[网络协议]计算机网络体系结构基本概念、网络协议、TCP/IP模型简介

计算机网络体系结构

源自《计算机网络》第六版–谢希仁编著

简介

主要包含
OSI七层模型（开放系统互联基本参考模型），是理论上的标准；
TCP/IP模型，事实上的国际标准

协议与划分层次

网络协议（简称协议）

为了进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定就称之为网络协议。

协议的三要素：

1. 语法，即数据与控制信息的结构或者格式
2. 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
3. 语序，即事件发生顺序的说明

划分层次

让位于上面的模块利用下面的模块所提供的服务
分层带来的好处

1. 层次之间是相互独立的，某一层并不需要知道他的下一层是如何实现的，只需知道该层通过层间接口所提供的服务，每一层只需要实现一个独立的功能，故可以将一个复杂的问题分解成多个小问题来解决。
2. 灵活性好，当某一层（例如由于技术）发生变化时，只要层间的接口不变，在这层以上或者以下的层均不受影响，此外，对某一层提供的服务也可以进行修改。
3. 结构上可以分割开，每一层都可以使用最合适的技术来实现。
4. 易于实现与维护，使的调试一个庞大而复杂的系统变得容易。
5. 能够促进标准化工作，每一层的功能及其所提供的服务都有了精准的说明

通常，各层完成的功能有如下这些：

1. 差错控制，使的和网络对等端的相应层次的通信更加可靠
2. 流量控制，使得发送端的发送速率不要太快，要使接收端来得及接收
3. 分段和重装，要能将发送的数据分成更小的单位，在接收端再将其重新组装还原
4. 复用和分用，发送端几个高层会话复用一条低层连接，在接收端再进行分用
5. 连接建立和释放，交换数据前先建立一条逻辑连接，数据结束后释放连接。

我们把计算机的各层和相关的协议的集合称为网络的体系结构，其中功能的完成则是一个遵循这种体系结构的实现的问题。体系结构是抽象的，实现则是具体的，是真正运行在计算机软件和硬件当中的。

体系结构

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由于OSI虽然概念清楚，但是比较复杂且不实用，而TCP/IP协议有很广泛的使用，其中的网络接口层其实相当于OSI七层模型中的物理层和数据链路层，故写成的上面的五层模型，下面进行概述

1. 应用层
   • 应用层是体系结构中的最高层
   • 应用层的任务是通过应用进程（主机中正在运行的程序）间的交互来完成特定网络应用，应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则
   • 不同的网络应用要有不同的应用层协议，如支持万维网的HTTP，电子邮件的SMTP，文件传送的FTP
   • 应用层交互的数据单元称为报文。
2. 传输层
   • 传输层的任务就是向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务，应用进程利用该服务传送应用层报文。
   • 所谓通用，指的是并不针对某个特定的网络应用，而是多种应用可以使用同一个传输层服务，（一台主机可以同时运行多个进程），故传输层具有复用和分用的功能。复用是指多个应用层进程可以同时使用下面传输层的服务；分用相反，是传输层分别把收到的信息交给上面的应用层中的相应进程
   • 主要有两种协议，传输控制协议TCP，提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段（segment）；用户数据报协议UDP，提供无连接的，不可靠的（不保证数据传输的可靠性）的数据传输服务，其数据传输的单位是用户数据报。
3. 网络层
   • 网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
   • 因特网是一个很大的互联网，由大量的异构网络通过路由器相互连接起来。因特网主要的网络层协议是无连接的网际层协议IP和许多种路由选择协议。
   • 在发送数据时，网络层把传输层产生的报文段或者用户数据报封装成分组或包进行传送。TCP/IP中，由于网络层使用IP协议，因此分组也称为IP数据报，简称数据报。
   • 网络层的另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机传输层传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机
4. 数据链路层
   • 两台主机间的数据传输总是在一段一段的链路上进行的，故需要使用专门的链路层协议
   • 数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在相邻两个结点间的链路上传送帧。
   • 帧包括数据和必要的控制信息（同步信息、地址信息、差错控制等）
   • 控制信息能使接收端知道一个帧的开始和结束位置，便于数据的提取；控制信息还能使接收端检测收到的帧是否有差错（检错）甚至还可以纠错
5. 物理层
   • 物理层传输的单位是比特
   • 物理层需要考虑用多大的电压表示1或0，以及接收方如何识别发送方所发出的比特
   • 物理层还需要考虑引脚、引脚连接等

应用进程的数据在各层之间的传递所经历的变化

假定主机1的应用进程AP1向主机2的应用进程AP2传送数据。
AP1先将其数据交给本主机的第5层（应用层）。第5层加上必要的控制信息H5就变成了下一层的数据单元。
第4层（运输层）收到这个数据单元后，加上本层的控制信息H4，再交给第3层（网络层），成为第3层的数据单元。
第2层（数据链路层）后，控制信息被分成两部分，分别加到本层数据单元的首部（H2）和尾部（T2）；
第1层（物理层）由于是比特流的传送，所以不再加上控制信息。

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

实体、协议、服务和服务访问点

实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

协议是控制两个对等实体（或多个）进行通信的规则的集合

• 语义上规定了交换信息的格式
• 语法上定义了发送者或者接收者要完成的操作
• 语序上定义了收发双方的时序关系

服务，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，还需使用下层提供的服务。
协议与服务的区别

• 协议保证了下一层向上一层提供服务，使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，也就是协议对上面的实体是透明的
• 协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则
• 服务是垂直的，服务是下层向上层通过接口提供的，只有能被高层看得见的才叫服务

服务访问点
同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方称为服务访问点（SAP），是一个抽象的概念，实际上就是一个逻辑接口
注意异常
协议必须把所有的不利条件估计到，不能假定一切都是正常的，协议是否正确必须看这个协议能否应对各种异常情况

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