来得及接收。 （2）结论

不需要流量控制、差错控制

2、 具有简单流量控制的停止等待协议 （1）假设条件 线路可靠 ,无传输错误 （2）结论 a. 需要流量控制

b. 基本工作原理是发送方发出一帧数据，然后停止发送，等待接收方发送确认帧，收到确认帧后才能接着发出下一帧。

3、实用的停止等待协议 （1）假设条件

a．信道不可靠，数据在传输过程中有可能出错、丢失； b．接收方不一定来得及接收。 （2）结论

a．需要流量控制、差错控制

b．传输错误: 接收方通过对差错编码(奇偶校验码或CRC码)的检查，可以判定一帧在传输过程中是否发生了差错。一旦发现差错，一般可以采用反馈重发的方法来纠正。这就要求接受方收完一帧后，向发送方反馈一个接收是否正确的信息，使发送方据此做出是否需要重新发送的决定。发送方仅当收到接收方以正确接收的反馈信号后才能认为该帧已经正确发送完毕，否则需要重发直至正确为止。

c．帧丢失: 在非理想信道的情况下，发送方发出数据后，由于信道噪声干扰，接收方没有收到数据帧或者接收方收到数据后返回的确认帧或否认帧丢失，造成发送方始终处于等待状态，陷入“死等”，因此引入计时器概念，当发送方发送数时，同时启动计时器，一定时间内没有收到接收方对该帧的判断信号，则计时器超时，重发数据帧。

d．重复帧: 伴随数据重发又引入新的问题，当接收方收到数据无误并返回确认帧、确认帧由于信道干扰丢失时，发送方重新发送该数据帧，而则接收方收到重复数据并交给网络层 ，导致协议失败。因此可以采用对发送的帧编号的方法，即赋予每帧一个序号，从而使接收方能从该序号来区分是新发送来的帧还是已经接受但又重发来的帧，以此来确定要不要将接收到的帧递交给网络层。

4、应用举例：A需要给B在自动提款机上转账2万元，由于每次最多转3000元，所以需要分多次转账。A、B约定，B每次收到钱后给A发送短信，类似于停止等待工作原理。在转账之后，A收到B确认短信,A继续转账，完成几次之后，在某一次没有收到B的确认短信，于是等待。等待一段时间后，查询余额发现转账失败，于是重新转账，再次收到B确认短信。

（二）连续ARQ协议 1、 连续ARQ协议的工作原理

（1）发送方连续发送若干个(有限制)数据帧(有编号)。应答帧给出确认或否认的帧号；

（2）对于出现差错的帧，接收方可以反馈一个否认帧NAK，也可以不作反

应(将超时重发)；出错的帧及其以后的帧都将被丢弃；

（3）发送方将从出错的帧开始，对出错的帧及其以后发送的帧进行重发。 2、应用举例：对要求精度非常严格的弹药壁厚度分批次进行抽样检测，要求每一批样品合格率均达到98%，经过抽样计算，某批次样品不能符合该条件，根据数理统计的相关概念，则需要将该批次所有产品重新制作。

（三）滑动窗口协议

使用滑动窗口的原因 ：连续发送的帧过多，可能导致要重传的帧的数量增多；用于帧编号的数据位数是有限的。因此，必须对已经发出，但未获得确认的帧的数量——使用滑动窗口——进行限制。使用有限的几个比特对帧进行编号，循环使用帧序号。

1．发送窗口

作用：发送窗口用于对发送方进行流量控制。

发送窗口大小WT：WT代表在没有收到接收方确认信息的情况下发送方可以连续发送的最大帧数。

只有当WTn-1(其中n是帧编号所用比特数)时，ARQ协议才能正确运行。 对于停止等待协议，WT=1。

确认帧：连续收到几个正确的帧后，仅对最后一帧确认，表示此前的帧已经正确接收。

2．接收窗口

作用：只能接收帧序号落在接收窗口范围之内。 接收窗口大小WR：对于连续ARQ协议，WR=1。

因为窗口是滑动的，所以这种流量控制机制叫做滑动窗口协议。 （四）选择重传ARQ协议 1、基本思想

a．只重发那些出错或超时的帧；

b．要加大接收窗口，以便先收下帧序号不连续但仍然处在接收窗口的帧； c．收发双方都需要配臵较大的发送缓冲区。

2、接收窗口设臵 （1）基本原则

a.接收窗口不能大于发送窗口

b．接收窗口大小WR的最大值--WR<=2n/2，n是帧序号编码所用的比特数。 4、应用举例：

（1）家庭装修过程中，根据时间节点进行验收，发现不合格地方，比如瓷砖贴缝过大、地面不平等，依据不合格部位，要求施工方重新装修，直到达到用户需求为止。

（2）学科结业考试，针对不合格人员要求重修补考，直到考试合格为止。 （五）HDLC协议 1、帧格式

完整的HDLC帧由标志字段(F)、地址字段(A)、控制字段(C)、信息字段(I)、帧校验序列字段(FCS)等组成，其格式如下：

帧校验

标志 F 01111110 地址 A 8位 控制 C 8位 信息

序列

I N位 FCS 16位 标志 F 0 …… 此处隐藏：1680字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……