数据通信与体系结构

任务二　数据通信与体系结构

1．数据通信

1)数据通信中的术语

简单地说，数据通信是借助于电信号或光信号通过传输线路，在发送端和接收端之间进行数据信息的传输。信号是数据信息的载体，是通过电压、电流、电荷及电磁波等物理量在强度上的变化来携带各种形式的数据信息(如语音、文本、图像和视频)进行传输的。因此，理解有关电信号的一些基本概念和结论，是学习数据通信的基础。

(1)信息(Information)，是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。事物的运动状态、结构、温度、颜色等都是信息的不同表现形式，而数据通信系统中传送的文字、语音、图像、符号、数据等也是一些包含一定信息内容的不同信息形式。由于信息形式与信息内容的对立统一，有时也直接把它们看成一些不同的信息类型，简称文字信息、语音信息、图像信息和数据信息等。

(2)数据(Data)，一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的数据通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中的计算数据等。但在计算机网络中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。语音信息、图像信息、文字信息以及从自然界直接采集的各种自然属性信息(模拟数据)均可转换为二进制数字编码(数字数据)在计算机网络系统中存储、处理和传输。

(3)信号(Signal)，简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。国际电报电话咨询委员会(CCITT)在有关信号的定义中也明确指出，“信号是以其某种特性参数的变化来代表信息的”。根据信号参数取值不同，信号可分为模拟信号和数字信号，如图1-10所示。

图1-10　信号

(a)模拟信号;(b)数字信号

模拟信号是在一定的数值范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的信号，如声音信号是一个连续变化的物理量，这种信号可以按照不同频率在各种不同的介质上传输。例如普通电话机输出的信号就是频率和振幅连续改变的模拟信号。

数字信号是一种离散的脉冲序列，它用数字来表示几个非连续的物理状态，最简单的离散数字是二进制数字0和1，它可以分别表示信号的两个物理状态(如低电平和高电平)。利用数字信号传输的数据，在受到一定限度内的干扰后是可以恢复的，例如计算机输出的脉冲信号是数字信号。

2)通信系统的基本组成

一般来说，用任何方法通过任何媒体将信息从某一地点传送到另一地点的过程都能称为通信。为了保证信息传输的实现，通信必须具备3个基本要素，即通信的三要素:信源、信道和信宿。

信源是信息产生和出现的发源地，既可以是人，也可以是计算机等设备;信宿是接收信息的目的地。

信道是数据信息传输的必经之路，是信息传输过程中承载信息的传输媒介，一般由传输线路和传输设备组成。按照所使用的传输介质的类型，信道可以分为有线信道和无线信道。按照信道中传输数据信号类型的不同来分，信道又可以分为模拟信道和数字信道。数字信道是指可直接传输二进制信号或经过编码的二进制数据的信道;模拟信道是指可传输连续变化的信号或二进制数据经过调制后得到的模拟信号的信道。

在数据通信中，计算机(或终端)设备起着信源和信宿的作用，通信线路和必要的通信转接设备构成了通信信道。通信系统的组成如图1-11所示。

图1-11　通信系统的组成

噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示。信号在传输过程中受到的干扰称为噪声，干扰可能来自外部，也可能是由信号传输过程本身产生。变换器和反变换器均是进行信号变换的设备，在实际的通信系统中有各种具体的设备名称。

3)数字通信与模拟通信

数字信号在数字信道中传输，称为数字通信;模拟信号在模拟信道中传输，称为模拟通信。

数字信道中只能传输数字信号，模拟信号不能在数字信道中传输，需要将模拟信号先转换成数字信号，然后在数字信道中传输，使用编码解码器，能将模拟信号变换为数字信号，也能将数字信号恢复为模拟信号。数字信号也不能在模拟信道中传输，需要将数字信号先转换成模拟信号才能在模拟信道中传输，使用调制解调器，能将数字信号变换为模拟信号，也能将模拟信号恢复为数字信号。数字通信与模拟通信如图1-12所示。

总之，两种通信强调的是信道中传输的信号形式，即信道的形式。但数字信号并非只能在数字信道中传输;反之，模拟信号也并非只能在模拟信道中传输。

4)数据通信的主要指标

(1)带宽。带宽是一个非常重要的性能指标。带宽原指某个信号具有的频带宽度，即最高频率和最低频率之差，单位是赫兹(Hz)。对于模拟信道，带宽是指信道能够传送的电磁波信号的最高频率与最低频率之差。对于数字信道，在很多情况下，带宽即数据传输速率或比特率。

图1-12　数字信号与模拟信号的传输

(a)模拟信号在数字信道中传输;(b)数字信号在模拟信道中传输

通信信道的带宽必须大于或等于信号的带宽，才能保证传输的信号不失真。带宽越大，传输数据的能力越强。例如，语音信号包含100 Hz～8 kHz的频率分量。而人类语音信号包含的频率范围为400 Hz～600 Hz。普通电话线路的频率范围为300 Hz～3 000 Hz，带宽在2 700 Hz。所以人类语音通过电话线路传输基本上不产生失真，而高保真音响产生的音乐通过电话线路传输会产生极大的失真。

(2)数据传输速率。数据传输速率是指每秒能够传输多少位数据，也表示单位时间(每秒)内传输实际信息的比特数，单位为比特/秒(bit/s或bps)，通常应用于数字通信系统。数据传输速率高，则传输每一位的时间短，反之，数据传输速率低，则每位传输时间长。

(3)信道容量。信道容量指信道的最大数据传输速率，即单位时间内可传送的最大位数。信道容量的单位为比特/秒(bit/s或bps)。信道容量表示信道传输数据的能力。

信道容量与数据传输速率的区别在于，信道容量表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而数据传输速率则表示实际的数据传输速率。例如公路上飞驰的汽车，在汽车的时速表上显示了汽车当前的速度，表盘上还显示了汽车的最高时速，它们虽然采用相同的单位，但表示的含义却不相同。

(4)波特率。波特率是指单位时间内传输码元的个数，即信号经过调制后的传输速率，表示调制后信号每秒变化的次数，单位为波特(Baud)。每个码元表示一个波形或一个电平，波特率又叫调制速率或码元速率。

对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的调制信号每秒钟调制载波状态改变的次数。对于数字信号传输，波特率是指线路上每秒钟传送的波形个数。

(5)吞吐量。吞吐量是信道在单位时间内成功传输的信息量，单位一般为bit/s。例如，某信道10分钟内成功传输了8.4 MB的数据，那么它的吞吐量就是8.4 MB/600 s=14 Kbit/s。

(6)延迟。延迟是指从发送端发出第一位数据开始，到接收端成功地接收到最后一位数据为止所经历的时间。它主要分为传输延迟和传播延迟两种，传输延迟与数据传输速率和中继或交换设备的处理速度有关，传播延迟与传播距离有关。

(7)误码率。误码率又称错误率，是指二进制数据位传输时出现差错的概率。在数据传输过程中，信号由于受自身原因或外界干扰，出错在所难免，误码率是衡量通信信道可靠性的重要指标，误码率的公式如下。

误码率=接收出现差错的比特数/总的发送的比特数

在计算机通信网络中，一般要求误码率低于10^－9。若误码率达不到这个指标，可通过差错控制的方法进行检验和纠错。根据测试，电话线路在300～2 400 Kbps传输速率时，平均误码率为10^－2～10^－4，在4 800～9 600 Kbps传输速率时，平均误码率为10^－4～10^－6，因此普通的通信线路如果不采用差错控制技术，是不能够满足计算机通信要求的。

(8)网络负载。网络负载是指网络单位面积中的数据分布量，即数据在网络中的分布密度。在计算机网络中网络负荷不宜过小，也不宜过大。网络负荷量过小，网络的吞吐能力也会小，导致网络的利用率低;网络负荷量过大，容易产生阻塞现象，直接导致网络吞吐量降低。

5)数据通信方式

数据通信方式是指通信双方之间的工作形式和信号传输方式，主要有并行通信和串行通信两种。

(1)并行通信。并行通信是指将数字信号序列(按字符或码元的比特数)分成n比特同时输送到n条并行信道中，可以一次同时传输若干比特的数据。其特点是需多条信道、通信线路复杂、成本较高，但传输速率快且不涉及同步控制问题，多用于计算机内部交换数据和短距离传输数据，比如计算机与打印机之间的通信。计算机在连接打印机进行打印任务时，把一个字符分为8位，每次并行传输8比特信号，如图1-13所示。

图1-13　并行通信

(2)串行通信

串行通信是指构成字符的二进制代码序列在一条数据线上以位为单位，按时间顺序逐位传输的方式。其特点是只需一条信道，通信线路简单、成本低廉、易于实现，一般用于较远距离的通信。缺点是传输速度较慢，需要解决收发双方的同步控制问题，否则接收端不能正确区分所收到的字符。当前计算机网络中普遍采用的通信方式就是串行传输，如图1-14所示。

图1-14　串行通信

同步问题是在串行传输时，位与位之间、字符(通常由若干个数据位组成)与字符之间没有停顿(没有时间间隙)而造成的。即接收端在收到了一大串数据位后，不知哪几位是一个字符，或者说一个字符从何处开始到何处结束，也就无法正确恢复数据所携带的信息。

6)串行通信的方向模式

在串行通信中，根据数据在线路上的流向，可分为单工通信(Simplex)、半双工通信(Half Duplex)和全双工通信(Full Duplex)。

(1)单工模式。单工模式也称单向模式。它是指在任何时刻，信号只能从固定的发送端设备向固定的接收端设备单向传输的工作模式，即发送端只能发送信息，而接收端只能接收信息，收发双方的功能不可互换。比如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信，遥控玩具均属于这种类型，如图1-15所示。

图1-15　单工模式

(2)半双工模式。它是指在任何一个时刻，信号只能单向传输，从甲方向乙方，或从乙方向甲方，每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机、收发报机等之间的通信，如图1-16所示。

图1-16　半双工模式

(3)全双工模式。在任何一个时刻，信号能够双向传输，每一方都能同时进行数据的发送与接收工作。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接受设备都具有独立的发送数据和接收数据能力。比如普通电话、手机，如图1-17所示。

图1-17　全双工模式

7)数据通信的同步控制

数据通信时，发送端将数据转换成信号，通过传输介质传送出去，接收端收到信号后，再将其转换为原始数据。为了保证传输数据的正确性，收发两端必须保持同步。所谓同步就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复率和起止时间接收数据，在接收过程中还要不断校准时间和频率。在计算机网络中，通常采用的数据同步方式有两种:异步传输(Asynchronous Transmission)和同步传输(Synchronous Transmission)。

(1)异步传输。异步传输又称异步通信，采用“群”同步(按字符同步)技术。在异步传输的通信系统中，传输的信息一般以字符为单位传输。忽略字符的比特长度，在每个字符的前后加上同步控制信息(同步信息也是几个数据位，可由硬件附加在每个字符上)。同步信息通常由起始位、校验位和停止位三部分构成，所传输的数据位与同步信息的数据位结合起来构成一个数据帧。

在数据传输过程中，字符可顺序出现在比特流中，每个字符作为一个独立整体进行发送，字符与字符间的间隔时间是任意的，即字符间采用异步定时，但字符中的各个比特位用固定的时钟频率传输，所以字符间的异步定时和字符中比特位之间的同步定时，是异步传输的特征。

异步通信的特点是实现简单、可靠、经济，常用于计算机与终端之间的数据通信。但由于需要添加诸如起始位、校验位、停止位等附加位，相对同步通信来说，主要缺点是速率较低。但随着技术的发展，传输速率越来越高，其应用范围也日益广阔。

(2)同步传输。同步传输又称同步通信，采用“位”同步(按位同步)技术。与异步通信不同，同步通信不是对每个字符单独同步，而是以数据块为传输单位，并对其进行同步。所谓数据块就是由多个字符或二进制位串组成的。在数据块的前后加上同步信息。通常要附加一个特殊的字符或比特序列，以标志数据块的开始与结束。这样，一个数据块的数据位与同步信息的数据位结合起来构成一个数据帧。同步通信又可分为面向字符和面向位流两种传输方式。

在同步通信中，如果收、发双方时钟保持准确同步，接收端可定时地分出一个个码元，然后再按顺序分出帧与字符。时钟同步是依靠发数据时以帧为单位，在帧头位置插入同步字符，接收端校验该字符来建立同步的。

同步通信的特点是开销少、效率高，适合于较高速率的数据传输;缺点是整个数据块一旦有一位误传，就必须重传整个数据块。

(3)同步传输与异步传输的区别:同步传输是以帧为单位，面向比特的传输，是从数据中抽取同步信息，通过特定的时钟线路协调时序;而异步传输是以字符为单位，面向字符的传输，是通过字符起始位和停止位来同步，对时序的要求较低，相对于同步传输效率较低。

8)数据传输方式

数据传输方式有以下3种。

(1)基带传输。基带(Baseband)是指调制前原始电信号占用的频带，是原始电信号固有的基本频带。基带信号是未经载波调制的信号。在数据通信中，由计算机、终端等直接发出的数字信号以及模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号，都是二进制数字信号。这些二进制信号是典型的矩形波脉冲信号，由“0”和“1”组成。这种数字信号又称为“数字基带信号”。在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输。

基带传输的信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号，具体类型由信源决定。基带传输主要是传输数字信号，是在通信线路上原封不动地传输由计算机或终端产生的0和1数字脉冲信号。基带传输的特点是简单、成本低。基带传输占据信道的全部带宽，任何时候只能传输一路基带信号，信道利用率低。基带信号在传输过程中很容易衰减，在不进行再生放大的情况下，传输距离一般不大于2.5 km。因此，基带传输只用于局域网中的短距离传输。

(2)频带传输。如果要利用公共电话网实现计算机之间的数字信号传输，就必须将数字信号转换成模拟信号。所谓频带传输，是将数字信号调制成模拟信号后再发送和传输，到达接收端时，再把模拟信号解调为原来的数字信号。为此，需要在发送端选取某个频率的模拟信号作为载波，用它承载要传输的数字信号，然后通过电话线路将其送至另一端。在接收端再将数字信号从载波上分离，恢复为原来的数字信号波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法，称为频带传输。

采用频带传输方式时，发送端和接收端都需要安装调制解调器，进行模拟信号和数字信号的相互转换。频带传输不仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题，而且还可以实现多路复用，提高了传输信道的利用率，如图1-18所示。

图1-18　频带传输通信

(3)宽带传输。宽带是指带宽比音频更宽的频带。利用宽带进行的传输称为宽带传输。宽带传输可以在传输介质上使用频分多路复用技术。由于数字信号的频带很宽，不便于在宽带网中直接传输，通常将其转化成模拟信号后再在宽带网中传输。

宽带信道能够被划分成多个逻辑信道或频率段进行多路复用传输，信道容量大大增加;对数据业务、TV或无线电信号用单独的信道传输;宽带传输能够在同一信道上进行数字信息或模拟信息服务;宽带传输系统可以容纳全部广播信号，并可进行高速数据传输;宽带比基带的传输距离更远。

9)多路复用技术

多路复用技术就是在单一的传输信道上，同时传输多路信号。采用多路复用技术能把多个信号组合在一条物理的信道上进行传输，其方法是在发送端将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一条共用信道上传输的复合信号，在信号的接收端还能将复合信号分离出与原来一样的若干个彼此无关的信号来。

信道复用技术包括复合、传输和分离3个过程。其原理是，由多路复用器合并N个输入通道的信号(N取决于所用传输介质的限制因素)组成一路复合信号，经传输速率较高的线路传输后，由多路译码器将复合信号按通道号再分离出来，然后把它们送到相应的输出端。不论一个多路复用系统中输入或输出端的数量为多少，都只需要一条传输线路，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。常用的多路复用技术有4种:频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)、波分多路复用(WDM)和码分多路复用(CDM)。

图1-19　频分多路复用

(1)频分多路复用。频分多路复用适用于模拟信号的传输。如图1-19所示，当传输介质的可用带宽(频谱范围)超过单一信号所需的带宽时，可在一条通信线路上设计多路通信信道，将线路的传输频带划分为若干个较窄的频带，将每个窄频带构成一个子信道，用于传输一路信号;每路信道的信号以不同的载波频率进行调制，各个载波频率互不重叠，使得一条通信线路可以同时独立地传输多路信号，即频分多路复用分割的是传输介质的频率。为使各路信号的频带相互不重叠，需要利用频分多路复用器来完成这项工作。为了防止干扰，各信道之间留有一定的频谱间隔。接收时，用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。

例如有线电视中一路电视频道所用带宽为6 MHz，闭路电视的同轴电缆可用带宽为470 MHz，若从50 MHz开始传输电视信号，采用频分多路复用，有线电视的同轴电缆可同时传输70个频道的节目。

图1-20　时分多路复用

(2)时分多路复用。时分多路复用适用于数字信号的传输。如图1-20所示，当传输介质所能传输的数据速率超过单一信号的数据速率时，将信道按时间分成若干个时间片段，轮流地给多个信号使用，即时分多路复用分割的是信道的时间。每一个时间片由复用的一路信号占用信道的全部带宽，时间片大小可以是传输一位，也可以传输由一定字节组成数据块。互相独立的多路信号顺序地占用各自的时隙，合成一个复用信号，在同一信道中传输。在接收端按同样的规律把它们分开，从而实现一条物理信道传输多个数字信号。

时分多路复用又可分为同步时分复用(STDM)和异步时分复用(ATDM)。

①同步时分复用采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定长度划分成时间段(一个周期)，再将每一个时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各个用户，各个用户在每一个时间段都顺序分配到一个时隙。由于时隙已预先分配给各个用户且固定不变，无论是否传输数据，都占有时隙，容易形成浪费，因此利用率较低。

②异步时分复用能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。当某路用户有数据发送时才把时隙分配给它，否则不分配，因此提高了资源的利用率和传输速率。

(3)波分多路复用。波分多路复用主要用于全光纤网组成的通信系统。波分复用就是光的频分复用。人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，可以做到使用一根光纤来同时传输与多个频率都很接近的光载波信号，这样就使得光纤的传输能力成倍地提高了。由于光载波的频率很高，而习惯上是用波长而不用频率来表示所使用的光载波，因而称其为波分复用，所图1-21所示。

图1-21　波分多路复用

最初，只能在一根光纤上复用两路光载波信号，但随着技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多。波分多路复用能够复用的光波数目与相邻两波长之间的间隔有关，间隔越小，复用的波长个数就越多。现在已经能做到在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号，这种复用方式就是密集波分复用技术(DWDM)。

波分多路复用的通信系统分为单向系统和双向系统两种。在单向系统中，发送端用合波器将工作在不同波长的光发射机所发射的光载波信号合起来，通过同一根光纤传送到接收端;在接收端用分波器将不同波长的光载波信号分开，然后分别将它们送到相应光波长的光接收机，对各自所接收到的光信号做进一步的处理。在双向系统中，采用双向耦合器将工作在不同波长的光发射机所发射的光载波信号结合起来，通过同一根光纤传送到接收端;在接收端也用双向耦合器将不同波长的光载波信号分开，然后分别将它们送至相应光波长的光接收机，并做进一步处理。由于通信两端通过一根光纤同时接收和发送，因此实现了双向波分复用功能。

光波复用技术在通信中具有很好的应用前景，常规光纤通信只利用了光纤带宽的很小的一部分。如果能很好利用光波复用和光频复用技术，将使一根光纤的传输容量大大提高。电子系统速率在当今条件下已经达到极限，但采用光波复用技术仍可大幅度提高光纤的总传输速率。

(4)码分多路复用。码分多路复用是根据不同的编码来区分各路原始信号，通过和各种多址技术结合产生了各种接入技术。码分多路复用技术是一种用于移动通信系统的技术，移动终端的联网通信就大量使用码分多路复用技术。

在蜂窝系统中，以信道来区分通信对象，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户以信道来区分，这就是多址。码分多路复用将需要传输的具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽得到扩展，经载波调制后再发送出去。码分多路复用具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，容量和质量之间可做权衡取舍等优点。例如，它允许每个站任何时候都可以在整个频段范围内发送信号，利用编码技术可以将多个并发传输的信号分离，并提取所期望的信号，同时把其他信号当做噪声加以拒绝。它可以将多个信号进行线性叠加而不是将可能出现冲突的帧丢弃掉。

2．体系结构

1)网络协议

计算机网络有许多互相连接的节点，在这些节点之间不断地进行数据交换。要做到有序地交换数据，每个节点就必须遵守一些事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换数据的格式及相关的同步问题。这些为进行网络数据交换而建立的规则、标准或约定统称为网络协议。网络协议主要由语义、语法和定时关系3个要素组成。

(1)语义。协议的语义是指对构成协议元素含义的解释，即定义“做什么”。不同类型的协议元素规定了通信双方所要表达的不同内容，即需要发出何种控制信息、完成何种协议及做出何种应答。

(2)语法。协议的语法是用于规定将若干个协议元素和数据组合在一起来表达一个更完整的内容时所遵守的格式，它是对所表达的内容的数据结构形式的一种规定，即定义“怎么做”。

(3)定时关系。定时关系是事件执行顺序的详细说明，规定了事件的执行顺序，即定义“何时做”。

由此可见，网络协议是计算机网络不可缺少的部分。

2)网络体系结构

很多经验和实践表明，对于非常复杂的计算机网络协议，为了减少网络设计的复杂性，大多数网络都以分层或分级的方式来进行组织，把计算机网络这个庞大的、复杂的问题划分成若干较小的、简单的问题，采取“分而治之”的方法来解决。分层的好处在于，层次中的每一层都实现相对独立的功能，因此就能将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的问题。

网络体系结构是计算机网络的分层、各层协议、功能和层间接口的集合。不同的网络，其体系结构、层的数量、各层名字和功能都不相同。在任何网络中，每一层是为了向其上层提供服务而设置的，每一层都对上层屏蔽协议的具体实现细节。

网络体系结构是对计算机网络及其部件所应该完成功能的精确定义。需要说明的是，这些功能究竟由何种硬件或软件来完成，则是一个遵循体系结构来实现的问题。可见，体系结构是抽象的，是存在于理论上的，而对它的实现是具体的，是运行在计算机软件和硬件上的。

3)接口与服务

网络中各节点都具备相同的层次，不同节点的对等层具有相同的功能;同一节点内相邻层之间通过接口进行通信，每一层使用其下层提供的服务为其上层提供服务;不同节点的对等层通过协议实现通信。

相邻层之间都有一个接口，同一节点的相邻层之间通过接口交换信息，低层向高层通过接口提供服务。只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法和技术的变化不会影响整个系统的工作。

对等层之间需要交换信息，把对等层协议之间交换的信息称为协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)。对等层之间并不能直接进行信息传输，而需要借助于下层提供的服务来完成，所以说，对等层之间的通信是虚拟通信，直接通信发生在相邻层之间。在协议数据单元传到下层之前，会在其中加入新的控制信息，称为协议控制信息(Protocol Control Information，PCI)。PDU与PCI共同组成的信息称为服务数据单元(Service Data Unit，SDU)，相邻层之间传递的就是这种服务数据单元，其中的控制信息部分只是帮助完成数据传输任务的，它本身不是数据的一部分。

每一层的功能都是为它上层提供的，相邻层之间服务的提供是通过服务访问点(Service Access Point，SAP)来进行的。SAP是逻辑接口，是上层使用下层服务的地方，一个接口可以有多个服务访问点。

4)数据的封装与解封

为了实现对等层通信，当数据需要通过网络从一个节点传送到另一个节点时，必须在数据的头部(或尾部)加入特定的协议头(或协议尾)。这种增加协议头(或协议尾)的过程叫做数据的封装，如图1-22所示。同样，当数据到达接收方后，接收方要识别和提取协议信息，去除封装过程所加协议头(或协议尾)的过程叫做数据的解封，如图1-23所示。

图1-22　数据的封装

3．OSI参考模型

OSI参考模型是分层体系结构的一个实例。其中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、遵循同样标准的其他系统进行通信。OSI参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的服务。OSI参考模型并非指某一个网络或产品，它只是规定了各层的功能，解释了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定，没有提供可以实现的具体方法，只是数据在计算机之间流动的过程描述。各个生产厂商可以自由设计和生产自己的网络产品，只要符合OSI参考模型，具有相同的功能即可实现各系统间的互联。

图1-23　数据的解封

1)层次与功能

OSI参考模型是一个概念性的框架，将整个通信功能分成7个层次，由低到高依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。各层的功能如下。

(1)物理层(Physical Layer)是参考模型的最底层。主要功能是利用传输介质在通信的网络节点之间建立、管理和释放物理连接，实现比特流的传输，为数据链路层提供数据传输服务，物理层的数据传输单元是比特(bit)或称为位。

(2)数据链路层(Data Link Layer)是参考模型的第二层。主要功能是在物理层提供服务的基础上，在通信实体间进行链路建立、维护和拆除的链路管理，传输以帧(Frame)为单位的数据，并通过差错控制、流量控制等实现点到点之间的寻址和无差错透明传输。

(3)网络层(Network Layer)是参考模型的第三层。主要功能是实现在通信子网内源节点到目标节点之间的分组传送。其基本内容包括路由选择、拥塞控制和网络互联等，是网络体系结构中核心的一层，其传输的基本单元为分组(Packet)或称为数据包。

(4)传输层(Transport Layer)是参考模型的第四层。主要功能是屏蔽其下层面向通信的数据传输细节，为其上层面向用户提供可靠的端到端的数据传送服务，是网络体系结构中关键的一层，其传输的基本单元为数据段(Segment)或称为数据报文。

(5)会话层(Session Layer)是参考模型的第五层。主要功能是负责建立和维护两个节点间的会话连接和数据交换，其传输的基本单元也叫报文(Message)，但它与传输层的报文有本质的不同。

(6)表示层(Presentation Layer)是参考模型的第六层。主要功能是负责有关数据表示的问题，主要包括数据格式的转换、数据加密和解密、数据压缩与恢复等功能，其传输的基本单元为报文(Message)。

(7)应用层(Application Layer)是参考模型的最高层。主要功能是为用户的应用程序提供网络各种服务，是用户使用网络功能的接口，其传输的基本单元为报文(Message)。

2)数据的流动

在OSI参考模型中，数据传输的整个过程分为3个阶段:封装、传输、解封。

(1)当发送端的应用进程需要发送数据到网络中另一台主机的应用进程时，数据首先被传送给应用层，应用层为数据加上本层的控制报头后，传递给表示层。

(2)表示层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头，再传递给会话层。

(3)会话层接收到这个数据单元后，再加上本层的控制报头，传递给传输层。

(4)传输层接收到这个数据单元后，加上本层的控制报头，形成新的协议数据单元——数据段，再传递给网络层。

(5)网络层接收到这个数据单元后，由于网络层的数据长度是受限的，所以将这个数据段分成更小的数据单元——数据分组，再分别加上本层的控制报头，传递给数据链路层。

(6)数据链路层接收到这个分组数据单元后，加上本层的控制报头，形成更适合传输的协议数据单元——数据帧，再传递给物理层。

(7)物理层将数据信息以比特流的方式转换成信号再通过传输介质传送至接收端。

(8)如果不能直接到达目标主机，则会先传送到通信路由设备上进行转发。

(9)当最终到达目标主机时，比特流将通过物理层依次向上层传递。每层对其相应的控制信息进行识别和处理，然后再将去掉该层控制信息的数据提交给上层处理，直至最高层。

数据就这样通过封装、传输和解封，完成了一个发送端到接收端的传输过程，如图1-24所示。数据的传输是一个相当复杂的过程，但对于用户来说，这些复杂的处理过程是透明的。

图1-24　数据在OSI模型中的流动过程

4．TCP/IP参考模型

OSI参考模型的提出是计算机网络技术发展的一个里程碑，它为网络的标准化提供了一致的框架和前景。但由于OSI模型的庞大，协议实现过分复杂，层次划分不太合理等原因，在建立网络时，并没有完全依赖OSI参考模型。事实上，伴随Internet的飞速发展，基于TCP/IP协议的Internet网络有着自己的网络体系结构——TCP/IP参考模型。尽管它不是某一标准化组织提出的正式标准，但这种体系结构目前已被公认为事实上的网络标准。

TCP/IP是一组通信协议的代名词，这组协议使任何具有网络设备的用户能访问和共享Internet上的信息，其中最重要的协议是传输控制协议TCP和网际协议IP。TCP和IP是两个独立且紧密结合的协议，负责管理和引导数据信息在Internet上进行传输。两者使用专门的报头定义每个报文的内容。TCP协议负责和远程主机的连接，IP协议负责寻址，将报文发送到其该去的地方。

1)TCP/IP的版本

TCP/IP发展到现在，一共出现了6个版本，目前使用的主要是第4个版本，它的网络层协议IP一般记做IPv4。随着网络的发展，IPv4也出现了一些如地址匮乏，地址类型复杂以及安全方面的问题。第5个版本是基于OSI模型提出的，由于层次变化太大，代价太高，因此未形成标准。第6个版本的网络层协议记做IPv6，也称为IPng，其地址空间、数据完整性、保密性与实时语音、视频等方面都有很大的改进，是IP发展的趋势。

2)TCP/IP的特点

TCP/IP有以下特点。

(1)开放的协议标准。可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。

(2)统一分配网络地址。使整个TCP/IP设备在网络中具有唯一的IP地址。

(3)适应性强。可适用于局域网、广域网以及Internet。

(4)标准化的高层协议。可为用户提供多种可靠的网络服务。

3)层次与功能

TCP/IP模型与OSI模型类似，也是分层体系结构，但比OSI参考模型的层数少，一般为4层，由低到高依次是网络接口层、互联层、传输层和应用层。两个模型的比较如图1-25所示。

图1-25　TCP/IP模型与OSI模型的比较

(1)网络接口层(Network Interface Layer)是TCP/IP模型的最底层，又称网络访问层。功能对应OSI模型的物理层和数据链路层。负责接收从互联层发来的IP数据包，并将IP数据包通过底层物理网络发送出去;或者从底层物理网络上接收数据帧，抽取出IP数据包交换给互联层。TCP/IP标准没有定义具体的网络接口协议，而是提供灵活性，以适应各种网络类型，如LAN、MAN和WAN，这也说明了TCP/IP可以运行在任何网络上。

(2)互联层(Internet Layer)是TCP/IP模型的第二层，又称网际层。功能对应OSI模型的网络层。负责处理来自传输层的报文，将报文形成数据分组(IP数据包)，并为该数据包进行路径选择，进行流量及拥塞控制等，最终将数据包从源主机发送到目标主机，并可以实现跨网传输。最常用的协议是IP，其他协议用来协助IP协议的操作。

(3)传输层(Transport Layer)是TCP/IP模型的第三层，又称主机到主机层。功能对应OSI模型的传输层。负责主机到主机之间的端到端通信，确保源主机传送的数据正确到达目标主机。传输层定义了TCP和UDP两种协议来进行数据传送。

(4)应用层(Application Layer)是TCP/IP模型的最高层，功能对应OSI模型高三层(会话层、表示层和应用层)。负责为用户提供各种网络服务。

4)各层的主要协议

TCP/IP实际上是一个协议栈或协议簇，用来将主机和通信设备组成TCP/IP网络，TCP/IP可以为各种各样的应用提供服务，也可以连接到各式各样的网络，如图1-26所示。

图1-26　TCP/IP参考模型与协议栈

(1)网络接口层协议，主要包括各种物理网络协议，如以太网(Ethernet)、令牌环网(Token Ring)、帧中继(Frame Relay)、ISDN和分组交换网X．25等。当各种物理网络作为传送IP数据帧的通道使用时，可以认为是属于网络接口层的范畴。

(2)互联层协议，主要包括IP、ICMP、ARP和RARP。

①IP(Internet Protocol):网际协议，是TCP/IP的核心协议，规定互联层数据分组的格式。IP的任务是对数据进行相应的寻址和路由，并从一个网络转发到另一个网络。IP在每个发送的数据包前加入一个控制信息，其中包含了源主机的IP地址、目标主机的IP地址和其他一些控制信息。

②ICMP(Internet ControlMessage Protocol):Internet控制消息协议，提供网络控制和消息传递功能。例如，如果某台设备不能将IP数据包转发到另一网络，就向发送数据包的源主机发送一个消息，并通过ICMP解释这个错误。

③ARP(Address Resolution Protocol):地址解释协议，将逻辑地址(IP地址)解析成物理地址(MAC地址)。

④RARP(Reverse Address Resolution Protocol):反向地址解释协议，将物理地址解析成逻辑地址。

网络中的主机之间在通信时，必须要知道彼此的物理地址。ARP和RARP的作用就是将源主机和目标主机的IP地址与它们的MAC地址相匹配。

(3)传输层协议，主要包括TCP和UDP。

①TCP(Transmission Control Protocol):传输控制协议，是面向连接的可靠传输层协议。所谓面向连接是指在实际发送数据之前先建立一条收发双方的逻辑连接，以提供数据传输的可靠性保障。TCP将源主机应用层的数据分成多个分段，然后将每个分段传送到互联层，互联层将数据封装为IP数据包，并发送到目标主机。目标主机的互联层将IP数据包中的分段传送给传输层，再由传输层对这些分段进行重组，还原成原始数据，传送给应用层。TCP还要完成流量控制和差错检验的任务，以提供可靠的数据传送。

②UDP(User Datagram Protocol):用户数据报协议，是面向无连接的不可靠传输层协议。UDP不进行差错检验，必须由应用层的应用程序实现可靠性机制和差错控制，以保证端到端的数据传输正确性。与TCP相比，虽然UDP不是在通信之前先建立连接，然后再传输，显得不可靠，但在一些特定的环境中还是非常有优势的。例如需要发送较短信息，则不值得花费代价建立连接。另外，面向连接的通信通常只能在两个主机之间进行，若要实现一对多或多对多的数据传输，也就是广播或多播时，就需要使用UDP。

(4)应用层协议，包括了所有的高层协议，而且随着网络技术发展和应用的增加不断有新的协议加入。常见的应用协议有文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)、超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)、简单邮件传输协议(Simple Message Transfer Protocol，SMTP)、虚拟终端协议(Virtual Terminal Protocol，VTP)、远程登录Telnet、域名系统(Domain Name System，DNS)、简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol，SNMP)等。