计算机网络的体系结构
# 计算机网络的体系结构
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网络体系结构是从**功能上**描述计算机网络结构
- 分层结构
- 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
- 体系结构是抽象的
# 分层结构
# 复杂网络的分层结构
- 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
- 可能会向上一层提供所需的服务
类比:航空旅行
# 分层网络体系结构
计算机网络的体系结构
- 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
# 采用分层结构的原因
优点
- 结构清晰,有利于识别复杂系统的部件及其关系
- 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)
- 任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的
- 有利于标准化
缺点
- 系统效率低
- 可类比于行政机构的审批流程,层数越多,则审批流程越长
# 分层网络体系结构的基本概念
示意图
- 实体: 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(同层之间)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
原语
原语分为四类:
- 请求(Req)型原语,用于高层向低层请求某种业务;
- 证实(Cfm)型原语,用于提供业务的层证实某个动作已经完成;
- 指示(Ind)型原语,用于提供业务的层向高层报告一个与特定业务相关的动作;
- 响应(Res)型原语,用于应答,表示来自高层的指示原语已收到
# OSI 参考模型
- 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
示意图
# OSI 参考模型解释的通信过程
通信过程示意图
- 路由器完成三层功能
- 另外四个层称为端-端层,相当于两层之间直接进行通信
- PDU 协议数据单元
- 协议规定的是在相同层之间交换数据
通信过程中的数据封装示意图
- 从上到下,数据逐层封装
- 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
# 七层结构
# 物理层
示意图
- 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)
- 电视
- 半双工(half-duplex)
- 对讲机,发和收不能同时进行
- 全双工(full-duplex)
- 单工(Simplex)
# 数据链路层
示意图
- 负责结点-结点(node-to-node)数据传输
- 以帧为单位进行数据传输
- 组帧(Framing)
- 让接收一端能成功的切分数据帧,并区分头部和尾部信息
- 物理寻址(Physical addressing)
- 在物理层无法实现
- 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
示意图
- 流量控制(Flow control)
- 避免淹没接收端
- 让发送端和接收端的速度要进行匹配
- 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
# 网络层
- 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
- 分组转发
路由及分组转发示意图
# 传输层
传输层图示
- 负责源-目的(端-端) (进程间) 完整报文传输
- 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
传输示意图
- SAP寻址
- 连接控制
- 端到端的连接控制
- 逻辑连接的控制
- 流量控制
- 差错控制
# 会话层
- 对话控制(dialog controlling)
- 建立、维护、拆除
- 同步(synchronization)
- 在数据流中插入“同步点”
- 最“薄”的一层
- 功能较少
- 实际中不单独存在
# 表示层
处理两个系统间交换信息的语法与语义(syntax and semantics )问题
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
# 应用层
最丰富的一层
- 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)
# TCP-IP参考模型
- 先有协议,后整理出参考模型
TCP/IP 参考模型示意图
# 五层参考模型
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
- 交换机只实现两层
- 报文 段 数据报 帧
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