1-5 计算机网络体系结构

计算机网络分层体系结构

在制定网络协议时常采用的思路是将复杂的网络通信功能划分为由若干协议分别完成，然后将这些协议按照一定的方式组织起来，最终实现网络通信的所有功能。

最典型的划分方式是分层划分。

分层的核心思想是上一层的功能建立在下一层的功能基础上，并且在每一层内均要遵守一定的通信规则，即协议。

这样计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合称为计算机网络体系结构。这种分层体系结构通常是按功能划分的，并不是按实现方式划分。

体系结构应当具有足够的信息，以便软件设计人员为每层编写实现该层协议的有关程序，即协议软件。

目前典型的层次化体系结构有OSI参考模型和TCP/IP参考模型。

OSI（Open System Interconnection）开放系统互连参考模型，按照这个标准建成的计算机网络中的设备都可以互相通信。

OSI参考模型

OSI参考分层结构化技术，将整个计算机网络的通信功能分为7层，由低至高为： 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

协议数据单元（PDU）

OSI中的数据并不是从一端的第N层直接送到另一端的对等层。

第N层接收N+1层（上一层）的协议数据单元（PDU），按第N层协议进行封装构成第N层PDU， 然后通过层间接口传递给N-1层（下一层），以此类推。

最后数据链路层PDU传递给最底层物理层。

数据在垂直的层次中依次自上而下地逐层传递至物理层，在物理层的两个端点进行物理通信，这种通信称为实通信。

实通信：在物理层两个端点进行物理通信，称为实通信

虚通信 ：不直接进行通信的对等层通信称为虚拟通信

中间系统（如路由器）通常只实现物理层，数据链路层，网络层功能。 因此OSI中物理层，数据链路层，网络层称为节点到节点层

传输层，会话层，表示层，应用层称为端到端层

物理层

主要功能是

1. 在传输介质上实现无结构比特流传输，需要实现信号编码功能。

2. 规定数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）直接接口的相关特性，主要包括机械、电气、功能和规程4个方面的特性。

无结构指不关心比特流实际代表的信息内容，只关心如何将0，1这些比特以合适的信号传输到目的地。

• 机械特性：也叫物理特性， 说明硬件连接接口的机械特性。接口的形状，尺寸..
• 电气特性：规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性。信号电平的大小..
• 功能特性：说明物理接口的各条信号线的用途。
• 规程特性：指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式。
  • 即在物理连接建立、维持和交换信息时，首发双方在各自电路上的动作序列。典型的物理层协议有：RS-232c、RS-449

数据链路层

主要功能是：

1. 实现相邻节点中间数据可靠而有效的传输。
   1. 采用以帧为单元的数据库传输方式。成帧功能（帧同步）
2. 实现相邻节点间通信的流量控制
   1. 某些网络的数据链路层还提供连接管理功能（链路管理）。（建立和释放数据链路）
3. 寻址，如局域网广泛采用MAC地址

网络层

主要功能是

1. 网络需要解决的核心问题是如何将分组通过交换网络传送到目的主机，所以主要功能是数据转发与路由
2. 路由：路径选择。一个包含源节点，中继节点，目标节点的集合称作源节点到目的节点的路径。
3. 网络层还需要对进入交换网络的通信量加以控制，避免交换网络性能下降。
4. 寻址功能。如Internet中的IP地址

传输层

第一个端到端的层次，也是进程-进程的层次。数据的通信实际发生在两个主机的进程之间。OSI自下而上的前三次可组成公共网络，被多设备共享。

两个主机之间需要实现端到端的控制，避免传送中报文丢失。

传输层的功能主要包括复用/分解、端到端的可靠数据传输、连接控制、流量控制和拥塞控制等

会话层

指用户与用户的连接，在两台计算机中间建立、管理、终止通信来完成对话。

主要功能

1. 在建立会话时合适双方身份是否有权参见会话
2. 确定双方支付通信费用
3. 双方在各种选择功能方面取得一致
4. 会话建立后需要对进程间的对话进行控制

实际网络中，会话层功能已经被应用层覆盖，很少单独存在

表示层

主要用于处理应用实体间交换数据的语法，其目的是解决格式和数据表示的差异，从而为应用层提供一个一致的数据格式，使字符、格式等有差异的设备之间相互通信。

还可以实现文本压缩/解压、数据加密/解密、字符编码的转换等功能

这一层功能在某些实际通信网络中由应用层实现，而且，表示层不独立存在

应用层

应用层与提供给用户的网络服务有关，这些服务非常丰富，包括文件传送、电子邮件、P2P应用等

应用层为用户提供了一个使用网络应用的接口

OSI参考模型中,1,2,3层主要是完成数据交换与数据传输，称为网络低层

5,6,7主要完成信息处理服务，称为网络高层, 低层与高层通过第4层进行衔接。

OSI相关术语

• 数据单元
  • 在层的实体之间传送的比特组称为数据单元
  • 在对等层之间传送的数据单元是按照本层协议进行的，此时的数据单元称为协议数据单元PDU
  • PDU：协议数据单元
  • SDU：服务数据单元
  • PCI：协议控制信息
• 服务访问点
  • Service Access Point
  • 相邻层间的服务是通过其接口面上的服务访问点（SAP）进行的， N层SAP就是不进行（N+1）层访问N层的地方。 每个SAP都有一个地址号码
• 服务原语
  • 第N层向N+1层提供服务，或N+1层请求第N层提供服务，都是用一组原语描述的.
  • 请求：Request 用户实体请求服务做某种工作
  • 指示：Indication 用户实体被告知某件事发生
  • 响应：Response 用户实体表示对某件事的响应
  • 证实：Confirm 用户实体收到关于它的请求的答复
• 面向连接的服务和无连接服务
  • 分层体系结构中，下层向上层提供服务通常有两种形式：面向连接发服务和无连接服务。
  • 面向连接的服务,以电话为典型
    • 某一方欲传送数据，首先给出对方的全称地址，并请求建立连接。当双方同意后，双方之间的通信链路就建立起来
    • 传送数据时，通常以组为单位按序传送，不再标称地址，只标称所建立的链路号，并由收方对收到的分组予以确认，称为可靠传送方式；不确认则称为不可靠传送方式
    • 最后拆除链路
  • 无连接服务
    • 没有建立和拆除链路的过程
    • 又称数据报服务（Datagram）要求每一个分组信息带有全称地址，独立选择路径，到达目的地的顺序不确定，并且需要重新对分组进行排序

TCPIP

作为最大、最重要的计算机网络-因特网的体系结构可以用TCP/IP参考模型进行描述

TCP/IP 参考模型包括4层。通常每一层封装的数据包采用不同的名称。

应用层

TCP/IP将OSI中的会话层与表示层的功能合并到了应用层来实现。Internet 上常见的一些网络应用大多都在这一层，用户通过该层使用各种服务，如WWW、文件传输、电子邮件等。

每一种应用都是用相应的协议来将用户的数据按照协议定义的格式进行封装，以便达到控制功能，然后再利用下一层（传输层）的协议进行传输。

例如WWW服务的应用层协议为HTTP， 文件传输的应用层协议为FTP， 电子邮件的应用层协议又SMTP\POP3等

每一个应用层协议都会使用到两个传输层协议之一进行数据传输

• TCP：面向连接的传输控制协议
• UDP：无连接的用户数据报协议

传输层

传输层协议为运行在不同主机上的进程提供了一种逻辑通信机制（因为两个进程之间的通信就像所在的两个主机存在直接连接一样）

传输层可以解决诸如端到端的可靠性、保证数据按照正确的顺序到达等问题

TCP/IP参考模型的传输层主要包括

1. 面向连接、提供可靠数据流传输的传输控制协议TCP
2. 无连接的不可靠数据传输的用户数据报协议UDP

网络互连层

是整个参考模型的核心。主要解决把数据分组发往目的网络或主机的问题。

• 为分组的传输选择路径（路由选择），完成分组的转发
• 提供网络层寻址——IP地址

网络互连层还可以将不同类型的网络互连。

核心协议是IP， 负责定义分组的格式和传输。IP是无连接不可靠协议（分组到达顺序与发送顺序可能不同，可能丢失分组）

网络互连层还包ICMP（互联网络控制报文协议）、IGMP（互联网多播组管理协议）以及路由协议，如BGP、OSPF、RIP等

网络接口层

没有真正描述这一层的实现，只是要求给上层提供一个访问接口，以便在其上传递IP分组。

该层对应OSI的数据链路层和物理层。网络层IP分组在这一层被封装到底网络的链路层数据帧种，并最终以比特流的形式在物理介质上进行传输。

五层参考模型

结合OSI与TCP/IP提出了综合理论需求与实际网络的五层参考模型。

包括：物理层，数据链路层，网络层，传输层与应用层

近年来在描述计算机网络中最常用、最接近实际网络的参考模型

基于五层参考模型描述网络通信过程：

1. 用户的数据在应用层以报文的形式开始向下一层进行分组，形成段、数据报、帧，最后以比特流的形式进行传输。
2. 在中间节点处，分别从对应的数据报、帧中取出相应的路由或地址信息并进行处理，并依据转发策略向正确的接口转发数据报或帧。
3. 当数据到达目的主机后，自下而上，逐层处理并去掉相应的头部信息，还原为最初的报文交付给用户