常见的计算机网络体系结构

OSI体系结构

OSI体系为法律上的国际标准
从上到下为：

  • 7 应用层
  • 6 表示层
  • 5 会话层
  • 4 运输层
  • 3 网络层
  • 2 数据链路层
  • 1 物理层

OSI标准失败了，失败原因为：

  • OSI的专家们缺乏实际经验，完成这个标准时没有商业驱动力
  • OSI协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低
  • OSI标准制定周期太长，按该标准生产的设备无法及时进入市场

  • 层次划分不合理

    TCP/IP体系结构

    事实上的国际标准，从上倒下以此为：

  • 4 应用层：包含了大量的应用层协议:HTTP,SMTP,DNS,RTP等

  • 3 运输层：TCP和UDP是运输层的两个重要协议
  • 2 网际层：网络层以IP协议为核心协议，IP协议中文意思是网际协议，所以网络层也称为网际层
  • 1 网络接口层：并没有规定什么特定内容，以使设备适用不同网络接口

IP协议是TCP/IP协议中的核心协议，它主要有两个作用：

  • 互连不同网络接口 IP over everything
  • 为各种网络应用提供服务 everything over IP

TCP和IP协议是比较重要的两个协议，所以用TCP和IP代表整个协议大家族，称为TCP/IP协议族,嵌入式系统开发 中称为TCP/IP协议栈

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图注：用户主机的操作系统中通常会带有符合TCP/IP体系结构的协议族，但是路由器中通常只有网络接口层和网际层

原理体系结构

TCP/IP体系对于我们学习计算机网络完整体系而言，缺少一部分内容因此学习计算机网络原理时，会采取折中的方法，综合OSI和TCP/IP的优点，采取原理体系结构（适合教学）：

  • 5 应用层
  • 4 运输层
  • 3 网络层
  • 2 数据链路层
  • 1 物理层

    为什么要分层

    因为有很多问题要解决

物理层

先看最简单的情况，两台计算机通过网线连接起来：
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  • 采用怎样的传输媒体

图中采用双绞线网线

  • 计算机采用怎样的物理接口

图中采用RJ45以太网接口

  • 使用怎样的信号表示比特0和1

图中采用方波信号
以上是物理层要解决的问题

数据链路层

例如在一个交换式以太网中：
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我们要解决以下问题

  • 如何标识网络中的计算机（主机编址问题，例如MAC地址）
  • 如何从信号所表示的一连串比特流中区分地址和数据

  • 以太网交换机如何实现的

    网络层

    解决了物理层和数据链路层就可以实现分组在一个网络上传输了，但是因特网是由很多网络组成的还要解决网络层的问题。
    例如在这个由四台主机和三台路由器组成的小型互联网中：
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    有如下问题：

  • 如何标识个网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址的问题，例如IP地址）

  • 路由器如何转发分组，如何进行路由选择

    运输层

    当网络中的主机可以相互交互时，在运输中还有一些问题：
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  • 解决进程之间进行网络的通信问题（收到的分组该交给浏览器还是qq）

  • 出现传输错误，应该如何处理

    应用层

    在上面层次的问题解决之后，我们就可以实现进程之间基于网络的通信：
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    再此基础上：

  • 通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

总结：
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计算机网络体系结构分层思想举例

这里以通过浏览器输入网址访问一个网站为例：
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主机端自顶向下：

  • 应用层：

按照HTTP协议的规定，构建一个HTTP请求报文，将HTTP报文交付给运输层处理

  • 运输层：

给HTTP请求报文添加一个TCP首部，使之成为TCP报文段，以下是TCP报文段的首部格式，该首部的作用主要是为了区分应用进程，以实现可靠传输，运输层将TCP报文段交付给网络层处理
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  • 网络层：

给TCP报文段加上一个IP首部，使之称为IP数据报，以下是IP数据报的首部格式，该首部的作用是为了使IP数报可以在互联网上传输（可以被路由器转发），
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  • 数据链路层：

数据链路层给IP数据包添加一个首部和一个尾部，使之成为帧，下面是以太网帧首部的格式，首部的作用是为了让帧在一段链路上网络上传输，可以被响应的目的主机接收，帧尾部的作用是为了让目的主机检查接收到的帧是否有误码
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  • 物理层：

物理层将帧看作比特流，由于N1是以太网，所以要再在比特流前添加前导码，然后将加上前导码的比特流变换成相应信号发送到传输媒体
路由器：

  • 物理层：

将信号变成比特流，去掉前导码，交付给数据链路层，实际交付的是帧

  • 数据链路层：

数据链路层去掉帧的首部和尾部，将其交付给网络层，实际交付的是IP数据报

  • 网络层：

解析IP数据报的首部，从中提取出目的网络地址，查找自身路由表，确定转发端口，以便进行转发。之后再传到数据链路层，变成帧，再传到物理层，N2是以太网，要再添加前导码，转换成响应信号发送到传输媒体。
Web服务器：
向上层层交付就行了 ，最后应用层拿到HTTP请求报文，再发回HTTP响应报文，层层封装，发回主机

计算机网络体系结构中的专用术语

实体

任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

  • 对等实体：收发双方相同层次中的实体

通信双方的网卡，正在进行通信的应用进程是对等实体
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协议

协议：是控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。
为什么是逻辑通信：这种通信其实并不存在，它只是我们假设出来的一种通信，目的在于研究某一层而不用考虑其他层
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协议的三要素：

  • 语法：

定义所交换信息的格式
也就是说，语法定义了所交换信息由哪些字段以及何种顺序构成

  • 语义：

定义通信双方所要完成的操作

  • 同步：

定义通信双方的时序关系

服务

  • 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。
  • 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务
  • 协议是“水平”的，服务是“垂直”的。
  • 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上的实体是“透明”的
  • 服务访问点：

在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型

  • 数据链路层的服务访问点为帧的”类型”字段
  • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的”协议字段”。
  • 运输层的服务访问点为”端口号”
    • 服务原语

上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。
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  • 协议数据单元PDU

对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元

  • 服务数据单元SDU

同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元

  • 多个SDU可以合并成为一个PDU；一个SDU也可划分为几个PDU.

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