计算机网络入门指南之计算机网络体系结构

一、计算机网络入门指南之计算机网络体系结构

1.1 计算机网络体系结构形成的原因：

计算机网络是个复杂的系统，现举一个最简单的计算机网络应用例子：两个连接在网络上的计算机要传送文件，首先要在两个计算机之间建立一条通路，之后还有以下工作要做：
1）两个计算机先通过指令通信保证数据能在这两台计算上正确的发送和接收
2）要告诉网络如何接收数据
3）发起通信的计算机要保证对方计算机是否可以通信
4）发起通信的计算机必须弄清楚对方计算机中的文件管理程序是否已经做好接收文件和储存文件的准备
5）若传输过程中出现差错，应有可靠的方式保证接收方能够最终接收到正确的数据
由上可以看出，计算机网络在实现过程中有非常多的细节需要考虑，为了解决这些问题，计算机网络的设计者提出了分层的概念，将问题分为不同的部分，逐个解决。

1.2 计算机网络体系结构的发展历史

IBM最早提出了一种计算机网络体系结构，即系统网络体系结构（System Network Architecture）这一结构一直被IBM沿用至今
之后其他公司也相继提出了自己公司不同名称的体系结构
国际化标准组织ISO于1977年提出了著名的开放系统互连基本参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model），简称OSI，它将计算机网络分为七层，故又称作七层协议体系结构

OSI标准提出后一些大公司和政府纷纷表示支持，但是多年过去后OSI标准由于太过复杂和没有考虑市场情况而被淘汰，当今最大的覆盖全世界的因特网并没有使用OSI标准。OSI的失败原因主要是制定OSI的人是学术界专家，他们在制定OSI时完全没有考虑市场情况导致没有人愿意使用OSI

现在我们使用的网络都使用的是TCP/IP体系结构，TCP/IP体系结构是由商业公司制定的，由于其很好的迎合了市场的需求而被大规模广泛的应用，TCP/IP体系结构只有四层，简单使用

二.计算机网络体系结构中的各个层次

在过去的几十年中各个公司和组织提出了很多计算机网络体系结构模型，每种模型都将计算机网络划分成了不同的层次，其中有影响力的两个便是OSI模型和TCP/IP模型，OSI将计算机网络划分为七层，TCP/IP模型将计算机网络划分为四层。由于标准不统一不好进行计算机网络体系层次的学习，所以教学中一般都将OSI和TCP/IP进行了结和折中，教五个层次，分别为：应用层，运输层，网络层，数据链路层，物理层

OSI，TCP/IP，五层协议对比：

2.1 应用层：

应用层简介：

网络应用层是通信用户之间的窗口，为用户提供网络管理、文件传输、事务处理等服务。其中包含了若干个独立的、用户通用的服务协议模块。网络应用层是OSI的最高层，为网络用户之间的通信提供专用的程序。应用层的内容主要取决于用户的各自需要，这一层设计的主要问题是分布数据库、分布计算技术、网络操作系统和分布操作系统、远程文件传输、电子邮件、终端电话及远程作业登录与控制等。至2011年应用层在国际上没有完整的标准，是一个范围很广的研究领域。在OSI的7个层次中，应用层是最复杂的，所包含的应用层协议也最多，有些还在研究和开发之中
应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP、DNS等。

应用层主要功能：

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

2.2 运输层：

运输层简介：

运输层建立在网络层和会话层之间，实质上它是网络体系结构中高低层之间衔接的一个接口层。用一个寻址机制来标识一个特定的应用程序（端口号）。运输层不仅是一个单独的结构层，它还是整个分层体系协议的核心，没有运输层整个分层协议就没有意义。运输层的数据单元是由数据组织成的数据段（segment）这个层负责获取全部信息，因此，它必须跟踪数据单元碎片、乱序到达的数据包和其它在传输过程中可能发生的危险
运输层为上层提供端到端（最终用户到最终用户）的透明的、可靠的数据传输服务，所谓透明的传输是指在通信过程中运输层对上层屏蔽了通信传输系统的具体细节
运输层协议主要是：传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol）和用户数据报协议UDP(User Datagram protocol）。

运输层的主要功能:

一、格式化信息流
二、提供可靠传输，为实现可靠传输，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送，即耳熟能详的“三次握手”过程，从而提供可靠的数据传输。

2.3 网络层：

网络层简介：

网络层也称通信子网层，是高层协议之间的界面层，用于控制通信子网的操作，是通信子网与资源子网的接口。在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时传送。网络层将解封装数据链路层收到的帧，提取数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息源站点和目的站点地址的网络地址
IP是第三层问题的一部分，此外还有一些路由协议和地址解析协议（ARP）。有关路由的一切事情都在第三层处理。地址解析和路由是三层的重要目的。网络层还可以实现拥塞控制、网际互连、信息包顺序控制及网络记账等功能
在网络层交换的数据单元的单位是分割和重新组合数据包（packet）
网络层协议的代表包括：IP、IPX、OSPF等

网络层主要功能：

网络层主要功能是基于网络层地址（IP地址）进行不同网络系统间的路径选择。
网络层为建立网络连接和为上层提供服务，应具备以下主要功能：
一.路由选择和中继
二.激活，终止网络连接
三.差错检测与恢复
四.排序，流量控制

数据链路层的典型设备：

网关、路由器

2.4 数据链路层：

数据链路层简介：

在物理层提供比特流服务的基础上，将比特信息封装成数据帧（Frame），起到在物理层上建立、撤销、标识逻辑链接和链路复用以及差错校验等功能。通过使用接收系统的硬件地址或物理地址来寻址。建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上无差错的传输，同时为其上面的网络层提供有效的服务。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。
数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。

数据链路层的主要功能：

1）链路层的功能是实现系统实体间二进制信息块的正确传输
2）为网络层提供可靠无错误的数据信息
3）在数据链路中解决信息模式、操作模式、差错控制、流量控制、信息交换过程和通信控制规程的问题
4）为网络层提供数据传送服务，这种服务要依靠本层具备的功能来实现。链路层应具备如下功能：
一.链路连接的建立，拆除，分离
二.帧定界和帧同步。链路层的数据传输单元是帧，协议不同，帧的长短和界面也有差别，但无论如何必须对帧进行定界
三.顺序控制，指对帧的收发顺序的控制
四.差错检测和恢复。还有链路标识，流量控制等等。差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码，而帧丢失等用序号检测。各种错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成

数据链路层的典型设备：

二层交换机、网桥、网卡

2.5 物理层：

物理层简介：

物理层是OSI分层结构体系中最重要、最基础的一层，它建立在传输媒介基础上，起建立、维护和取消物理连接作用，实现设备之间的物理接口。物理层之接收和发送一串比特(bit)流，不考虑信息的意义和信息结构。物理层包括对连接到网络上的设备描述其各种机械的、电气的、功能的规定

物理层的主要功能：

1）为数据端设备提供传送数据的通路
数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。
2）传送数据
物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务，主要包括以下几点：
一、保证数据按位传输的正确性
二、向数据链路层提供一个透明的位传输
三、提供足够的带宽(带宽是指每秒钟内能通过的比特(BIT)数)，以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要
完成物理层的一些管理工作，如在数据终端设备、数据通信和交换设备等设备之间完成对数据链路的建立、保持和拆除操作

物理层的典型设备：

光纤、同轴电缆、双绞线、中继器和集线器