1.2 計算機網絡體系結構

計算機網絡是由多臺獨立的計算機和各類終端通過傳輸媒體連接起來相互交換數(shù)據信息的復雜系統(tǒng)，相互通信的計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調地工作。計算機網絡體系結構從整體角度抽象地定義了計算機網絡的構成及各個網絡部件之間的邏輯關系和功能，給出了協(xié)調工作的方法和計算機必須遵守的規(guī)則。

1.2.1 網絡的體系結構和協(xié)議

代表現(xiàn)代計算機網絡的計算機網絡體系結構是按結構化方式進行設計的，分層定義了網絡通信功能，制定了各層的通信協(xié)議標準。每一層都建立在它的下層之上（除了底層）。每一層在邏輯上相互獨立，且都具有特定的功能。不同的網絡體系結構，其層次的數(shù)量，各層的名字、內容和功能會有所不同。然而，在所有的計算機網絡體系結構中，每一層的目的都是向上一層提供一定的服務。

計算機網絡的層次模型摒棄了傳統(tǒng)的面向傳輸硬件的網絡概念，非常適用于以業(yè)務為基礎的現(xiàn)代網絡。它使傳輸網成為一個獨立于業(yè)務和應用的靈活、可靠和低成本的基礎網，專門用于信息位流的傳輸。在此基礎平臺之上，我們可以組建各種各樣的業(yè)務網，從而適應各式各樣的業(yè)務和應用的需要。

計算機網絡上的數(shù)據通信發(fā)生在不同系統(tǒng)的實體之間。實體是指能發(fā)送和接收信息的任何物體，如用戶應用程序、進程、瀏覽器、電子郵件軟件、數(shù)據庫管理系統(tǒng)等。系統(tǒng)則是指一個物理的物體，可以是計算機、終端設備、網絡設備等。系統(tǒng)中一般存在多個實體。

兩個實體要成功地交換信息就必須具有同樣的語言。交換什么，怎樣交換及何時交換，都必須遵從互相都能接受的一些規(guī)則，這些規(guī)則的集合稱為協(xié)議。協(xié)議主要由說明數(shù)據格式和結構的語法、定義數(shù)據每一位意義的語義、描述事件實現(xiàn)順序的時序關系三個部分組成。

每個協(xié)議都有特定的目的，所以各個協(xié)議的功能是不一樣的。但是有一些功能會經常出現(xiàn)在不同的協(xié)議中，如差錯檢測和糾正、對數(shù)據的分塊和重組、為數(shù)據塊編號排序、發(fā)送和接收速度的協(xié)調匹配等。協(xié)議的設計過程通常要考慮網絡系統(tǒng)的拓撲結構、信息的傳輸量、所采用的傳輸技術、數(shù)據存取方式，還要考慮其效率、價格和適用性等問題。

在組建網絡的過程中，考慮到網絡設備各方面的特性，用戶會要求把不同廠商生產的設備互聯(lián)在一起。為使這些設備相互間能正常交換信息，各個生產廠商都要遵守預先制定的標準，以保證設備間協(xié)同工作的能力。盡管標準有時會延長產品的開發(fā)時間，降低設計的靈活性，但是來自用戶的需求使工業(yè)界認識到使用標準的必要性。目前，標準已被網絡設備的制造者接受，并正在起到促進技術發(fā)展的作用。

1.2.2 OSI參考模型

為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）在1977年成立了專門機構研究該問題。他們提出了一種試圖使各種計算機在世界范圍內互連成網的標準框架，即開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model），又稱為OSI參考模型，即ISO 7498：1984國際標準。

OSI 參考模型是連接異種計算機的標準框架，為連接分布式的“開放”系統(tǒng)提供了基礎。“開放”就是指遵循OSI標準后，一個系統(tǒng)就可以和其他遵循該標準的系統(tǒng)進行通信。

OSI 標準在制定過程中采用了分層的體系結構方法，即將一個龐大而復雜的計算機互連問題劃分為若干個較容易處理的范圍較小的問題。ISO/OSI的七層網絡體系結構如圖1-1所示。各層根據其功能，分別稱為物理層、數(shù)據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

物理層建立在物理媒體上，是OSI參考模型的底層，負責在物理媒體上傳輸數(shù)據位。所有的通信設備、計算機等均需要用物理媒體互連起來，因此物理層是組成計算機網絡的基礎。物理層的功能是通過物理媒體，建立、維護和拆除實體之間的物理連接，實現(xiàn)實體之間的位流傳輸，向數(shù)據鏈路層提供透明的位流傳輸服務。

數(shù)據鏈路層主要的作用是通過一些數(shù)據鏈路層協(xié)議，在相鄰節(jié)點的物理鏈路上建立數(shù)據鏈路，實現(xiàn)可靠的數(shù)據傳輸，從而保證數(shù)據通信的正確性。數(shù)據鏈路層的主要功能包括數(shù)據鏈路的管理、幀同步、差錯檢測和恢復、信息流量控制、數(shù)據的透明傳輸、尋址等。

網絡層的任務是將數(shù)據信息從源端傳輸?shù)侥康亩恕脑炊说侥康亩丝梢越涍^許多中繼節(jié)點，也可能要經過幾個通信子網，這是網絡層與物理層、數(shù)據鏈路層的主要區(qū)別。網絡層是處理端到端數(shù)據傳輸?shù)牡讓樱邆渎酚蛇x擇、擁塞控制等功能。

傳輸層的目標是為用戶在網絡上提供有效、可靠和價格合理的數(shù)據傳輸服務。傳輸層是整個協(xié)議層次結構中最關鍵的一層。較低層的協(xié)議一般要比傳輸層簡單，且容易理解。對于兩個需要利用網絡進行通信的主機來說，端到端的可靠通信問題要靠傳輸層協(xié)議來解決。另外，許多網絡應用也只需要在兩臺機器之間進行可靠的位流傳輸，而不需要任何會話層和表示層的服務。

會話層給會話用戶提供一種稱為會話的連接，并在其上提供以普通方式傳輸數(shù)據的方法。會話層的主要功能是數(shù)據的交換和會話的管理。

表示層的主要功能是保證所傳輸?shù)臄?shù)據經傳輸后不改變意義。各種計算機都有自己的數(shù)據信息表示方法，不同的計算機之間交換數(shù)據信息需要經過一定的轉換，這樣才能使數(shù)據的意義在不同計算機內保持一致。

應用層是OSI參考模型的最高層，借助應用實體（AE）、應用協(xié)議和表示服務交換信息，并給應用進程訪問OSI環(huán)境提供手段。應用層的作用是在實現(xiàn)多個進程相互通信的同時，完成一系列業(yè)務處理所需要的服務功能。這些服務功能與業(yè)務功能（如遠程文件操作、遠程報文分發(fā)等）有密切的關系。

1.2.3 TCP/IP參考模型

OSI 參考模型是理論上比較完善的體系結構，它的各層協(xié)議也考慮得比較周到，但由于種種原因沒有得到應用。目前得到廣泛應用的是TCP/IP參考模型和符合TCP/IP協(xié)議棧標準的產品，幾乎所有的工作站和服務器都配有TCP/IP協(xié)議，這使得TCP/IP協(xié)議成為計算機網絡事實上的標準。

TCP/IP 參考模型源自 ARPANET。ARPANET 是最早出現(xiàn)的計算機網絡之一，現(xiàn)代計算機網絡的很多概念和方法都是從 ARPANET 中發(fā)展起來的。ARPANET 研究計劃要求網絡的通信設備和通信線路在部分損壞時，仍能正常工作，同時要求ARPANET能適應從文件傳輸?shù)綄崟r數(shù)據傳輸?shù)母鞣N應用需求。因此ARPANET研究計劃要求的是一種靈活的網絡體系結構，實現(xiàn)異種網的互聯(lián)與互通。針對這些要求人們設計了TCP/IP協(xié)議族，形成了TCP/IP參考模型。TCP/IP協(xié)議之所以能迅速發(fā)展和被廣泛應用，是因為它適應了世界范圍內網絡通信的需要。

TCP/IP參考模型與OSI參考模型有不少區(qū)別，如圖1-2所示。因為TCP/IP參考模型在設計時考慮到要與具體的網絡無關，所以在TCP/IP參考模型的標準中沒有對最低的兩層做出規(guī)定。這樣，TCP/IP參考模型就只有四層。

TCP/IP參考模型的最高層是應用層，相當于OSI參考模型的應用層、表示層、會話層，傳輸層與OSI參考模型的傳輸層相對應，網際層與OSI參考模型的網絡層相對應，網絡接口層與OSI參考模型的數(shù)據鏈路層和物理層相對應。在TCP/IP參考模型中，沒有與OSI參考模型中的表示層和會話層相對應的層次。

網際層的主要功能是負責將源主機的報文分組發(fā)送到目的主機，源主機與目的主機可以在同一個網上，也可以在不同的網上。網際層的協(xié)議被命名為 IP（Internet Protocol）協(xié)議。IP協(xié)議的功能包括三個方面。

（1）處理來自傳輸層的數(shù)據段發(fā)送請求。在收到數(shù)據段發(fā)送請求之后，首先將數(shù)據段裝入IP數(shù)據報，填充報頭（又稱頭部），選擇發(fā)送路徑，然后將數(shù)據報傳輸?shù)较乱粚印?/p>

（2）處理接收到的數(shù)據報。在接收到其他主機發(fā)送的數(shù)據報之后，檢查目的地址，選擇路由，轉發(fā)出去；若目的地址為本節(jié)點IP地址，則除去報頭，將數(shù)據段交給傳輸層處理。

（3）處理網絡互聯(lián)的路徑、流量控制與擁塞問題。傳輸層在TCP/IP參考模型中處于網際層之上。傳輸層負責在源端和目的端主機上的對等實體間建立端到端連接。TCP/IP參考模型的傳輸層定義了兩種協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（Transport Control Protocol，TCP）和用戶數(shù)據報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）。TCP協(xié)議是一種可靠的面向連接的協(xié)議，能將一臺主機的字節(jié)流無差錯地傳輸?shù)侥康闹鳈C。TCP協(xié)議首先將應用層的字節(jié)流分成多個數(shù)據段（Segment），然后將一個個數(shù)據段交給網際層，發(fā)送到目的主機。在目的主機上，網際層把接收到的數(shù)據段交給傳輸層，傳輸層將多個數(shù)據段還原成字節(jié)流遞交給應用層。TCP協(xié)議還要完成流量控制功能，協(xié)調收發(fā)雙方的發(fā)送與接收速度，達到正確傳輸?shù)哪康摹DP協(xié)議是一個不保證可靠性的無連接協(xié)議，用于不需要TCP協(xié)議的排序和流量控制能力的場合。

應用層位于傳輸層的上面，是TCP/IP參考模型的最高層，包含所有的高層協(xié)議。最早引入的協(xié)議有遠程終端協(xié)議（Telnet）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP），以及大量的、后來不斷增加的各種應用協(xié)議，如域名系統(tǒng)、HTTP協(xié)議等。

網際層下面是網絡接口層，它是TCP/IP參考模型的底層，負責通過網絡發(fā)送和接收IP數(shù)據報。TCP/IP參考模型允許主機連入網絡時使用多種協(xié)議。不同的網絡，網絡接口層可以使用不同的協(xié)議，如局域網的Ethernet、Token Ring、X.25的分組交換網等。

按照層次結構思想構成的一組從上到下單向依賴的各層協(xié)議稱為協(xié)議族，它們的具體實現(xiàn)常稱為協(xié)議棧（Protocol Stack）。目前TCP/IP參考模型的各層已定義和開發(fā)了許多協(xié)議，并且不斷有新的協(xié)議被開發(fā)出來，組成了TCP/IP協(xié)議族。TCP/IP參考模型與TCP/IP協(xié)議族如圖1-3所示，圖中左邊是TCP/IP參考模型，右邊是與參考模型各層相對應的各種協(xié)議。

在TCP/IP協(xié)議族中，TCP協(xié)議的協(xié)議數(shù)據單元（Protocol Data Unit，PDU，相同層次的實體間交換數(shù)據的單位）稱為TCP數(shù)據段或簡稱為TCP段。IP協(xié)議的PDU稱為IP數(shù)據報。目前廣泛使用的網絡接口層是以太網，它傳輸?shù)奈涣鞣Q為幀。圖1-4給出了用戶數(shù)據通過TCP/IP協(xié)議棧封裝的過程。

用戶數(shù)據在應用層（Application Layer，AppL）添加上應用層頭部構成應用層的PDU，應用層PDU被發(fā)送給傳輸層的TCP協(xié)議，TCP協(xié)議在應用層PDU上添加TCP頭部構成TCP數(shù)據段后發(fā)送給網際層的IP協(xié)議。IP協(xié)議對TCP數(shù)據段添加IP頭部，構成IP數(shù)據報。若 IP 數(shù)據報的長度超過數(shù)據鏈路層的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU），則IP層對IP數(shù)據報進行分片（Fragment），每片上也有IP頭部。IP層發(fā)送給網絡接口層的數(shù)據單元是報文分組（Packet），分組可以是一個IP數(shù)據報，也可以是IP數(shù)據報的一個片。在TCP/IP協(xié)議中，將數(shù)據分組再添加頭部和尾部的過程稱為封裝。圖1-3中的網絡接口層中主要是一些以太網協(xié)議標準，以太網幀封裝的是IP數(shù)據報。這種逐層封裝是層次式網絡體系結構的典型操作。