计算机网络体系结构 (干货)
1.计算机网络的层次结构
计算机网络是一个涉及通信系统和计算机系统的复杂系统。为了能使分布在不同地理位置且功能相对独立的计算机之间组成网络实现资源共享，计算机网络系统需要涉及和解决许多复杂的问题，包括信号传输、差错控制、寻址、数据交换和提供用户接口等很多问题。计算机网络体系结构是为简化这些问题的研究、设计与实现而抽象出来的一种结构模型。
为了降低系统的设计和实现难度，把计算机网络要实现的功能进行结构化和模块化设计，将整体功能分为几个相对独立的子功能层次，各个功能层次间进行有机的连接，下层为其上一层提供必要的功能服务。这种层次结构的设计称为网络层次结构模型。每一个功能层次中，通信双方共同遵守该层次的约定和规程，这些约定和规程称为同层协议。层次之间逐层过渡，上一层向下一层提出服务要求，下一层完成上一层提出的要求。这种两个相邻层次之间要完成的过渡条件，叫做接口协议。
2.网络协议
协议的语法方面规则定义了所交换信息的格式，而协议的语义方面规则就定义了发送者或接收者所要完成的操作。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要使用本层协议，还需要使用下一层所提供的服务。为进行网络中信息交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。
网络协议由语法、语义和语序三大要素构成。
服务与协议在概念上是很不一样的，协议的实现保证了能够向上一层提供服务，下面的协议对上面的服务用户是透明的。此外他们的区别还有：
图 服务和协议的区别
从通信的角度看，各层提供的服务可分为面向连接的（connection-oriented）与无连接的（connectionless）两大类。
（1）面向连接的服务
面向连接的服务具有三阶段、两必须。
图 面向连接的服务
面向连接的服务比较适合于在一定期间内向同一目的地发送许多报文的情况。
（2）无连接服务
在无连接服务情况下，两实体之间的通信不需要先建立一个连接，因此下层的有关资源不需要事先预定保留。这些资源将在数据传输时动态地进行分配。
无连接服务不需要通信的两个实体同时在线，或称之为活跃的。当发送端的实体发送的时候，接收端不一定是活跃的。接收端接收的时候也无需发送端是活跃的。
无连接的服务具有灵活方便和比较迅速的优点，但也具有报文会丢失、重复或失序等缺点，因而是一种不可靠的服务。
3.网络体系结构
引入分层模型后，将计算机网络系统中的层次、各层中的协议以及层次之间的接口的集合称为计算机网络体系结构（Computer Internet Architecture）。
开放系统互连参考模型国际标准化组织（International Standard Organization，ISO） 在1977 年建立了一个分委员会来专门研究网络体系结构与网络协议的标准化问题，提出了开放系统互连参考模型（Open System Interconnection/Reference Model，OSI/RM），简称OSI。
1.OSI简介
图 OSI参考模型
OSI参考模型试图达到一种理想境界，即全世界的计算机网络都遵循这统一的标准，所有的计算机都能方便地互连和交换数据，然而由于OSI标准制定周期长、协议实现过分复杂及OSI的层次划分不太合理等原因。到了20世纪90年代初期，虽然整套的OSI标准都已制定出来，但当时的Internet已在全世界的范围形成规模，因此网络体系结构得到广泛应用的并不是国际标准的OSI，而是应用在Internet上的非国际标准的TCP/IP体系结构。
2.OSI参考模型层次划分原则
计算机网络系统具有很多功能，ISO将整个通信功能划分为七个层次，划分原则如下：
（1）网络中所有节点都划分为相同的层次结构，每个相同的层次都有相同的功能；
（2）同一节点内各相邻层次间可通过接口协议进行通信；
（3）每一层使用下一层提供的服务，并向它的上层提供服务；
（4）同节点的同等层按照协议实现同等层之间的通信。
3.OSI七层结构参考模型
OSI参考模型采用分层的结构化技术，将整个网络的功能划分为七个层次，从低到高为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，如图所示。
图 OSI参考模型
（1）应用层（Application Layer）：应用层是OSI 参考模型中最靠近用户的一层，负责为用户的应用程序提供网络服务。与OSI 参考模型其他层不同的是，它不为任何其他OSI 层提供服务，而只是为OSI 模型以外的应用程序提供服务，如电子表格程序和文字处理程序，为相互通信的应用程序或进程之间建立连接、同步的应用服务，以及关于纠错和数据完整性控制的协商程序等。
（2）表示层（Presentation Layer）：OSI 模型中，表示层的功能是使在不同系统间传输的不同信息能够相互理解对方数据的含义，以实现不同计算机系统间的信息交换。它负责将数据转换为发送方和接受方都能识别的格式。表示层还负责数据的加密、解密，数据压缩和恢复。
（3）会话层（Session Layer）：会话层负责在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传输。会话层需要解决“碰撞”问题。
（4）传输层（Transport Layer）：传输层是OSI 参考模型中唯一负责端到端节点间数据传输和控制功能的层。传输层是OSI 参考模型中承上启下的层，它下面的3层主要面向网络通信，与数据传输问题相关；它上面的3 个层次则面向用户主机，与应用问题相关。
（5）网络层（Network Layer）：网络中的两台计算机进行通信时，中间可能要经过许多中间节点甚至不同的通信子网。数据在网络层被转换为数据分组，然后在通信子网中选择一条合适的路径，使发送端传输层所传下来的数据能够通过所选择的路径到达目的端。网络层的控制有路径选择、流量、差错、顺序、进/出路由等控制，通过路由算法，为分组选择最佳路径，还要执行阻塞控制与网络互连等功能，是OSI参考模型中最复杂的一层。
（6）数据链路层（Data Link Layer）：数据链路层负责建立相邻节点之间的数据链路，提供节点间可靠的数据传输，数据链路层通过加强物理层传输原始比特流的功能，使之对网络层表现为一条无错线路。为了能够实现相邻节点之间无差错的数据传输，数据链路层在数据传输过程中提供了CRC校验、差错控制和流量控制等机制。
（7）物理层（Physical Layer）：物理层是OSI 参考模型的最低层，它直接面向原始比特流的传输。为了实现原始比特流在通信线路上的物理传输，物理层必须解决好包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声等在内的一系列问题。另外，物理层标准要给出关于物理接口的机械、电气功能和规程特性，以便于不同的制造厂家既能够根据公认的标准各自独立地制造设备，又能使各个厂家的产品能够相互兼容。
4.开放系统互连环境
在研究OSI参考模型时，必须弄清它所描述的范围，这个范围称为OSI环境。
计算机A和计算机B通过一个数据通信网进行通信。那么这两个计算机和数据通信网组成了实系统环境。在最简单的情况下，计算机A中的应用进程PA通过计算机A内的通信子系统、数据通信网和计算机B内的通信子系统，就可以和计算机B中的应用进程PB进行通信。
tcp/ip体系结构尽管OSI 参考模型得到了全世界的认同，但OSI参考模型标准制定周期太长、协议实现过于复杂，互联网历史上和技术上的开发标准都是TCP/IP模型。TCP/IP 模型及其协议簇使得世界上任意两台计算机间的通信成为可能，并且通信速度接近光速。TCP/IP成为事实上的互联网国际标准。
1.TCP/IP
TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议／网际协议，它源于ARPANET网，现在已经成为Internet互联网的通信协议。
2.TCP/IP层次结构
TCP/IP 分为不同的层次开发，每一层负责不同的通信功能。但TCP/IP 协议简化了层次设置，由下而上分别为网络接口层、网络层、传输层、应用层。
图 TCP/IP模型和OSI模型的比较及各层任务
tcp/ip体系的各层结构TCP/IP 事实上是一个协议系列或协议簇，目前包含了100 多个协议，用来将各种计算机和数据通信设备组成实际的TCP/IP 计算机网络。
TCP/IP 模型各层的一些重要协议如下图所示。
图 TCP/IP协议集
1.网络接口层协议
TCP/IP的网络接口层中包括各种物理网协议，例如Ethernet、令牌环、帧中继、ISDN和分组交换网X.25 等。当各种物理网被用作传输IP 数据报的通道时，就可以认为是属于这一层的内容。
2.网络层协议
网际协议（Internet Protocol，简称IP）：是其中的核心协议，IP 协议规定网际层数据分组的格式。IP协议用来在内部网中交换数据，并负责路由选择。
IP协议又称互联网协议，是支持网间互连的数据报协议，它与TCP协议（传输控制协议）一起构成了TCP/IP协议簇的核心。它提供网间连接的完善功能， 包括IP数据报规定互连网络范围内的IP地址格式。
地址解析协议（Address Resolution Protocol，简称ARP）：用来将逻辑地址（网络中的IP地址）解析成物理地址（硬件地址或MAC地址），保证通信的顺利进行。
反向地址解析协议（Reverse Address Resolution Protocol，简称RARP）：通过RARP广播，将物理地址解析成逻辑地址。
3.传输层协议
传输层的主要协议有TCP 和UDP。
（1）传输控制协议（Transport Control Protocol，简称TCP）：是面向连接的协议，用三次握手和滑动窗口机制来保证传输的可靠性和进行流量控制。TCP是一个可靠的协议，因为它有错误检查和握手确认来保证数据完整地到达目的地。
（2）用户数据报协议（User Datagram Protocol，简称UDP）：是面向无连接的不可靠传输层协议。UDP为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把数据报从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。UDP是一个不可靠协议，因为它不能保证数据报的接收顺序与发送顺序相同，甚至不能保证它们是否全部到达。
图 TCP与UDP应用层协议对比
4.应用层协议
应用层包括了众多的应用与应用支撑协议。常见的应用协议有：文件传输协议（FTP）、超文本传输协议（HTTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、远程登录（Telnet）；常见的应用支撑协议包括域名服务（DNS）和简单网络管理协议（SNMP）等。应用层协议的具体内容参见第6章，这里就不介绍了。
osi与tcp/ip模型的对比OSI/RM是理论模型；TCP/IP模型应用广泛，是事实标准。
1.相似点
OSI/RM 模型和TCP/IP 模型有许多相似之处，具体表现在：
（1）两者均采用了层次结构，存在相类似的传输层和网络层；
（2）两者都有应用层，虽然所提供的服务有所不同；
（3）均是一种基于协议数据单元的包交换网络，作为概念上的模型和事实上的标准，具有同等的重要性。
2.不同点
OSI/RM模型和TCP/IP 模型还有许多不同之处：
（1）OSI 模型包括了7 层，而TCP/IP 模型只有4 层。虽然它们具有功能相当的网络层、传输层和应用层，但其他层并不相同。
TCP/IP 模型中没有表示层和会话层，它将与这两层相关的表达、编码和会话控制等功能包含到了应用层中去完成。另外，TCP/IP 模型还将OSI 的数据链路层和物理层包括到了一个网络接口层中。
（2）OSI 参考模型在网络层支持无连接和面向连接的两种服务，而在传输层仅支持面向连接的服务。TCP/IP 模型在网络层则只支持无连接一种服务，但在传输层支持面向连接和无连接两种服务。
（3）TCP/IP 由于有较少的层次，因而更简单，TCP/IP 一开始就考虑到多种异构网的互连问题，并将网际协议（IP）作为TCP/IP 的重要组成部分，并且作为从Internet上发展起来的协议，已经成了网络互连的事实标准。相反，目前还没有实际网络是建立在OSI/RM参考模型基础上的，OSI 仅仅作为理论的参考模型被广泛使用。
表 TCP/IP与OSI模型的不同点
tcp三次握手TCP应用三次握手，来提供可靠的数据传输。
传输控制协议是一种面向连接的、可靠的传输层协议。它在传输数据时是分段进行的，主机交换数据必须建立一个会话。在会话初期，一次正常的TCP传输需要通过在TCP客户端和TCP服务端建立特定的虚电路连接来完成，该过程通常被称为“三次握手”。
TCP用比特流通信，即数据被作为无结构的字节流。通过每个TCP传输的字段指定顺序号，以获得可靠性。