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第33题

知识点：计算机网络体系结构 ISO 编码数据结构体系结构

关键词： OSI 比特流编码传输数据结构网络源站点 OS 比特数据章/节：协议和传输

按照ISO/OSI-RM对网络体系结构的7层划分，()对源站点内部的数据结构进行编码，形成适合于传输的比特流，到了目的站再进行解码，转换成用户所要求的格式并保持数据的意义不变，主要用于数据格式转换。

A. 物理层

B. 应用层

C. 表示层

D. 数据链路层

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知识点讲解
· 计算机网络体系结构 · ISO · 编码 · 数据结构 · 体系结构

计算机网络体系结构

1974年，美国IBM公司首先公布了世界上第一个计算机网络体系结构（SNA, System Network Architecture）,凡是遵循SNA的网络设备都可以很方便地进行互连。1977年3月，国际标准化组织ISO的技术委员会TC97成立了一个新的技术分委会SC16专门研究“开放系统互连”，并于1983年提出了开放系统互连参考模型，即著名的ISO 7498国际标准（我国相应的国家标准是GB 9387）,记为OSI/RM。

在OSI中采用了三级抽象：参考模型（即体系结构）、服务定义和协议规范（即协议规格说明），自上而下逐步求精。OSI/RM并不是一般的工业标准，而是一个为制定标准用的概念性框架。经过各国专家的反复研究，在OSI/RM中，采用了如下表所示的七个层次的体系结构。

OSI/RM七层协议模型

OSI/RM模型本身不是网络体系结构的全部内容，它并未确切地描述用于各层的协议和服务，它仅仅说明了每一层应该做什么。不过，OSI已经为各层制定了标准，但它们并不是参考模型的一部分，而是作为单独的国际标准公布的。

物理层

物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流。这里的设计主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。

数据链路层

数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层呈现为一条无错线路。数据链路层要解决的另一个问题是流量控制。通常流量控制和出错处理同时完成。如果线路能用于双向传输数据，数据链路软件还必须解决发送双方数据帧竞争线路的使用权问题。广播式网络在数据链路层还要处理共享信道访问的问题。数据链路层的一个特殊子层——介质访问子层，就是专门处理这个问题的。

网络层

网络层关系到子网的运行控制，其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。如果在子网中同时出现过多的分组，它们将相互阻塞通路，形成瓶颈。此类拥塞控制也属于网络层的范围。网络层还常常设有记账功能。它还必须解决异种网络的互连问题。在广播网络中，选择路由问题很简单，因此网络层很弱，甚至不存在。

传输层

传输层的基本功能是从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保达到对方的各段信息正确无误，传输层使会话层不受硬件技术变化的影响。传输层也要决定向会话层，最终向网络用户提供了什么样的服务。采用哪种服务是在建立连接时确定的。传输层是真正的从源到目标“端到端”的层。源端机上的某程序，利用报文头和控制报文与目标机上的类似程序进行对话。

除了将几个报文流多路复用到一条通道上，传输层还必须解决跨网络连接的建立和拆除。另外，还需要进行流量控制，主机之间的流量控制和路由器之间的流量控制不同。

会话层

会话层允许不同计算机上的用户建立会话关系。会话层服务之一是管理对话。会话层允许信息同时双向传输，或任一时刻只能单向传输。另一种会话服务是同步。会话层在数据流中插入检查点。每次网络崩溃后，仅需要重传最后一个检查点以后的数据。

表示层

表示层以下的各层只关心可靠地传输比特流，而表示层关心的是所传输信息的语法和语义。表示层服务的一个典型例子是对数据编码。为了让采用不同表示方法的计算机之间能进行通信，交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用标准的编码方式。表示层管理这些抽象数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。

应用层

应用层包含大量人们普遍需要的协议。例如，定义一个抽象的网络虚拟终端，而对每一种终端类型，都写一段软件来把网络虚拟终端映射到实际的终端。另一个应用层功能是文件传输。此外还有电子邮件、远程作业输入、名录查询和其他各种通用和专用的功能。

OSI/RM模型的概念比较抽象，它并没有规定具体的实现方法和措施，更未对网络的性能提出具体的要求，它只是一个为制定标准用的概念性框架。OSI/RM七层协议模型上、下大，中间小，这是因为最高层要和各种类型的应用进程接口，而最低层要和各种类型的网络接口，因此上、下两头标准特别多，而中间几层标准就稍简单些。有些层的任务过于繁重，如数据链路层和网络层，有些层的任务又太轻，如会话层和表示层。

常见的计算机网络体系结构，除了OSI结构外，还有TCP/IP结构，其模型如下图所示。

TCP/IP模型

这里，就不详细介绍TCP/2P协议中各层的作用了，有兴趣的读者可以去查阅相关书籍。

ISO

国际标准化组织（International Standardization Organization, ISO）成立于1947年，是世界上最庞大的国际标准化专门机构，也是联合国的甲级咨询机构。ISO每个标准的制定过程要经历下面的5个步骤。

（1）每个技术委员会根据其工作范围拟定相应的工作计划，并报理事会下属的计划委员会批准。

（2）相应的分技术委员会的工作组根据计划编写原始工作文件，称为工作草案。

（3）分技术委员会或工作组再把工作草案提交技术委员会或分技术委员会作为待讨论的标准建议，称委员会草案（Committee Draft, CD），而ISO则要给每个CD分配一个唯一的编号，相应的文件被标记为ISO CD××××。委员会草案CD之间的文件叫作建议草案（Draft Proposal, DP）。

（4）技术委员会将委员会草案发给其成员征求意见。若CD得到大多数成员的同意，则委员会草案（CD）就成为国际标准草案（Draft International Standard， DIS），其编号不变。

（5）ISO的中央秘书处将DIS分别送给ISO的所有成员国投票表决。有75%的成员国赞成则通过。经ISO的理事会批准以后就成为正式的国际标准（International Standard， IS），其编号不变，标记为ISO××××。

编码

编码过程

在给定了软件设计规格说明书后，下一步的工作就是编写代码。一般来说，编码工作可以分为四个步骤：

（1）确定源程序的标准格式，制订编程规范。

（2）准备编程环境，包括软硬件平台的选择，包括操作系统、编程语言、集成开发环境等。

（3）编写代码。

（4）进行代码审查，以提高编码质量。为提高审查的效率，在代码审查前需要准备一份检查清单，并设定此次审查须找到的bug数量。在审查时，要检查软件规格说明书与编码内容是否一致；代码对硬件和操作系统资源的访问是否正确；中断控制模块是否正确等。

编码准则

在嵌入式系统中，由于资源有限，且实时性和可靠性要求较高，因此，在开发嵌入式软件时，要注意对执行时间、存储空间和开发／维护时间这三种资源的使用进行优化。也就是说，代码的执行速度要越快越好，系统占用的存储空间要越小越好，软件开发和维护的时间要越少越好。

具体来说，在编写代码时，需要做到以下几点：

.保持函数短小精悍。一个函数应该只实现一个功能，如果函数的代码过于复杂，将多个功能混杂在一起，就很难具备可靠性和可维护性。另外，要限制函数的长度，一般来说，一个函数的长度最好不要超过100行。

.封装代码。将数据以及对其进行操作的代码封装在一个实体中，其他代码不能直接访问这些数据。例如，全局变量必须在使用该变量的函数或模块内定义。对代码进行封装的结果就是消除了代码之间的依赖性，提高了对象的内聚性，使封装后的代码对其他行为的依赖性较小。

.消除冗余代码。例如，将一个变量赋给它自己，初始化或设置一个变量后却从不使用它，等等。研究表明，即使是无害的冗余也往往和程序的缺陷高度关联。

.减少实时代码。实时代码不但容易出错、编写成本较高，而且调试成本可能更高。如果可能，最好将对执行时间要求严格的代码转移到一个单独的任务或者程序段中。

.编写优雅流畅的代码。

.遵守代码编写标准并借助检查工具。用自动检验工具寻找缺陷比人工调试便宜，而且能捕捉到通过传统测试检查不到的各种问题。

编码技术

编程规范

在嵌入式软件开发过程中，遵守编程规范，养成良好的编程习惯，这是非常重要的，将直接影响到所编写代码的质量。

编程规范主要涉及的三方面内容：

.命名规则。从编译器的角度，一个合法的变量名由字母、数字和下画线三种字符组成，且第一个字符必须为字母或下画线。但是从程序员的角度，一个好的名字不仅要合法，还要载有足够的信息，做到“见名知意”，并且在语意清晰、不含歧义的前提下，尽可能地简短。

.编码格式。在程序布局时，要使用缩进规则，例如变量的定义和可执行语句要缩进一级，当函数的参数过长时，也要缩进。另外，括弧的使用要整齐配对，要善于使用空格和空行来美化代码。例如，在二元运算符与其运算对象之间，要留有空格；在变量定义和代码之间要留有空行；在不同功能的代码段之间也要用空行隔开。

.注释的书写。注释的典型内容包括：函数的功能描述；设计过程中的决策，如数据结构和算法的选择；错误的处理方式；复杂代码的设计思想等。在书写注释时要注意，注释的内容应该与相应的代码保持一致，同时要避免不必要的注释，过犹不及。

性能优化

由于嵌入式系统对实时性的要求较高，因此一般要求对代码的性能进行优化，使代码的执行速度越快越好。以算术运算为例，在编写代码时，需要仔细地选择和使用算术运算符。一般来说，整数的算术运算最快，其次是带有硬件支持的浮点运算，而用软件来实现的浮点运算是非常慢的。因此，在编码时要遵守以下准则：

.尽量使用整数（char、short、int和long）的加法和减法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用乘法。

.尽量避免使用除法。

.如果没有硬件支持，尽量避免使用浮点数。

下图是一个例子，其中两段代码的功能完全一样，都是对一个结构体数组的各个元素进行初始化，但采用两种不同的方法来实现。下图（a）采用数组下标的方法，在定位第i个数组元素时，需要将i乘以结构体元素的大小，再加上数组的起始地址。下图（b）采用的是指针访问的方法，先把指针fp初始化为数组的起始地址，然后每访问完一个数组元素，就把fp加1，指向下一个元素。在一个奔腾4的PC上，将这两段代码分别重复10 700次，右边这段代码需要1ms，而左边这段代码需要2.13ms。