第一章 计算机网络体系结构
1.2 计算机网络体系结构与参考模型
1.2.1 计算机网络分层结构
由于两个系统中的实体间的通信是一个非常复杂的过程，为了降低协议设计和调试过程的复杂性，也为了便于对网络进行研究、实现和维护，促进标准化工作，通常对计算机网络的体系结构以分层的方式进行建模
把计算机网络各层及其协议的集合称为网络的体系结构，分层的基本原则：
1）每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂性
2）各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流更少
3）各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现
4）保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
5）整个分层结构应能促进标准化工作
不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为称为对等实体；各个层次中每个报文分为两部分，一是数据部分，SDU；二是控制信息部分，即PCI，它们共同组成PDU（协议数据单元），每层的协议数据单元都有一个通俗名称，如物理层PDU称为比特，数据链路层PDU称为帧，网络层的PDU称为分组，传输层的PDU称为报文段
在各层间传输数据时，PDU、SDU和PCI关系：n-SDU+n-PCI=n-PDU=(n-1)-SDU
具体的，层次结构的含义包括以下几个方面：
1）某层实体使用下层服务来实现自定义的功能，同时向上层提供本层服务，且该服务是该层及下面各层服务的总和
2）最低层只提供服务，是整个层次结构的基础，最高层面向用户提供服务
3）上层只能通过邻层接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务，下一层所提供服务的实现细节对上一层透明
4）两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方
1.2.2 计算机网络协议、接口、服务的概念
协议
为网络中数据交换而建立的规则、标准或约定；协议包括三部分，语法、语义和同步，语义规定了所要完成的功能，即需要发出何种控制信息，完成何种动作及做出何种应答；同步规定了执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。一个完整的协议通常应具有线路管理（建立释放连接）、差错控制、数据转换等功能
接口
同一结点内，相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统的内部规定，不能跨层定义接口
服务
下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。上层使用下层提供的服务时必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI参考模型中称为服务原语。OSI参考模型将原语划分为四类：
请求、指示、响应、证实；四类原语用于不同的功能，如建立连接、传输数据和断开连接等，有应答服务的包括全部4类原语，而无应答服务的只有请求和指示两类原语
计算机网络提供的服务分类
1）面向连接服务与无连接服务
面向连接服务：通信前双方需建立连接、分配相应资源（如缓冲区），以保证通信能正常进行，并在结束后释放连接和资源，如TCP就是一种面向连接服务的协议
无连接服务：无需建立连接，发送数据时可以直接发送，每个带有目的地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定线路进行新传输
该服务不可靠，常被描述为“尽最大努力交付”，并不保证通信的可靠性。如IP、UDP就是一种无连接服务的协议
2）可靠服务和不可靠服务
可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确可靠的传送到目的地
不可靠服务只是尽量正确、可靠地传送而不能保证数据正确、可靠的传送到目的地，是一种尽力而为的服务。这种不靠谱只能通过用户或应用来保障
3）有应答服务和无应答服务
有应答服务是指接收方收到数据给出相应的答复，该应答由传输系统内部自动实现，而不是由用户实现。例如文件传输
无应答服务若需应答，则由高层实现，例如，对于www服务，客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答
1.2.3 ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型
1）OSI参考模型
国际标准化组织（ISO）提出了网络体系结构模型，称为开放系统互连参考模型（OSI/RM），通常简称为OSI参考模型：共7层
通信子网（物理层、数据链路层、网络层）
（1）物理层
物理层传输的单位是比特，任务是透明的传输比特流，功能是在物理媒体上为数据端设备透明的传输原始比特流
物理层主要定义数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）的物理与逻辑连接方法，所以物理层协议也称为物理层接口标准
，也称物理层规程
物理层接口标准有很多，如EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21等
（2）数据链路层
数据链路层的传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组组装成帧，数据链路层的功能可以概括为帧、差错控制、流量控制和传输管理等，数据链路层提供的是一种点到点的通信，主机与主机之间通过硬件地址或IP地址标识
广播式网络在数据链路层还要处理如何控制对共享信道的访问。数据链路层的一个特殊的子层—介质访问子层，专门用于处理此问题
典型的数据链路协议：SDLC、HDLC、PPP、STP和帧中继等
（3）网络层
网络层传输的单位是数据报，它关心的是通信子网的运行控制，主要任务是把网络层的协议数据单元（分组）从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，关键问题是对分组进行路由选择，并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互联等功能；路由选择，根据算法在两个结点之间选择最优路径；流量控制，协调两点之间的发送速率和接收速率；差错控制，是两点之间约定的检错规则，例如奇偶校验码；因特网由大量异构网络通过路由器（Router）相互连接起来。因特网的主要网络层协议是无连接的网际协议和许多路由选择协议，因此因特网的网络层也称网际层或IP层
网络层的协议有：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP和OSP F等
（4）传输层
也称运输层，传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP），传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能是为端到端连接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。一个进程通过一个端口来标识
传输层的协议有TCP/UDP
资源子网（会话层、表示层、应用层）
（5）会话层
允许不同主机上的各个进程之间进行会话。会话层利用传输层提供的端到端的服务，向表示层提供他的增值服务。这种服务主要为表示层实体或用户进程建立连接并在连接上有序地传输数据，这就是会话，也称建立同步（SYN）
会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的会话。会话层可以使用校验点使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信，实现数据同步
（6）表示层
处理两个交换系统中交换信息的表示方式。不同机器采用的编码、表示方法、数据结构皆不同，为了使这些不同能够相互交换，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。数据压缩、加密和解密也是表示层可提供的数据表示变换功能
（7）应用岑
是用户与网络的界面，应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI参考模型环境的手段。因为用户的实际应用多种多样，需要应用层采用不同的应用协议来解决不同类型的应用要求，因此应用层是最复杂的一层，使用的协议也最多
典型的协议：用于文件传送的FTP（文件传输协议）、用于电子邮件的SMTP（电子邮件协议）、用于万维网的HTTP（超文本传输协议）
2）TCP/IP模型
ARPA在研究ARPAnet时提出TCP/IP模型，模型结构如下：
（1）网际接口层：网络接口1，网络接口2，网络接口3；功能类似于OSI参考模型的物理层和数据链路层。它与表示物理网络的接口，但实际上TCP/IP本身并未真正描述这一部分，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便在其上传递IP分组。具体的物理网络既可以是各种类型的局域网，如以太网、令牌环网、令牌总线网等，也可以是诸如电话网，SDH、X.25、帧中继和ATM等公共数据网络。网络接口层的作用是从主机或结点就收IP分组，并把它们发送到指定的物理网络上
（2）网际层：IP：主机与主机是TCP/IP体系结构的关键部分。它和OSI参考模型的网络层在功能上非常相似。网际层将分组发往任何网络，并为之独立的选择合适的路由，但不保证各个分组有序到达。网际层定义了标准的分组格式和协议，即IP.当前采用的IP协议是第四版，即IPv4
（3）传输层：TCP、 UDP：应用-应用或进程-进程，它的功能同样和OSI参考模型中的传输层类似
（4）应用层：HTTP、… 、SMTP、DNS（域名解析服务）、… 、RTP
IP协议是因特网中的核心协议；TCP/IP可以为各式各样的应用提供服务（所谓的Everything over IP），同时TCP/IP也允许IP协议在各种网络构成的互联网上运行（所谓的IP over Everything）
3）TCP/IP模型与OSI参考模型比较
相似之处
（1）都采取分层体系结构，将复杂问题简单化，分层的功能大体相似
（2）都基于独立的协议栈的概念
（3）结局异构网络的互联，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信
差异之处
（1）OSI明确定义了服务、接口和协议这三个接口，TCP/IP则模糊不清
（2）TCP/IP实际上是对已有协议的描述，但是模型不适合任何其他非TCP/IP的协议栈
（3）TCP/IP模型在设计之初就考虑到了多重异构网络的互联问题，并将网际协议（IP）作为一个重要的层次。而OSI在意识到这个重要性之后在网络层划分出了一个子层来完成类似于TCP/IP模型中的IP功能
（4）OSI参考模型在网络层支持无线连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。而TCP/IP模型认为可靠性是端到端的问题，因此它还在网际层仅有一种无连接的通信模式，但传输层支持无线连接和面向连接两种模式
事实上，每种模型都不是完美无缺的，我们要学习时要博采众长
通信协议栈进行通信的结点的数据传输过程：每个协议栈最顶端都是一个面向用户的接口，下面各层是为通信服务的协议。用户传输一个数据报时，通常给出用户能够理解的自然语言，然后通过应用层，将自然语言转化为用于通信的通信数据，通信数据到达传输层，作为传输层的数据部分（传输层SDU）加上传输层的控制信息（PCI），组成传输层的PDU，然后交到网络层，传输层的PDU下放到网络层后，就会成为网络层的SDU，然后加上网络层的PCI，又组成了网络层的PDU，下放到数据链路层，这样层层下放，层层包裹，最后形成的数据报通过通信线路传输，到达接收方结点协议栈，接受方在逆向地逐层把“包裹”拆开，然后把收到的数据提交给用户
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