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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