計算機網絡分層結構

為了降低協議設計和調試過程的復雜性，也便於對網絡進行研究、實現和維護，促進標準化工作，通常對計算機網絡的體系結構以分層的方式進行建模。

我們把計算機網絡的各層及其協議的集合稱為網絡的體系結構，計算機網絡的體系結構就是這個計算機網絡及其所應完成的功能的精確定義，它是計算機網絡中的層次、各層的協議以及層間接口的集合。這些功能用何種硬件或軟件完成的是一個遵循這種體系結構的實現問題。體系結構是抽象的，而實現是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。

分層的基本原則是：

　　1.每一層都實現一種相對獨立的功能，降低大系統的復雜度。

　　2.各層之間界面自然清晰，易於理解，相互交流盡可能少。

　　3.各層功能的精確定義獨立於具體的實現方法，可以采用最合適的技術來實現。

　　4.保持下層對上層的獨立性，上層單向使用下層提供的服務。

　　5.整個分層結構應能促進標準化工作。

在計算機網絡的分層結構中，第n層中的活動元素通常稱為n層實體，不同機器上同一層稱為對等層，同一層的實體叫做對等實體。

在計算機網絡體系結構的各個層次中，每一個報文都分為兩個部分，一個是數據部分（SDU），一個是控制信息部分（PCI），它們共同組成PDU。

層次結構的含義：

　　1.第n層的實體不僅要使用第n-1層的服務，實現自身定義的功能，還要想第n+1層提供本次的服務，該服務是第n層及其下面各層提供服務的總和。

　　2.最底層只提供服務，是整個層次結構的基礎；中間各層既是下一層的服務使用者，又是上一層的服務提供者；最高層面向用戶提供服務。

　　3.上一層只能通過相鄰層間的接口使用下一層的服務，而不能調用其它層的服務；下一層所提供服務的實現細節對上一層透明。

　　4.兩個主機通信時，對等層在邏輯上有一條直接通道，表現為不經過下層就把信息傳送到對方。

計算機網絡協議、接口、服務的概念

　　協議：就是規則的集合。這些規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題。為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定稱為網絡協議，它是控制兩個（或多個）對等實體進行通信的規則的集合，是水平的。

協議由語法、語義和同步三部分組成。語法規定了傳輸數據的格式‘語義規定了所要完成的功能，即需要發出何種控制信息、完成何種動作以及做出何種應答；同步規定了執行各種操作的條件、時序關系等，即事件實現順序的詳細說明。一個完成的協議通常應具有線路管理（建立、釋放連接）、差錯檢測、數據轉換等功能。

　　接口：接口是同一結點內相鄰兩層間交換信息的連接點，是一個系統內部的規定。每一層只能為緊鄰的層次之間定義接口，不能跨層次定義接口。

　　服務：服務是指下層為緊鄰的上層提供的功能調用，是垂直的。對等實體在協議的控制下，使得本層能為上一層提供服務，但要實現本層協議還需使用下一層所提供的服務。

上層使用下層所提供的服務必須通過與下層交換一些命令，這些命令在OSI中稱為服務原語，分四類：

　　1.請求（Request）：由服務用戶發往服務提供者，請求完成某項工作。

　　2.指示（Indication）：由服務提供者發往服務用戶，指示用戶做某件事。

　　3.響應（Response）：由服務用戶發往服務提供者，作為對指示的響應。

　　4.證實（Conformation）：由服務提供者發往服務用戶，作為對請求的證實。　　

協議和服務在概念上是不一樣的。首先，本層協議的實現才能保證向上一層提供服務。本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協議。協議是水平的，協議是控制對等實體之間通信的規則。服務是垂直的，服務是由下層通過層間接口向上層提供的。並非在一個層內完成的全部功能都稱為服務，只有能被高一層實體“看得見”的功能才是服務。

　　計算機網絡提供的服務可按以下三種方式分類：

　　1.面向連接服務與無連接服務

　　在面向連接服務中，通信前雙方必須先建立連接，分配相應的資源，以保證通信能正常進行，傳輸結束後釋放連接和占用的資源。因此這種服務分為建立連接、數據傳輸和釋放連接三個階段。

　　在無連接服務中，通信前雙方不需要建立連接，需要發送數據時就直接發送。把每個帶有目的地址的包傳送到線路上，由系統選定路線進行傳輸，是一種不可靠的服務。

　　2.可靠服務和不可靠服務

　　可靠服務是指網絡具有糾錯、檢錯、應答機制能保證數據正確、可靠地傳送到目的地。

　　不可靠服務是指網絡只是盡量正確、可靠地傳送，但不能保證數據正確、可靠地傳送到目的地，是一種盡力而為的服務。

　　3.有應答服務和無應答服務

　　有應答服務是指接收方在收到數據後向數據發送方給出相應的應答，該應答由傳輸系統內部自動實現，而不是由用戶實現。

　　無應答服務是指接收方收到數據後不自動給出應答。

ISO/OSI參考模型和TCP/IP模型

　　1.OSI參考模型

　　OSI有7層，自下而上依次為物理層、數據鏈路層、網絡層、運輸層、會話層、表示層、應用層。低三層統稱為通信子網，是為了聯網而附加上去的通信設備，完成數據的傳輸功能。高三層統稱為資源子網，完成數據的處理等功能。運輸層承上啟下。

　　OS參考模型各層的功能：

　　1.物理層：

　　傳輸單位是比特，任務是透明的傳輸比特流，功能是在物理媒體上為數據端設備透明的傳輸原始比特流。物理層主要定義數據終端設備和數據通信設備的物理和邏輯連接方法，物理層協議也成為物理層接口標準、物理層規程。

　　物理層主要研究以下內容：

　　通信鏈路與通信結點的連接需要一些電路接口，物理層規定了這些接口的一些參數。

　　物理層規定了通信鏈路上傳輸的信號的意義和電氣特征。

　　2.數據鏈路層：

　　傳輸單位是幀，任務是將網絡層傳下來的IP數據報組裝成幀，功能可以概括為：成幀、差錯控制、流量控制和傳輸管理。

　　3.網絡層：

　　傳輸單位是數據報，任務是把網絡層的協議數據單元（分組）從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通信服務。關鍵為題是對分組進行路由選擇，並實現流量控制、擁塞控制、差錯控制和網際互連等功能。

　　4.傳輸層（運輸層）：

　　傳輸單位是報文段（TCP）或用戶數據報（UDP），傳輸層的任務是負責主機中兩個進程之間的通信。功能是為端到端連接提供可靠的傳輸服務；為端到端連接提供流量控制、差錯檢測、服務質量、數據傳輸管理等服務。

數據鏈路層體提供的是點到點的通信，傳輸層提供端到端的通信。點到點可以理解為主機到主機之間的通信。端到端通信是指運行在不同主機內兩個進程之間通信，一個進程由一個端口標識。

　　5.會話層：

　　會話層允許不同主機上各進程之間的會話。會話層利用傳輸層提供的端到端的服務，向標識層提供它的服務，這種服務主要是向表示層實體或用戶進程提供建立連接並在連接上有序地傳送數據，也成為建立同步。

　　6.表示層：

　　表示層主要用於處理兩個通信系統中交換信息的表示方式，不同機器采用的編碼和表示方法不同，使用的數據結構也不同。為了使不同表示方法的數據和信息之間能互相交換，表示層采用抽象的標準方法定義數據結構，並采用標準的編碼形式。數據壓縮、加密和解密也是表示層可提供的數據表示變換功能。

　　7.應用層：

　　是用戶與網絡的界面。應用層為特點類型的網絡應用提供訪問OSI環境的手段。

　　2.TCP/IP模型

　　從低到高依次為：網絡接口層、網際層、傳輸層和應用層。TCP/IP由於廣泛應用而成為事實上的國際標準。

計算機網絡體系結構與參考模型