网络技术基础(三)计算机网络体系结构与协议

零.简介

1.计算机网络是一个十分复杂的系统，涉及计算机技术、通信技术、多媒体技术等多个领域。系统中的各个部分必须遵守一整套合理而严谨的结构化管理规则。计算机网络就是按照高度结构化的设计思想，采用功能分层原理的方法来实现的。

 

一.网络体系结构与协议概述

1.网络体系结构的概念：体系结构是研究系统各部分组成及相互关系的技术科学。计算机网络体系结构是指整个网络系统的逻辑组成和功能分配(层)，定义和描述了一组用于计算机及其通信设施之间互联的标准和规范的集合(协议)。研究计算机网络体系结构的目的在于定义计算机网络各个组成部分的功能，以便在统一原则的指导下进行计算机网络的涉及、建造、使用和发展。

2.网络协议的概念：网络协议是为进行网络中的数据通信或数据交换而建立的规则、标准或约定。连网的计算机以及网络设备之间要进行数据与控制信息的成功传递就必须共同遵守网络协议。网络协议主要由以下3个要素组成，即语法、语义、时序。

(1).语法：规定通信双方“如何讲”，即确定用户数据与控制信息的结构与格式。

(2).语义：规定通信双方准备“讲什么”，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种应答。

(3).时序：规定了双方“何时进行通信”，即事件实现顺序的详细说明。

3.网络协议的分层：计算机网络是一个非常复杂的系统，因此网络通信也比较复杂。网络通信的涉及面极广，所以用于网络通信的协议必然很多。结构化设计方法是解决复杂问题的一种有效手段，其核心思想就是将系统模块化，并按层次组织各模块。

4.分层的好处：各层之间可相互独立。每一层都有一个清晰、明确的任务，实现相对独立的功能，因而可以将复杂的系统性问题分解为一层一层的小问题。

(1).灵活性好，易于实现和维护。当任何一层发生变化时，只要层间接口保持不变，则其它各层不会受到影响。

(2).有利于促进标准化。因为每一层的协议已经对该层的功能与所提供的服务做了明确的说明。

5.各层次间的关系：网络协议都是按层的方式来组织，每一层都能完成一组特定的、有明确含义的功能，每一层的目的都是向上一层提供一定的服务，而上一层不需要知道下一层是如何实现服务的。每一对相邻层次之间都有一个接口，接口定义了下层向上层提供的命令和服务，相邻两个层次都是通过接口来交换数据的。每⼀层中的活动元素通常称为实体。实体既可以是软件实体(如⼀个进程)，也可以是硬件实体(如智能输⼊/输出芯⽚)。不同通信节点上的同⼀层实体称为对等实体。在计算机⽹络中，对等实体利⽤该层的协议进⾏通信。但是在实际的通信过程中，每⼀层都把数据和控制信息交给下⼀层，直到第1层。第1层下⾯是是物理传输介质，进⾏实际的数据传输。

6.其它相关概念：

(1).服务：服务位于层次接口的位置，表示底层为上层提供哪些操作功能。至于这些功能是如何实现的，完全不是服务考虑的范畴。服务分为面向连接服务和无连接服务。面向连接服务的提供者要进行建立连接、维护连接和拆除连接的工作，这种服务最大的好处就是能够保证数据高速、可靠和顺序的传输。无连接服务不需要维护连接的额外开销，但是可靠性较低，也不能保证数据的顺序传输。

(2).服务访问点(SAP)：服务访问点是相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务的联系点。

(3).协议数据单元(PDU)：是对等实体之间通过协议传送的数据单元。

(4).接口数据单元(IDU)：是相邻层次之间通过接口传送的数据单元，🈶️称为服务数据单元(SDU)。

 

二.OSI参考模型

1.OSI参考模型的概念；

(1).1984年，国际标准化组织ISO发表了著名的ISO/IEC 7498标准，定义了网络互联的7层框架，这就是开放系统互联参考模型，即ISO/OSI RM。只要遵循OSI标准，一个系统就可以与世界上任何地方、同样遵守OSI标准的其他任何系统进行通信。

(2).OSI参考模型将整个网络的功能划分为7个层次，最高层为应用层，面向用户提供网络应用服务；最底层为物理层，与通信介质相连实现真正的数据通信。两个用户计算机通过网络进行通信时，除物理层之外，其余各对等层之间均不存在直接的通信关系，而是通过各对等层的协议来进行通信。只有两个物理层之间通过通信介质进行真正的数据通信。

(3).在OSI标准制定的过程中，采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就是分层体系结构方法。分层的原则是：根据不同层次的抽象分层；每层应当实现一个定义明确的功能；功能的选择应该有助于制定协议的国际标准；边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量；划分的层数应适当，不能过多或过少。

2.OSI参考模型各层的功能：

(1).物理层：物理层的主要任务是透明地传输比特流。物理层不关心比特流的实际意义和结构，只是负责接收和传送比特流。物理层定义网络硬件的特性，包括使用什么样的传输介质以及与传输介质连接的接头等物理特性，所典型规范代表有：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等。传送信息所利用的物理传输介质并不在物理层之内而是在物理层之下。

(2).数据链路层：数据链路层的主要任务是：在两个相邻节点间的线路上无差错地传输以帧(Frame)为单位的数据，并要产生和识别帧边界。数据链路层还提供了差错控制与流量控制的方法，保证在物理线路上传输的数据无差错。数据链路层协议的代表有：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。

(3).网络层：网络层的主要任务是：进行路由选择，以确保数据分组(Packet)从发送端到达接收端，并在数据分组发生阻塞时进行拥塞控制。网络层还要解决异构网络的互连问题，以实现数据分组在不同类型的网络中传输。网络层协议的代表有：IP、IPX、RIP、OSPF等。

(4).传输层：传输层的主要任务是：为上一层进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端服务，使传输层以上的各层不再关心信息传输的问题。传输层从会话层接收数据，形成报文(Message)，并且在必要时将其分成若干个分组，然后交给网络层进行传输。传输层协议的代表有：TCP、UDP、SPX等。

(5).会话层：会话层的主要任务是：针对远程访问进行管理(比如断点续传)，包括会话管理、传输同步以及数据交换管理等。

(6).表示层：表示层的主要任务是：用处理在多个通信系统之间交换信息的表示方式，包括数据格式的转换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等。

(7).应用层：应用层的主要任务是：为网络用户或应用程序提供各种服务，如文件传输、电子邮件、网络管理和远程登录等。

3.OSI参考模型中的数据传输过程：

 

三.TCP/IP参考模型

1.TCP/IP概述：

(1).ARPANET的运行经验表明，TCP/IP是一个非常可靠且实用的网络协议。20世纪80年代末，美国国家科学会借鉴了ARPANET的TCP/IP技术建立了NSFNET。NSFNET使越来越多的网络互联在一起，最终形成了今天的Internet。TCP/IP也因此成为了Internet上广泛使用的标准网络通信协议。

(2).TCP/IP标准由一系列的文档定义组成，这些文档定义描述了Internet的内部实现机制，以及各种网络服务或服务的定义。TCP/IP标准并不是由某个特定组织开发的，实际上是一些团体所共同开发的，任何人都可以把自己的意见作为文档发布，但只有被认可的文档才能最终成为Internet标准。

2.TCP/IP协议栈

3.各层的功能：

(1).主机-网络层：事实上，TCP/IP参考模型并没有真正定义这一部分，只是指出在这一层上必须具有物理层和数据链路层的功能。本层包含了多种网络层协议，如以太网协议(Etherent)、令牌环网协议(Token Ring)、分组交换网协议(X.25)等。

(2).互联层：互联层是整个TCP/IP参考模型的关键部分，它提供的是无连接的服务，主要负责将源主机的数据分组(Packet)发送到目的主机。互联层的主要功能包括：处理来自传输层的分组发送请求、处理接收到的数据报、进行流量控制与拥塞控制等。互联层上定义的主要协议包括：网际协议(IP)、Internet控制报文协议(ICMP)、地址解析协议(ARP)、反向地址解析协议(RARP)等。

(3).传输层：与OSI参考模型的传输层类似，TCP/IP参考模型的传输层的主要功能是：使发送方主机和接收方主机上的对等实体可以进行会话。在传输层上定义了以下两个端到端的协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。TCP是一个面向连接的可靠传输协议，而UDP是一个面向无连接的不可靠传输协议。

(4).应用层：应用层负责向用户提供一组常用的应用程序接口，包含了所有TCP/IP协议簇中的高层协议，如FTP、SMTP、HTTP、SNMP、DNS等。应用层协议一般可以分为3类：一类是依赖于面向连接的TCP；一类是依赖于无连接的UDP；还有一类则既依赖于TCP又依赖于UDP。

 

四.OSI参考模型与TCP/IP参考模型

1.两种模型的共同点：(1).采用了协议分层方法，将庞大且复杂的问题划分为若干个较容易处理的范围较小的问题；(2).各协议层次的功能大体上相似，都存在网络层、传输层和应用层；(3).两者都可以解决异构网络的互联，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信；(4).两者都是计算机通信的国际性标准，虽然这种标准一个(OSI)原则上是国际通用的，一个(TCP/IP)是当前工业界使用最多的；(5).两者都能够提供面向连接和面向无连接的两种通信服务机制。

2.两种模型的不同点：(1).模型设计的差别；(2).层数和层间调用关系不同；(3).最初设计的差别；(4).对可靠性的强调不同；(5).标准的效率和性能上存在差别；(5).市场应用和支持上不同。

3.OSI参考模型的优缺点：

(1).OSI参考模型详细定义了服务、接口和协议，并将它们严格加以区分，实践证明了这种做法是非常有必要的。

(2).OSI参考模型产生在协议发明之前，这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议，因此非常通用。

(3).OSI参考模型的某些层次(如会话层和表示层)对于大多数应用程序来说都没有用，而且某些功能在各层重复出现(如寻址、流量控制和差错控制)，这样影响了系统的工作效率。

(4).OSI参考模型的结构和协议虽然大而全，但显过于繁杂和臃肿，因而效率较低，实现起来较为困难。

4.TCP/IP参考模型的优缺点：

(1).TCP/IP参考模型是对已有协议的描述，协议和模型匹配的相当好。

(2).TCP/IP参考模型只是对一种已有标准的概念性描述。所以协议简单高效，可操作性强。

(3).TCP/IP参考模型没有明显地区来区分、接口和协议的概念。因此，对于使用新技术来设计新网络，TCP/IP参考模型则不是一个很好的模版，

(4).由于TCP/IP参考模型是对自己已有协议的描述，因此通用性差。

(5).某些层次的划分不尽合理，如主机-网络层。

5.网络参考模型的建议：从上述分析看，OSI的7层协议体系结构既复杂又不适用，但其概念清楚；TCP/IP的协议得到了全世界的承认，但并没有一个完整的体系结构。因此在学习计算机体系结构时，可以采用一直折衷的方法，即把OSI参考模型中的会话层和表示层去掉，从而形成一种原理结构，只有5层。这种参考模型也被称为五层参考模型。