第一章 计算机网络概述

                       1.5计算机网络体系结构
    计算机网络体系结构是对复杂网络系统的逻辑抽象，这样便于实现网络系统的交流、升级、标准化与互连。它是将整个网络进行层次划分构造成纵向和横向结构关系，纵向的网络层次通过层间的接口进行联系，横向的对等层实体间通信协议实现联系。目前主要有两种模型，一种是理论标准模型OSI/RM参考模型；另一种是实际应用模型TCP/IP协议栈模型。
    1.5.1 基本概念
    1．网络层次结构
    为了简化计算机网络的复杂性，网络系统功能被分解为不同层次。每一层都建立在它的下层的基础之上，不同的网络中，层次的数量、各层的名字、内容和功能也不尽相同。但是所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。计算机网络体系结构中存在两种关系：一是纵向的上下层之间的服务关系；二是横向的对等层之间的通信关系。事实上，计算机网络体系结构是网络层次结构和相关协议的集合。
    2．实体
    每一层中的活动元素，可以是软件实体（如进程）也可以是硬件实体（如I/O芯片）。不同机器的同一层实体称为对等层实体。
    3．服务
    是每一层向上一层提供的一组操作。通过服务原语实现相邻层之间上一层使用下一层的服务。
    4．接口
    相邻层之间进行信息交换的界面，它定义了低层向高层提供的原始操作和服务。
    5．协议
    对等层实体进行通信交换信息所规定的一套规则集合。它包括三个要素：一是语法，说明信息的结构或格式；二是语义，说明操作过程的含义；三是定时关系，说明规程的时序关系。网络体系结构中每一层一个协议，整体称为协议栈。
    6．数据单元
    层间或对等实体间传送的数据组。经每一层的服务访问点传送的数据组称为接口数据单元IDU（Interface Data Unit）；经协议传送的数据组称为协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）。（N）层实体经（N）协议通过网络传送到对等（N）层实体，并提交给（N+1）层的数据组称为（N）层服务数据单元，也就是（N+1）层的PDU。
    1.5.2 OSI/RM模型
    网络体系结构是对整个网络系统的逻辑结构进行层次化和功能划分，因此，包含了不同的硬、软件的组织和设计。为了实现不同厂家和公司的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，基于ISO的建议，于1983年形成正式标准——开放系统互连参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model），它是为不同开放系统的应用进程之间的通信定义的标准。
    如图1-13所示，OSI/RM共分七层，自低向上分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。对于网络中的中继节点（如路由器）通常只有最低的三层。
                         
                             图1-13 OSI/RM模型
    下面简单说明数据在OSI模型中的通信机制。假定端节点A通过中继节点访问端节点B。其通信过程可分为三个方面：一是信息在发送端节点A的流动；二是在中继节点的流动；三是信息在接收节点B的流动。如图1-14所示。
    1．信息在发送端节点A的流动
    首先端节点A的应用进程将用户数据送到应用层，应用层加上协议控制信息（PCI，Protocol Control Information），形成协议数据单元（PDU, Protocol Data Unit），通过层间接口传送到表示层。表示层收到PDU后，作为表示层的服务数据单元(SDU, Service Data Unit)，再传给会话层，成为会话层的SDU。依次类推，当到达数据链路层时，控制信息置于SDU的首与尾两部分，形成数据帧，再传到物理层，形成比特流，由传输介质传送到中继节点。信息在各层流动时所形成的信息单位是各不相同的，如图中所示的报文、分组和帧等。
    2．信息在中继节点的流动
    信息中继节点的流动由于不是面向端系统的，所以只涉及低三层的功能。即由物理层接收比特流，再传送到中继节点的数据链路层，形成可能不同于节点A的数据帧，再传送到网络层，进行查找路由，向下一个中继节点或端节点发送。
    3．信息在接收节点B的流动
    信息被接收节点B的物理层接收后，按发送节点A的信息流动的逆过程，逐层上传，在对等层之间彼此通过相同或兼容协议，即协议的头信息，对SDU操作，去掉相应的头信息，提交给上一层。最后由端节点B接收数据。在这里，不同节点的对等层的PCI由于使用了相同或兼容的协议，彼此可以理解，才能进行封装与解封装的操作。
                         
                       图1-14 数据流动过程和方向
    在OSI/RM模型的七层结构中，物理层实现位流的透明传输，数据链路层实现帧的可靠传输，网络层实现主机间的分组传输，传输层实现不同主机进程间的通信，会话层在用户间建立会话关系，表示层实现数据表示，应用层为网络应用提供服务。
    1.5.3 TCP/IP模型
    TCP/IP模型当前世界最大的、开放的互连网因特网的体系结构，Internet由众多网络相互连接而成的特定的计算机网络，通过TCP/IP协议族使得世界各地的计算机用户共享信息资源。TCP/IP是Internet的核心协议。在TCP/IP模型中，网络划分四层体系结构，自低向上分为网络接口层、网际层（或网络层）、传输层（或运输层）和应用层。如图1-15所示。
                       
                            图1-15 TCP/IP模型
    网络接口层提供了各种网络的接口，网络层是传输载体和用户之间的接口，是通信子网的边界。由于通信子网通常由异种网络构成，因此网络层协议必须隐藏低层物理网络的细节，把通信问题从细节中解放出来，通过提供通用的网络服务，使得低层网络向用户和应用程序透明。网络层的服务特点是与通信子网无关，即通信子网的数量、类型和拓扑结构对传输层来说是透明的；传输层所获得的网络地址是统一编号的，即使传输过程中跨越了多个网络。
    两种模型层次对应关系如图1-16所示。
                       
                  图1-16 OSI/RM模型与TCP/IP模型层次对应关系