计算机网络笔记(七)——1.7计算机网络体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成

一、计算机网络体系结构的形成背景

1. 早期网络的问题

   • 各厂商独立开发网络协议（如IBM的SNA、DEC的DECnet）
   • 协议不兼容导致互联困难
   • 缺乏统一标准，网络扩展和维护成本高

2. 核心需求推动

   • 统一标准的需求（兼容不同设备）
   • 解决复杂性问题（通过分层降低复杂度）
   • 实现"端到端"可靠通信

二、关键技术演进历程

1. 分层思想的提出（1960）

   • 将网络功能分解为独立模块
   • 分层原则：每层依赖下层服务，并为上层提供服务
   • "协议栈"概念的诞生

2. ARPANET实践（1969-1983）

   • 早期使用NCP协议
   • 1983年正式采用TCP/IP协议

3. 标准化的竞争

   • OSI模型（1983年）
     • 理论完善但复杂度高
   • TCP/IP模型
     • 实践驱动，逐步成为事实标准

三、OSI参考模型与TCP/IP体系

四、核心驱动要素分析

1. 问题驱动

   • 解决异种机互联问题
   • 实现可靠的端到端传输
   • 提高协议的可扩展性

2. 分层优势

   • 模块化设计降低开发难度
   • 各层独立演进不影响整体
   • 明确的责任边界

3. 协议三要素

五、历史经验总结

1. OSI的失败启示

   • 过度设计导致实现复杂
   • 标准化进程滞后于实际应用
   • 未能适应快速发展的互联网需求

2. TCP/IP成功因素

   • 实践驱动的发展模式
   • 灵活的可扩展性设计
   • 简单高效的实现方式

关键提示：现代网络体系本质是"沙漏模型"，其中IP层是核心腰线，上下层可灵活扩展。理解TCP/IP四层模型的职责划分，是学习网络编程的基础。

1.7.2协议与划分层次

一、网络协议的三要素

网络协议是网络通信的基础规则，由三个核心要素构成：

要素	说明
语法	数据与控制信息的结构或格式（例如：IP地址的格式、HTTP请求头格式）
语义	控制信息代表的含义（例如：SYN表示建立连接，FIN表示断开连接）
同步	事件发生的顺序和时间关系（例如：TCP三次握手过程中的ACK确认机制）

二、协议分层的原因与优势

分层设计的核心优势：

1. 解耦与独立：各层只关心本层功能实现，无需知晓其他层细节
2. 灵活替换：单层技术升级不影响整体结构（如链路层从以太网升级到WiFi）
3. 标准化接口：每层通过服务访问点(SAP)为上层提供统一服务接口
4. 模块化开发：不同团队可并行开发不同层次
5. 故障隔离：可快速定位问题层次（如网络不通时分层ping测试）

三、典型的五层协议体系

层次	核心功能	典型协议/设备	数据单元
应用层	提供用户可直接使用的网络服务	HTTP/FTP/SMTP/DNS	消息/报文
传输层	实现端到端的可靠传输与流量控制	TCP/UDP	段(Segment)
网络层	路由选择与IP寻址	IP/ICMP/OSPF	数据报(Datagram)
链路层	相邻节点间的帧传输	Ethernet/PPP/Wi-Fi	帧(Frame)
物理层	物理介质上的比特流传输	RS-232/USB/光纤标准	比特(Bit)

对等层通信示意图

四、分层的具体实现过程

以网页访问为例的分层处理流程：

1. 应用层：浏览器生成HTTP请求报文
2. 传输层：添加TCP头（源端口80，目标端口随机）
3. 网络层：添加IP头（源IP 192.168.1.100，目标IP 220.181.38.148）
4. 链路层：封装以太网帧（源MAC 00:11:22:33:44:55，目标MAC网关MAC）
5. 物理层：转换为比特流通过网卡发送

分层处理示意图：

五、分层设计的工程实践

1. 标准化接口：UNIX系统的Socket API统一网络编程接口
2. 中间件技术：Web服务器（Nginx）基于分层架构处理请求：
   • 应用层：解析HTTP协议
   • 传输层：管理TCP连接池
   • 网络层：处理IP路由
3. 流量整形：QoS通过分层标记实现优先传输（如VLAN标签、IP TOS字段）

1.7.3具有五层协议的体系结构

五层模型概述

计算机网络五层模型结合了OSI七层模型的详细划分和TCP/IP模型的实用性，各层职责明确，协同完成端到端的数据传输：

1. 应用层
2. 传输层
3. 网络层
4. 数据链路层
5. 物理层

各层功能及关键协议

1. 应用层（用户交互层）

• 功能：为用户提供直接的网络服务（如网页浏览、文件传输）。
• 数据单元：消息（Message）/ 报文。
• 协议举例：
  • HTTP（网页加载）
  • SMTP（邮件发送）
  • DNS（域名解析）
• 设备：终端用户设备（电脑、手机）。

2. 传输层（端到端通信）

• 功能：确保数据在源主机到目标主机的进程间可靠传输。
• 数据单元：
  • 段（Segment）（TCP，可靠）
  • 数据报（Datagram）（UDP，快速）。
• 关键协议：
  • TCP：面向连接，可靠传输（三次握手、流量控制）。
  • UDP：无连接，高效传输（视频流、实时游戏）。
• 核心机制：端口号区分应用程序（如80端口对应HTTP）。

3. 网络层（路径选择与寻址）

• 功能：跨网络路由数据，解决主机间的逻辑寻址。
• 数据单元：数据包（Packet）。
• 协议：
  • IP（无连接，尽力而为的传输）。
  • ICMP（错误检测，如ping命令）。
• 设备：路由器（基于IP地址转发）。

4. 数据链路层（本地网络传输）

• 功能：确保同一链路中相邻节点（如局域网内）的可靠传输。
• 数据单元：帧（Frame）。
• 关键机制：
  • MAC地址（唯一硬件标识，如00:1A:2B:3C:4D:5E）。
  • 错误检测（CRC校验丢弃错误帧）。
• 设备：交换机（基于MAC地址转发帧）。

5. 物理层（物理信号传输）

• 功能：通过物理介质（电缆、光纤）传输二进制比特流。
• 数据单元：比特（Bit）。
• 关注点：
  • 电压/光信号（如0=低电平，1=高电平）。
  • 接口标准（如RJ45网口、光纤规格）。
• 设备：集线器（已淘汰）、中继器（放大信号）。

数据封装与解封装流程

数据从发送方到接收方需经历逐层封装和解封装：

分层协作示例

1. 应用层：浏览器生成HTTP请求（“访问example.com”）。
2. 传输层：TCP封装请求为段，加入源端口号和目标端口号（如80）。
3. 网络层：IP协议添加源IP（192.168.1.2）、目标IP（93.184.216.34）。
4. 数据链路层：以太网帧填入源MAC（设备网卡地址）和目标MAC（路由器地址）。
5. 物理层：转换为电信号传输。
6. 接收端反向解析，最终网页内容送达浏览器。

五层模型与OSI七层模型的对比

五层模型	OSI七层模型
应用层	应用层、表示层、会话层
传输层	传输层
网络层	网络层
数据链路层	数据链路层
物理层	物理层

总结

五层模型简化了网络设计复杂度，各司其职：

• 应用层：用户交互。
• 传输层：端到端通信。
• 网络层：路由与寻址。
• 数据链路层：链路内传输。
• 物理层：物理信号传输。

通过分层架构，协议开发者可专注于单层设计，提升网络系统的模块化和兼容性。

1.7.4实体、协议、服务和服务访问点

一、核心概念

1. 实体（Entity）

   • 任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程
   • 例：客户端程序、服务器程序、路由器处理模块

2. 协议（Protocol）

   • 控制多个实体通信的规则集合

   • 三要素：

     

3. 服务（Service）

   • 下层实体通过服务访问点向上层提供的功能
   • 服务类型：
     

4. 服务访问点SAP（Service Access Point）

   • 层间的逻辑接口（类似邮箱投递口）
     

二、层级关系图

三、关键特性对比

要素	协议	服务
关系方向	水平（对等层之间）	垂直（相邻层之间）
可见性	不可见（被服务屏蔽）	可见（通过SAP调用）
实现方式	规范对等实体交互	定义层间接口功能

四、数据传输示意图

五、对话示例（客户-服务器模型）

关键总结：

1. 协议是"how"（如何通信），服务是"what"（提供什么功能）
2. SAP是层间交互的地址门牌号
3. PDU是协议处理单元，SDU是服务传递内容
4. 上层通过服务访问点使用下层能力，不感知具体协议实现