计算机网络的体系结构--学习计算机网络的重中之重

一、计算机网络体系结构的设计
1.为什么需要计算机网络体系结构
连接在网络上的两台计算机需要互相传送文件。
a.必须有一条传送数据的通路。
b.发起通信的计算机要将数据通信的通路激活。激活就是发出一些信令，保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收。
c.告诉网络如何识别接收数据的计算机。
d. ....
相互通信的两个计算机系统必须保持告诉协调工作。这种协调的计算机网络相当复杂，为此引入分层的方法。
分层有利于标准化。每一层的变化不影响其他层，降低通信步骤的依赖。如修改ip地址不影响域名连接。网络排错应该从底层往高层排查，电源网线，IP地址是否能访问，域名是否输错。
网络的体系结构是一种抽象的概念，类型一种设计风格。而体系结构的实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

2.计算机网络体系结构雏形
二代分组交换式计算机网络，APPANET网络，就已出现了计算机网络体系结构的雏形，把整个计算机网络划分为“通信子网”和“资源子网”。

3. 网络体系结构的设计考虑--层次划分
a.网络体系结构中层次划分的依据
“网络体系结构”是一种概念上的蓝图，抽象的概念，描述了整个网络的层次结构和基本的数据通信规则。
网络系统考虑要完成哪些任务，而这些任务应该由谁来完成，按什么顺序完成。
划分层次，规定各层要做的事（服务），各层之间提供层与层之间相互通信的逻辑接口，按序调用服务。

b.网络体系结构中的层次划分
针对不同网络环境中，用户双方进行网络通信的流程，或者通信原理来对不同网络功能进行分层。
把一个难以实现的复杂问题分解成多个容易实现的小问题。
便于方案设计和维护，各层相互独立，技术升级和扩展灵活性好，促进标准化

二、典型计算机网络体系结构
1.OSI/RM体系结构（重点）
OSI/RM体系结构是第一个标准化的计算机网络体系结构，开放系统互连参考模型Open System Interconnection Reference Model。

a.概述
针对广域网通信（也就是不同网络之间的通信）进行设计，将整个网络通信的功能划分为七个层次，
物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、
传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。

b.七层模型层次剖析
下两层：局域网内部通信的两个层次，广播式通信
上五层：广域网在不同局域网间通信的功能层次

低四层（从物理层到传输层）定义了如何进行端到端的数据传输，也就是定义了如何通过网卡、物理电缆、交换机和路由器进行数据传输；
高三层（从会话层到应用层）定义了终端系统的应用程序和用户如何彼此通信，也即定义了如何重建从发送方到目的方的应用程序数据流。

低三层负责创建网络通信所需的网络连接（面向网络），属于“通信子网”部分，
高四层具体负责端到端的用户数据通信（面向用户），属“资源子网”部分。


低三层的作用
通过它们自己对应层的信息交换构建数据通信所需的网络平台，即打通一条用于数据传输的网络通道；然后就是为来自上层的数据提供物理的传输通道。
低三层均不能识别和处理来自应用层的网络应用数据，仅用于为用户的网络应用数据通信提供通信线路、网络基础架构，或者说是网络通信平台。

高四层作用
高四层上进行的才是真正面向用户的网络应用，
为各种具体的网络应用提供应用平台和端对端的数据传输通道，
对低三层所构建的网络平台可以说是“视而不见”。

网络应用也可以仅可以通过数据链路层进行?
在局域网中仅可以通过数据链路层的MAC地址进行通信，仅指两层设备之间的“网络通信”，用于构建数据通信所需的链路。
它根本不能识别网络应用的用户数据，无法进行网络应用通信。

每层都直接为它的上层提供服务，同时又调用它的下层所提供的服务

不是每一通信都需要经过OSI的全部七层
网络层中的路由器与路由器之间连接则只需经过自网络层以下的三层
物理层中的物理接口之间的转接，以及中继器与中继器之间的连接就只需在物理层中进行即可

有了这样一个结构模型，就把整个计算机网络软、硬件技术和设备串起起来了，所有软、硬件技术都围绕在这个中心周围。

c.OSI/RM对各个层次的划分遵循下列原则：
❏同一层中的各网络节点都有相同的层次结构，具有同样的功能。
❏同一节点内相邻层之间通过接口（可以是逻辑接口）进行通信。
❏七层结构中的每一层使用下一层提供的服务，并向其上层提供服务。
❏不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。

d.OSI/RM的七层结构划分的缺点
一是层次数方面还是多了些；
二是在进行网络系统设计时仍然觉得比较麻烦。
另外，像“会话层”和“表示层”单独划分的意义并不大，因为它们的用途并不像其他层那样明显。
所以在后面的TCP/IP协议体系结构中，不再有这两层了。

2.TCP/IP协议体系结构
TCP/IP协议体系结构（又称TCP/IP协议参考模型）是专门针对使用TCP/IP协议簇的广域计算机网络而开发的.
现在我们常用的通信协议，绝大多数都不是很适用于OSI/RM，而是适用于TCP/IP协议体系结构，因为它们都是应用于TCP/IP网络中。

a.概述
TCP/IP协议体系结构只划分了四层，从高到低分别是：
应用层（Apllication Layer）、传输层（Transport Layer）、
网际互连层（Internet Layer，又称互联网层）、
网络访问层（Network Access Layer，又称网络接入层、网络接口层或者主机-网络层）。
同样包括了局域网和广域网通信所需要的全部功能。


b.优化--五层网络体系结构

3.局域网体系结构
a.有线以太局域网体系结构
有线以太局域网体系结构是在IEEE 802.1A标准中定义的

局域网内部的通信只需要OSI/RM最下面两层。
局域网（如以太网）通常是属于广播型网络，存在介质争用现象（广域网中通常是属于点对点网络，通常不存在介质争用）。
所以又进一步对数据链路层进行了细分，将其分成了两个子层，
即介质访问控制（Media Access Control，MAC）子层和逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）子层。
其中的MAC子层就主要是用来解决介质争用和局域网内部寻址的。

b.WLAN体系结构
WLAN也是局域网的一种，所以WLAN体系结构与IEEE 802.1A局域网体系结构是完全一样的。
只不过因为两种局域网所用的物理层传输介质，以及相关数据链路层技术或协议不一样，所以在WLAN体系结构中的这两层中所包括的内容也不一样。

4.网路体系结构各层的主要功能（重点）
以OSI/RM为例


5.OSI/RM和TCP/IP协议体系结构的比较（重点）
a.相同之处
层次结构划分思想相同。总体层次结构相似。核心组成一样。

b.不同之处
适用范围不同：OSI/RM理论参考模型。TCP/IP更具实践性。
层次结构不同：会话层与表示层结构单一，在TCP/IP中合并到应用层。
支持的网络通信模式不同：
   OSI/RM的网络层同时支持无连接和面向连接的网络通信。TCP/IP模型网络层只提供无连接服务。
   OSI/ISO参考模型的传输层只有面向连接服务，TCP/IP协议的传输层 既有面向连接服务也有面向无连接服务。
所包括的通信模式不同。OSI/RM理论性模型，包含协议很多，广而杂。TCP/IP指针对TCP/IP网络通信。

二、计算机网络体系结构通信原理
1.网络体系结构的数据通信原理
发送端自上而下传送数据，接收端自下而上接收数据。

2.网络体系结构的对等通信原理
各层之间在逻辑上是水平通信的

四、网络体系结构中的通信协议
通信规程，不同层次中的具体功能实现，各层所提供的“服务”。
1.计算机网络通信协议
a.概述
硬件 + 软件 +协议，软件系统中就包含了所支持的通信协议。
现有的网络通信协议的种类也很多，如常见的IEEE 802.3、PPP、PPTP、DNS、DHCP、HTTP等。

b.什么是计算机网络通信协议呢？
生活中与别人签订协议的目的就是约束双方或者多方的行为，达成对某一方面或者多个方面的共识。
计算机网络通信协议，约束通信双方在利用某协议进行通信时必须遵从对应的规则和约定，
为了使网络中的不同设备能进行协同的数据通信而预先制定的一整套通信双方相互了解和共同遵守的格式和约定。

c.发展
在网络发展中有很多国际组织和跨国公司都在致力于网络通信协议的制定，
并产生了多种计算机网络体系结构模型和网络通信协议，
而且有更多的组织和公司参与了开发和完善网络协议的工作。
但要注意的是，通信协议并不一定是标准，Cisco（思科）有许多自己的协议，如CDP（思科发现协议）、
DTP（动态中继协议）、VTP（VLAN中继协议）、IGRP（内部网关协议）和HSRP（主机备份路由器协议）等，
这些协议是不能在其他厂家的设备上使用的（除非得到思科的授权），也不能与其他厂家设备互连。

d.标准化
只有通过国际上的一些标准化组织（如ISO、IEEE、IEC之类的）认可后才能以标准形式发布，
如ISO/RM本身也是一个协议，但因为是由ISO制定并发布的，所以成为了国际标准，
还有IEEE的一系列以太网、城域网、WLAN等协议也是公认的国际标准。

2.网络通信协议的三要素
协议是一种规则，控制两个对等实体进行通信的规则，是水平的。
a.引出
利用网络通信协议进行计算机网络通信时主要涉及以下三个方面的问题：
一是要实现什么样的网络服务，语义。是什么
二是如何实现这些网络服务，语法。怎么做。
三是如何与对方实现协同工作，同步。双方协同

b.通信协议的组成
语义
描述该通信协议具体用来完成什么功能。
和生活中所签的协议中的标题，或者主题一样，一看就知道该协议是用来做什么的。
函数名称，见名知功能，函数输出结果。

在通信协议的“语义”部分还包括通信协议的版本，就像我们平常所签的协议的版本（主要是根据签协议的时间先后来判断）一样。
不同的版本，所能实现的功能，以及实现的方式都可能存在大的差别，当然通常相邻版本的通信协议是向下兼容的。

语法
“语法”是用来规定通信时的信息格式，包括数据及控制信息的格式、编码及信号电平等，是用来解决“如何做”的问题的。
如我们平时所签的协议中规定的具体条款，规定如何确保达到最终目标一样。
函数如何具体实现。即使实现不一样，但是结果相同仍能通信。

同步
“同步”是用来解决“做的次序”问题的，也就是通信双方要完成某项网络服务，必须依据什么样的流程，匹配什么样的速率、什么样的电平来进行。
多个函数依次调用。函数执行依赖性，同步问题。
“流量控制”、“拥塞控制”

3.服务、接口、协议、实体
服务，服务原语，各层应该要做什么，为上层提供哪些功能。函数描述
接口，SPA，服务访问点，为对应的上层提供了获取本层服务的逻辑接口。函数名与相关参数。
协议，通信规程，各层服务功能的具体实现者。同一服务在不同网络可以用不同的协议实现。函数具体实现，实现方法可以不同。
实体表示任何发送或接收信息的硬件或软件进程。

服务是垂直的，协议是水平。

4.数据单元，从下到上，从左到右分析
服务数据单元（SDU）,第n层的服务数据单元，n-SDU。
协议控制信息（PCI）,第n层的协议控制信息，n-PCI。
接口控制信息（ICI）,第n层的接口控制信息，n-ICI。
协议数据单元（PDU）: n-SDU + n-PCI = n-PDU;同等层对等实体间传送的数据单元； n-PDU = (n-1)SDU
接口数据单元（IDU）:n-SDU + n-ICI = n-IDU,相邻层接口间传送的数据单元。

画图分析。