深入理解计算机网络读书笔记（三）

第三章 计算机网络体系结构

3.1 典型计算机网络体系结构

• OSI/RM体系结构
  整个OSI/RM体系结构划分为七个层次，由低到高分别是物理层（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）。
  OSI/RM体系结构分层：
  （1）上五层：广域网中不同局域网间通信的功能层次，下两层：局域网内部通信所必需的层次。
  （2）低四层：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：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。
  （3）低三层：创建网络通信所需的网络连接（面向网络），属于“通信子网”，高四层：端到端的用户数据通信（面向用户），属于“资源子网”部分。
  OSI/RM各层次划分原则：（1）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；（2）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。（3）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。（3）不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。
• TCP/IP协议体系结构
  TCP/IP协议体系结构划分了四层，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）和网络访问层（Network Access Layer，又称网络接入层、网络接口层或者主机-网络层）。
  TCP/IP五层模型：将网络访问层划分为物理层和数据链路层。
• 局域网体系结构
  局域网体系结构，包括有线以太网和WLAN无线局域网。局域网体系结构仅包含OSI/RM中的物理层和数据链路层。局域网中不需要路由寻址，也就不需要网络层，同时局域网中通过安装在计算机操作系统中的网络通信协议和一些具体网络应用软件来实现传输层和应用层的功能。
  局域网通常属于广播型网络，存在介质争用，所以对数据链路层进行进一步划分，分为介质访问控制（Media AccessControl，MAC）子层和逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）子层。MAC子层：解决介质争用、局域网内部寻址。LLC子层：LLC子帧封装、链路控制和管理。
  （1）有线以太局域网体系结构
  遵循IEEE 802.1A标准，IEEE 802.1A局域网体系结构仅支持IEEE 802系列局域网标准（如IEEE 802.3系列、IEEE 802.4、IEEE 802.5）中的物理层协议；MAC子层主要是支持IEEE 802系列局域网标准中的载波监听多路访问**（CarrierSense Multiple Access，CSMA）、载波监听多路访问/冲突检测（Carrier Sense MultipleAccess /Collision Detect，CSMA/CD）协议，以及把物理层的比特流封装成MAC子帧的功能；LLC子层主要支持IEEE 802系列局域网标准中的LLC子帧封装、链路控制和管理功能。
  （2）WLAN体系结构
  物理层：WLAN接入标准（包括IEEE 802.11，IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n等）；MAC子层：WLAN MAC访问控制（CSMA/CA）、数据加/解密、PCF（点对点协调）和DCF（分布式协调）；LLC子层：WLAN QoS及相关标准（包括IEEE 802.11e、IEEE 802.11i等标准）。
• 网络体系结构各层主要功能
  物理层：（1）规定网络设备的机械特性和电气特性，为网络/数据通信提供物理连接和传输通道；（2）对数据信号进行编码，提供比特流的透明传输。数据链路层：（1）建立网络和数据通信的逻辑传输通道，使有差错的物理线路变成无差错的逻辑线路；（2）为同一网络内部通信提供两层MAC地址寻址及帧格式封装；（3）以帧为基本格式对数据提供流量控制和差错控制。网络层（或网际互连层）：（1）为不同网络之间的主机通信提供网络寻址和路由转发；（2）以分组为基本格式提供流量控制、拥塞控制、差错控制。传输层：（1）以端到端方式建立数据传输连接和通道，屏蔽途径网络中所有低层服务的差异；（2）以数据段为基本格式提供流量控制、拥塞控制、差错控制。会话层：维护通信双方应用进程会话、管理通信双方数据交换进程。表示层：数据格式转换、数据加密与解密、数据压缩与解压缩。应用层：为各种网络应用提供服务。
• OSI/RM和TCP/IP协议体系结构的比较
  相同之处：（1）层次结构划分思想相同，均以协议栈（不同协议形成的层次结构）为基础进行层次结构划分的，并且协议栈中的协议是彼此独立的；（2）总体层次结构相似；（3）核心组成一样，两种体系结构中都定义了“服务”、“接口”和“协议”三个重要核心。
  不同之处：（1）适用范围不同，OSI/RM是理想化的模型，而TCP/IP更具有实践性；（2）层次结构不同，TCP/IP协议体系结构中没有“会话层”和“表示层”，OSI/RM中的“物理层”和“数据链路层”的功能在TCP/IP协议体系结构中合并到了“网络访问层”中。（3）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（它不仅支持TCP/IP协议网络中无连接的IP网络协议，同时支持NetWare SPX/IPX网络中的面向连接的SPX服务等），TCP/IP模型的网络层只提供无连接的服务（只支持IP这种无连接的网络层协议）。（4）所包括的通信协议不同，OSI/RM体系结构包括各种类型的通信协议，适用于各类网络，但其中许多通信协议已经过时，TCP/IP网络中的通信协议是专门针对具体的TCP/IP协议体系结构而开发的。

3.2 计算机网络体系结构通信原理

• 网络体系结构的数据通信原理

  
  
  数据通信原理

• 网络体系结构的对等通信原理

  
  
  对等通信原理
  
  

  对等层之间传送的数据单位称为PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）。不同层的PDU所包括的内容和格式也不一样。物理层：比特；数据链路层：帧，帧必须是整数字节大小（一字节8比特），一帧为一个DPDU（数据链路协议数据单元）；网络层：分组（或者包，packet），一个分组包括多个帧，一个分组即一个NPDU（网络协议数据单元）；传输层比较特殊，OSI/RM中以TPDU（传输协议数据单元）为单位的，TPC/IP中，TCP以数据段（segment）为单位，UDP以数据报（datagram）为单位；会话层、表示层和应用层以具体的数据报文为单位。
  数据在发送端时经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾（仅数据链路层需要封装“协议尾”）部分，也就是要对数据进行协议封装，以标识对应层所用的通信协议。OSI/RM各层的数据封装流程中的AH为应用层协议头，PH为表示层协议头，SH为会话协议头，TH为传输层协议头，NH为网络层协议头，DH为数据链路层协议头（物理层为最低层，不需要再进行封装），DT为数据链路层协议尾。

  
  
  数据封装流程

3.3 网络体系结构的设计考虑

• 网络体系结构的层次划分依据
  分层依据：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。同时考虑到通信效率和可行性等诸多因素，既要使网络体系结构尽可能简单，又要确保各层的功能和不同层次之间的协商容易实现。
  附：SAP（访问服务点）：网络体系结构中的层与层之间相互通信的逻辑接口。
• 网络体系结构分层的好处
  （1）便于方案设计和维护；（2）各层相互独立，技术升级和扩展灵活性好；（3）促进标准化。

3.4 网络体系结构中的通信协议

计算机网络通信协议：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

• 网络通信协议的三要素
  （1）语义：描述该通信协议具体用来完成什么功能，还包括通信协议的版本，通常相邻版本的通信协议是向下兼容的。（2）语法：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。（3）同步（握手）：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。（涉及流量控制、拥塞控制问题）