【计算机网络学习笔记04】网络体系架构与网络协议

一、网络协议的概念和要素

网络协议是计算机网络相互通信的对等层实体之间，用来交换信息时必须遵守的规则或约定的集合。这些为网络数据交换而制定的通信规则、约定与标准被统称为网络协议，简称协议。

网络协议主要由三个基本要素组成，分别是语法、语义和时序。

1. 语法：用于定义数据和控制信息的结构或格式。
2. 语义：用于解释数据或控制信息的具体含义。
3. 时序（同步）：用于对事件实现顺序的详细说明。

二、计算机网络体系结构

计算机网络各层、层中协议以及层间接口的集合（即网络层次结构模型和协议的集合），被称为网络体系结构。计算机网络的工作是建立在计算机网络体系结构，即协议、层次、接口和体系结构几个重要的概念基础上。

1. 协议：用于双方通信时所约定好的一种通信方式。当双方发生通信时，双方必须执行约定好的通信规则。
2. 层次：当一个系统过于复杂庞大时，需要将复杂的系统拆分成多个小的、功能相对独立的模块或子系统。这一些模块或子系统就是一级级的层次。
3. 接口：一个复杂且庞大的系统采用了分层结构后，层与层之间也需要一种介质来进行交流。层与层之间可通过接口来提供服务和交换信息。在计算机网络中，同一结点的相邻层次之间通过明确规定的接口来交换信息，一般为下层通过接口向上层提供服务。只要接口条件不变，下层提供的功能则不变。

层次化结构计算机网络体系的特点：

1）各层之间相互独立

各层之间相互独立，高层不必关心低层的实现细节，只需知道低层所提供的服务，以及本层向上层所提供的服务即可，能真正做到各司其职。

2）易于实现和维护

相比一个庞大复杂的系统，若干个相对独立的子系统有利于实现和维护，某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响。

3）易于实现标准化

在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层的不同网络设备能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协议可放在多种低层协议上运行；能有效刺激网络技术革新，因为每次更新都可以在小范围内进行，不需对整个网络动大手术。

三、OSI和TCP/IP参考模型以及五层协议

OSI参考模型

OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互连。 一般称为OSI参考模型，是ISO组织在1985年研究的网络互连模型。该体系结构标准定义了网络互连的七层框架，自下而上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图所示1-1，各层的主要功能分析如下：

图1-1 OSI参考模型

1) 物理层

物理层位于OSI参考模型中的最底层。该层利用传输介质为通信的主机之间建立、管理和释放物理连接，实现比特流的传输。物理层的数据传输单元是比特（bit），该层的典型代表设备有中继器和集线器，其服务对象是数据链路层。主要协议为Rj45、802.3等。
物理层和具体传输内容无关，只关心物理设备传输来的电子信号“1”与“0”，并为数据链路层实体提供建立、传输、释放所必须的的物理连接，从而提供透明的比特流传输。

2) 数据链路层

数据链路层位于第二层，上层是网络层，下层是物理层。该层主要在物理层所提供的比特流传输基础上，通过建立数据链路连接，采用差错控制和流量控制方法，以保证本会有出错概率的物理线路，在传递给网络层时变成没有差错的数据链路。同时也为网络层提供将网络层传下来的数据报组装成帧的任务。数据链路层的传输单元是帧。该层的典型设备是二层交换机，其服务对象是网络层，主要协议有SDLC、HDLC、PPP、STP等。

在数据链路层，发送方将输入的数据拆分成数据帧，然后按照顺序将这些数据帧发送。如果服务是可靠的，则接收方必须确认收到每一帧并回复确认帧，从而实现差错控制。此外为避免发送方发送的数据过大过频繁，数据链路层往往还会采用流量控制，以减缓数据堵塞。

3) 网络层

网络层位于第三层，上层是传输层，下层是数据链路层。该层主要任务是通过路由选择算法把分组从源端传送到目的端，为分组交换网络上的不同主机提供通信服务，以及实现流量控制，拥塞控制和网络互联功能。网络层的数据传输单位是分组，该层的典型代表设备有路由器和三层交换机，其服务对象是传输层，主要协议有IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF等。

在网络层，分组从发送方到接收方所选择的路由可能为静态，也可能为动态的自动更新，可根据负载情况选择合适的路由，从而避开网络中的故障组件。同时，一个数据报到达目的地的过程中，可能会经过寻址方案和使用协议不同的网络，网络层要保证异构网络相互连接成为互联网络。

4) 传输层

传输层位于第四层，上层是会话层，下层是网络层，该层主要任务是负责主机中两个进程的通信，即可靠的端到端的连接和数据传输服务。传输层的数据传输单元是报文，主要协议有TCP、UDP。
传输层接受来自上一层的数据，在数据较为庞大时把数据分割成较小的单元后再发送至网络层，并确保这些数据信息能正确无误地抵达。

5) 会话层

会话层位于第五层，上层是表示层，下层是传输层，该层主要任务是向表示层实体或用户进程提供建立连接并使数据能够有序地进行传输，并对连接进行管理、维护与终止等操作。主要协议有ADSP、ASP等。

6) 表示层

表示层位于第六层，上层是应用层，下层是会话层，该层主要任务是处理两个通信系统中交换信息的表示方式（语义、语法），同时具有对数据进行加密、解密、压缩与恢复的功能。主要协议有JPEG、ASCII。

7) 应用层

应用层位于ISO参考模型的最高层，该层主要任务是向用户提供各种能够产生网络流量的应用服务。主要协议有FTP、SMTP、HTTP，这些应用协议得到广泛使用，可向用户提供文件传输、电子邮件以及浏览网络新闻等常用服务。

TCP/IP参考模型

前面我们介绍了OSI参考模型，该种参考模型旨在为网络体系结构与协调发展提供一种国际标准，只要遵循该模型的结构，都可以接入计算机网络实现互联。TCP/IP参考模型是在OSI七层模型基础之上精简发展过来的。由于OSI七层模型比较繁琐，所以当前几乎不用。TCP/IP是一组用于实现网络互连的通信协议。Internet网络体系结构以TCP/IP为核心。基于TCP/IP的参考模型将协议分成四个层次，它们分别是：网络接口层、网际层、传输层、和应用层。

1) 网络接口层

网络接口层大致对应OSI的物理层与数据链路层。该层负责发送和接收IP分组。该层没有具体的协议和内容，仅仅起到接入的作用。主机可以根据主机所处的网络选择使用广域网、局域网或城域网的各种协议通过和网络实现互联。因此，该层不是真正意义上的一个层，而是主机与传输线路之间的一个接口。

2) 网际层

网际层大致对应OSI的网络层。其主要任务是允许主机将分组传输到网络中，让每个分组独立地到达目的地，即完成路由选择。该层还提供建立独立的局域网之间的互联网络。在互联网络该层能允许网间的报文根据它目的地址通过路由器传递至另一个网络。

3) 传输层

传输层大致对应OSI的传输层。其主要任务是为应用程序提供端到端的通信功能。负责将用户数据按规定长度组成数据报发送，在接收端对数据报按顺序进行分解重组以恢复用户数据。为了可靠地传输数据，该层TCP协议能对数据报进行顺序控制、差错检测等功能。

4) 应用层

应用层大致对应OSI的应用层、表示层和会话层。该层将这三层合为一层，并对其功能实现部分进行了一定精简。该层同时对用户程序端提供会话搭建与管理、数据加密解密、与提供网络服务。

TCP/IP五层协议

早期的TCP/IP模型是四层结构，后来借鉴OSI的七层参考模型并与实际使用情况相结合后，形成了一个新的五层结构。基于TCP/IP的参考模型将协议分成五个层次，它们自下而上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

TCP/IP参考模型的网络层本身并不是实际的一层，仅定义了网络层与数据链路层的接口。事实上，物理层和数据链路层的独立划分也是非常必要与合理的。在TCP/IP五层协议中，因为考虑到物理层必须考虑光纤、无线通信等传输特征，而数据链路层的任务则是确定帧的开始与结束的层，所以设计师恢复了物理层和数据链路层这两层的独立划分。

如今的网络多以TCP/IP协议作为基础，人们更多地将TCP/IP分层模型应用在实际工作中去分析与解决问题，故而TCP/IP五层模型应用得更加广泛。

四、网络标准化

全球有许多网络生产商和供应商，若要在世界范围内组建这些相互交流的网络系统，则必须要有一个标准化，以实现不同厂商的软、硬件之间的相互连通。

IEEE 802

IEEE 802是最为常见的网络标准化之一，又称为LMSC（LAN /MAN Standards Committee，局域网/城域网标准委员会），致力于研究局域网和城域网的物理层和MAC层中定义的服务和协议，对应OSI网络参考模型的最低两层（即物理层和数据链路层）。

IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会制定的局域网、城域网技术标准。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。

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作者： 裕新
排版： 胖虎
初审： 正山小种
复审： 二月二

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