计算机网络——计算机网络体系结构

计算机网络体系结构（重点和难点！！）

1、常见的计算机网络体系结构

• OSI体系结构（法律上国际标准）
  • 应用层
  • 表示层
  • 会话层
  • 运输层
  • 网络层
  • 数据链路层
  • 物理层
• TCP/IP体系结构
  • 应用层：解决通过应用进程的交互来实现
  • 运输层：解决进程之间基于网络的通信问题
  • 网络层（网际层）：解决分组在多个网络上传输的问题
  • 数据链路层：解决分组在一个网络（或者一段链路）上传输的问题
  • 物理层：解决使用何种信号来传输比特的问题
• 注意：
  • 主机内必须有TCP/IP 协议族，而且 连接的路由器中也会有 TCP/IP 协议族，只不过路由器一般只包含 网络接口层和网际层
  • IP协议是网际层的核心协议， IP协议可以将网络接口层的网络接口互连，然后给TCP协议或UDP协议提供网络互连
  • TCP和UDP是TCP/IP 体系结构中运输层的两个重要协议，TCP协议在享受IP协议提供的互连服务基础上，向应用层等协议提供可靠传输的服务；UDP协议在享受IP协议提供的互连服务基础上，向应用层等协议提供不可靠传输的服务
  • 应用层有较多协议，如HTTP，SMTP，DNS，RTP等

IP协议作为计算机网络体系结构中的重要协议，一方面负责互连不同的网络接口；另一方面为各种网络应用提供服务

TCP/IP 体系结构中包含大量协议，TCP协议和IP协议又是非常重要的两个协议，所以用TCP和IP两个协议表示为这个大家族，所以常称为TCP/IP协议族

2、计算机网络体系结构分层的必要性

• 计算机是一个非常庞大且复杂的系统
• 分层可以将这些复杂的内容分解为各个部分，解决起来比较简单

分层后每一层的任务

• 物理层
  • 互连时采用怎样的传输媒介
  • 采用怎样的物理接口
  • 采用怎样的信号表示bit 0 和 1
• 数据链路层
  • 主机a想发送给主机c数据，主机a发送数据到总线后，会将数据发送给所有连接在总线上的主机，而这时就出现了问题，主机c怎么识别这个数据是发给他的呢？其他主机是如何识别这个数据不是发给他的呢？（主机编制问题，例如MAC地址）
  • 如何从信号所表示的一连串bite流中区分出地址和数据
  • 如果有多态主机同时发送数据到总线，那么该如何协调这种情况
• 网络层（网际层）
  • 因为因特网中会有若跟个网络和网络中的主机，那么，我们如何识别各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址问题，例如IP地址）
    • ip地址中前三个十进制数表示网络，第四个十进制数表示主机，如198.128.1.254（假的数据），那么198.168.1表示网络，254表示主机信息
  • 因为源主机和目的主机中的传输路径有很多条，就引出路由器如何转发分组，以及如何进行路由选择的问题
• 运输层
  • 如何标识与通信相关的网络进程，进而解决进程之间基于网络的通信问题（举例，如果目的主机上有两个进程，浏览器和qq，那么源主机中发送的分组要交给谁呢？）
  • 如果某个分组在传输过程中出现了“误码”，或者由于路由器繁忙导致路由器丢失分组 ，这样的传输错误应该如何处理
• 应用层
  • 在其他层的基础上，只需指定各中应用层各种协议，并按协议标准编写应用程序，通过应用进程之间的交互来完成特定的网络应用（例如，支持万维网应用的HTTP，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传输的FTP协议）

3、计算机网络体系结构分层思想举例

应用进程之间基于网络的通信流程（拿浏览器和服务器之间的通信做例子）

1. 浏览器所在主机，应用层生成一个http报文
2. 将http报文交给运输层，运输层在这个http报文加TCP首部，变成TCP数据报
3. 将TCP数据报交给网络层，网络层会在这个TCP数据报加IP首部，变成IP数据报
4. 将IP数据报交给数据链路层，数据链路层会在这个IP数据报前后加ETH，使之成为 帧
   • ETH首部是为了让该数据报可以在网络上或者该链路上传输，能够被相应的目的主机接收
   • ETH尾部作用是为了让目的主机检查收到的帧是否有“误码”
5. 将帧交给物理层，物理层将帧看作是比特流 ，如果该网络是以太网，那么物理层会在帧的首部加前导码，作用是让目的主机做好接收帧的准备；物理层将相应的比特流转换为某种信号发送到传输媒体
6. 该信号通过传输媒体到达路由器
7. 路由器的物理层将该信号翻译成比特流，将比特流的首部的前导码去掉交给数据链路层
8. 路由器的数据链路层将物理层传送过来的帧的ETH首部和尾部去掉交给网络层
9. 路由器的网络层将IP数据报中的IP首部去掉，从中提取出目的网络地址，然后查找自身的路由表，确定转发端口，以便进行转发
10. 路由器的网络层向TCP数据报添加IP首部后发给数据链路层，数据链路层将收到的IP数据报前后添加ETH转换为帧，发送给物理层，物理层再将帧看作是比特流，在比特流前面加前导码，之后翻译成某种信号，通过传输媒体传输
11. 信号通过传输媒体到达Web服务器
12. Web服务器的物理层将这种信号翻译成bit流，将bit流的前导码去掉，转换为帧交给数据链路层
13. 数据链路层将帧的ETH首部和尾部去掉变为IP数据报，交给网络层
14. 网络层将IP数据包的IP首部去掉变为TCP数据报，交给运输层
15. 运输层将TCP数据报的TCP首部去掉变为 源主机发送的HTTP数据报 后交给应用层
16. 应用层将传过来的http报文进行解析，然后给主机发回http响应报文
17. 然后进行类似的过程到达源主机

4、计算机网络体系结构中的专用术语

实体

• 任何可发送或者接收信息的硬件或者软件进程，如图中的A，B，C，D，E，F，G，H，I，J
• 对等实体标识通信双方相同层次中的实体，如图中的A，F；B，G；C，H；D，I；E，J

协议

• 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则集合
  • 逻辑通信并不存在，他只是我们假设出来的一种通信，方便我们单独研究某一层，而不用靠考虑其他层
• 协议三要素
  • 语法：定义所要交换信息的格式
  • 语义：定义通信双方要完成的操作
  • 同步：定义通信双方的时序方式

服务

• 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务

• 要实现本层协议，还需要下一层提供的服务

• 协议是水平的，服务是垂直的

  

• 服务访问点：在同一系统中相邻的两层的实体交换信息的逻辑接口，用户区分不同的服务类型

  • 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段
  • 网路层的服务访问点为IP数据报首部的“协议字段”、
  • 运输层的服务访问点为“端口号”

• 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令就是服务原语

协议数据单元PDU

• 对等层次之间传送的数据包 称位该层的协议数据单元
  • 物理层对等数据包为 比特流
  • 链路层对等数据包为 帧
  • 网络层对等数据包为 IP数据报（使用IP协议的情况下） 或者 分组（packet）
  • 运输层对等数据包为 TCP报文段
  • （使用TCP协议）或者 UDP用户数据报（使用UDP协议）
  • 应用层对等数据报为 报文
• 上述各层数据包可以统称为 协议数据单元PDU

服务数据单元SDU

• 同一系统内，层与层之间交换的数据包称位服务数据单元
• 多个服务数据单元SDU可以合并为一个协议数据单元PDU；一个SDU也可划分为几个PDU