計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)篇

作者：景禹 2021-08-10 11:24:03

計算機網(wǎng)絡(luò)是個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，本篇文章僅從架構(gòu)層面進行介紹，里面的諸多概念請不要深究，知道計算機網(wǎng)絡(luò)是分層的就足夠了。相互通信的兩個計算機系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，而這種“協(xié)調(diào)”是相當(dāng)復(fù)雜的。

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計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成(僅限了解)

1974 年，美國的 IBM 公司宣布了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) SNA(System Network Architecture)。這個著名的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)就是按照分層的方法制定的。不久后，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(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的不同，不同公司的設(shè)備很難互相連通。

為了使不同體系結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)都能互連，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO(International Organization for Standardization) 于 1977 年成立了專門機構(gòu)研究該問題，并提出了一個試圖使各種計算機在世界范圍內(nèi)互連成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，即著名的開放系統(tǒng)互連基本參考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，簡稱為 OSI。這也就意味著，只要遵循 OSI 標(biāo)準(zhǔn)，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標(biāo)準(zhǔn)的其他任何系統(tǒng)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：

OSI 的專家們在完成 OSI 標(biāo)準(zhǔn)時沒有商業(yè)驅(qū)動力;
OSI 的協(xié)議實現(xiàn)起來過分復(fù)雜，且運行效率很低;
OSI 標(biāo)準(zhǔn)的制定周期太長，因而使得按 OSI 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的設(shè)備無法及時進入市場;
OSI 的層次劃分也不太合理，有些功能在多個層次中重復(fù)出現(xiàn)。

法律上的國際標(biāo)準(zhǔn) OSI 并沒有得到市場的認可。非國際標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP 卻獲得了最廣泛的應(yīng)用。TCP/IP 常被稱為事實上的國際標(biāo)準(zhǔn)。

協(xié)議與劃分層次

計算機網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則，這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的同步問題。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 (network protocol)，簡稱為協(xié)議，是為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計算機網(wǎng)絡(luò)不可或缺的組成部分。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三個組成要素：

1. 語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式。

2. 語義：需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應(yīng)。

3. 同步：事件實現(xiàn)順序的詳細說明。

ARPANET 的研制經(jīng)驗表明，對于非常復(fù)雜的計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該是層次式的。

計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(architecture)是計算機網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合。體系結(jié)構(gòu)就是這個計算機網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義。實現(xiàn) (implementation) 是遵循這種體系結(jié)構(gòu)的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實現(xiàn)則是具體的，是真正在運行的計算機軟硬件。

如上圖所示，(a)表示 OSI 的七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，其概念清楚，理論也較完整，但它既復(fù)雜又不實用。(b)是商業(yè)上獲得成功的 TCP/IP 四層體系結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層。但最下面的網(wǎng)絡(luò)接口層并沒有具體內(nèi)容。(c)是綜合 OSI 和 TCP/IP 的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 。

OSI 的七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的理解

應(yīng)用層：能夠產(chǎn)生流量并與用戶發(fā)生交互的應(yīng)用程序，比如微信、QQ、微博、抖音等應(yīng)用，像記事本等單機應(yīng)用不屬于應(yīng)用層。

表示層：進行加密、壓縮，該層需要開發(fā)人員進行考慮。

會話層：服務(wù)器和客戶端建立的會話，連接遠程桌面，查木馬，telnet -nb

傳輸層：可靠傳輸、不可靠傳輸、流量控制

網(wǎng)絡(luò)層：IP地址編址、選擇最佳路徑

數(shù)據(jù)鏈路層：輸入如何封裝，添加物理地址。

物理層：電壓、接口標(biāo)準(zhǔn)等。

五層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

物理層主要包含：底層傳輸介質(zhì)，電磁能及其利用，信號中信息的表示，無線電頻率和電壓等電學(xué)特性，以及相關(guān)聯(lián)的硬件。

數(shù)據(jù)鏈路層：計算機與網(wǎng)絡(luò)硬件之間的通信，訪問共享媒體的機制，硬件(MAC)尋址，分組(幀)格式、數(shù)據(jù)包(幀)類型和解復(fù)用、差錯檢測和糾正技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)層：通過 Internet 實現(xiàn)兩臺計算機之間的通信、數(shù)據(jù)報的格式、IP地址編址及分配、轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇等等。

運輸層：可靠傳輸、不可靠傳輸、擁塞控制(流量控制)。

應(yīng)用層：能夠產(chǎn)生流量并與用戶發(fā)生交互的應(yīng)用程序。

TCP/IP 的體系結(jié)構(gòu)

TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)包含四層：應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層。

1、應(yīng)用層：為用戶的應(yīng)用程序提供接口，使用戶可以訪問網(wǎng)絡(luò)。HTTP 超文本傳輸協(xié)議(瀏覽網(wǎng)頁服務(wù))FTP 文件傳輸協(xié)議(提供文件上傳，文件下載服務(wù)，較慢但是可靠)，SMTP 簡單郵件傳輸協(xié)議(郵件的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā))、Talnet 遠程登錄功能(配置交換機、路由器)、DNS 域名系統(tǒng)，將域名解析為IP地址(將百度的域名轉(zhuǎn)換為服務(wù)器的IP地址)。

2、運輸層：提供端到端(Port to Port)的通信(兩臺計算機上的軟件間的連接)，對信息流具有調(diào)節(jié)作用。面向連接的可靠傳輸協(xié)議 TCP，以及非面向連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP。

3、網(wǎng)際層：IP數(shù)據(jù)包的封裝和路徑選擇。主要協(xié)議：IP (數(shù)據(jù)包的封裝，定義IP地址)、ICMP (錯誤診斷，比如用ping 命令測試網(wǎng)絡(luò)連通性)、ARP協(xié)議(將IP地址解析為MAC地址)和 RARP (將MAC地址轉(zhuǎn)換為IP地址)

4、網(wǎng)絡(luò)接口層：網(wǎng)絡(luò)接口層是TCP/IP與各種LAN或WAN的接口，主要功能就是對IP數(shù)據(jù)包進行拆封。

TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，各層主要協(xié)議：

兩臺主機之間的通信過程

主機 1 的應(yīng)用進程數(shù)據(jù)先傳送到應(yīng)用層，然后加上應(yīng)用層首部，成為應(yīng)用層PDU (Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元，OSI 參考模型把對等層次之間傳送的數(shù)據(jù)單位稱為該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元 PDU)：