第3章
分布式架構網絡傳輸

分布式架構網絡是由分布在不同地點且具有多個終端的節點機互連形成的。網絡中任意一節點均至少與兩條線路與其他節點相連，當任意一條線路發生故障時，通信可轉經其他線路完成，從而使網絡具有較高的可靠性和可擴充性。網絡傳輸是基于可靠的線路和網絡傳輸協議來實現的。

本章重點內容如下：

• 網絡傳輸協議
• 網絡傳輸調用過程
• 網絡傳輸優化

3.1　網絡傳輸協議

通信協議簡稱傳輸協議，在電信領域，是指在任何物理介質中允許處于傳輸系統中的兩個或多個終端之間傳播信息的系統標準。通信協議在硬件、軟件或兩者之間皆可實現信息傳輸。

為了使交換信息量足夠大，通信系統使用通用格式協議，每條信息都有明確意義從而使預定位置給予響應，并獨立回應指定的行為。在通信協議參與實體都同意時通信過程才能生效。為了達成一致，協議必須要有技術標準，編程語言在計算方面也應有相應標準。

OSI是一個開放性的通信系統互連參考模型，它是一個很好的協議規范。OSI模型有7層結構，從低到高分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表現層、應用層。

下面將詳細介紹OSI模型的7層結構。

1. 物理層

物理層是OSI的第一層，它雖然處于最底層，卻是整個開放系統的基礎。物理層為設備之間的數據通信提供傳輸媒體及互連設備，為數據傳輸提供可靠的環境。OSI的物理層規范是關于傳輸介質的特性，這些規范也參考了其他組織制定的相關標準。連接頭、幀、幀的使用、電流、編碼及光調制等都在物理層規范的范疇中。物理層常用多個規范完成對所有細節的定義。

物理層最主要的功能如下。

• 為數據端設備提供數據傳送的通路。數據通路可以是一個物理媒體，也可以是由多個物理媒體連接而成的體系。一次完整的數據傳輸，包括激活物理連接、傳送數據、終止物理連接。所謂激活，就是不管有多少物理媒體參與，都要在要通信的兩個數據終端設備間建立一條通路。
• 傳輸數據。物理層要形成適合數據傳輸的實體，為數據傳送提供支持。要實現這一點，一是要保證數據能在其上正確通過，二是要提供足夠的帶寬（帶寬是指每秒內能通過的比特（BIT）數），以減少信道上的擁塞。數據傳輸的方式能滿足單點到單點、單點到多點、串行或并行、半雙工或全雙工、同步或異步傳輸的需要。

2. 數據鏈路層

數據鏈路可以粗略地理解為數據通道。物理層要為終端設備間的數據通信提供傳輸媒體及其連接。媒體是長期的，而連接是有生存期的。在連接生存期內，收發兩端可以進行不等的一次或多次數據通信。每次通信都要經過建立通信聯絡和拆除通信聯絡這兩個過程。這種建立起來的數據收發關系就叫作數據鏈路。而在物理媒體上傳輸的數據難免受到各種不可靠因素的影響而產生差錯，為了彌補物理層上的不足，并為上層提供無差錯的數據傳輸，就要具有對數據進行檢錯和糾錯的能力。數據鏈路的建立和拆除，對數據的檢錯和糾錯是數據鏈路層的基本任務。數據鏈路層定義了在單個鏈路上如何傳輸數據。這些協議與被討論的各種介質有關。

數據鏈路層最主要功能如下。

• 為網絡層提供數據傳送服務，這種服務要依靠本層具備的功能來實現。鏈路層應具備建立、拆除、分離鏈路連接，以及幀定界和幀同步等功能。鏈路層的數據傳輸單元是幀，協議不同，幀的長短和界面也有差別，但無論如何必須對幀進行定界。
• 順序控制，指對幀的收發順序進行控制。
• 差錯檢測和恢復，以及鏈路標識、流量控制等。進行差錯檢測時多用方陣碼校驗和循環碼校驗來檢測信道上數據的誤碼，而進行幀丟失檢測時則用序號校驗。各種錯誤的恢復則?？糠答佒匕l技術來完成。

3. 網絡層

在網絡層對端到端的包傳輸進行定義。網絡層定義了能夠標識所有節點的邏輯地址，還定義了路由實現的方式和學習的方式。為了使最大傳輸單元長度小于包長度，網絡層還定義了如何將一個包分解成更小的包的方法。

網絡層最主要的功能如下。

• 通常在數據傳輸的過程中，數據包會經過網絡層，而網絡層可以通過路由把數據包傳遞到下一個線路，由于網絡是動態可變的，所以網絡層需要實時監控數據包，并且規劃設置每個數據包的最佳路線。具體線路由路由算法實現，如鏈路狀態算法、距離矢量算法。
• 路由器中有路由表的概念，其主要為路由器提供包的方向依據，路由器會根據每個到達包的地址來確定方向并轉發包。當路由器接收包的速度小于轉發包的速度時，會把暫時不能發送的包存儲在緩沖區中，等待發送。后續會嘗試發送緩沖區的包。
• 網絡層傳輸包時也會存在擁塞，路由器會控制擁塞，從而盡可能提高網絡效率和降低丟包率。
• 在網絡傳輸過程中，路由器會根據包的類型來確定優先級，優先級高的先轉發，低的后轉發。

4. 傳輸層

傳輸層是兩臺計算機經過網絡進行數據通信時第一個進行端到端處理的層次，具有緩沖作用。當網絡層服務質量不能滿足要求時，傳輸層會提高服務質量，以滿足更高層的要求；當網絡層服務質量較好時，傳輸層只用做很少工作，如監控、傳輸數據包。傳輸層還可進行復用，即在一個網絡連接上創建多個邏輯連接。傳輸層又稱運輸層，只存在于端開放系統中，是OST模型介于低3層和高3層之間的一層，是很重要的一層，因為它是從源端到目的端傳送數據時進行從低到高控制的最后一層。

有一個既存事實，即世界上各種通信子網在性能上存在很大差異，例如電話交換網、分組交換網、公用數據交換網、局域網等都可互連，但它們提供的吞吐量、傳輸速率、數據延遲通信費用各不相同。但會話層要求有性能恒定的界面，而傳輸層就承擔了這一功能。傳輸層采用分流/合流、復用/解復用技術來調節上述通信子網的差異，主要用于判斷是選擇差錯恢復協議還是無差錯恢復協議，以實現在同一主機上對不同應用數據流的輸入進行復用，以及對收到的順序不對的數據包進行重新排序。

5. 會話層

會話層提供的服務可使應用建立和維持會話，并能使會話獲得同步。通過使用校驗點，會話層可使通信會話在通信失效時從校驗點繼續恢復通信，這種能力對于傳送大的文件極為重要。會話層、表示層、應用層構成開放系統的高3層，面對應用進程提供分布處理、對話管理、信息表示、恢復最后的差錯等功能。會話層同樣要滿足應用進程服務的要求，完成運輸層不能完成的那部分工作，包括對話管理、數據流同步和重新同步。會話層定義了如何開始、控制和結束一個會話，包括對多個雙向消息的控制和管理，以便在只完成連續消息的一部分時即可通知應用，從而確保表示層看到的數據是連續的，在某些情況下，如果表示層收到了所有的數據，則可用數據代表表示層。

會話層最主要功能如下。

• 為會話的實體間建立連接，具體包括將會話地址映射為運輸地址、選擇需要的運輸服務質量參數（QOS）、對會話參數進行協商、識別各個會話連接、傳送有限的透明用戶數據。
• 數據傳輸階段在兩個會話用戶之間實現有組織的、同步的數據傳輸。用戶數據單元為SSDU，而協議數據單元為SPDU。會話用戶之間的數據傳送過程是將SSDU轉變成SPDU的過程。
• 通過有序釋放、廢棄、限量透明用戶數據傳送等功能單元來釋放會話連接。為了在會話連接建立階段能進行功能協商，也為了便于其他國際標準參考和引用，會話層標準定義了12種功能單元，各個系統可根據自身情況和需要，以核心功能服務單元為基礎，選配其他功能單元組成合理的會話服務子集。

6. 表現層

表現層的主要功能是定義數據格式及對數據加密。例如，FTP允許選擇以二進制或ASCII格式進行傳輸。如果選擇二進制，那么發送方和接收方不能改變文件的內容。如果選擇ASCII格式，發送方將把文本從發送方的字符集轉換成標準的ASCII后再發送數據，接收方則會將標準的ASCII轉換成接收方計算機的字符集。

7. 應用層

應用層對應應用程序的通信服務。例如，一個沒有通信功能的字處理程序是不能執行通信代碼的，從事字處理工作的程序員也不關心OSI的應用層，但是如果添加了一個傳輸文件的選項，那么字處理器的程序就需要實現OSI的應用層。

8. 小結

會話層及其以下的4層完成了端到端的數據傳送，并且是可靠、無差錯的傳送，但是數據傳送只是手段而不是目的，最終是要實現對數據的使用。由于各種系統對數據的定義并不完全相同，以鍵盤為例，其上某些鍵的含義在許多系統中都有差異，這給利用其他系統的數據造成了障礙，表示層和應用層就擔負了消除這種障礙的任務。

分層的優化如下：

1）層間的標準接口方便了工程模塊化；

2）可創建更好的互連環境；

3）每層可利用緊鄰的下層服務，更容易記住各層的功能；

4）降低了復雜度，使程序更容易修改，產品開發速度更快。

OSI 7層模型是一個理論模型，實際應用中千變萬化，因此應把它作為分析、評判各種網絡技術的依據。對大多數應用來說，只可將它的協議族（即協議堆棧）與7層模型進行大致的對應，查看實際用到的特定協議是屬于7層中的某個子層，還是包括了上下多層的功能。