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  • 计算机网络 计算机网络体系结构 协议与层次

    千次阅读 多人点赞 2020-03-02 09:12:52
    计算机网络(三) ... 计算机网络体系结构的形成1.1 计算机网络体系结构形成的原因1.2 计算机网络体系结构形成的过程1.3 开放系统互连参考模型OSI/RM1.4 两种国际标准2. 协议与划分层次2.1 网络协议的三个...

    计算机网络(三)

    学习计算机网络过程中的心得体会以及知识点的整理,方便我自己查找,也希望可以和大家一起交流。

    —— 计算机网络体系结构 ——

    1. 计算机网络体系结构的形成

    1.1 计算机网络体系结构形成的原因

    • 计算机网络是个非常复杂的系统。
    • 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行,而这种“协调”是相当复杂的。
    • 分层”可将庞大而复杂的问题,转化为若干较小的局部问题,而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

    1.2 计算机网络体系结构形成的过程

    • 1974年,美国的 IBM 公司宣布了系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)。这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。
    • 不久后,其他一些公司也相继推出自己公司的具有不同名称的体系结构。
    • 由于网络体系结构的不同,不同公司的设备很难互相连通。

    1.3 开放系统互连参考模型OSI/RM

    • 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连,国际标准化组织 ISO 于1977年成立了专门机构研究该问题。
    • 他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架,即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model),简称为 OSI。
    • 只要遵循 OSI 标准,一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。
    • OSI 只获得了一些理论研究的成果,在市场化方面却失败了。原因包括:
      1. OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力;
      2. OSI 的协议实现起来过分复杂,且运行效率很低;
      3. OSI 标准的制定周期太长,因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场;
      4. OSI 的层次划分也不太合理,有些功能在多个层次中重复出现。

    1.4 两种国际标准

    • 法律上的 (de jure) 国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。
    • 非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的 (de facto) 国际标准

    2. 协议与划分层次

    • 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
    • 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题(同步含有时序的意思)。
    • 网络协议 (network protocol),简称为协议,是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

    2.1 网络协议的三个组成要素

    • 语法:数据与控制信息的结构或格式 。
    • 语义:需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应。
    • 同步:事件实现顺序的详细说明。

    2.2 协议的两种形式

    • 一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述
    • 另一种是使用让计算机能够理解的程序代码
    • 这两种不同形式的协议都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释。

    2.3层次式协议结构

    ARPANET 的研制经验表明,对于非常复杂的计算机网络协议,其结构应该是层次式的。

    2.3.1 划分层次的概念举例
    • 主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。
    • 可以将要做的工作进行如下的划分:
      • 第一类工作与传送文件直接有关。
        • 确信对方已做好接收和存储文件的准备。
        • 双方已协调好一致的文件格式。
    • 两个主机将文件传送模块作为最高的一层 ,剩下的工作由下面的模块负责。

    计算机网络体系结构
    计算机网络体系结构
    计算机网络体系结构

    2.3.2 分层的各种问题
    • 优点:

      • 各层之间是独立的。
      • 灵活性好。
      • 结构上可分割开。
      • 易于实现和维护。
      • 能促进标准化工作。
    • 缺点:

      • 降低效率。
      • 有些功能会在不同的层次中重复出现,因而产生了额外开销。
    • 层数多少要适当

      • 层数太少,就会使每一层的协议太复杂。
      • 层数太多,又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。
    2.3.3 各层完成的主要功能

    ① 差错控制:使相应层次对等方的通信更加可靠。
    ② 流量控制:发送端的发送速率必须使接收端来得及接收,不要太快。
    ③ 分段和重装 :发送端将要发送的数据块划分为更小的单位,在接收端将其还原。
    ④ 复用和分用:发送端几个高层会话复用一条低层的连接,在接收端再进行分用。
    ⑤ 连接建立和释放:交换数据前先建立一条逻辑连接,数据传送结束后释放连接。

    2.4 具有五层协议的体系结构

    2.4.1 构成
    • OSI 的七层协议体系结构的概念清楚,理论也较完整,但它既复杂又不实用。
    • TCP/IP 是四层体系结构:应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。
    • 因此往往采取折中的办法,即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点,采用一种只有五层协议的体系结构 。

    计算机网络体系结构

    • 五层协议的体系结构:
      计算机网络体系结构
    2.4.2 通讯过程
    • 具体过程:
      计算机网络体系结构
      计算机网络体系结构
      计算机网络体系结构
      计算机网络体系结构
      计算机网络体系结构
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    • 发送过程(接收过程相反)
      计算机网络体系结构

    3. 实体、协议、服务和服务访问点

    3.1 概念

    • 实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
    • 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
    • 在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务
    • 要实现本层协议,还需要使用下层所提供的服务。

    3.2 协议

    • 协议必须把所有不利的条件事先都估计到,而不能假定一切都是正常的和非常理想的。
    • 看一个计算机网络协议是否正确,不能光看在正常情况下是否正确,还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

    3.3 协议和服务的不同

    • 协议的实现保证了能够向上一层提供服务。
    • 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。
    • 协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则。
    • 服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
    • 上层使用服务原语获得下层所提供的服务。

    3.4 服务访问点

    • 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方,称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。
    • 服务访问点SAP是一个抽象的概念,它实际上就是一个逻辑接口。
    • OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。
    • OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。这个名词现已被许多非 OSI 标准采用。
    • SDU 可以与 PDU 不一样,例如,可以是多个 SDU 合成为一个 PDU,也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。

    4. TCP/IP 的体系结构

    4.1 TCP/IP 的四层体系结构

    计算机网络体系结构

    4.2 TCP/IP 的另一种表达形式

    • 实际上,现在的互联网使用的 TCP/IP 体系结构有时已经发生了演变,即某些应用程序可以直接使用 IP 层,或甚至直接使用最下面的网络接口层。
      计算机网络体系结构

    4.3 TCP/IP 协议族

    计算机网络体系结构

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  • 网络体系结构

    2017-12-15 21:29:42
    一、网络体系结构 层次层次结构是处理计算机网络问题最基本的方法,对于复杂的问题,采用分解为若干个小的、易处理的问题 优点:1.各层次之间之间相互独立  2.灵活性好,各层都可以实用最合适的技术来实现。  3....

    网络体系结构

    层次:层次结构是处理计算机网络问题最基本的方法,对于复杂的问题,采用分解为若干个小的、易处理的问题

    优点:1.各层次之间之间相互独立

         2.灵活性好,各层都可以实用最合适的技术来实现。

               3.易于实现和标准化

    计算机网络的体系结构有两种:(1)OSI的七层协议体系结构,概念清楚,理论完整,但它既复杂又不实用。

    (2)TCP/IP四层体系结构,它得到了广泛的应用,不过从实质上讲,TCP/IP只有最上面的三层,因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容。

    因此在学习计算机网络的原理时采用折中的办法,即综合OSI和TCP/IP的优点,采用一种只有五层协议的体系结构。



    OSI参考模型层次划分的原则:

    (1).网中各主机都具有相同的层次;

    (2).不同主机相同层次功能相同

    (3).同意主机的相邻层次之间通过接口通信

    (4).每层可以使用下层提供的服务,并向上层提供服务。

    (5).不同主机之间相同层次通过协议来进行通信



    1.物理层

    最底层,利用传输介质为通信之间的主机建立、管理和释放物理连接,实现比特流的透明传输。

    数据传输单位bit。

    物理层两个重要的设备名称,中继器(Repeater,也叫放大器)和集线器

     

    2.数据链路层

    通过建立数据链路链接,将物理层的比特流传输采用差错控制、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。

    数据链路层为网络层提供可靠的数据传输;

    基本数据单位为帧;

    主要的协议:以太网协议;

    两个重要设备名称:网桥和交换机


    3.网络层

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

    基本数据单位为分组;

    主要协议:

      IP协议(Internet Protocol,因特网互联协议);

      ICMP协议(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议);

      ARP协议(Address Resolution Protocol,地址解析协议);

      RARP协议(Reverse Address Resolution Protocol,逆地址解析协议)。

     重要的设备:路由器


    4.传输层

    为分布在不同地理位置的计算机进程通信提供可靠的端-端连接与数据传输服务

    向高层屏蔽了底层数据传输的细节

    数据传输单位报文

    主要协议:TCP协议(Transmission Control Protocol,传输控制协议)、

                     UDP协议(User Datagram Protocol,用户数据报协议);


    5.会话层

    会话层管理主机之间的会话进程,即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。


    6.表示层

    负责通信系统之间的数据格式表换、数据加密与解密、数据压缩与恢复。


    7.应用层

    为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。

      会话层、表示层和应用层重点:

      1> 数据传输基本单位为报文;

      2> 包含的主要协议:FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、DNS(域名解析协议)、SMTP(邮件传送协议),POP3协议(邮局协议),HTTP协议(Hyper Text Transfer Protocol)


    TCP/IP五层模型

      相比于OSI的七层模型,更常用的是TCP/IP的5层模型。TCP/IP的5层模型是将ISO的七层模型的应用层、表示层、会话层合并为应用层,得到如下图所示的五层模型:




    越下面的层,越靠近硬件;越上面的层,越靠近用户。





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  • 计算机网络体系结构综述(上)

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    计算机网络体系结构标准的制定使得两台计算机能够像两个知心朋友那样能够互相准确理解对方的意思并做出优雅的回应。本文首先概述了计算机网络体系结构的提出动机,并结合日常生活中的邮政系统介绍了设计的理念,并给...

    摘要:

      计算机网络体系结构标准的制定使得两台计算机能够像两个知心朋友那样能够互相准确理解对方的意思并做出优雅的回应。本文首先概述了计算机网络体系结构的提出动机,并结合日常生活中的邮政系统介绍了设计的理念,并给出了相关的基本概念和标准。进一步地,我们着重概述了计算机网络体系结构的分层原理及其最重要的组成部分——协议,使得读者能够对计算网路体系结构有一个全新的、系统的认识。


    版权声明与致谢:

      本文原创作者:书呆子Rico
      作者博客地址:http://blog.csdn.net/justloveyou_/

      本文正使用的大部分插图均来自于课件《计算机网络体系结构》,并且对于其中部分插图笔者做了进一步的修改,该课件可以在我的CSDN上下载到,其链接为《计算机网络体系结构》。在此,我们感谢这份课件的制作者及其传播者,感谢他们的无私分享。


    友情提示:

      为了更好地了解计算机网络体系结构,笔者以两篇博客的篇幅来介绍这个计算机网络中最为重要的知识点,即:《计算机网络体系结构综述(上)》《计算机网络体系结构综述(下)》。在本文,我们概述了计算机网络体系结构的提出动机,并结合日常生活中的邮政系统介绍了设计的理念,并给出了相关的基本概念和标准,并着重介绍了计算机网络体系结构的分层原理及协议的内涵。在此基础上,本篇的姊妹篇《计算机网络体系结构综述(下)》详尽地介绍了两种典型的计算机网络系统结构标准:OSI七层模型与TCP/IP四层模型。


    一. 为什么需要计算机网络体系结构?

      众所周知,计算机网络是个非常复杂的系统。比如,连接在网络上的两台计算机需要进行通信时,由于计算机网络的 复杂性 异质性,需要考虑很多复杂的因素,比如:

      (1). 这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路;
      (2). 告诉网络如何识别接收数据的计算机;
      (3). 发起通信的计算机必须保证要传送的数据能在这条通路上正确发送和接收;
      (4). 对出现的各种差错和意外事故,如数据传送错误、网络中某个节点交换机出现故障等问题,应该有可靠完善的措施保证对方计算机最终能正确收到数据。

      计算机网络体系结构标准的制定正是为了解决这些问题从而让两台计算机(网络设备)能够像两个知心朋友那样能够互相准确理解对方的意思并做出优雅的回应。也就是说,要想完成这种网络通信就必须保证相互通信的这两个计算机系统达成 高度默契。事实上,在网络通信领域,两台计算机(网络设备)之间的通信并不像人与人之间的交流那样自然天然,这种 计算机间高度默契的交流(通信) 背后需要十分复杂、完备的网络体系结构作为支撑。那么,用什么方法才能合理地组织网络的结构,以保证其具有结构清晰、设计与实现简化、便于更新和维护、较强的独立性和适应性,从而使网络设备之间具有这种 “高度默契” 呢?

      答案是分而治之,更进一步地说就是分层思想。


    二. 计算机网络体系结构设计基本思想

      分而治之的思想 正好可以解决上面提到的这个复杂的问题。也就是说,我们可以将这个庞大而复杂的问题转化为若干较小的、容易处理的、单一的局部问题,然后在不同层次上予以解决,这也就是我们所熟悉的 分层思想 。在计算机网络体系结构中,分层思想的内涵就是: 每层在依赖自己下层所提供的服务的基础上,通过自身内部功能实现一种特定的服务。


    1、分层思想在日常生活中的应用

      在我们的日常生活中有很多分层思想的应用,比如邮政系统、银行系统等。我们就以邮政系统的组织结构作为例子进行说明:

                邮政系统1.png-29.5kB

      从上图我们知可以看出,用户和用户之间的通信依赖于下层的服务,但是他们并不需要关心快递、运输等细节,也就是说,寄信者只需将写好的信交给快递员而收信者只需从快递员手中查收信件即可。类似地,快递员也只需要从寄信人手中拿到信件并交给分检员或将信件从分检员手中拿走并交给收信人即可,至于分检员为何要把这份信交给他进行投递(事实上,每个快递员会负责某个片区,分检员根据收信人地址将信件分发给不同的快递员),他不需要关心也没必要关心。显然,在这个邮政系统中,各个角色(用户、快递员…)在功能上相互独立却又能协调合作达成一种 “高度默契”,这在很大程度上得益于分层思想的理念和应用。下图更直观地体现了邮政系统的分层思想:

                邮政系统2.png-49.8kB

      此外,我们日常使用的操作系统也是分层思想的实践者。实际上,一般而言,对于一个庞大而又复杂的系统而言(比如银行系统、邮政系统等),其必定存在着对分层思想的应用。


    2、分层思想的优点

     (1). 耦合度低(独立性强)
      上层只需通过下层为上层提供的接口来使用下层所实现的服务,而不需要关心下层的具体实现。也就是说,下层对上层而言就是具有一定功能的黑箱。

     (2). 适应性强
      只要每层为上层提供的服务和接口不变,每层的实现细节可以任意改变。

     (3). 易于实现和维护
      把复杂的系统分解成若干个涉及范围小且功能简单的子单元,从而使得系统结构清晰,实现、调试和维护都变得简单和容易。也就是说,对于设计/开发人员而言,这种方法使设计/开发人员能够专心设计和开发他们所关心的功能模块;对于调试/维护人员而言,这种方法也方便调试/维护人员去处理他们所负责的功能模块。


    三. 计算机网络体系结构的概念与标准

      如你所料,计算机网络体系结构也采用了分层的思想。那么,既然计算机网络体系结构的设计采用的是分层思想,那么它就必须得解决以下几个问题:

      (1). 网络体系结构应该具有哪些层次,每个层次又负责哪些功能呢?   (分层与功能)
      (2). 各个层次之间的关系是怎样的,它们又是如何进行交互的呢?   (服务与接口)
      (3). 要想确保通信的双方能够达成高度默契,它们又需要遵循哪些规则呢?  (协议)


    1、计算机网络体系结构的概念

      根据上面的几个问题,计算机网络体系结构必须包括三个内容,即分层结构与每层的功能,服务与层间接口 和 协议。所以,计算机网络体系结构的定义为:

      在计算机网络中,层、层间接口及协议的集合被称为计算机网络体系结构。


    2、计算机网络体系结构的标准

      目前,由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标准是 OSI七层模型,但实际中应用最广泛的是 TCP/IP体系结构。换句话说,OSI七层模型只是理论上的、官方制定的国际标准,而TCP/IP体系结构才是事实上的国际标准。这看起来是不可理喻的,但这却是实际存在的,是一些历史原因造成的,无疑这些原因又是复杂的,笔者在此处略加介绍,以慰读者。OSI标准的制定者以专家、学者为主,他们缺乏实际经验和商业驱动力,并且OSI标准自身运行效率也不怎么好。与此同时,由于Inernet在全世界覆盖了相当大的范围,并且占领市场的标准是TCP/IP体系结构,因此导致OSI标准没有市场背景,也就只是理论上的成果,并没有过多地应用于实践。


    四. 计算机网络体系结构的分层原理

    1、基本概念

      在介绍网络体系结构的分层原理前,我们有必要先了解以下几个基本概念,其对应关系如下图所示:

                  网络系统结构的基本概念.png-11.9kB

    • 实体: 任何可以发送和接收信息的软硬件进程;
    • 对等层: 两个不同系统的同一层次;
    • 对等实体: 分别位于不同系统对等层的两个实体;
    • 接口: 上层使用下层所提供的功能的方式;
    • 服务: 某一层及其以下各层的所完成的功能,通过接口提供给相邻的上层;
    • 协议: 通信双方在通信过程中必须遵循的规则。

    2、网络体系结构模型

                  网络体系结构模型.png-30.3kB

      我们在网络中的任何一个系统都是按照上图中的层次结构模型来组织的,该模型具有以下特点:

    • 同一网络中,任意两个端系统必须具有相同的层次;

    • 每层使用其下层提供的服务,并向其上层提供服务;

    • 通信只在对等层间进行,当然这里所指的通信是间接的、逻辑的、虚拟的,非对等层之间不能互相“通信”;

    • 实际的物理通信只在最底层完成;

    • Pn代表第n层的协议,即第n层对等实体间通信时必须遵循的规则或约定。


    3、对等层通信的实质

      在逻辑上,网络分层体系结构原理允许不同主机的对等实体进行通信,但禁止不同主机非对等实体间进行直接通信;在物理上,每一层必须依靠下层提供的服务来与另一台主机的对等层通信,这是 对等层通信的实质也就是说,模型中的上层(第n+1层)使用下层(第n层)所提供的服务,是下层(第n层)服务消费者;而模型中的下层(第n层)向上层(第n+1层)提供服务,是上层(第n+1层)的服务生产者(提供者)。

      进一步地,源进程传送消息到目标进程的过程是这样子的: 首先,消息送到源系统的最高层,紧接着消息从最高层开始自上而下逐层封装 ,最后该消息经物理线路传输到目标系统。而当目标系统收到信息后,其会将该信息 自下而上逐层处理并拆封,最后由最高层将消息提交给目标进程。这个处理过程与邮政通信过程类似,如下图所示:

                邮件系统3.png-54.5kB


    4、协议

      正如上图所示,发信人和收信人对信件内容的共识就是二者之间的协议,正是由于这种协议的存在使得他们都能读懂信的内容并理解对方的意思,达成默契;类似地,寄件邮局与收件邮局也能对信件的传递达成共识,也就是说,有一套规则来保证邮局之间的“ 默契,二者间的这种默契要么能把信件完好无损地送给收信人,要么能够把信件完好无损地退给发信人;同样地,运输系统也能对信件如何运输达成共识,而正是由于这种共识,信件才能到达指定邮局也就是说,对等实体间的这种默契(共识)就是协议。

      同样地,在计算机网络体系结构中,不同层需要完成不同的功能或者提供不同的服务。比如,计算机网络体系结构应该提供对应的差错控制,从而使对等层的通信更加可靠;除此之外,还应该提供流量控制以控制发送端的发送速率以便接收端能来得及接收消息;分段和重装机制也很必要,就是说发送端在发送消息时应该将数据块分成更小的单位以便传输,而接收端能够准确地将这些数据块重新组合并还原数据的原貌; 通信会话复用同一条低层连接可以提高效率;建立连接和释放连接机制是不同主机通信的保障,等等。上面列举的这些功能(服务)实际上都是由计算机体系结构中具体的某一层来实现的,更具体地说,主要是通过每层相应的通信协议来实现这些功能的。也就是说,计算机间网络中所有的通信活动都是由协议控制的,也正是各种各样的协议保证了计算机间高度默契的通信。下图对比了人相互交流的协议和计算机间相互通信的协议:


    五. 通信协议

      上一节的最后一部分非常形象地介绍了协议的内涵,使我们对网络通信协议有了一个感性的理解。实际上,人类在相互交流过程中也遵守某种“协议”,只不过这种协议是一种文化而已。其与计算机间相互通信的协议对比如下:

                通信协议.png-44.6kB


    1、协议的概念

      通信协议定义了 网络实体间发送报文和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取的行动(规则)。这个定义指明了通信协议的三要素:

    • 语义
      语义是指对协议中各协议元素的含义的解释,例如:在HDLC协议中,标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束;在BSC协议中,SOH(01H)表示报文的开始,STX(02H)表示报文正文的开始,ETX(03H)表示报文正文的结束。

    • 语法
      语法是指协议元素与数据的组合格式,也就是 报文格式如下图所示:

                  协议的语法.png-7.8kB


    • 时序
      时序是指在通信过程中,通信双方操作的执行顺序与规则,如本节开头的图示。

    • 协议三要素之间的关系
      计算机间通信的本质就在于信息报文的交换,而信息报文也就是我们在下面提到的协议数据单元(PDU)。实际上,语法规定了PDU的格式;而在此基础上,语义赋予了PDU的特定内涵;时序通过控制这种具有特定语义的报文来实现计算机间的通信,也就是说,时序是通信规则的体现。

        现在我们类比一下人类的对话来理解协议三要素之间的内在联系。假设这样一个场景,Rico在和Livia交谈,Rico说:“Livia,早上好啊~”,这时Livia会莞尔一笑并答道:“早上好,Rico~”。对于这段会话,语法就是这些汉字/语句的组织规则,正是由于这种组织规则这些简单汉字的叠加才有了一定的语义,而时序保证了你问我答的这种会话(交流)的进行,更进一步地,时序保证了通信各方对PDU语义的理解并做出恰当的回应。

        总的来说,语法是语义的载体,而时序又是对语义的有序组织。正是基于这种关系,计算机在通信时才得以保持高度默契。


      实际上,在网络体系结构中,每层可能会有若干个协议,但一个协议只隶属于一个层次。在实现方式上,协议可以由软件或硬件来实现。比如,网络通信协议软件、网络驱动程序,网络硬件等。常用协议组有:TCP/IP(Windows、Unix、Linux、…)、NetBEUI(Windows)、IPX/SPX(NetWare、Windows)等。


    2、协议数据单元(PDU)

      计算机网络体系结构中,对等层之间交换的信息报文统称为 协议数据单元(Protocol Data Unit,PDU)。PDU由 协议控制信息(协议头) 数据(SDU) 组成,如下图所示。

                    PDU.png-4.4kB

      其中,协议头部中含有完成数据传输所需的控制信息,比如地址、序号、长度、分段标志、差错控制信息等。传输层及以下各层的PDU均有各自特定的名称:

    • 传输层 —— 段(Segment)

    • 网络层 —— 分组/包(Packet)

    • 数据链路层 —— 帧(Frame)

    • 物理层 —— 比特(Bit)


    (1). PDU的封装

      在计算机网络体系结构中,下层把上层的PDU作为本层的数据加以封装,然后加入本层的协议头部(和尾部)形成本层的PDU,如下图所示。在这里,封装就是在数据前面加上特定的协议头部。因此,数据在源站自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程,而到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程,如下图所示。这个过程类似发送信件的过程,数据在传输时,其外面实际上要被包封多层“信封”。在目的站,某一层只能识别由源站对等层封装的“信封”,而对于被封装在“信封”内部的“数据”仅仅是拆封后将其提交给上层,本层不作任何处理。特别需要注意的是,每一层只处理本层的协议头部!

                 PDU数据的封装.png-27kB


    (2). PDU封装实例

      下图演示了PDU在TCP/IP协议组的封装过程:

                 PDU封装实例.png-29.4kB


    六. 小结

      计算机网络体系结构标准的制定使得两台计算机能够像两个知心朋友那样能够互相准确理解对方的意思并做出优雅的回应。本文首先概述了计算机网络体系结构的提出动机,并结合日常生活中的邮政系统介绍了设计的理念,并给出了相关的基本概念和标准。进一步地,我们着重概述了计算机网络体系结构的分层原理及其最重要的组成部分——协议,使得读者能够对计算网路体系结构有一个全新的、系统的认识。


    七. 更多

      更多关于OSI七层参考体系结构和TCP/IP四层协议结构及每种体系结构中的各层的任务、功能、协议及与其他相似层的区别等区别的介绍,请读者移步我的博客《计算机网络体系结构综述(下)》


    引用

    计算机网络体系结构

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  • 计算机网络体系结构

    千次阅读 2016-02-05 14:26:56
    计算机网络体系结构 1. 计算机网络体系结构 1.1 网络的体系结构 网络的体系结构是指计算机网络的各层及其协议的集合,是抽象的。 1.2 计算机网络的体系结构 是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义,...

    计算机网络体系结构

    1. 计算机网络体系结构

    1.1 网络的体系结构

    • 网络的体系结构是指计算机网络的各层及其协议的集合,是抽象的。

    1.2 计算机网络的体系结构

    • 是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义,是具体的。

    注:体系结构是抽象的,而实现则是具体的,是真正在运行的计算机硬件和软件。

    2. 计算机网络层次结构划分规则

    • 层内功能内聚。
    • 层间耦合松散。

    3. 计算机网络协议

    3.1 网络协议的定义

    • 网络协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

    3.2 网络协议的组成3要素

    • 语法:即数据与控制信息的结构或格式。
    • 语义:即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应。
    • 同步:即事件实现顺序的详细说明。

    4. 计算机网络划分层次的好处

    4.1 各层之间是独立的。

    4.2 灵活性好。

    4.3 结构上可分割开。

    4.4 易于实现和维护。

    4.5 能促进标准化工作。

    5. 计算机网络划分层次的坏处

    • 有些功能会在不同的层次中重复出现,因而产生了额外的开销。

    6. 计算机网络各分层需要完成的功能(各分层包含一到多个)

    6.1 差错控制

    • 差错控制:使得和网络对等端的相应层次的通信更加可靠。

    6.2 流量控制

    • 流量控制:使得发送端的发送速率不要太快,要使接收端来得及接收。

    6.3 分段和重装

    • 分段和重装:发送端将要发生的数据块划分为更小的单位,在接收端将其还原。

    6.4 复用和分用

    • 复用和分用:发送端几个高层会话复用一条低层的连接,在接收端在进行分用。

    6.5 连接建立和释放

    • 连接建立和释放:交换数据前先建立一条逻辑连接。数据传送结束后释放连接。

    7. OSI的体系结构(OSI的七层协议)

    层次OSI的体系结构
    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

    注:体系结构的概念清楚,理论完整,但它既复杂又不实用。

    8. TCP/IP的体系结构(TCP/IP的四层协议)

    层次TCP/IP的体系结构
    4应用层(各种应用层协议如TELNET,FTP,SMTP等)
    3运输层(TCP或UDP)
    2网际层(IP)
    1网络接口层

    注:体系结构与七层协议体系结构不同,但它现在却得到了非常广泛的应用,是一个四层的体系结构。

    9. 五层协议的体系结构

    层次五层协议的体系结构
    5应用层
    4运输层
    3网络层
    2数据链路层
    1物理层

    注:综合了OSI和TCP/IP的优点,既简单有能将概念阐述清楚,适合在学习计算机网络的原理时使用。


    参考文献:
    [1]《计算机网络(第5版)》谢希仁——第一章 1.7
    [2] 百度搜索关键字:计算机体系结构、OSI的七层协议、TCP/IP的四层协议、五层协议的体系结构

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层次化网络体系结构的优点