计算机网络体系结构

~~TOC~~

计算机网络体系结构采用分层设计，把复杂的网络通信过程划分成若干相对独立的功能层。

每一层完成特定的通信任务：

• 使用下层提供的服务；
• 向上层提供更高级的服务；
• 同一层的对等实体通过协议协同工作；
• 层与层之间通过接口交换信息。

常见的计算机网络体系结构主要包括：

1. OSI参考模型：划分为7层；
2. TCP/IP模型：通常划分为4层。

核心思想：把复杂的网络通信问题分解为多个层次，每一层只关注自己的任务，并通过清晰的接口与相邻层交互。

计算机网络通信涉及信号传输、差错控制、寻址、路由、可靠传输、数据表示和应用服务等多个问题。

如果把所有功能集中在一个整体中实现，系统将变得非常复杂，难以设计、维护和扩展。

分层设计具有以下优点：

• 将复杂问题分解为多个相对简单的问题；
• 明确不同层次的任务和责任；
• 保持各层之间的相对独立；
• 便于协议设计、软件开发和故障定位；
• 某一层的实现可以升级，而不必改变整个网络体系；
• 不同厂商可以根据统一接口实现互联互通。

为了便于描述，任意一层可以称为 (N)层：

• 它的上层称为 (N+1)层；
• 它的下层称为 (N-1)层。

其基本关系如下：

(N+1)层
   ↑ 使用(N)层提供的服务
   │
(N)层
   ↑ 使用(N-1)层提供的服务
   │
(N-1)层

每一层都在下层服务的基础上增加新的功能，再向上层提供增值服务。

例如：

• 网络层在数据链路层点到点通信服务的基础上增加路由和中继功能；
• 传输层在网络层服务的基础上增加端到端控制和可靠传输功能。

分层设计要求不同层次之间保持相对独立。

只要某一层继续向上层提供相同的服务，该层的内部实现方式就可以改变，而不必要求上层同时修改。

理解要点：上层关心下层“能够提供什么服务”，通常不需要知道这些服务“具体如何实现”。

实体是实现某一网络层功能的软件元素或硬件元素的抽象。

常见实体包括：

• 软件进程；
• 协议模块；
• 网络接口模块；
• 智能I/O芯片；
• 网络通信设备中的功能模块。

处于同一层中的实体称为对等实体。

例如，两台主机中的传输层协议模块就是传输层的对等实体。

协议是同一层对等实体之间进行通信时共同遵守的规则集合。

协议通常规定：

• 数据格式；
• 报文含义；
• 信息交换顺序；
• 状态转换；
• 差错处理方式；
• 通信双方的协同规则。

(N)层实体之间的合作关系由 (N)协议规范。

主机A                                主机B
(N)实体  ←────── (N)层协议 ──────→  (N)实体
   ↑                                     ↑
使用(N-1)层服务                    使用(N-1)层服务

服务是某一层向相邻上层提供的功能。

(N)层使用(N-1)层提供的服务，完成自己的功能后，再向(N+1)层提供服务。

例如：

• 数据链路层向网络层提供点到点的帧传输服务；
• 网络层向传输层提供分组传输和路由服务；
• 传输层向应用相关层提供端到端的数据传输服务。

接口描述同一系统中相邻层次之间交换信息的方式。

接口位于上下相邻层之间，规定上层如何调用下层提供的服务。

记忆方法：实体是参与者，协议是同层规则，服务是下层能力，接口是访问服务的入口。

服务访问点简称 SAP，英文名称为：

• Service Access Point；
• 中文名称为服务访问点。

(N+1)实体通过(N)服务访问点获得(N)层提供的服务。

(N)SAP表示(N)实体与(N+1)实体之间的逻辑接口。

教材中给出的基本关系包括：

• 一个(N)SAP只能由一个(N)实体提供；
• 一个(N)SAP只能被一个(N+1)实体使用；
• 一个(N)实体可以提供多个(N)SAP；
• 一个(N+1)实体也可以使用多个(N)SAP。

SAP本质上代表上下层实体建立服务关系的手段。

             (N+1)实体
                  │
             (N) SAP
                  │
               (N)实体
                  │
            (N-1) SAP
                  │
             (N-1)实体

OSI参考模型使用服务原语描述某个功能层提供的服务。

服务原语通常采用类似过程调用的形式，用于描述相邻层之间如何请求和提供服务。

面向连接服务通常包括四种服务原语：

典型交互过程如下：

发起方                        接收方
  │                             │
  │ 请求 Request                │
  ├──────────────→              │
  │              指示 Indication│
  │                        ─────→│
  │                             │
  │              响应 Response  │
  │              ←──────────────┤
  │ 确认 Confirm                │
  │←──────────────              │

OSI服务可以分为：

• 面向连接服务；
• 无连接服务。

面向连接服务在传输数据前，需要先建立逻辑连接。

其基本过程通常包括：

1. 建立连接；
2. 传输数据；
3. 释放连接。

连接通常是点到点连接，也可以在多个端点之间建立多点连接。

无连接服务在发送数据前不需要建立连接。

每个数据单元可以独立发送，网络服务中的数据报通信就是典型的无连接通信方式。

连接的两端称为连接端点，简称 CEP：

• Connection End Point；
• 中文名称为连接端点。

(N)实体使用本地CEP标识已经建立的各个连接。

1978年，国际标准化组织 ISO 提出开放系统互连参考模型。

OSI/RM的英文名称为：

• Open Systems Interconnection Reference Model；
• 中文名称为开放系统互连参考模型。

ISO 7498文件对OSI参考模型进行了规定和描述。

OSI/RM为开放系统之间的互连提供了一套分层的功能结构框架。

将原页面中“OSI七层结构”表格替换为以下内容即可：

OSI参考模型由低到高分为7层。各层传输的数据统称为协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。

将原来的“OSI层次结构图”替换为以下内容：

将“5.3 OSI层次结构图”替换为以下单行版本。每层的名称、缩写、英文全称和中文含义均在同一行：

┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 第7层 应用层       APDU（Application Protocol Data Unit，应用层协议数据单元）                    │
├────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第6层 表示层       PPDU（Presentation Protocol Data Unit，表示层协议数据单元）                   │
├────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第5层 会话层       SPDU（Session Protocol Data Unit，会话层协议数据单元）                        │
├────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第4层 传输层       TPDU（Transport Protocol Data Unit，传输层协议数据单元）                      │
├────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第3层 网络层       Packet（分组）                                                               │
├────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第2层 数据链路层   Frame（帧）                                                                  │
├────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 第1层 物理层       Bit Stream（比特流）                                                         │
└────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                                          │
                                          ▼
                              Transmission Medium（传输介质）

PDU：Protocol Data Unit，协议数据单元，表示同层对等实体之间处理和交换的数据单位。

封装顺序：APDU → PPDU → SPDU → TPDU → Packet → Frame → Bit Stream。

物理层负责在通信链路上透明地传输比特。

其主要功能包括：

• 线路配置；
• 确定数据传输方式；
• 确定信号形式；
• 对信号进行编码；
• 连接传输介质；
• 建立、维护和拆除物理链路。

物理层通常定义以下特性：

• 机械特性；
• 电气特性；
• 功能特性；
• 规程特性。

教材列举的物理层相关标准或协议包括：

• RS-232；
• RS-449；
• X.21；
• V.35；
• ISDN；
• FDDI；
• IEEE 802.3；
• IEEE 802.4；
• IEEE 802.5。

关键词：比特、信号、接口、传输介质、电气特性。

数据链路层将物理层传输的比特组成帧，并在链路上提供点到点的帧传输服务。

其主要功能包括：

• 成帧；
• 物理寻址；
• 差错检测和差错控制；
• 流量控制；
• 链路访问控制。

教材列举的数据链路层协议包括：

• HDLC；
• LAP-B；
• IEEE 802数据链路层协议。

关键词：帧、MAC地址、差错控制、流量控制、点到点链路。

网络层负责在源节点和目的节点之间传输分组。

其主要功能包括：

• 逻辑寻址；
• 路由选择；
• 分组转发；
• 拥塞控制；
• 顺序控制；
• 跨网络中继。

在路由器经过的通信子网中，通常主要处理物理层、数据链路层和网络层功能。

关键词：分组、IP地址、路由、转发、拥塞控制。

OSI网络层可以进一步划分为三个子层：

传输层提供端到端、可靠和透明的数据传输。

其主要功能包括：

• 数据分段；
• 端到端连接；
• 顺序控制；
• 差错恢复；
• 流量控制；
• 保证数据完整性；
• 向上层屏蔽底层网络差异。

教材列举的相关标准包括：

• ISO 8072：传输服务定义；
• ISO 8073：连接模式传输协议；
• ISO 8602：无连接模式传输协议。

关键词：端到端、可靠传输、分段、顺序、完整性。

会话层用于建立、管理和终止应用进程之间的会话。

其主要功能包括：

• 建立会话；
• 管理会话；
• 终止会话；
• 对话控制；
• 同步；
• 故障恢复；
• 组织应用进程之间的交互。

教材列举的相关标准包括：

• ISO 8326：会话层服务定义；
• ISO 8327：会话层协议规范。

关键词：会话、对话控制、同步、恢复。

表示层负责不同系统之间的数据表达和转换。

其主要功能包括：

• 数据格式转换；
• 字符编码转换；
• 数据压缩；
• 数据解压；
• 数据加密；
• 数据解密；
• 提供公共数据表示方式。

关键词：格式、编码、压缩、加密。

应用层直接面向用户应用提供网络服务。

典型服务包括：

• 电子邮件；
• 文件传输；
• 网络管理；
• 远程访问；
• 信息查询。

关键词：用户应用、电子邮件、文件传输、网络服务。

在逻辑上，两个系统中的同层实体通过同层协议通信。

例如：

• 应用层实体使用应用层协议；
• 传输层实体使用传输层协议；
• 网络层实体使用网络层协议。

但实际数据并不会直接横向穿过主机。

发送端的数据需要逐层向下传递，经过传输介质到达接收端后，再逐层向上处理。

发送端：

应用数据
   ↓ 加入应用层控制信息
APDU
   ↓ 加入表示层控制信息
PPDU
   ↓ 加入会话层控制信息
SPDU
   ↓ 加入传输层首部
TPDU
   ↓ 加入网络层首部
分组
   ↓ 加入数据链路层首部和尾部
帧
   ↓ 转换为物理信号
比特流

接收端按照相反顺序逐层处理：

比特流 → 帧 → 分组 → TPDU → SPDU → PPDU → APDU → 应用数据

在典型通信过程中：

• 终端主机处理完整的OSI七层；
• 路由器主要处理物理层、数据链路层和网络层；
• 路由器根据网络层地址选择下一跳；
• 上层数据通常由通信端点处理。

• 层次划分完整；
• 功能定义清晰；
• 有利于理解网络通信过程；
• 有利于协议标准化；
• 有利于不同厂商设备互联；
• 适合进行分层故障诊断；
• 是学习网络体系结构的重要参考模型。

• 层次和协议体系较为复杂；
• 部分功能在不同层之间存在重复；
• 实际部署中的完整OSI协议体系应用较少；
• 现代互联网主要采用TCP/IP协议体系。

理解要点：OSI协议体系虽然没有成为Internet的主流实现，但OSI七层模型仍广泛用于网络教学、协议分析和故障定位。

1969年，美国国防高级研究计划局在研究ARPANET的过程中提出了TCP/IP相关体系。

TCP/IP同样采用分层设计，使各层的任务和目标更加明确，有利于软件开发和通信控制。

TCP/IP模型通常划分为4层，由低到高依次为：

1. 网络接口层；
2. 网际层；
3. 传输层；
4. 应用层。

┌────────────────────────────────────┐
│ 应用层                             │
│ DNS、HTTP、SMTP、POP3、FTP、       │
│ Telnet、SNMP、TFTP、RPC            │
├────────────────────────────────────┤
│ 传输层                             │
│ TCP                         UDP    │
├────────────────────────────────────┤
│ 网际层                             │
│ IP、ICMP、ARP、RARP                │
├────────────────────────────────────┤
│ 网络接口层                         │
│ Ethernet及其他链路技术             │
└────────────────────────────────────┘

应用层直接面向用户和应用程序。

用户通过应用层完成：

• 收发电子邮件；
• 浏览Web信息；
• 传输文件；
• 远程登录；
• 域名解析；
• 网络管理。

教材列举的主要应用层协议包括：

典型关系：SNMP属于应用层协议，通常基于UDP传输。

TCP/IP传输层负责对应用层数据进行分段，并提供主机应用进程之间的端到端通信。

主要协议包括：

• TCP；
• UDP。

TCP是传输控制协议，主要特点包括：

• 面向连接；
• 提供可靠传输；
• 对数据进行分段；
• 使用序号保证数据顺序；
• 使用确认和重传处理数据丢失；
• 提供流量控制和拥塞控制。

UDP是用户数据报协议，主要特点包括：

• 无连接；
• 不保证可靠交付；
• 不保证数据顺序；
• 首部开销较小；
• 处理速度较快；
• 适合实时性较高或由应用自行保证可靠性的场景。

网际层负责把传输层形成的数据段封装成IP数据包，在报头中加入地址信息，并选择数据包的发送路径。

网际层的主要功能包括：

• IP逻辑寻址；
• 数据包封装；
• 路由选择；
• 分组转发；
• 差错报告；
• 地址解析。

主要协议包括：

核心协议：IP协议和TCP协议是TCP/IP体系中最重要的协议之一。

网络接口层是TCP/IP模型的最低层，也称为链路层。

其主要功能包括：

• 接收IP数据包；
• 发送IP数据包；
• 数据成帧；
• 使用物理地址；
• 控制介质访问；
• 与具体传输介质交互。

TCP/IP早期并没有对网络接口层的功能、协议和实现方式作出完全统一的规定，因此可以使用多种底层网络技术，例如Ethernet。

发送端的数据封装过程可以形象地理解为“套信封”：

1. 应用层产生需要传输的数据；
2. TCP将数据划分为若干段；
3. TCP在每段数据前加入序号、端口等控制信息；
4. IP把TCP数据段封装成IP数据包；
5. IP首部中加入源地址和目的地址；
6. 网络接口层把IP数据包封装成帧；
7. 帧最终转换成物理信号发送到网络。

应用数据
   ↓
TCP数据段
   ↓
IP数据包
   ↓
数据链路帧
   ↓
物理信号

接收端按照相反的顺序处理数据：

1. 网络接口层接收帧；
2. 网际层取出IP数据包；
3. 传输层取出数据段；
4. TCP根据序号重新排列数据；
5. TCP进行校验并确认接收；
6. 如果发现数据丢失或错误，则请求重传；
7. 应用层最终获得完整数据。

TCP/IP本质上采用分组交换技术。

其基本思想是把信息划分成多个不超过规定大小的数据包，再分别发送。

分组交换的优点包括：

• 避免单个用户长时间独占网络线路；
• 多个用户可以共享网络带宽；
• 发生错误时不需要重新传输全部信息；
• 只需重新发送丢失或出错的数据包；
• 适合突发性计算机数据通信。

OSI参考模型                 TCP/IP模型
┌──────────┐
│ 应用层   │ ┐
├──────────┤ │
│ 表示层   │ ├──────→ 应用层
├──────────┤ │
│ 会话层   │ ┘
├──────────┤
│ 传输层   │ ───────→ 传输层
├──────────┤
│ 网络层   │ ───────→ 网际层
├──────────┤
│ 数据链路层│ ┐
├──────────┤ ├──────→ 网络接口层
│ 物理层   │ ┘
└──────────┘

考试重点：OSI是七层参考模型，TCP/IP通常是四层模型；现代互联网实际采用TCP/IP协议体系。

• 协议描述同层实体之间如何通信；
• 服务描述下层能够为上层提供什么能力；
• 协议是横向关系；
• 服务是纵向关系。

• 服务是下层提供的功能；
• 接口是上层访问这些功能的方式；
• SAP是上下层实体之间的逻辑服务访问点。

• 对等实体之间在逻辑上进行同层通信；
• 实际数据必须从发送端逐层向下传输；
• 数据经过物理介质到达接收端；
• 接收端再逐层向上处理。

• 网络层负责主机之间的分组传输和路由；
• 传输层负责应用进程之间的端到端通信；
• 网络层关注“数据包如何到达目标主机”；
• 传输层关注“数据如何可靠交付给目标应用”。

• OSI把物理层和数据链路层分开；
• TCP/IP通常把二者归入网络接口层；
• 网络接口层不是TCP/IP网际层；
• IP协议属于网际层。

• SNMP属于TCP/IP应用层协议；
• SNMP通常使用UDP作为传输层协议；
• UDP并不因为承载SNMP而成为应用层协议。

• 分层结构可以降低网络系统的复杂度；
• 每一层使用下层服务，并向上层提供增值服务；
• 实体是实现层次功能的软件或硬件元素；
• 对等实体之间通过协议进行逻辑通信；
• 协议是同层规则，服务是层间能力，接口是访问方式；
• SAP是服务访问点，CEP是连接端点；
• 面向连接服务具有请求、指示、响应和确认四种原语；
• OSI参考模型由7层组成；
• OSI数据单位依次包括APDU、PPDU、SPDU、TPDU、分组、帧和比特流；
• 物理层传比特，数据链路层传帧，网络层传分组；
• 传输层提供端到端通信；
• 会话层负责会话管理和同步；
• 表示层负责格式转换、压缩和加密；
• 应用层直接面向用户应用；
• TCP/IP模型通常分为网络接口层、网际层、传输层和应用层；
• TCP和UDP位于传输层；
• IP、ICMP、ARP和RARP与网际层功能相关；
• DNS、HTTP、SMTP、POP3、FTP、Telnet和SNMP位于应用层；
• TCP/IP采用分组交换技术；
• OSI主要用于理论分析，TCP/IP广泛用于实际互联网。

一句话总结：计算机网络体系结构通过分层把通信任务拆解，OSI用七层完整描述通信功能，TCP/IP用四层协议体系支撑现代互联网。

• 计算机网络的概念
• 数据通信基础
• IP协议
• ICMP协议
• ARP协议
• TCP
• UDP
• 网络协议索引

• 《网络规划设计师教程（第3版）》第1章“计算机网络基础”，第1.2节“计算机网络体系结构”。

计算机网络 网络体系结构 OSI TCPIP 分层模型 协议 服务 接口 SAP 网络协议 软考 网络规划设计师