考研笔记-计算机网络协议和体系结构
2.1 计算机网络协议
2.1.1 计算机网络协议：计算机网络中计算机设备间在相互通信时遵守的规则、标准和约定。计算机设备可以是主机、路由器、交换机 等，也可认为是网络中的一个结点。
2.1.2 计算机网络协议的要素：
1）语法：用来说明信息格式。如，协议数据单元（PDU）的结构或格式。
2）语义：用来说明PDU某些信息位组合的含义，标识通信双方可以理解的意思。
3）同步（时序）：通信双方能分辨出通信的开始于结束，那些动作先执行，那些动作后执行。
语法定义怎么做，语义定义做什么，同步关系定义什么时候做。
2.1.3 计算机协议的格式的格式：在计算机网络中采用协议数据单元（PDU）来描述网络协议，采用的是二进制语言表示。网络体系结 构中的每一层都有对应的PDU。PDU由控制部分（PCI）与数据部分（SDU）组成。
2.2 计算机网络体系结构
2.2.1 计算机网络体系结构定义：
计算机网络体系结构：计算机网络各层以及网络协议的合集。
接口：同一结点内相邻层之间交换信息的连接处，又叫服务访问点。底层通过接口向高层提供服务。
2.2.2 网络体系结构分层原则：
a)计算机设备以及端系统与通信子网的连接处，以及网络结点与结点之间的物理连接处应划分出一个层次，以实现物理连称 为物理层，位置在网络中各结点上。
b)网络中相邻结点实现可靠传输的功能应划分为一层，称为数据链路层，位置在相邻结点上。
c)源主机结点与目的主机结点实现网络传输的功能应划分为一层，称为网络层。位置在PDU传输路由经过的各个结点上，传输路由 从源主机结点、中间经过的结点，到目的主机的结点。
d)源端结点到目的端结点，即两通信计算机设备间，为实现应用进程的可靠传输所提供的功能应划分为一个层次，称为运输层， 位置在端结点上。
e)网络应用间的可靠传输可划分为一个层次，称为应用层，位置在端结点之上。
目前计算机网络体系结构采用5个层次（物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层）的设计思想。
2.2.3 网络体系结构中的服务：
1）两种形式的网络服务：
在层次结构的网络体系中，下层为上层提供服务。上层是服务用户，下层是服务提供者。下层为上层提供的额服务由3部分组 成：一是该层为上层提供的服务，二是该层的下面为该层提供的服务，三是通过对等协议与对等实体交互得到的服务。
a)面向连接的服务：通信双方通信前先建立一条连接，通信结束再释放连接。其中包括三个阶段：连接建立，连接维持，连 接释放。在数据传输过程中协议数据单元按照建立好的传输路径有序传输。
b）无连接服务：通信双方在通信时不需要建立连接，一方想发送数据时，就发送PDU，PUD中携带完整的目的地址在网络中传 输，路由结点根据PDU中的目的地址选择合适的路由转发。由于PDU在网络中经过的路由不一定相同，因而发往同一目的地址的PDU 不一定会按顺序到达。
2）服务原语：
1）请求：由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作。
2）指示：服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事。
3）响应：由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应。
4）证实：由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实。
2.2.4 网络协议层次接口和数据单元：
同一层对等实体间交换信息的数据单元称为（n）PDU。下层为上层提供服务时，需要通过层次间的服务访问点（SAP），SAP 为逻辑接口。
数据单元：
1）服务数据单元SDU。
2）协议控制单元PCI。
3）接口控制信息ICI。
4）接口数据单元IDU。
5）协议数据单元PDU。
IDU = SDU + ICI；PDU = SDU + PCI
n+1层通过SAP将IDU传给n层实体，ICI是通过接口的必要信息，当越过接口后，ICI被丢弃，分离出SDU，加上n层的PCI组成 n层的PDU。
2.2.5 对等协议的通信过程
在发送端协议数据单元PDU经过从上层向下层的逐层封装，在最底层构成二进制比特流，通过传输介质，到达接收端，再经由 底层到顶层的逐层拆封，每一层去掉该层的协议头，此时相当于对等层理解对等层协议，即实现了对等层的通信。
2.2.6 协议和服务的关系
在计算机网络分层结构中，第n层的活动元素通常称为n层实体。具体的，实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程， 通常是一个特定的软件模块。不同机器上的同一层称为对等层，同一层实体称为对等实体。n层实现的服务为n+1层所用。
网络服务与网络协议是两个完全不同的概念。网络服务为上层提供一组原语操作，但未涉及操作如何完成。网络协议是通信 双方彼此遵循的规则与约定，用PDU给出具体的协议格式与描述。
网络服务要靠协议来实现。对等层实现的服务功能由由协议描述，实体利用协议实现他们的服务定义，只要不改变提供给用 户的服务，实体可以任意改变他们的协议。协议是水平的，是控制对等实体的之间的通信规则。服务是垂直的，是下层通过SAP向 上层提供服务的。对服务用户来讲，只看到了服务而看不到下层的协议。
2.3 OSI参考模型
2.3.1 OSI参考模型概述：
1983年，国际标准化组织（ISO）形成了OSI正式文件。OSI分为七层，模型本身并不是网络结构的全部内容，他并未确切描述用于 各层的协议和服务，仅告诉各层该做什么，提供了设计计算机网络时可以参考的一个框架。
OSI的七个层次自顶而下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。对应的协议数据单元分别为A- 报文、P-报文、S-报文、T-报文、分组、帧、位流。
低三层统称为通信子网，高三层统称为资源子网。
2.3.2 OSI参考模型结构
OSI参考模型采用三级抽象：体系结构、服务定义、协议规范。
OSI参考模型是一个在制定标准时所要遵循的概念性框架，不是一个具体的技术实现标准。在OSI范围内，只有各种协议可以被实 现。
2.3.3 OSI参考模型各层功能
1.物理层
物理层设计通信信道上的原始比特流，物理层协议4个特性描述与定义：
1）机械特性，规定与通信传输介质连接的接口插头座的机械尺寸、针脚数目、排列。
2）电气特性，规定用什么电压表示"0"、"1"，一个比特持续多长时间，传输是否在两个方向进行，传输的距离。
3）功能特性，规定没根信号线的作用，作用应唯一。
4）规程特性，规定哪根信号线先动作，那根后，如何建立、释放连接。
2.数据链路层
数据链路层的PDU为帧，涉及相邻结点间的可靠传输，功能有链路管理、成帧、差错控制、流量控制等。
成帧是对原始物理比特流进行界定，有四种成帧方法：字符计数、面向字符、面向位、物理违例。
3.网络层
网络层的PDU为分组，涉及源主机结点到目的主机结点间的可靠传输，网络层是通信子层的最高层，需要完成路由选择、网络 寻址、流量控制、拥塞控制、网络互联。
4.传输层
运输层以及上层的PDU是报文，为了区分不同层次的报文，会在报文前加上相应层次的英文名首字母，如T-message，标识运 输层的报文。运输层承担着端结点之间的可靠信息传输，为高层提供可靠的运输连接，为高层屏蔽下面通信子网的差异。
运输层需要解决跨越网络连接的建立与释放。对底层不可靠网络，建立运输连接时需要进行"三次握手"，释放连接是，采 用"四次握手"，确保数据不丢失。
5.会话层
会话层PDU为S-message，允许主机上的用户建立会话关系，再一次会话连接中可以有多个会话内容单元，提供会话同步。会 话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理以及终止会话。会话层使用校验点可使通信会话在通信失效时从校验点恢复数 据通信，实现数据同步。
6.表示层
表示层PDU为P-message，表示层关心所传输的数据信息的格式定义，及信息的语法和语义描述。不同机器采用的编码与表示 方法不同，使用的数据结构也不同。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、解密 也是表示层提供的数据表示变换功能。
7.应用层
应用层是OSI参考模型的最高层，PDU为A-message，是用户与网络的界面。应用层为特定的网络应用提供访问OSI环境的手 段。因为用户要求的多样，这就要求应用层采用不同的应用协议去完成不同类型应用的要求，因此应用层是最复杂的一层。
2.4 TCP/IP协议
2.4.1 TCP/IP协议特点：
1）是一个开放的网络协议簇，可免费使用，给出计算机网络结构层次和对等层网络协议描述。
2）做到与计算机硬件、操作系统无关，也与特定网络硬件无关。
3）做到与低层通信子网无关，低层网络可以是广域网、城域网、局域网、无线网等。
4）提供统一的网络逻辑地址，IP地址与计算机设备的物理网络接口对应，用于标识网络中的一个连接，使得异种计算机、异种计 算机网络互联成为可能。
5）运输层协议提供可靠的端到端数据传输，可以屏蔽通信子网的差异。
6）应用层协议内容丰富。
2.4.2 TCP/IP协议的层次结构
TCP/IP协议结构为4个层次，自顶向下依次为：应用层（对应OSI参考模型中的会话层、表示层、应用层）、传输层、网际层、网 络接口层（对应OSI参考模型的物理层、数据链路层）。
网络接口层：
功能类似于OSI参考模型的物理层和数据链路层。他表示物理网络的接口，网络接口层的责任是从主机或结点接收IP分组，并把它 们发送到指定的物理网络上。
IP层：
IP层包括五种协议：IP协议、ICMP协议、IGMP协议、ARP协议、RARP协议。
IP层实现的主要功能：
a）解决异构网络的互连问题。
b）处理来自TCP层的报文段发送请求，将报文装入IP分组，填充分组头，选择发送路径，发送IP分组。
c）对收到的IP分组进行处理，根据IP地址决定接收还是转发。
d）为IP分组传输进行路由选择。
e）网络寻址和网络互连。
f）对网络中的流量进行控制，处理网络拥塞问题。
TCP层：
TCP层负责在应用间建立端到端的可靠通信，TCP层涉及到两个协议：传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）。
应用层：
包含所有高层协议，如虚拟终端协议（Telnet）、文件传输协议（FTP）、域名解析服务（DNS）、电子邮件协议（SMTP）和超文 本传输协议（HTTP）。
2.4.3 TCP/IP与OSI的比较
TCP/IP模型与OSI模型的一个重要区别是可靠性的问题，OSI模型在所有各层都进行差错校验和处理。而TCP/IP仅在TCP层，即仅在 端到端进行差错控制。
两者相似处：都是分层的协议，并且分层的功能基本相同。
两者不同处：1）层次数目不同，OSI中的网络层可以提供面向连接和无连接两种服务，而TCP/IP中的IP层仅有无连接的服务，OSI 是一个国际标准，而TCP/IP是事实上的工业标准。
2）OSI参考模型最大的贡献就是精确定义了三个主要概念：服务、协议和接口，而TCP在这三个概念上都没有明确区 分。
3）OSI参考模型在发明前没有偏向任何协议，通用性良好，但设计者在协议方面没有太多经验，不知道把哪些功能 放一层比较好。但TCP/IP模型相反，先出现协议，模型实际是对已有协议的描述，但此模型不适用与其他非TCP/IP 的协议栈。
4）TCP/IP在设计之初就考虑到了多种异构网络的互连问题，并将网际协议IP作为单独一个重要层次。OSI模型期初 只考虑了一种标准的公用数据网将各种不同的系统互联，后来OSI模型认识到IP协议的重要性，只好在网络层中划分 一个子层来完成类似TCP/IP模型中IP的功能。
TCP/IP存在3个主要问题：一是没有考虑到安全性的问题；二是IP地址的位数需要扩充；三是不能很好的支持多媒体信息传输所需 要的服务质量。
2.5 分组交换、存储转发
分组交换与报文交换一样采用存储转发方式，但解决了报文交换中的大数据报文传输的问题。分组交换限制了每次传输的数据块大小的上限，把大数据块划分为合理的小数据块，再加上必要的控制信息（如源地址、目的地址和编号信息等），构成分组。网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点收到分组后，暂时保存下来并排队等待传输，然后根据控制信息选择下一结点，直到达到目的地。
分组交换优点：
1）无建立时延。不存在链路建立时延，用户可随时发送数据。
2）线路利用率高。通信双方并不是占有一条固定链路，而是在不同时段一段一段的部分占有这条物理通路，提高了信道利用率。
3）简化了存储管理。因为分组长度固定，所以缓冲区大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理。
4）加速传输。分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作同时进行，减少了报文传输时间。另外， 传输一个分组所需要的缓冲区大小比一个报文小得多，因此因缓冲区不足而等待发送的几率要小得多。
5)减少出错几率和重发数据量。因为分组短小，出错的几率必然减少，所以每次重发的数据量也大大减少，提高了可靠性，减少了 传输时延。
分组交换缺点：
1）存在传输时延。尽管分组交换比报文交换传输时延少，但相对于电路交换仍存在存储转发时延，而且结点交换机必须具有更强 的处理能力。
2）需要传输额外的信息。每个数据块都要加上头信息，从而构成分组，一定程度上降低了通信速率。
3）当分组采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作。
