概述(三)：网络体系结构与网络协议

　　网络体系结构与网络协议是计算机网络技术中两个最基本的概念。

1、网络体系结构的基本概念

1.1、什么是网络协议

　　协议是一组控制数据交互过程的通信规则，这些规则明确地规定所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换制定能够的通信规则、约定与标准称为"网络协议"。

1.2、协议、层次、接口与体系结构的基本概念

　　协议(protocol)是一种通信规则，要保证计算机网络中大量计算机之间有条不紊的交换数据，必须实现指定一系列通信协议。

　　层次(layer)结构是处理计算机网络问题最基本的方法。对于一些难以处理的复杂问题，通常采用分解为若干个容易处理的、小一些的问题，"化整为零，分而治之"的方法去解决。

　　接口(interface)是同一主机内相邻层之间交换信息的连接点，相邻层之间通过接口来交换信息。

　　网络体系结构(network architecture)是抽象的，是网络层次结构模型与各层协议的集合，对计算机网络应该实现的功能进行精确定义。

层次网络模型的优点：

　　·各层之间相互独立，高层只需要知道通过与底层的接口就可以获得所需要的服务；

　　·灵活性好，各层都可以采用适当的技术来实现；

　　·易于实现和标准化，可将复杂的网络通信工作过程化解为一系列可以控制和实现的概念模块。

2、OSI参考模型

2.1、OSI参考模型的概念

　　OSI参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系，以及各层所包括的可能的服务。OSI服务定义详细的说明了各层所提供的服务，但并不涉及接口的具体实现方法。

　　OSI参考模型是一种在指定标准时所使用的概念性的框架。

2.2、OSI参考模型层次划分的主要原则

　　OSI参考模型的结构：

　　

OSI模型将整个通信功能划分为7个层次，其层次划分的主要原则如下：

　　1、网中各主机都具有相同的层次；

　　2、不同主机的同等层具有相同的功能；

　　3、同一主机内相邻层之间通过接口通信；

　　4、每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；

　　5、不同主机的同等层通过协议来实现同等层之间的通信。

2.3、OSI参考模型各层的主要功能

　　OSI参考模型结构包括以下7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

2.3.1、物理层

　　物理层是OSI参考模型的最底层。

　　物理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，实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。

　　物理层的数据传输单元是比特(bit)。

2.3.2、数据链路层

　　数据链路层的低层是物理层，相邻高层是网络层。

　　数据链路层在物理层提供比特流传输的基础上，通过建立数据链路连接，采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

　　数据链路层的数据传输单元是帧。

2.3.3、网络层

　　网络层相邻低层是数据链路层，高层是传输层。

　　网络层通过路由选择算法为分组通过通信子网选择适当的传输路径，实现流量控制、拥塞控制与网络互联的功能。

　　网络层的数据传输单元是分组。

2.3.4、传输层

　　传输层相邻低层是网络层，高层是会话层。

　　传输层为分布在不同地理位置计算机的进程通信提供可靠的端-端(end-to-end)连接与数据传输服务。

　　传输层向高层屏蔽了低层数据通信的细节。

　　传输层的数据传输单元是报文。

2.3.5、会话层

　　会话层相邻的低层是传输层，高层是表示层。

　　会话负责维护两个会话主机之间连接的建立、管理和终止，以及数据的交换。

2.3.6、表示层

　　表示层相邻的低层是会话层，高层是应用层。

　　表示层负责通信系统之间的数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复

2.3.7、应用层

　　应用层是参考模型的最高层。

　　应用层实现协同工作的应用程序之间的通信过程控制。

2.4、OSI环境中的数据传输过程

2.4.1、OSI环境

　　

　　OSI环境虚线所示的是主机中从应用层到物理层的7层以及通信子网；

　　连接主机的物理传输介质不包括在OSI环境中；

　　主机A和主机B如果不连如计算机网络中，可以不需要有实现从物理层到应用层功能的硬件和软件。若要连入计算机网络，必须增加相应的硬件和软件，在本地主机的操作系统控制下完成联网功能。

　　若应用进程A要与应用进程B交换数据。进程A与进程B分别处于主机A与主机B的本地操作系统控制，不属于OSI环境。

2.4.2、OSI环境中数据传输过程

　　OSI环境中的数据流：

　　

　　OSI环境中数据发送过程包括以下步骤：

1、应用层

　　进程A的数据传送到应用层时，应用层为数据加上应用层报头，组成应用层的协议数据单元(protocol data unit, PDU)，再传送到表示层。

2、表示层

　　表示层接收到应用层的数据单元后，加上表示层报头组成表示层协议单元数据，再传送到会话层。

　　表示层按照协议要求对数据进行格式变换和加密处理。

3、会话层

　　会话层接收到表示层数据单元后，加上会话层报头组成会话协议数据单元，再传送到传输层。会话层报文来协调通信主机进程之间的通信。

4、传输层

　　传输层接收到会话层数据单元后，加上传输层报头组成传输层协议单元数据，再传送到网络层。

　　传输层协议数据单元称为 报文(message)。

5、网络层

　　网络层接收到传输层的报文后，由于网络层协议数据单元的长度有限制，需要将长报文分成多个较短的报文段，加上网络层包头组成网络层协议数据单元，在传送到数据链路层。

　　网络层协议数据单元称为 分组(packet).

6、数据链路层

　　数据链路层接受到网络层分组后，按照本层协议规定的帧格式封装成帧，在传送到物理层。

　　数据链路层协议数据单元称为 帧(frame)。

7、物理层

　　物理层接收到数据链路层帧之后，将组成帧的比特序列(也称为 比特流)，通过传输介质传送给下一个主机的物理层。

　　物理层的协议数据单元是比特(bit)序列。

8、总结

　　1、源主机应用进程产生的数据从应用层向下纵向逐层传送，物理层通过传输介质横向将表示数据的比特流传送到下一个主机，一直到目的主机。到达目的主机的数据从物理层向上逐层传送，最终传送到目的主机的应用进程。

　　2、源主机的数据从应用层向下到数据链路层，逐层按相应的协议加上各层的报头。目的主机的数据从数据链路层到应用层，逐层按照各层的协议读取报头，根据协议规定解释报头的意义，执行协议规定的动作。

　　3、OSI环境中各层执行网络协议的硬件或软件自动完成，整个过程不需要用户介入。

　　4、OSI参考模型设计初衷是制定一个适用于全世界计算机网络的统一标准。OSI参考模型与协议结构复杂，实现周期长，运行效率低，缺乏市场与商业推动，使得其未能达到预期目标。

3、TCP/IP参考模型

3.1、TCP/IP参考模型

　　TCP/IP 规定了计算机通信所使用的协议数据单元、格式、报头与相应的动作。

　　TCP/IP中 IP协议共出现过6个版本。形成标准的有两个版本：版本4，即IPv4；版本6，即IPv6。

TCP/IP协议具有以下特点：

　　1、开放的协议标准；

　　2、独立于特定的计算机硬件与操作系统；

　　3、独立于特定的网络硬件，可运行在局域网、广域网，更适用于互联网络；

　　4、统一的网络的地址分配方案，所有网络设备在Internet中都有唯一的IP地址；

　　5、标准化的应用层协议，可提供多种拥有大量用户的网络服务。

3.2、TCP/IP参考模型的层次

TCP/IP参考模型可分为4个层次：

　　·应用层(application layer)

　　·传输层(transport layer)

　　·互联网络层(Internet layer)

　　·主机-网络层(host-to-network layer)

OSI参考模型与TCP/IP参考模型的层次应对关系：

　　

3.3、TCP/IP各层的主要功能

3.3.1、主机-网络层

　　主机-网络层是 TCP/IP参考模型的最底层，负责发送和接收IP分组。

　　TCP/IP协议对主机-网络层没有规定具体的协议，任何一种底层传输协议都可以应用在TCP/IP互联网络层。

3.3.2、互联网络层

　　TCP/IP参考模型互联网络层使用的是IP协议。IP是一种不可靠、无连接的数据报传输服务协议。

　　互联网络层的协议数据单元是IP分组。

互连网络层的主要功能包括：

1、处理来自传输层的数据发送请求

　　在接收到报文发送请求后，将传输层报文封装成IP分组，启动路由选择算法，选择适当的发送路径，并将分组转发到下一个节点。

2、处理接收的分组

　　在接收到其他节点发送的IP分组后，检查目的IP地址，若目的地址为本节点的IP地址，则除去分组头，将分组数据交送传输层处理。若需要转发，则通过路由选择算法为分组选择下一跳节点的发送路径，并转发分组。

3、处理网络的路由选择、流量控制与拥塞控制。

3.3.3、传输层

　　传输层负责在会话进程之间建立和维护端-端连接，实现网络环境中分布式进程通信。

　　传输层定义两个不同的协议：传输控制协议(Transport Control Potocol，TCP)、用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)。

　　TCP是一种可靠的、面向连接、面向字节流(byte stream)的传输层协议。UDP是一种不可靠的、无连接的传输层协议。

3.3.4、应用层

　　应用层是TCP/IP参考模型的最高层，应用层包括各种标准的网络应用协议。

TCP/IP应用哪个成基本的协议主要有：

　　·远程登录协议(TELNET)

　　·文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)

　　·超文本传输协议(Hyper Text Transfer Potocol，HTTP)

　　·域名服务(DNS)协议

　　·动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)

4、总结

　　计算机网络的主要特征：组建计算机网络的目的是实现计算机资源的共享与信息交互，互联的计算机系统是自治的系统，联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。

　　按照覆盖范围与规模分类，计算机网络分为广域网、局域网、个人区域网。

　　网络体系结构是由网络层次结构模型与各层协议组成的。