網絡技術基礎(三)計算機網絡體系結構與協議

零.簡介

1.計算機網絡是一個十分複雜的系統，涉及計算機技術、通訊技術、多媒體技術等多個領域。系統中的各個部分必須遵照一整套合理而嚴謹的結構化管理規則。計算機網絡就是按照高度結構化的設計思想，採用功能分層原理的方法來實現的。

 

一.網絡體系結構與協議概述

1.網絡體系結構的概念：體系結構是研究系統各部分組成及相互關係的技術科學。計算機網絡體系結構是指整個網絡系統的邏輯組成和功能分配(層)，定義和描述了一組用於計算機及其通訊設施之間互聯的標準和規範的集合(協議)。研究計算機網絡體系結構的目的在於定義計算機網絡各個組成部分的功能，以便在統一原則的指導下進行計算機網絡的涉及、建造、使用和發展。

2.網絡協議的概念：網絡協議是爲進行網絡中的數據通訊或數據交換而創建的規則、標準或約定。連網的計算機以及網絡設備之間要進行數據與控制信息的成功傳遞就必須共同遵照網絡協議。網絡協議主要由如下3個要素組成，即語法、語義、時序。

(1).語法：規定通訊雙方「如何講」，即肯定用戶數據與控制信息的結構與格式。

(2).語義：規定通訊雙方準備「講什麼」，即須要發出何種控制信息，完成何種動做以及做出何種應答。

(3).時序：規定了雙方「什麼時候進行通訊」，即事件實現順序的詳細說明。

3.網絡協議的分層：計算機網絡是一個很是複雜的系統，所以網絡通訊也比較複雜。網絡通訊的涉及面極廣，因此用於網絡通訊的協議必然不少。結構化設計方法是解決複雜問題的一種有效手段，其核心思想就是將系統模塊化，並按層次組織各模塊。

4.分層的好處：各層之間可相互獨立。每一層都有一個清晰、明確的任務，實現相對獨立的功能，於是能夠將複雜的系統性問題分解爲一層一層的小問題。

(1).靈活性好，易於實現和維護。當任何一層發生變化時，只要層間接口保持不變，則其它各層不會受到影響。

(2).有利於促進標準化。由於每一層的協議已經對該層的功能與所提供的服務作了明確的說明。

5.各層次間的關係：網絡協議都是按層的方式來組織，每一層都能完成一組特定的、有明確含義的功能，每一層的目的都是向上一層提供必定的服務，而上一層不須要知道下一層是如何實現服務的。每一對相鄰層次之間都有一個接口，接口定義了下層向上層提供的命令和服務，相鄰兩個層次都是經過接口來交換數據的。每⼀層中的活動元素一般稱爲實體。實體既能夠是軟件實體(如⼀個進程)，也能夠是硬件實體(如智能輸⼊/輸出芯⽚)。不一樣通訊節點上的同⼀層實體稱爲對等實體。在計算機⽹絡中，對等實體利⽤該層的協議進⾏通訊。可是在實際的通訊過程當中，每⼀層都把數據和控制信息交給下⼀層，直到第1層。第1層下⾯是是物理傳輸介質，進⾏實際的數據傳輸。

6.其它相關概念：

(1).服務：服務位於層次接口的位置，表示底層爲上層提供哪些操做功能。至於這些功能是如何實現的，徹底不是服務考慮的範疇。服務分爲面向鏈接服務和無鏈接服務。面向鏈接服務的提供者要進行創建鏈接、維護鏈接和拆除鏈接的工做，這種服務最大的好處就是可以保證數據高速、可靠和順序的傳輸。無鏈接服務不須要維護鏈接的額外開銷，可是可靠性較低，也不能保證數據的順序傳輸。

(2).服務訪問點(SAP)：服務訪問點是相鄰兩層實體之間經過接口調用服務或提供服務的聯繫點。

(3).協議數據單元(PDU)：是對等實體之間經過協議傳送的數據單元。

(4).接口數據單元(IDU)：是相鄰層次之間經過接口傳送的數據單元，🈶️稱爲服務數據單元(SDU)。

 

二.OSI參考模型

1.OSI參考模型的概念；

(1).1984年，國際標準化組織ISO發表了著名的ISO/IEC 7498標準，定義了網絡互聯的7層框架，這就是開放系統互聯參考模型，即ISO/OSI RM。只要遵循OSI標準，一個系統就能夠與世界上任何地方、一樣遵照OSI標準的其餘任何系統進行通訊。

(2).OSI參考模型將整個網絡的功能劃分爲7個層次，最高層爲應用層，面向用戶提供網絡應用服務；最底層爲物理層，與通訊介質相連實現真正的數據通訊。兩個用戶計算機經過網絡進行通訊時，除物理層以外，其他各對等層之間均不存在直接的通訊關係，而是經過各對等層的協議來進行通訊。只有兩個物理層之間經過通訊介質進行真正的數據通訊。

(3).在OSI標準制定的過程當中，採用的方法是將整個龐大而複雜的問題劃分爲若干個容易處理的小問題，這就是分層體系結構方法。分層的原則是：根據不一樣層次的抽象分層；每層應當實現一個定義明確的功能；功能的選擇應該有助於制定協議的國際標準；邊界的選擇應儘可能減小跨過接口的通訊量；劃分的層數應適當，不能過多或過少。

2.OSI參考模型各層的功能：

(1).物理層：物理層的主要任務是透明地傳輸比特流。物理層不關心比特流的實際意義和結構，只是負責接收和傳送比特流。物理層定義網絡硬件的特性，包括使用什麼樣的傳輸介質以及與傳輸介質鏈接的接頭等物理特性，所典型規範表明有：EIA/TIA RS-23二、EIA/TIA RS-44九、V.3五、RJ-45等。傳送信息所利用的物理傳輸介質並不在物理層以內而是在物理層之下。

(2).數據鏈路層：數據鏈路層的主要任務是：在兩個相鄰節點間的線路上無差錯地傳輸以幀(Frame)爲單位的數據，並要產生和識別幀邊界。數據鏈路層還提供了差錯控制與流量控制的方法，保證在物理線路上傳輸的數據無差錯。數據鏈路層協議的表明有：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。

(3).網絡層：網絡層的主要任務是：進行路由選擇，以確保數據分組(Packet)從發送端到達接收端，並在數據分組發生阻塞時進行擁塞控制。網絡層還要解決異構網絡的互連問題，以實現數據分組在不一樣類型的網絡中傳輸。網絡層協議的表明有：IP、IPX、RIP、OSPF等。

(4).傳輸層：傳輸層的主要任務是：爲上一層進行通訊的兩個進程之間提供一個可靠的端到端服務，使傳輸層以上的各層再也不關心信息傳輸的問題。傳輸層從會話層接收數據，造成報文(Message)，而且在必要時將其分紅若干個分組，而後交給網絡層進行傳輸。傳輸層協議的表明有：TCP、UDP、SPX等。

(5).會話層：會話層的主要任務是：針對遠程訪問進行管理(好比斷點續傳)，包括會話管理、傳輸同步以及數據交換管理等。

(6).表示層：表示層的主要任務是：用處理在多個通訊系統之間交換信息的表示方式，包括數據格式的轉換、數據加密與解密、數據壓縮與恢復等。

(7).應用層：應用層的主要任務是：爲網絡用戶或應用程序提供各類服務，如文件傳輸、電子郵件、網絡管理和遠程登陸等。

3.OSI參考模型中的數據傳輸過程：

 

三.TCP/IP參考模型

1.TCP/IP概述：

(1).ARPANET的運行經驗代表，TCP/IP是一個很是可靠且實用的網絡協議。20世紀80年代末，美國國家科學會借鑑了ARPANET的TCP/IP技術創建了NSFNET。NSFNET使愈來愈多的網絡互聯在一塊兒，最終造成了今天的Internet。TCP/IP也所以成爲了Internet上普遍使用的標準網絡通訊協議。

(2).TCP/IP標準由一系列的文檔定義組成，這些文檔定義描述了Internet的內部實現機制，以及各類網絡服務或服務的定義。TCP/IP標準並非由某個特定組織開發的，其實是一些團體所共同開發的，任何人均可以把本身的意見做爲文檔發佈，但只有被承認的文檔才能最終成爲Internet標準。

2.TCP/IP協議棧

3.各層的功能：

(1).主機-網絡層：事實上，TCP/IP參考模型並無真正定義這一部分，只是指出在這一層上必須具備物理層和數據鏈路層的功能。本層包含了多種網絡層協議，如以太網協議(Etherent)、令牌環網協議(Token Ring)、分組交換網協議(X.25)等。

(2).互聯層：互聯層是整個TCP/IP參考模型的關鍵部分，它提供的是無鏈接的服務，主要負責將源主機的數據分組(Packet)發送到目的主機。互聯層的主要功能包括：處理來自傳輸層的分組發送請求、處理接收到的數據報、進行流量控制與擁塞控制等。互聯層上定義的主要協議包括：網際協議(IP)、Internet控制報文協議(ICMP)、地址解析協議(ARP)、反向地址解析協議(RARP)等。

(3).傳輸層：與OSI參考模型的傳輸層相似，TCP/IP參考模型的傳輸層的主要功能是：使發送方主機和接收方主機上的對等實體能夠進行會話。在傳輸層上定義瞭如下兩個端到端的協議：傳輸控制協議(TCP)和用戶數據報協議(UDP)。TCP是一個面向鏈接的可靠傳輸協議，而UDP是一個面向無鏈接的不可靠傳輸協議。

(4).應用層：應用層負責向用戶提供一組經常使用的應用程序接口，包含了全部TCP/IP協議簇中的高層協議，如FTP、SMTP、HTTP、SNMP、DNS等。應用層協議通常能夠分爲3類：一類是依賴於面向鏈接的TCP；一類是依賴於無鏈接的UDP；還有一類則既依賴於TCP又依賴於UDP。

 

四.OSI參考模型與TCP/IP參考模型

1.兩種模型的共同點：(1).採用了協議分層方法，將龐大且複雜的問題劃分爲若干個較容易處理的範圍較小的問題；(2).各協議層次的功能大致上類似，都存在網絡層、傳輸層和應用層；(3).二者均可以解決異構網絡的互聯，實現世界上不一樣廠家生產的計算機之間的通訊；(4).二者都是計算機通訊的國際性標準，雖然這種標準一個(OSI)原則上是國際通用的，一個(TCP/IP)是當前工業界使用最多的；(5).二者都可以提供面向鏈接和麪向無鏈接的兩種通訊服務機制。

2.兩種模型的不一樣點：(1).模型設計的差異；(2).層數和層間調用關係不一樣；(3).最初設計的差異；(4).對可靠性的強調不一樣；(5).標準的效率和性能上存在差異；(5).市場應用和支持上不一樣。

3.OSI參考模型的優缺點：

(1).OSI參考模型詳細定義了服務、接口和協議，並將它們嚴格加以區分，實踐證實了這種作法是很是有必要的。

(2).OSI參考模型產生在協議發明以前，這意味着該模型沒有偏向於任何特定的協議，所以很是通用。

(3).OSI參考模型的某些層次(如會話層和表示層)對於大多數應用程序來講都沒有用，並且某些功能在各層重複出現(如尋址、流量控制和差錯控制)，這樣影響了系統的工做效率。

(4).OSI參考模型的結構和協議雖然大而全，但顯過於繁雜和臃腫，於是效率較低，實現起來較爲困難。

4.TCP/IP參考模型的優缺點：

(1).TCP/IP參考模型是對已有協議的描述，協議和模型匹配的至關好。

(2).TCP/IP參考模型只是對一種已有標準的概念性描述。因此協議簡單高效，可操做性強。

(3).TCP/IP參考模型沒有明顯地區來區分、接口和協議的概念。所以，對於使用新技術來設計新網絡，TCP/IP參考模型則不是一個很好的模版，

(4).因爲TCP/IP參考模型是對本身已有協議的描述，所以通用性差。

(5).某些層次的劃分不盡合理，如主機-網絡層。

5.網絡參考模型的建議：從上述分析看，OSI的7層協議體系結構既複雜又不適用，但其概念清楚；TCP/IP的協議獲得了全世界的認可，但並無一個完整的體系結構。所以在學習計算機體系結構時，能夠採用一直折衷的方法，即把OSI參考模型中的會話層和表示層去掉，從而造成一種原理結構，只有5層。這種參考模型也被稱爲五層參考模型。