计算机网络体系结构

常见的计算机网络体系结构

TCP/IP体系结构相当于将OSI体系结构的物理层和数据链路层合并为网络接口层。并去掉了会话层和表示层。

由于TCP/IP在网络层使用的协议是IP协议，IP协议的中文意思是网际协议，因此TCP/IP体系结构的网络层通常称为网际层。

在用户主机的操作系统中，通常都带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族；而用于网络互连的路由器中也带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族，不过路由器一般只包含网络接口层和网际层。

TCP/IP体系结构的网络接口层并没有规定什么具体的内容，这样做的目的是可以互连全世界各种不同的网络接口。

IP协议是TCP/IP体系结构网际层的核心协议，TCP和UDP是TCP/IP体系结构运输层的两个重要协议，TCP/IP体系结构的应用层包含了大量的应用层协议，例如HTTP/SMTP/DNS/RTP等。

IP协议可以将不同的网络接口进行互连，并将其上的TCP协议和UDP协议提供网络互连服务，TCP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的响应协议提供可靠传输服务，UDP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的响应协议提供不可靠传输的服务。

IP协议作为TCP/IP体系结构中的核心协议，一方面负责互连不同的网络接口（IP over everything），另一方面为各种网络应用提供服务（everything over IP）。

TCP/IP协议族通常称为TCP/IP协议栈，这是因为TCP/IP协议体系的分层结构与数据结构中的栈在图形画法上是类似的。

由于TCP/IP体系结构为了将不同的网络接口进行互连，它的网络接口层并没有规定什么具体的内容。然而对于我们学习计算机网络的完整体系而言，就会缺少一部分内容，因此在学习计算机网络原理时往往采取折中的办法，也就是综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种五层协议的原理体系结构。

计算机网络体系结构分层的必要性

• 计算机网络是个非常复杂的系统。早在最初的ARPANET设计时就提出了分层的设计理念；
• 分层可以将庞大二复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理；
• 下面我们按照由简单到复杂的顺序，看看实现计算机网络要面临哪些主要的问题，以及如何将这些问题划分到相应的层次，层层处理；
  

计算机网络体系结构分层思想举例

假设网络拓扑如下所示：
主机属于网络N1，Web服务器属于网络N2，N1和N2通过路由器互连，我们使用主机中的浏览器来访问Web服务器；当输入网址后，主机会向Web服务器发送请求，Web服务器收到请求后会发回相应的相应，主机的浏览器收到响应后将其解析为具体内容显示出来；

主机和Web服务器之间基于网络的通信，实际上是主机中的浏览器应用进程与Web服务器中的Web服务器应用进程之间基于网络的通信。

从主机端按体系结构自顶向下的顺序看，应用层按HTTP协议规定，构建一个HTTP请求报文。

应用层将HTTP请求报文交付到运输层处理，运输层给HTTP请求报文添加一个TCP首部，使之成为一个TCP报文段，首部的作用主要是为了区分应用进程以及实现可靠传输；

运输层将TCP报文段交付到网络层处理，网络层给TCP报文段添加一个IP首部，使其成为一个IP数据报，IP首部的作用主要是为了使IP数据报可以在互联网上传输，也就是被路由器转发；

网络层将IP数据报交付给数据链路层处理，数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部使其成为帧，该首部的作用主要是为了让帧能够在一段链路上或一个网络上传输，能够被相应的目的主机接收，尾部的作用是为了让目的主机检查所接收到的帧是否有误码；

数据链路层将帧交付给物理层，物理层将帧看做是比特流，假设网络是以太网，物理层还会在该比特流前添加前导码，前导码的作用是为了让目的主机做好接收帧的准备，物理层将添加有前导码的比特流变换成相应的信号发送到传输媒体，信号通过传输媒体到达路由器。

信道到达路由器后，物理层将信号转换为比特流；

去掉前导码后，将其交付到数据链路层，这实际上交付的是帧；

数据链路层将帧的首部和尾部去掉后，将其交付给网络层，实际上交互的是IP数据报；

网络层解析IP数据报的首部，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；

网络层将IP数据报交付给数据链路层，数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部使之成为帧；

数据链路层将帧交付给物理层，物理层将帧看做是比特流，假定当前网络是以太网，物理层还会在给该比特流前面添加前导码；
物理层将添加有前导码的比特流变换成相应的信号发送到传输媒体，信号通过传输媒体到达Web服务器。

在Web服务器中，物理层将信号变换为比特流；

去掉前导码后，将其交付给数据链路层，实际上交付的是帧；

数据链路层将帧的首部和尾部去掉后，将其交付给网络层，实际上交付的是IP数据报；

网络层将IP数据包的首部去掉后，将其交付给运输层，这实际上交付的是TCP报文段；

运输层将TCP报文段的首部去掉后，将其交付给应用层，这实际上交付的是HTTP请求报文；

应用层对HTTP请求报文进行解析，然后给主机发回HTTP响应报文；

HTTP响应报文需要在Web服务器层层封装，然后通过物理层变换成相应的信号，再通过传输媒体传输到路由器，路由器转发该响应报文给主机，主机通过物理层将收到的信号转换为比特流，之后通过逐层解封，最终取出HTTP响应报文；

计算机网络体系结构中的专用术语

• 实体：指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程；

• 对等实体：收发双方相同层次中的实体；
  

• 协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合；

• 协议的三要素：语法、语义、同步

  • 语法：定义所交换信息的格式；
  • 语义：定义收发双方所要完成的操作；
  • 同步：定义收发双方的时序关系；
    

• 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，还需要使用下面一层所提供的服务；

• 协议是“水平的”，服务是“垂直的”；

• 实体看得见相邻下层所提供的的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是“透明”的；

• 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于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；
  • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”；
  • 运输层的访问服务点为“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，这些命令称为服务原语；
  

• 协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据报称为该层的协议数据单元；

• 服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元；

• 多个SDU可以合成为一个PDU；一个SDU也可划分为几个PDU；