网络架构

计算机科学家解决复杂问题时有两把利刃：一是缓冲技术，二是分层技术。后者的思想是如果直接解决某个问题比较复杂，则可以建立一个“中间层”，中间层在底层的基础上，抽象出一些常用功能，并为上层提供灵活易用的API。

网路通信就是分层技术应用的一个范例。目前网络架构是一个分层结构，从建立通信的对象来看，从底层到最高层依次是：

为了协调不同层次之间以及同一层次不同系统之间的通信，我们需要制定一套通信的规则，这种规则就叫“协议”(protocol)。协议定义了一种“通信机制”，它至少提供了两个方面交互接口：

前者是一种“服务接口”，例如TCP（传输层）通过不可靠的IP协议（网络层）建立起可靠的服务；后者提供不同系统的层的通信，例如路由器A（网络层）与路由器B（网络层）的通信。

可想而知，如果不同系统采用不同的协议，必然导致系统之间无法互通。因此网络的相关协议就由专门机构IETF(Internet Engineering Task Force)来制定。网络协议不是一成不变的，但是新的协议必须遵循下面两条性质：

下图展示了不同层次上的协议：网络层依托IP协议，传输层依托网络层的IP协议建立了TCP,UDP协议，在后者的基础上，又有FTP, HTTP, DNS等应用层的协议。

数据从最高层到最底层传送时，每层协议都会为数据加上自己的头(header)，用于该层的通信；当数据达到目的地时，从最底层到最高层，通过每层协议时数据的头会依次被剥离。这个过程叫做encapsulation与decapsulation。

一个简化的粒子如上图中从FTP应用发出的数据，将依次加上FTP、TCP、IP的头，成为

IP hdr || TCP hdr || FTP hdr || Datagram

通过Internet传播到目的地后，头依次被剥离。

ISO组织给网络定义了一个7层的OSI(Open System Interconnection)架构。它们依次是

这是一张典型的OSI架构图，其中交换机只处理Data Link层的需求，因此交换机没有IP，也不处理数据中的IP header。交换机一般处理含Mac地址的头。

Physical Layer

物理层考虑的问题是如何将原始资料在link上传输。物理层的传输媒介有同轴电缆、双绞线、光纤、无线方式等。以电缆为例，通过高低点位来传输数据，例如高点位表示1，低电位表示0。

实际情况并不这么简单，关于点位编码数据需要特别的处理才能抵抗干扰。不同的编码方法叫做Signal Coding schemes。

Data Link Layer
数据层考虑的问题是“如何将frame用MAC Protocol传给直接相连的主机或设备”。

数据层将物理层零星的0、1数据收集起来成为一个数据框，一般的组成为

preamble + SFD + DA(dest) + SA(src) + Type + LLC + PAD + FCS

数据层是以MAC地址作为传送目标的。如果一条线路上有多个设备发送数据，可能导致点位过高或抵消，造成数据的丢失与错误，因此有很多协议来协调这个问题，常见的有

Network Layer
网络层主要考虑如何将封包通过Internet送给目的地主机。因此“路由”(routing)显得格外重要。

路由的目的是为数据传输决定一条路径。路由器需要一些协议来让数据往正确的方向传播。通常的做法是路由器之间互相交换信息，每个路由器维护一张路由表，从而达到对于整个网络的了解。

第一代的路由协议如RIP规定路由器每30秒交换一次信息。OSPF协议则是找最短路径。

Transport Layer
传输层考虑“提供不同主机进程之间的资料传送”。两个典型的传输层协议是TCP与UDP，TCP能提供稳定的服务，虽然它是基于不稳定的IP协议。TCP常常用来支持文件传输、HTTP等应用，而UDP则用来处理速度要求高的DNS服务等。

虽然IETF将网络分成了7层，但是在实际使用中，这些层并没有严格的区分。例如应用层可以直接给予网络层的IP协议，跳过TCP或UDP。

另外一个特征是Internet的结构相当于一个“沙漏”。网络层现在几乎只有IP协议，而其它层有五花八门的协议。

一个健康的网络架构应该是可拓展的，未来会有新的协议被添加到网络通信中来。这些新的协议应该遵循在前面提到的协议的特征：