計算機網絡（三）

學習計算機網絡過程中的心得體會以及知識點的整理，方便我自己查找，也希望可以和大家一起交流。

—— 計算機網絡體系結構 ——

1. 計算機網絡體系結構的形成

1.1 計算機網絡體系結構形成的原因

計算機網絡是個非常複雜的系統。
相互通信的兩個計算機系統必須高度協調工作才行，而這種“協調”是相當複雜的。
“分層”可將龐大而複雜的問題，轉化爲若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易於研究和處理。

1.2 計算機網絡體系結構形成的過程

1974年，美國的 IBM 公司宣佈了系統網絡體系結構SNA (System Network Architecture)。這個著名的網絡標準就是按照分層的方法制定的。
不久後，其他一些公司也相繼推出自己公司的具有不同名稱的體系結構。
由於網絡體系結構的不同，不同公司的設備很難互相連通。

1.3 開放系統互連參考模型OSI/RM

爲了使不同體系結構的計算機網絡都能互連，國際標準化組織 ISO 於1977年成立了專門機構研究該問題。
他們提出了一個試圖使各種計算機在世界範圍內互連成網的標準框架，即著名的開放系統互連基本參考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，簡稱爲 OSI。
只要遵循 OSI 標準，一個系統就可以和位於世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統進行通信。
OSI 只獲得了一些理論研究的成果，在市場化方面卻失敗了。原因包括：
1. OSI 的專家們在完成 OSI 標準時沒有商業驅動力；
2. OSI 的協議實現起來過分複雜，且運行效率很低；
3. OSI 標準的制定週期太長，因而使得按 OSI 標準生產的設備無法及時進入市場；
4. OSI 的層次劃分也不太合理，有些功能在多個層次中重複出現。

1.4 兩種國際標準

法律上的 (de jure) 國際標準 OSI 並沒有得到市場的認可。
非國際標準 TCP/IP 卻獲得了最廣泛的應用。TCP/IP 常被稱爲事實上的 (de facto) 國際標準。

2. 協議與劃分層次

計算機網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規則。
這些規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題（同步含有時序的意思）。
網絡協議 (network protocol)，簡稱爲協議，是爲進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。

2.1 網絡協議的三個組成要素

語法：數據與控制信息的結構或格式。
語義：需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。
同步：事件實現順序的詳細說明。

2.2 協議的兩種形式

一種是使用便於人來閱讀和理解的文字描述。
另一種是使用讓計算機能夠理解的程序代碼。
這兩種不同形式的協議都必須能夠對網絡上信息交換過程做出精確的解釋。

2.3層次式協議結構

ARPANET 的研製經驗表明，對於非常複雜的計算機網絡協議，其結構應該是層次式的。

2.3.1 劃分層次的概念舉例

主機 1 向主機 2 通過網絡發送文件。
可以將要做的工作進行如下的劃分：
- 第一類工作與傳送文件直接有關。
  - 確信對方已做好接收和存儲文件的準備。
  - 雙方已協調好一致的文件格式。
兩個主機將文件傳送模塊作爲最高的一層，剩下的工作由下面的模塊負責。

2.3.2 分層的各種問題

優點：
- 各層之間是獨立的。
- 靈活性好。
- 結構上可分割開。
- 易於實現和維護。
- 能促進標準化工作。
缺點：
- 降低效率。
- 有些功能會在不同的層次中重複出現，因而產生了額外開銷。
層數多少要適當
- 層數太少，就會使每一層的協議太複雜。
- 層數太多，又會在描述和綜合各層功能的系統工程任務時遇到較多的困難。

2.3.3 各層完成的主要功能

① 差錯控制：使相應層次對等方的通信更加可靠。
② 流量控制：發送端的發送速率必須使接收端來得及接收，不要太快。
③ 分段和重裝 ：發送端將要發送的數據塊劃分爲更小的單位，在接收端將其還原。
④ 複用和分用：發送端幾個高層會話複用一條低層的連接，在接收端再進行分用。
⑤ 連接建立和釋放：交換數據前先建立一條邏輯連接，數據傳送結束後釋放連接。

2.4 具有五層協議的體系結構

2.4.1 構成

OSI 的七層協議體系結構的概念清楚，理論也較完整，但它既複雜又不實用。
TCP/IP 是四層體系結構：應用層、運輸層、網際層和網絡接口層。但最下面的網絡接口層並沒有具體內容。
因此往往採取折中的辦法，即綜合 OSI 和 TCP/IP 的優點，採用一種只有五層協議的體系結構。

五層協議的體系結構:

2.4.2 通訊過程

具體過程：
發送過程（接收過程相反）：

3. 實體、協議、服務和服務訪問點

3.1 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。
在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。
要實現本層協議，還需要使用下層所提供的服務。

3.2 協議

協議必須把所有不利的條件事先都估計到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。
看一個計算機網絡協議是否正確，不能光看在正常情況下是否正確，還必須非常仔細地檢查這個協議能否應付各種異常情況。

3.3 協議和服務的不同

協議的實現保證了能夠向上一層提供服務。
本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協議。即下面的協議對上面的服務用戶是透明的。
協議是“水平的”，即協議是控制對等實體之間通信的規則。
服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。
上層使用服務原語獲得下層所提供的服務。

3.4 服務訪問點

同一系統相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱爲服務訪問點 SAP (Service Access Point)。
服務訪問點SAP是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯接口。
OSI把層與層之間交換的數據的單位稱爲服務數據單元 SDU (Service Data Unit)。
OSI 參考模型把對等層次之間傳送的數據單位稱爲該層的協議數據單元 PDU (Protocol Data Unit)。這個名詞現已被許多非 OSI 標準採用。
SDU 可以與 PDU 不一樣，例如，可以是多個 SDU 合成爲一個 PDU，也可以是一個 SDU 劃分爲幾個 PDU。

4. TCP/IP 的體系結構

4.1 TCP/IP 的四層體系結構

4.2 TCP/IP 的另一種表達形式

實際上，現在的互聯網使用的 TCP/IP 體系結構有時已經發生了演變，即某些應用程序可以直接使用 IP 層，或甚至直接使用最下面的網絡接口層。

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