计算机网络体系结构

计算机网络是一个非常复杂的系统 , 涉及许多组成部分：

• 主机（hosts）
• 路由器（routers）
• 各种链路（links）
• 应用（applications）
• 协议（protocols）
• 硬件、软件
• ……

分层结构：
每层完成一种（类）特定服务/功能，每层依赖底层提供的服务，通过层内动作完成相应功能。

计算机网络的体系结构

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构(network architecture)是分层结构
• 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
• 体系结构是抽象的

分层好处：

• 结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
  分层的参考模型（reference model ）
• 模块化的分层易于系统更新、维护
  任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的
  例如，登机过程的改变并不影响航空系统的其它部分（层）
• 有利于标准化

分层网络体系结构基本概念

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• 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，协议是 “ 水平的” 。
• 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能， 向上层提供服务 ，服务是“ 垂直的 ”。
• 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。
• 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点 SAP(Service Access Point) ，交换原语，指定请求的特定服务。

一、OSI参考模型

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• 开放系统互连 (OSI)参考模型是由国际标准化组织 (ISO) 于1984年提出的分层网络体系结构模型
• 目的是支持异构网络系统的互联互通
• 异构网络系统互连的国际标准
• 理解网络通信的最佳学习工具（理论模型）
  理论成功，市场失败
• 7层（功能）,每层完成特定的网络功能

OSI 参考模型解释的通信过程

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OSI参考模型数据封装与通信过程

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数据封装

• 增加控制信息
  构造协议数据单元 (PDU)
• 控制信息主要包括:
  地址（Address）: 标识发送端/接收端
  差错检测编码（Error-detecting code）: 用于差错检测或纠正
  协议控制（Protocol control）: 实现协议功能的附加信息，如: 优先级（priority）、服务质量（QoS）、 和安全控制等

1.物理层

单位：比特、数据位、流、比特流

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• 接口特性
  机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
• 比特编码
• 数据率
• 比特同步
  时钟同步
• 传输模式
  单工（Simplex）
  半双工（half-duplex）
  全双工（full-duplex）

2.数据链路层

单位：帧、数据帧

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• 负责点 结点- 结点（node-to-node） ） 数据输传输
• 组帧（Framing ）
• 物理寻址（Physical addressing ）
  在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端

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• 流量控制（Flow control）
  避免淹没接收端
• 差错控制（Error control）
  检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧
• 访问(接入)控制（Access control）
  在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

3.网络层

单位：数据报、数据包、分组、包

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• 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付
  可能穿越多个网络
• 逻辑寻址（Logical addressing）
  全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址
• 路由（Routing）
  路由器(或网关)互连网络，并路由分组至最终目的主机
  路径选择

• 分组转发

  
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4.传输层

单位：数据段、分段、报文段

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负责 源- - 目的（端- - 端）（进程间） 完整报文传输

功能：

• 分段与重组
• SAP寻址
  确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
• 连接控制
• 流量控制
• 差错控制

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5.会话层

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• 对话控制（dialog controlling）
  建立、维护
• 同步(synchronization)
  在数据流中插入“同步点”
• 最“薄”的一层

6.表示层

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处理两个系统间交换信息的（ 语法与语义（syntax and semantics ） 问题

功能：

• 数据表示转化
  转换为主机独立的编码
• 加密/解密
• 压缩/解压缩

7.应用层

单位：报文

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• 支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
• 典型应用层服务：
  文件传输（FTP）
  电子邮件（SMTP）
  Web（HTTP）
  ……

二、TCP/IP参考模型

1.四层参考模型

IP over Everything
IP 可为各式各样的应用程序提供服务

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2.五层参考模型

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• 综合 OSI 和 TCP/IP 的优点
• 应用层 : 支持各种网络应用
  FTP, SMTP, HTTP
• 传输层 : 进程-进程的数据传输
  TCP, UDP
• 网络层 : 源主机到目的主机的数据分组路由与转发
  IP协议、路由协议等
• 链路层 : 相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输
  以太网（Ethernet）、802.11 (WiFi)、PPP
• 物理层 :比特传输

五层模型的数据封装

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