计算机网络学习笔记——第三章 网络体系结构与网络协议

第三章 网络体系结构与网络协议

3.1 分层结构

3.1.1 分层结构含义

• 分层结构就是把一个复杂的功能体分解为若干层功能子体，每一层功能子体完成功能体的部分功能，所有功能子体协调完成功能体的全部功能
• 接口就是上层实体和下层实体交换数据的地方,被称为服务访问点
  • 接口需要符合的要求:
    • 1.上一层通过接口发出服务请求,下一层通过接口提供服务响应
    • 2.只要相邻层之间的接口不变,其它层的功能变化对这一层完成的功能没有任何影响
• 实体:每一层真正完成所处层功能的软件和硬件的集合
• 分层的原则:
  • 每一层的功能要清晰定义并相对独立，相邻层之间的功能划分清晰，通过接口进行交互
  • 功能层越多，功能层实现越简单，但网路运行效率越低；功能层太少，每一层功能层实现就有难度。因此，在划分功能层的过程中必须综合考虑实现难度与运行效率
  • 具体的系统应用，不光在垂直方向上采用分层结构，在存在水平方向两端功能相同的层之间的协议协调和约定。

3.1.2 分层的优点

• 各层之间可相互独立，每一层的实现技术对其他层是透明的-
• 分层可以简化复杂系统实现过程，屏蔽底层差异，灵活性好，易于实现和维护
• 分层容易使每一层功能实现过程专业化，有利于促进标准化，并方便借用已有公共服务。

3.2 网络体系结构与协议

3.2.1 计算机网络体系结构的定义

• 计算机网络体系结构是指整个网络系统的逻辑组成和功能分配，定义和描述了一组用于计算机及其通信设施之间互连的标准和规范的集合
• 计算机网络体系结构从功能上描述是划分分层的,分为两方面
  • 垂直方向的分层结构
  • 是水平方向两端功能相同的层之间的协议
• 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
• 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义

3.2.2 网络体系结构

3.2.3 对等层和协议

• 两端分层结构中处于同一地位，起相同作用的功能层称为对等层，每一层真正完成所处层功能的硬件和软件集合称为实体。两层对等层之间那些约定和规范称为协议
• 协议是网络里很重要的一个概念，它包含3个要素，分别是语法、语义和时序
  • 语法:即数据与控制信息的结构与格式。例如：在某个协议中，第一个字节表示原地址，第二个字节表示目的地址，其余字节为要发送的数据等
  • 语义:比特流每一部分的意思，即定义数据格式中每一字段的含义。例如：一个地址是要表示选择的一条路由地址还是最终的目的地址
  • 时序:数据收发的时间以及数据应当发送的速度

3.3 OSI体系结构

3.3.1 网络环境

• OSI参考模型的全称是开放系统互联/参考模型（OSI/RM），其体系结构是国际标准化组织（ISO）最早定义的网络体系结构

3.3.2 各层功能

• 物理层
  • 物理层（Physical）是OSI参考模型的最底层。由光纤、电缆和电磁波等真实存在的物理媒介组成，这些物理媒介组成数据通路，以传输各种形式的物理信号
  • 物理层的主要任务是:
    • 实现二进制位比特流透明传输的过程
      • 一是建立用于传播信号的信道
      • 二是完成二进制位流与信号之间的转换过程
      • 三是实现信号的传输过程。
    • 为数据链路层提供物理连接
• 数据链路层
  • 数据链路层（Data Link Layer）是OSI参考模型的第二层
  • 数据链路层的主要任务是:
    • 差错控制和流量控制
    • 将需要传送的数据封装成帧，从而在两个相邻节点间的线路上无差错地传送以帧（Frame）为单位的数据，使数据链路层对网络层显现为一条无差错线路
  • 局域网中将数据链路层分为两个字层：逻辑链路子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）
• 网络层
  • 网络层（Network Layer）是OSI参考模型的第三层,在这一层，数据的单位为数据分组（Packet）
  • 网络层的主要任务是:
    • 进行路由选择，确保数据分组从发送端到达接收端
    • 阻塞控制
    • 解决异构网络的互联问题
  • 网络层的功能主要通过路由器实现
• 传输层
  • 传输层（Transport Layer）是OSI参考模型的第四层。传输层从会话层接收数据，形成报文（Message），并且在必要时将其分成若干个分组，然后交给网络层进行传输
  • 传输层的主要功能：为上一层通信的两个进程之间提供一个可靠的端与端的服务
    • 端与端：相互通信的两个节点不是直接通过传输介质连接起来的，相互之间有很多交换的设备（如路由器）
• 会话层
  • 会话层（Session Layer）是OSI参考模型的第五层
  • 会话层的主要任务：组织和同步不同主机上各种进程间的通信，控制和管理会话过程的有效进行
• 表示层
  • 表示层（Presentation Layer）是OSI参考模型的第六层。主要解决用户信息的语法表示问题
  • 表示层的主要任务：为上层（应用层）用户提供共同的数据或信息的语法表示变换，如：编码方式、加密方式、压缩方式等
• 应用层
  • 应用层（Application Layer）是OSI参考模型的最高层
  • 应用层的主要任务:应用层为网络用户或应用程序提供各种服务，如文件传输、电子邮件、网络管理和远程登录等

3.4 TCP/IP体系结构

3.4.1 网络环境

• OSI体系结构是基于一种单一的网络环境，TCP/IP体系结构是基于一种网络互连的环境

• TCP/IP实际上是一个协议簇。所有协议都包含在TCP/IP簇的4个层次中，形成了TCP/IP协议栈

3.4.2 各层的功能

• TCP/IP参考模型各层功能

  • 主机——网络层(网络接口层)
    • TCP/IP参考模型只是指出在这一层上必须具有物理层和数据链路层的功能，以实现从网络层传送下来的数据发送到目的主机的网络层
    • 相关协议：以太网协议（Ethernet）、令牌环网协议（Token Ring）、分组交换网协议（X.25）等
  • 网际层(互联层)
    • 网际层（Internet Layer）是TCP/IP体系结构中的第二层，是整个TCP/IP体系结构中的关键部分。网际层提供的是无连接的服务，主要负责将源主机的数据分组（Packet）发送到目的主机
    • 相关协议：网际协议（IP）、网际控制报文协议（ICMP）、地址解析协议（ARP）。
  • 传输层
    • 传输层（Transport Layer）是TCP/IP体系结构中的第三层。与OSI参考模型的传输层类似，TCP/IP参考模型的传输层的主要功能是使发送方主机和接收方主机上的对等实体可以进行会话
    • 相关协议：传输控制协议（TCP)、用户数据报协议（UDP）
  • 应用层
    • 是TCP/IP体系结构中的最高层。应用层负责向用户提供一组常见的应用程序，如电子邮件、远程登录、文件传输等。
    • 应用层包含了TCP/IP簇中的所有高层协议

3.4.3 TCP/IP体系结构特点

• TCP/IP体系结构产生在协议出现以后，实际上是对已有协议的描述。因此，协议和结构匹配的相当好
• TCP/IP体系结构并不是作为国际标准开发的，它只是对一种已有标准的概念性描述。所以，它的设计目的单一，影响因素少，协议简单高效，可操作性强
• TCP/IP体系结构没有明显的区分服务、接口和协议的概念。因此，对于使用新技术来设计新网络，TCP/IP体系结构不是一个很好的模板
• 由于TCP/IP体系结构是对已有协议的描述，因此通用性较差，不适合描述除TCP/IP体系结构以外的其它任何协议

3.4.4 传输控制协议

• TCP协议是一个面向字节流、面向连接的协议
  • 面向字节流的服务主要是指在应用层提供的数据是一串无结构的字节流，传输层可以对数据进行分段，而数据没有长度限制
  • 面向连接的服务提供发送端至接收端按序、可靠的传输服务，在发送端传输层和接收端传输层之间开始数据传输前要有一个协调的过程

3.4.5 用户数据报协议

• 用户数据报协议是一个面向报文的协议，是一个不可靠的、无连接的协议。面向报文服务主要是指应用层提供一系列的报文，传输层不对报文进行分割和拼装，同时报文长度收到限制

3.4.6 OSI体系结构和TCP/IP体系结构的比较

• TCP/IP体系结构不同于OSI体系结构的特点

  • 简洁的分层结构
  • 网络接口层的开放性
  • 定义了各层协议