1.7 计算机网络体系结构

两台计算机要互相传送文件需解决很多问题:

(1) 必须有一条传送数据的通路。 (2) 发起方必须激活通路。 (3) 要告诉网络如何识别接收方。 (4) 发起方要清楚对方是否已开机，且与网络连接正常。 (5) 发起方要清楚对方是否准备好接收和存储文件。 (6) 若文件格式不兼容，要完成格式的转换。 (7) 要处理各种差错和意外事故，保证收到正确的文件。

一些历史：

最初的 ARPANET 设计时提出了分层的设计方法。 分层：将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。 1974 年，IBM 按照分层的方法制定并提出了系统网络体系结构 SNA (System Network Architecture) 。 此后，其他一些公司也相继推出了具有不同名称的体系结构。

但由于网络体系结构的不同，不同公司的设备很难互相连通。

ISO (国际标准化组织) 提出的 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model) 是使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架。 OSI/RM 是个抽象的概念。 1983年，形成了著名的 ISO 7498 国际标准，即七层协议的体系结构。OSI 试图达到一种理想境界：全球计算机网络都遵循这个统一标准，因而全球的计算机将能够很方便地进行互连和交换数据。OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； OSI 标准的制定周期太长，使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场； OSI 的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。所以最后失败了

事实上基于 TCP/IP 的互联网已抢先在全球相当大的范围成功地运行了。

进入正题：协议与划分层次

网络协议 (network protocol)，简称为协议，网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

三个组成要素：

语法：数据与控制信息的结构或格式 。

语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

同步：事件实现顺序的详细说明。

ARPANET 的研制经验表明：对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的。

划分层次的概念举例： 

网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作，并向上层提供接入和通信服务。

分层的优点与缺点

优点：各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护，能促进标准化工作

缺点：有些功能会重复出现，因而产生了额外开销。

注意：每一层的功能应非常明确。

层数太少，就会使每一层的协议太复杂。

层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

各层完成的主要功能：

差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。

流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。

分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。

复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。

连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

计算机网络的体系结构：

网络的体系结构 (Network Architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）。

实现 (implementation) 是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。

体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

这一节的最重点:

我们学习的模型是五层协议的体系结构，这个是我们学习的重点。

各层的主要功能：

应用层： 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。

协议：定义的是应用进程间通信和交互的规则。 把应用层交互的数据单元称为报文(message)。 例如：DNS，HTTP，SMTP

运输层：任务：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。传送单位数据报

具有复用和分用的功能。 主要使用两种协议： 传输控制协议 TCP 用户数据报协议 UDP 。

TCP (Transmission Control Protocol)： 提供面向连接的、可靠的数据传输服务。 数据传输的单位是报文段 (segment)。TCP也是这本书所强调的重点！！！

UDP (User Datagram Protocol)： 提供无连接的尽最大努力 (best-effort) 的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。 数据传输的单位是用户数据报。

网络层：为分组交换网上的不同主机提供通信服务。传送单位报文分组

两个具体任务： 路由选择：通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上，生成一个用来转发分组的转发表。 转发：每一个路由器在接收到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器。

互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议 IP  (Internet Protocol) 和许多种路由选择协议，

因此互联网的网络层也叫做网际层或 IP 层。 IP 协议分组也叫做 IP 数据报，或简称为数据报。

数据链路层：常简称为链路层。传送单位帧（frame）

任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信。 在两个相邻节点间的链路上传送帧（frame）。 如发现有差错，就简单地丢弃出错帧。 如果需要改正出现的差错，就要采用可靠传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使数据链路层协议复杂。

物理层：传送单位比特/比特流

任务：实现比特（0 或 1）的传输。 确定连接电缆的插头应当有多少根引脚，以及各引脚应如何连接。 注意：传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内，而是在物理层协议的下面。

数据在各层之间的传递过程：

 

OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。 任何两个同样的层次把 PDU （即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”之间的通信。

各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

实体、协议、服务和服务访问点

实体 (entity) ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

注意：协议和服务在概念上是不一样的