計算機網絡體系結構

計算機網絡是一個非常複雜的系統 , 涉及許多組成部分：

• 主機（hosts）
• 路由器（routers）
• 各種鏈路（links）
• 應用（applications）
• 協議（protocols）
• 硬件、軟件
• ……

分層結構：
每層完成一種（類）特定服務/功能，每層依賴底層提供的服務，通過層內動作完成相應功能。

計算機網絡的體系結構

• 網絡體系結構是從功能上描述計算機網絡結構
• 計算機網絡體系結構簡稱網絡體系結構(network architecture)是分層結構
• 每層遵循某個/些網絡協議完成本層功能
• 計算機網絡體系結構是計算機網絡的各層及其協議的集合
• 體系結構是一個計算機網絡的功能層次及其關係的定義
• 體系結構是抽象的

分層好處：

• 結構清晰，有利於識別複雜系統的部件及其關係
  分層的參考模型（reference model ）
• 模塊化的分層易於系統更新、維護
  任何一層服務實現的改變對於系統其它層都是透明的
  例如，登機過程的改變並不影響航空系統的其它部分（層）
• 有利於標準化

分層網絡體系結構基本概念

• 實體(entity) 表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。
• 協議是控制兩個對等實體進行通信的規則的集合，協議是 “ 水平的” 。
• 任一層實體需要使用下層服務，遵循本層協議，實現本層功能， 向上層提供服務 ，服務是“ 垂直的 ”。
• 下層協議的實現對上層的服務用戶是透明的。
• 同系統的相鄰層實體間通過接口進行交互，通過服務訪問點 SAP(Service Access Point) ，交換原語，指定請求的特定服務。

一、OSI參考模型

• 開放系統互連 (OSI)參考模型是由國際標準化組織 (ISO) 於1984年提出的分層網絡體系結構模型
• 目的是支持異構網絡系統的互聯互通
• 異構網絡系統互連的國際標準
• 理解網絡通信的最佳學習工具（理論模型）
  理論成功，市場失敗
• 7層（功能）,每層完成特定的網絡功能

OSI 參考模型解釋的通信過程

OSI參考模型數據封裝與通信過程

數據封裝

• 增加控制信息
  構造協議數據單元 (PDU)
• 控制信息主要包括:
  地址（Address）: 標識發送端/接收端
  差錯檢測編碼（Error-detecting code）: 用於差錯檢測或糾正
  協議控制（Protocol control）: 實現協議功能的附加信息，如: 優先級（priority）、服務質量（QoS）、 和安全控制等

1.物理層

單位：比特、數據位、流、比特流

• 接口特性
  機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性
• 比特編碼
• 數據率
• 比特同步
  時鐘同步
• 傳輸模式
  單工（Simplex）
  半雙工（half-duplex）
  全雙工（full-duplex）

2.數據鏈路層

單位：幀、數據幀

• 負責點 結點- 結點（node-to-node） ） 數據輸傳輸
• 組幀（Framing ）
• 物理尋址（Physical addressing ）
  在幀頭中增加發送端和/或接收端的物理地址標識數據幀的發送端和/或接收端

• 流量控制（Flow control）
  避免淹沒接收端
• 差錯控制（Error control）
  檢測並重傳損壞或丟失幀，並避免重複幀
• 訪問(接入)控制（Access control）
  在任一給定時刻決定哪個設備擁有鏈路（物理介質）控制使用權

3.網絡層

單位：數據報、數據包、分組、包

• 負責源主機到目的主機數據分組（packet）交付
  可能穿越多個網絡
• 邏輯尋址（Logical addressing）
  全局唯一邏輯地址，確保數據分組被送達目的主機，如IP地址
• 路由（Routing）
  路由器(或網關)互連網絡，並路由分組至最終目的主機
  路徑選擇

• 分組轉發

  
  

4.傳輸層

單位：數據段、分段、報文段

負責 源- - 目的（端- - 端）（進程間） 完整報文傳輸

功能：

• 分段與重組
• SAP尋址
  確保將完整報文提交給正確進程，如端口號
• 連接控制
• 流量控制
• 差錯控制

5.會話層

• 對話控制（dialog controlling）
  建立、維護
• 同步(synchronization)
  在數據流中插入“同步點”
• 最“薄”的一層

6.表示層

處理兩個系統間交換信息的（ 語法與語義（syntax and semantics ） 問題

功能：

• 數據表示轉化
  轉換爲主機獨立的編碼
• 加密/解密
• 壓縮/解壓縮

7.應用層

單位：報文

• 支持用戶通過用戶代理（如瀏覽器）或網絡接口使用網絡（服務）
• 典型應用層服務：
  文件傳輸（FTP）
  電子郵件（SMTP）
  Web（HTTP）
  ……

二、TCP/IP參考模型

1.四層參考模型

IP over Everything
IP 可爲各式各樣的應用程序提供服務

2.五層參考模型

• 綜合 OSI 和 TCP/IP 的優點
• 應用層 : 支持各種網絡應用
  FTP, SMTP, HTTP
• 傳輸層 : 進程-進程的數據傳輸
  TCP, UDP
• 網絡層 : 源主機到目的主機的數據分組路由與轉發
  IP協議、路由協議等
• 鏈路層 : 相鄰網絡元素（主機、交換機、路由器等）的數據傳輸
  以太網（Ethernet）、802.11 (WiFi)、PPP
• 物理層 :比特傳輸

五層模型的數據封裝