工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術教案第1頁課程題目第4講現(xiàn)場總線網(wǎng)絡基礎（2）OSI和TCP/IP參考模型、網(wǎng)絡體系結構內(nèi)的標準化、網(wǎng)絡拓撲結構、介質(zhì)訪問控制方式課時2學時教學目的：1．掌握OSI和TCP/IP參考模型、網(wǎng)絡體系結構內(nèi)的標準化；2．掌握網(wǎng)絡拓撲結構、介質(zhì)訪問控制方式。教學重點與難點：重點：OSI和TCP/IP參考模型、介質(zhì)訪問控制方式；難點：介質(zhì)訪問控制方式。教學方法與手段：方法：講授法；手段：課堂教學。教學內(nèi)容與課時分配：1．OSI和TCP/IP參考模型、網(wǎng)絡體系結構內(nèi)的標準化；1學時2．網(wǎng)絡拓撲結構、介質(zhì)訪問控制方式。1學時教具：作業(yè)與思考：教學后記：備注教學內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術教案第12頁備注教學內(nèi)容第4講現(xiàn)場總線網(wǎng)絡基礎（2）一、OSI和TCP/IP參考模型1.OSI參考模型OSI（OpenSystemsInterconnection，開放系統(tǒng)互連）模型共有7層，其分層原則如下：1）應該在需要一個不同抽象體的地方創(chuàng)建一層。2）每一層都應該執(zhí)行一個明確定義的功能。3）每一層功能的選擇應該向定義國際標準化協(xié)議的目標看齊。4）層與層邊界的選擇應該使跨越接口的信息流最小。5）層數(shù)應該足夠多，以保證不同的功能不會被混雜在同一層中；但同時層數(shù)又不能太多，以免體系結構變得過于龐大。圖2-17OSI參考模型表2-1OSI各層名稱及功能7應用層（applicationlayer）完成業(yè)務處理所需的服務功能，如文件傳輸、電子郵件等。6表示層(presentationlayer）提供應用數(shù)據(jù)的信息表示，數(shù)據(jù)編碼。5會話層（sessionlayer）允許不同機器上的用戶建立會話。對話控制、令牌管理、同步功能。4傳輸層（transportlayer）為源和目的主機提供透明數(shù)據(jù)傳輸。連接建立與刪除、多路復用、報文分段與重組、流量控制。3網(wǎng)絡層（networklayer）支持網(wǎng)絡連接的實現(xiàn)。路由選擇，擁塞控制，記賬，異種網(wǎng)絡互連。2數(shù)據(jù)鏈路層（datalinklayer）建立、維護、釋放數(shù)據(jù)鏈路連接，成幀/拆幀、發(fā)送/接收、差錯檢測與控制、流量控制、MAC、產(chǎn)生和識別幀邊界。1物理層（physicallayer）物理連接的建立、拆除，物理層管理等，實現(xiàn)透明比特流傳輸。處理機械的、電氣的和過程的接口。圖2-18OSI模型使用舉例2.TCP／IP參考模型圖2-19TCP／IP參考模型表2-2TCP/IP各層名稱及功能應用層（applicationlayer）包含所有高層協(xié)議，如：Telnet、FTP、SMTP、DNS、NNTP、HTTP等。傳輸層（transportlayer）(TCP協(xié)議簇)使源和目的主機之間可以進行會話。定義了2個端到端協(xié)議：面向連接的傳輸控制協(xié)議（TCP，TransportControlProtocol）（排序和流量控制）；無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP，UserDatagramProtocol）?；ヂ?lián)網(wǎng)層（internetlayer）(IP協(xié)議簇)無連接的分組交換網(wǎng)絡，此層中主機可把報文發(fā)往任何網(wǎng)絡，報文獨立傳向目標。分組路由、避免阻塞。主機與傳輸線路接（linklayer）沒有詳細定義。圖2-20TCP/IP模型及一些協(xié)議3.OSI參考模型和TCP／IP參考模型的比較：共同點：1）都以協(xié)議棧概念為基礎，并且協(xié)議棧中的協(xié)議彼此相互獨立。2）兩個模型中各個層的功能也大致相似。3）傳輸層之上的各層都是傳輸層服務的用戶，且是面向應用的。4）OSI模型的核心是如下3個概念：a、服務；b、接口；c、協(xié)議。不同點：1）TCP/IP參考模型最初沒有明確區(qū)分服務、接口和協(xié)議，例如，互聯(lián)網(wǎng)層提供的真正服務只是發(fā)送IP數(shù)據(jù)包和接收IP數(shù)據(jù)包。2）OSI模型中的協(xié)議比TCP／IP參考模型的協(xié)議具有更好的隱藏性，在技術發(fā)生變化時能相對比較容易地替換掉。最初把協(xié)議分層的主要目的之一就是能做這樣的替換。3）OSI參考模型產(chǎn)生在協(xié)議發(fā)明之前。這意味著該模型沒有偏向于任何特定的協(xié)議，因此非常通用。不利的方面是設計者在協(xié)議方面沒有太多的經(jīng)驗，因此不知道該把哪些功能放到哪一層最好。4）TCP／IP卻正好相反。首先出現(xiàn)的是協(xié)議，模型實際上是對已有協(xié)議的描述。它不會出現(xiàn)協(xié)議不能匹配模型的情況，唯一的問題是該模型不適合于任何其它協(xié)議棧。5）OSI模型有7層，而TCP/IP模型只有4層。6）OSI模型在網(wǎng)絡層支持無連接和面向連接的通信，但在傳輸層僅有面向連接的通信。7）TCP／IP模型在網(wǎng)絡層僅有一種通信模式（無連接），但在傳輸層支持兩種模式，給了用戶選擇的機會。二、網(wǎng)絡體系結構內(nèi)的標準化1.標準以及協(xié)議層1）網(wǎng)絡體系結構，例如TCP/IP或OSI體系結構，為標準化提供了一個框架。2）在OSI這個模型內(nèi)，每一層都可以開發(fā)出一個或多個協(xié)議標準?？傮w說來，這個模型定義了每一層要執(zhí)行的功能，并通過兩種方式促進了標準制定的過程。兩種方式如下：第一種：由于每一層的功能都有成熟的定義，因此可以獨立且并行地為每一層開發(fā)標準。這就加速了標準的制定過程。第二種：由于層與層之間的邊界有成熟的定義，因此某一層標準的改變并不會影響到另一層中的現(xiàn)存軟件。這使得引入新的標準更加容易。圖2-21作為標準框架的網(wǎng)絡體系結構圖2-22特定層的標準協(xié)議規(guī)范(protocolspecification)位于不同系統(tǒng)中同層的兩個實體之間是通過協(xié)議互相合作并且交互作用的。由于涉及兩個不同的開放系統(tǒng)，因此這個協(xié)議必須準確定義。其中包括被交換的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的格式、所有字段（或稱場/域）的含義和準許的PDU序號。服務定義(servicedefinition)除了在指定的某一層上操作的一個或多個協(xié)議之外，每一層提供給上一層的服務也需要標準化。通常這些服務定義等同于那些只定義了提供什么服務但并沒有定義如何提供這些服務的功能性描述。3）尋址(addressing)每一層都向上一層的多個實體提供多種服務。這些實體對服務的引用要通過端口，或者服務訪問點（SAP）。因此，網(wǎng)絡服務訪問點（NSAP，NetworkSAP）指的就是一個傳輸實體，它是網(wǎng)絡服務的用戶。（傳輸層是網(wǎng)絡層的相鄰的上層。）2.服務原語和參數(shù)1）在網(wǎng)絡體系結構中，鄰層之間的服務可以用術語原語和參數(shù)表示。2）服務原語定義的是所執(zhí)行的功能，而參數(shù)則用于傳遞數(shù)據(jù)和控制信息。3）服務原語的真正形式取決于它的實現(xiàn)方式，過程調(diào)用就是服務原語的一個例子。表2-3服務原語和參數(shù)原語類別含義對于連接請求一個實體希望得到完成某些操作的服務請求方使用指示通知一個實體，有某個事件發(fā)生接收方使用響應一個實體對一個請求的回復接收方使用證實返回對先前請求的響應請求方使用圖2-23服務原語時間序列（源點（N）層實體向終點（N）層實體傳送數(shù)據(jù)）1）有證實服務：包括請求、指示、響應和證實4個原語。2）無證實服務：只有請求和指示2個原語。服務原語連接過程：1）CONNECT．request：請求建立連接。2）CONNECT．indication：指示有人請求建立連接。3）CONNECT．Response：被呼叫方用來表示接收／拒絕建立連接的請求。4）CONNECT．confirm：通知呼叫方建立連接的請求是否被接受。5）DATA．request：請求發(fā)送數(shù)據(jù)。6）DATA．indication：表示數(shù)據(jù)的到達。7）DISCONNECT．request：請求釋放連接。8）DISCONNECT．indication：指示有釋放連接的請求。例：1）CONNECT．Request：撥姑媽家的電話號碼。2）CONNECI'．indication：她家的電話鈴響了。3）CONNECT．Response：她拿起電話。4）CONNECT．confirm：你聽到了電話鈴停止。5）DATA．request：你邀請她來喝茶。6）DATA．Indication：她聽到了你的邀請。7）DATA．response：她說她很高興來。8）DATA．Confirm：你聽到她接受了邀請。9）DISCONNECT．request：你掛斷電話。10）DISCONNECT．indication：她聽到了掛斷聲，也掛斷電話。網(wǎng)絡拓撲結構1）在拓撲學中，將實體抽象成與其大小、形狀無關的“點”，將連接實體的線路抽象成“線”，進而研究“點”、“線”、“面”之間的關系。2）網(wǎng)絡拓撲結構是網(wǎng)絡中節(jié)點/站點的互相連接形式。或者說，網(wǎng)絡拓撲(networktopology)通過網(wǎng)絡中節(jié)點與通信線路之間的幾何關系表示網(wǎng)絡結構。3）這里所說的網(wǎng)絡拓撲結構是指個域網(wǎng)或局域網(wǎng)或城域網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結構，而一般主要是指局域網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結構，因為從網(wǎng)絡拓撲結構來說，局域網(wǎng)最具代表性。圖2-24基本的網(wǎng)絡拓撲結構1.星形拓撲結構的特點為：1）各個節(jié)點直接連接到中心節(jié)點。2）中心節(jié)點控制整個網(wǎng)絡的通信，任何兩個非中心節(jié)點之間的通信都要通過中心節(jié)點。3）拓撲結構簡單，易于實現(xiàn)，便于管理。4）網(wǎng)絡的中心節(jié)點是整個網(wǎng)絡性能與可靠性的瓶頸，中心節(jié)點的故障可能造成整個網(wǎng)絡的癱瘓。2.環(huán)形拓撲結構的特點為：1）相鄰站點通過點-點鏈路連接成閉合環(huán)路。2）環(huán)中數(shù)據(jù)沿一個方向逐站傳送。3）拓撲結構簡單，傳輸延時確定。4）環(huán)中每個站點與相鄰站點之間的通信線路都會成為網(wǎng)絡可靠性的瓶頸。環(huán)中任何一個站點或線路故障，都有可能造成網(wǎng)絡癱瘓。5）為了方便站點的加入和撤出環(huán)，控制站點的數(shù)據(jù)傳輸順序，保證環(huán)的正常工作，需設計復雜的環(huán)維護協(xié)議。3.總線型拓撲結構的特點為：1）所有節(jié)點連接到一條作為公共傳輸介質(zhì)的總線，以廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。2）當一個節(jié)點利用總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，其他節(jié)點只能接收數(shù)據(jù)。3）若有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，就可能會出現(xiàn)沖突，造成傳輸失敗。4）優(yōu)點是結構簡單，缺點是必須解決多節(jié)點訪問總線的介質(zhì)訪問控制問題。4.樹形拓撲結構的特點為：1）節(jié)點按層次進行連接，數(shù)據(jù)交換主要在上、下節(jié)點之間進行；同層節(jié)點之間通常不進行數(shù)據(jù)交換，或數(shù)據(jù)交換量比較小。2）樹形拓撲可以看成是星形拓撲的一種擴展。樹形拓撲網(wǎng)絡適用于匯集信息。5.網(wǎng)形拓撲結構的特點為：1）節(jié)點之間的連接是任意的，沒有規(guī)律。網(wǎng)形拓撲的優(yōu)點是系統(tǒng)可靠性高。2）網(wǎng)形拓撲結構復雜，必須采用路由選擇算法、流量控制與擁塞控制方法。四、介質(zhì)訪問控制方式圖2-25基本的網(wǎng)絡拓撲結構如圖2-25所示。在總線和環(huán)形拓撲中，網(wǎng)上設備必須共享傳輸線路。為解決在同一時間有幾個設備同時爭用傳輸介質(zhì)，需有某種介質(zhì)訪問控制(MAC，MediumAccessControl)方式，以便協(xié)調(diào)各設備訪問介質(zhì)的順序，在設備之間交換數(shù)據(jù)。1）通信中對介質(zhì)的訪問可以是隨機的，即各工作站可在任何時刻，任意地訪問介質(zhì)；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法調(diào)整各站訪問介質(zhì)順序和時間。2）在隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection載波監(jiān)聽多點訪問/沖突檢測）。3）在控制訪問方式中常用令牌總線、令牌環(huán)或稱之為標記總線、標記環(huán)。1.CSMA/CD（載波監(jiān)聽多點訪問/沖突檢測）1）對任何站點都沒有預約發(fā)送時間。站點的發(fā)送是隨機的，必須在網(wǎng)絡上爭用傳輸介質(zhì)，故稱之為爭用技術。2）若同一時刻有多個站點向傳輸線路發(fā)送信息，則這些信息會在傳輸線上相互混淆而遭破壞，稱為“沖突”。為盡量避免由于競爭引起的沖突，每個站點在發(fā)送信息之前，都要監(jiān)聽傳輸線上是否有信息在發(fā)送，這就是“載波監(jiān)聽”。4）載波監(jiān)聽CSMA的控制方案是先聽再講。一個站點要發(fā)送，首先需監(jiān)聽總線，以判斷介質(zhì)上是否存在其它站的發(fā)送信號。如果介質(zhì)是空閑的，則可以發(fā)送。如果介質(zhì)是忙的，則等待一定間隔后重試。三種CSMA堅持退避算法：1）不堅持CSMA（也叫0堅持CSMA）不堅持CSMA——介質(zhì)空閑就發(fā)送，介質(zhì)忙就等待一段隨機時間再發(fā)送。利用隨機的重傳時間來減少沖突的概率。缺點：即使有幾個站點有數(shù)據(jù)要發(fā)送，介質(zhì)仍然可能處于空閑狀態(tài)，介質(zhì)的利用率較低。2）1-堅持CSMA1-堅持CSMA——介質(zhì)空閑就發(fā)送，介質(zhì)忙則繼續(xù)監(jiān)聽；等到總線空閑，立即發(fā)送。如果發(fā)生沖突，則等待一段隨機時間，重復第一步。缺點：假如有兩個或兩個以上的站點有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免。3）P-堅持CSMAP-堅持CSMA——若介質(zhì)是空閑的，則以P的概率發(fā)送，或以（1—P）的概率延遲一個時間單位后重復處理。該時間單位等于最大的傳輸延遲。假如介質(zhì)是忙，繼續(xù)監(jiān)聽直到介質(zhì)空閑，重復第一步。在P-堅持CSMA中，現(xiàn)有n個站點需要發(fā)送幀，如果選擇P過大，使nP>1，則沖突不可避免。最壞的情況是，隨著沖突概率的不斷增大，吞吐率會降為0。因此必須選擇P值使nP<1，如果P值選得過于小，則通道利用率又會大大降低。沖突檢測：如果有多個站點同時監(jiān)聽到總線空閑并開始發(fā)送數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生沖突。因此，每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后，還要繼續(xù)監(jiān)聽總線，判定是否有其它站也正在向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)；一旦發(fā)現(xiàn)，便中止發(fā)送。2、令牌（標記）訪問控制方式1）CSMA的訪問存在沖突問題。為了解決沖突問題，可采用有控制的訪問方式。2）令