中科大计网学习记录笔记（五）：协议层次和服务模型

前言：

学习视频：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程
该视频是B站非常著名的计网学习视频，但相信很多朋友和我一样在听完前面的部分发现信息量过大，有太多无法理解的地方，在我第一次点开的时候也有相同的感受，但经过了一段时间项目的学习，对计网有了更多的了解，所以我准备在这次学习的时候做一些记录并且加入一些我的理解，希望能够帮助到大家。
往期笔记可以看专栏中的内容

资料分享：
视频课件分享链接，提取码 pho1
计算机网络（第七版） 自顶向下方法分享链接，提取码 7ln4

1.7 协议层次和服务模型

问题：如何设计和实现计算机网络这个极其复杂的系统？

1.7.1 例子类比

两位异地哲学家的交流

模型解析：

根本是为了实现两位哲学家的思想交流，这里采用分层次的解决方法，也就是下层为上层去服务，第一层是秘书，他们负责两位哲学家书信的传递，比如使用马车邮寄信件，第二层是翻译，负责将书信翻译成哲学家能看懂的语言，重复这个过程，最终实现思想交流。

这样的好处就是将复杂的问题拆分开，比较好实现，而且后续拓展较为容易，比如可以将马车更换为邮车等等。

用层次化的方式实现复杂的网络功能：

**PDU（Protocol Data Unit）**是指在通信协议中，用于在不同层次之间传递的数据单元。通信协议按照 OSI 模型（Open Systems Interconnection model）分为七个层次，每个层次负责不同的功能。在每个层次之间传递的数据单元就是 PDU。

• 将网络复杂的功能分层成功能更明确的层次，每一层实现了其中的一个或者一组紧密相关的功能，功能中有其上层可以使用的功能，也就是提供给上层的服务。
• 本层协议实体相互交互执行本层的协议动作，目的是实现本层的功能，通过接口为上层提供更好的服务。
• 在本层协议的时候，直接利用了下层的服务。
• 本层的服务 = 借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能 + 更下层所提供的服务。

1.7.2 服务和服务访问点

服务（Service）：低层的实体向上层实体提供其和其对等实体通信的能力

服务访问点（SAP，Service Access Point）：上层使用下层的服务通过层间的接口——地点；因为下层不可能只为上层中的一个实体提供服务，所以需要一个标识来找到本次的信息要提供给哪个实体；例如传输层的 SAP 就是经常提到的端口（port）

• TCP/IP 协议模型层次：网络接口层、网络层、传输层、应用层
• 套接字（Socket）是计算机网络中进行进程间通信或主机间通信的一种机制。它提供了一种标准的接口，允许不同计算机上的进程通过网络进行数据交换。套接字是网络编程中重要的概念之一，通常用于实现客户端和服务器之间的通信。

原语（primitive）：上层使用下层服务的形式，高层使用底层提供的服务，以及底层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行服务的。可以理解成一个不可再分的基本操作或者指令，是计算机指令集的基本组成成分。

1.7.3 服务的类型

面向连接的服务（Connection-oriented Service）

• 连接：两个通信实体为进行通信而建立的一种结合

无连接的服务（Connectionless Service）

• 两个对等层实体在通信前不需要建立一个连接，不预留资源；不需要通信双方都是活跃状态，例如寄信

基本理解即可，具体的会在后面课程中详细讲述

服务和协议的关系与区别

• 服务：低层实体向上层实体提供它们之间通信的能力
• 协议：对等层实体之间相互通信过程中遵循的集合

服务与协议的联系

• 本层协议的实现要依靠与下层的服务
• 本层实体通过协议为上层提供更好的服务

1.7.4 数据单元

理解上图中的概念

1. SAP：上面提到的服务访问点
2. IDU：是指在不同层次的通信协议中，数据在相邻层之间传递的单元。
3. ICI： 是指接口控制信息，它是在通信中用于传递控制信息的部分
4. SDU： 是指服务数据单元，它是在通信协议的各层之间传递的数据的逻辑单元。在通信协议的更高层次（应用层、表示层、会话层）中，SDU 包含了实际的用户数据以及可能的协议控制信息。
5. PDU：是指在通信协议中传递的数据的单元，它是通信协议中进行数据传输的最小单位。不同协议层次和不同协议使用不同名称的 PDU。

PDU 的主要作用是 通过协议栈的各层传递数据，并在每一层添加相应的控制信息。当数据通过协议栈向下传递时，每一层都会封装上层的 PDU，添加自己的头部信息，形成新的 PDU。当数据向上传递时，每一层都会解封装下层的 PDU，提取控制信息，并将数据传递给上一层。

上层（第 n 层）的 SDU 作为下一层（n - 1 层）要传递的数据，下层对这个 SDU 进行拓展，加上本层的头部（Header）形成本层的 PDU，而这个 PDU 又作为更下一层（n - 2 层）的 SDU，是一个相对的概念。

1.7.5 分层处理实现复杂系统的好处

• 概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系
  • 分层参考模型
• 结构化：模块化更易于维护和系统升级
  • 改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次
    • 对于其他层次而言是透明的
  • 如改变登机程序并不影响系统的其它部分
    • 改变2个秘书使用的通信方式不影响2个翻译的工作
    • 改变2个翻译使用的语言也不影响上下2个层次的工作
• 缺点：拆分成子系统会导致效率较低

1.7.6 Internet 协议栈

Internet 协议栈是指构成互联网体系结构的协议集合，它定义了在计算机网络中信息如何在不同层次进行传输和处理。

提到模型，首先要区分开 OSI 模型 和 TCP/IP 模型

• OSI 模型（开放系统互联模型）是由国际标准化组织（ISO）制定的，其设计目的是为了提供一个通用的框架，能够帮助理解和设计各种计算机网络协议。

• OSI 模型并没有在实际互联网中得到广泛的应用，但它仍然在学术界和标准化文档中被用作理论基础，以便更好地理解网络协议的功能和交互。

• 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

• TCP/IP 模型是在实际互联网的发展中形成的，最初是由美国国防部的研究项目 ARPANET 的设计所推动的。它以更简洁的四层结构描述了互联网协议的体系结构，包括链路层、网络层、传输层和应用层。TCP/IP 模型更贴近实际应用和互联网的发展，因此 在实际网络设计和实施中更为常见。

• 链路层、网络层、传输层、应用层

可以理解为 TCP/IP 模型是在 OSI 模型上发展而来的，且是更偏向于实践的模型，而作为一个通用的规范，OSI 在学习上也有很大的价值。

这里继续记录郑老师课上使用的模型，可以看作是上面两个的结合

1. 应用层：为人类用户或者其他应用进程提供网络服务的服务，是计算机网络存在的目的。
   • 上面存在的协议包括：FTP（文件传输的协议）, SMTP（用于电子邮件的协议）, HTTP（用于在客户端和服务器之间传递超文本文档的协议）,DNS（是用于将域名映射到 IP 地址的分布式数据库系统）等
2. 传输层：在网络层提供端到端通信的基础上，细分为进程到进程，将不可靠的通信变为可靠的通信
   • 上面存在的协议包括：TCP（面向连接）、UDP（面向无连接）等
3. 网络层：为数据报从源主机到目标主机 选择路由，提供端到端的通信，不可靠
   • 上面存在的协议包括：IP、路由协议等等
4. 链路层：相邻两个网络节点的数据传输，提供点到点的数据通信，而非端到端的
   • 上面存在的协议包括：点对点协议PPP，802.11（wifi），Ethernet
5. 物理层：在线路上传输以 bit 为单位的数据

继续在传输过程中看这些层次的作用

在传输的过程中会经过交换机和路由器

• 交换机主要工作在数据链路层（第二层），通过学习和转发 MAC 地址来实现局域网内部的设备通信。交换机的作用是根据目标设备的 MAC 地址进行内部局域网内的帧转发。
• 路由器主要工作在网络层（第三层），通过学习和转发 IP 地址来实现不同网络之间的数据包路由。路由器的作用是根据目标设备的 IP 地址进行不同网络之间的数据包转发。

路由算法就是在路由器上执行的，为了确定到达目标位置的路径，需要借助网络层，而交换机是负责局域网的数据传输，只需要解封到链路层负责端到端的传输，这里有部分关于路由器和交换机的补充知识，了解即可。

关于路由器和交换机的工作

• 在交换机中，决定数据包转发的主要因素是目标设备的 MAC 地址。交换机通过学习源 MAC 地址和构建一个 MAC 地址表，根据目标 MAC 地址来决定将数据包转发到哪个端口。这个过程是根据数据链路层的信息（MAC 地址）进行的，而不涉及网络层（IP 地址）的路由决策。交换机在同一局域网内实现设备之间的高效通信。
• 而在路由器中，决定数据包转发的主要因素是目标设备的 IP 地址。路由器使用路由表来查找目标 IP 地址，并决定将数据包转发到哪个输出端口。这个过程是根据网络层的信息（IP 地址）进行的，涉及到不同网络之间的路由决策。路由器用于连接不同网络，实现跨网络的数据包传输。

关于 MAC 的确定

• 在同一局域网内，如果目标主机位于源主机所在的子网，源主机可以通过 ARP（地址解析协议）查询目标主机的 IP 地址对应的 MAC 地址，然后将目标 MAC 地址写入数据包的目标 MAC 地址字段。
• 如果目标主机位于不同的网络，源主机会将数据包的目标 MAC 地址设置为它直接连接到的路由器的 MAC 地址。这个路由器通常是源主机发送数据包经过的第一个路由器，即默认网关。路由器会负责将数据包从源主机的子网传递到目标主机所在的子网。
• 在目标主机所在的子网内，路由器会将目标 MAC 地址替换为目标主机的真实 MAC 地址。这是通过路由器在两个子网之间进行 MAC 地址转换的过程，通常称为 NAT（Network Address Translation）。

1.7.7 各层次的协议数据单元

也就是上面说的 PAU，是每层中传递的数据

• 应用层：报文(message)
• 传输层：报文段(segment)：TCP段，UDP数据报
• 网络层：分组packet（如果无连接方式：数据报 datagram）
• 数据链路层：帧(frame)
• 物理层：位(bit