大学计算机基础：计算机网络的体系结构

1.网络协议

在两台计算机之间进行数据通信，必须使它们采用相同的信息交换规则。我们把在计算机网络中用于规定信息的格式以及如何发送和接收信息的一套规则（或称为“约定”）称为网络协议（Network Protocol）或通信协议（Communication Protocol）。网络通信协议包括以下三个要素。

①语法：即数据或控制信息的结构或格式。

②语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

③同步：即事件实现顺序的详细说明。

协议是网络通信的约定语言。简单地说，在网络上传送的信息是以“数据包”的形式传送的。“数据包”由包头和数据组成，包头包括传送的源地址、目的地址以及各种约定。书写包头的内容必须遵守约定的语言，即网络协议。

在计算机网络中进行的数据传送是一件非常复杂的过程，建立规则、制定协议并由协议对数据传送的过程进行管理和控制，是计算机在实现物理连接之后，必须要解决的问题。

数据传送过程中所涉及的管理和控制问题是非常复杂和繁重的。其中包括：寻址问题，即如何确定通信双方的位置和标识；差错控制，即如何确定纠错方法和数据重发的规则；流量控制，即如何防止和解决拥塞和冲突等问题；路由选择，即如何在多条通信线路中确定最佳的数据传送路线；编码与转换，不同的计算机系统可能采用不同的编码，如何确定编码的方式以及不同编码方式下的信息转换方式；信息表达，即如何确定统一的数据表达方式和数据信息压缩整理的规则；同步控制，即如何建立发送和接收双方的同步规则；数据安全，即如何防止和解决数据丢失、非法查询、泄密等问题；传送控制，即如何进行带宽分配、流量分配，如何确定排队和优先等问题的处理规则等。所有这些问题如只依靠一个协议实现管理，依靠一个程序来进行控制，将是一个非常困难的问题。

为了减少网络协议设计的复杂性，网络设计者并不是设计一个单一的、庞大的协议来为所有形式的通信规定完整的细节，而是采用把通信问题划分为许多个小问题，然后为每个小问题设计一个单独的协议的方法。这样做使得每个协议的设计、分析、编码和测试都比较容易。这就是网络分层的意义。

2.协议分层

为了减少网络设计的复杂性，绝大多数网络采用分层设计的方法。所谓分层设计方法，就是按照信息的流动过程，将网络的整体功能逻辑地分解为一个个的功能层，然后针对不同的功能层以及发生在该层上的通信活动，制定该层的“协议”。不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议；同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。

为了便于理解接口和协议的概念，下面以邮政通信系统为例进行说明。人们平常写信时，都有个约定，这就是信件的格式和内容。首先，我们写信时必须采用双方都懂的语言文字和文体，开头是对方称谓，最后是落款等。这样，对方收到信后，才可以看懂信中的内容，知道是谁写的，什么时候写的等。当然还可以有其他的一些特殊约定，如书信的编号、间谍的密写等。信写好之后，必须将信封装并交由邮局寄发，这样寄信人和邮局之间也要有约定，这就是规定信封写法并贴邮票。在中国寄信必须先写收信人地址、姓名，然后才写寄信人的地址和姓名。邮局收到信后，首先进行信件的分拣和分类，然后交付有关运输部门进行运输，如航空信交民航，平信交铁路或公路运输部门等。这时，邮局和运输部门也有约定，如到站地点、时间、包裹形式等。信件运送到目的地后进行相反的过程，最终将信件送到收信人手中，收信人依照约定的格式才能读懂信件（如图4-7所示）。

图4-7　邮政通信系统

在以上所述邮政服务的整个过程中，主要涉及了3个子系统，即用户子系统、邮政子系统和运输子系统。从上例可以看出，各种约定都是为了达到将信件从一个源点送到某一个目的点这个目标而设计的。这就是说，它们是因信息的流动而产生的。可以将这些约定分为同等机构间的约定，如用户之间的约定、邮政局之间的约定和运输部之间的约定；以及不同机构间的约定，如用户与邮政局之间的约定、邮政局与运输部门之间的约定。虽然两个用户、两个邮政两个运输部门分处甲、乙两地，但它们都分别对应同等机构，同属一个子系统；而同处一地的不同机构则不在一个子系统内，而且它们之间的关系是服务与被服务的关系。显然，这两种约定是不同的，前者为部门内部的约定，而后者是不同部门之间的约定。

在计算机网络环境中，两台计算机中两个进程之间进行通信的过程与邮政通信的过程十分相似。用户进程对应于用户，计算机中进行通信的进程（也可以是专门的通信处理机）对应于邮局，通信设施对应于运输部门。网络中同等层之间的通信规则就是该层使用的协议，如有关第N层的通信规则的集合，就是第N层的协议；而同一计算机的不同功能层之间的通信规则称为接口，在第N层和第（N+1）层之间的接口称为“（N/N+1）层接口”。

所以，协议是不同系统同等层之间的通信约定；而接口是同一系统相邻层之间的通信约定。不同的网络，分层数量、各层的名称和功能以及协议都可以是各不相同的。在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，并在实际的通信过程中下层向上层屏蔽自己功能和管理的实现细节，（如图4-8所示）。

图4-8　TCP/IP协议族中不同层次的协议

在计算机网络系统中，“服务”是指网络中各层向其相邻上层提供的一组操作，是相邻两层之间的界面。由于网络分层结构中的单向依赖关系，使得网络中相邻层之间的界面也是单向性的：下层是服务提供者，上层是服务的受用者；层次结构中间各层都为上一层提供服务，同时又接受下层提供的服务。

协议的分层设计方法需要首先将整个网络通信功能划分为垂直的层次集合。层次的划分时应根据网络的通信功能和复杂程序，确定分层的数量。其基本的划分原则是：使每层小到易于处理；同时层次也不能太多，以避免产生过度复杂的操作处理。

3.计算机网络体系结构

一个完整的计算机网络需要分不同层次制定一整套复杂的协议集合。计算机网络体系结构是网络层次结构模型及其各层协议的集合。也就是说，计算机网络体系结构就是该计算机网络及其部件所应该完成的功能的精确定义。体系结构是计算机网络功能的抽象描述，并不考虑其功能的具体实现问题；“实现”则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

不同的网络，不同的组建标准，不同的分层方法，其体系结构自然就不同。在网络发展的初期，许多研究机构、计算机厂商和公司都在根据自己的标准，致力于计算机网络的发展。从ARPANET出现至今，已经推出了许多商品化的网络系统。在体系结构上差异很大，以至于它们之间互不相容，难于相互连接以构成更大的网络系统。为此，许多标准化机构积极开展了网络体系结构标准化方面的工作。其中最为著名的是1977年由国际标准化组织ISO提出的“开放系统互连参考模型OSI/RM”（Open Systems Interconnection Reference Model）。OSI参考模到是研究如何把开放式系统（即为了与其他系统通信而相互开放的系统）连接起来的理论标准。

4.OSI模型

OSI参考模型将计算机网络分为7层（如图4-9所示）。每层都有各自负责的功能，而且各个层次息息相关，环环相扣，互相提供服务。综合各层的功能意义，就是计算机网络所能完成的功能的精确定义。这里所综合的功能可以分为两类，一类是依赖网络的功能，一类是面向应用的功能。其中，1～3层是依赖网络的，涉及将两台通信计算机连接在一起的数据通信网络；5～7层是面向应用的，涉及两个终端用户的应用清求和服务的交互；中间的传输层为面向应用的上3层屏蔽了与网络有关的下3层的详细操作，并基于下3层所提供的服务，为上3层提供信息传输服务。各层的基本功能简介如下。

图4-9　OSI参考模型

（1）物理层

物理层（Physical Layer）负责网络的物理连接，提供无结构二进制位数据流（称为“比特流”）的可靠传输。物理层的主要功能是规定计算机或其他通信设备之间的接口标准，利用物理的传输通信介质，为上一层提供一个物理连接，通过该物理连接实现比特流的传输。

（2）数据链路层

数据链路层（Data Link Layer）负责建立数据传输的通信链路，实现无差错的传输服务。物理层仅提供了通信能力，但实际传输过程中不可避免地会出现畸变或受到干扰，造成传输错误。数据链路层的主要功能是建立和拆除数据链路，将数据信息按约定的格式组装成“帧”以便无差错的实现传输。此外，数据链路层还具有处理应答、差错控制、顺序和流量控制等功能。数据链路层传送的本单位是“帧”。

（3）网络层

网络层（Network Layer）负责解决网络之间的通信问题。网络层的主要功能是提供路由，即根据数据传输的目的地址（IP地址），确定最佳的传输路径，称为“路由选择”。此外，网络层还要能够消除网络拥挤，具有流量控制和拥塞控制的能力。网络层传送的基本单位是“分组”（也称“包”）。

（4）传输层

传输层（Transport Layer）负责解决数据在网络之间的传输质量问题，用于提高网络服务质量，提供数据传输的全面服务。传输层的主要功能是提供点对点之间的可靠服务，保证数据传输的质量，将数据安全无误地送到目的地。它可以根据不同的服务请求和服务类型，按照事先约定的管理策略，提供不同级别的传输服务，对等待的数据进行管理（排队、优先级、时序等），对传输的过程进行检测，如发生丢失、错误、重复等问题时，能够立即侦测到，并及时更正处理。传输层传送的基本单位是“报文”。(www.xing528.com)

（5）会话层

会话层（Session Layer）负责建立、管理和拆除“会话”。所谓“会话”是指两个通信节点在正式进行数据传送之前的“会晤”，也是用户或进程之间的一次“联系”。会晤的目的是对即将到来的数据通信进行约定，约定的基本内容包括：建立数据所使用的协议，通信方式（全双工或半双工），如何纠错，如何结束等。会话层不参与具体的数据传输，但它将对数据传送进行管理。

（6）表示层

表示层（Presentation Layer）负责管理数据的编码方式，对数据进行整理，如加密与解密、压缩与恢复等。表示层的主要功能是统一和屏蔽数据在表示形式上的差异，完成不同格式的数据文件的转换。

（7）应用层

应用层（Application Layer）是OSI/RM的最高层，负责网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，为用户提供各类应用服务。用户运行相应的应用程序，并根据不同的应用协议，创建自己的服务清求。例如，收发电子邮件、文件传输等。

以上简单地叙述了OSI/RM的体系结构，初次接触可能未必完全理解，但只要知道两个计算机或两个网络要相互通信，必须要制定统一的标准和约束就可以了，如同两个人会话要讲同一种语言一样。

在物理层实际传输是一个“数据包”；该数据包由实际传输的数据并加载各层协议组成。在（图4-10）的OSI参考模型中，当一台主机需要传送用户的数据时，数据首先通过应用层的接口进入应用层。在应用层，用户的数据被加上应用层的报头AH（Application Header），形成应用层协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）。然后被递交到表示层。

图4-10　协议封装

表示层并不“关心”应用层的数据格式，而是把整个应用层递交的数据包看成是一个整体进行封装，并随即加载表示层的报头PH（Presentation Header）。然后递交到会话层。

同样，会话层、传输层、网络层、数据链路层也都要分别给上层递交下来的数据加上自己的报头。它们是：会话层报头SH（Session Header）、传输层报头TH（Transport Header）、网络层报头NH（Network Header）和数据链路层报头DH（Data link Header）。其中，数据链路层还要给网络层递交的数据加上数据链路层报尾DT（Data link Termination）形成最终的一帧数据。

当一帧数据通过物理层传送到目标主机的物理层时，该主机的物理层把它递交到它的上层，即数据链路层。数据链路层负责去掉数据帧的帧头部DH和尾部DT，同时还进行数据校验。如果数据没有出错，则递交到它的上层，即网络层。

同样，网络层、传输层、会话层、表示层、应用层也要做类似的工作。最终，原始数据被递交到目标主机的具体应用程序中。

值得注意的是，OSI模型本身不是网络体系结构的全部内容，这是因为它并未确切地描述用于各层的协议和实现方法，而仅仅告诉我们每一层应该完成的功能，这是OSI模型的最大贡献。正因为没有具体的协议集与之配套，才使得它更具有通用性。在OSI参考模型中，有3个基本概念，即服务、接口和协议。提出并将这3个概念区分清楚，也是OSI模型的最重要的贡献之一。另一方面，OSI模型过于复杂，这也是该模型只是停留在理论层面而从未商业化应用的原因所在。虽然OSI模型和协议并未获得完整意义上的成功，但是OSI参考模型在计算机网络的发展过程中仍然起到了非常重要的指导作用，作为一种参考模型和完整体系，它仍对今后计算机网络技术面向标准化、规范化方向的发展具有指导意义。

5.TCP/IP体系结构

TCP/IP协议模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），如图4-11所示，包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议，通过20多年的发展已日渐成熟，并被广泛应用于局域网和广域网中，目前已成为事实上的国际标准。其中，接口层负责提供并物理实现IP数据包的发送和接收。网络层提供计算机之间的数据分组传送，以及处理寻址、路由、流量控制、拥塞等问题。传输层提供应用程序间的通信，包括格式化信息流、提供可靠传输等。应用层提供常用的应用程序，例如，HTTP服务、SMTP服务、POP3服务、FTP服务等。

图4-11　TCP/IP模型与OSI模型的对比

6.网络标准

在网络标准化的研究制定方面，有许多标准化机构在积极工作，其中有代表性和权威性的机构包括以下几个。

（1）国际标准化组织ISO、国际电信联盟ITU、电子工业协会EIA、电气和电子工程师协会和因特网活动委员会等。这些组织或机构从不同的角度，制定和推行了计算机网络建设、管理和发展的标准。

（2）电信标准：由国际电信联盟ITU研究、制定和推行的关于电信通信网络的标准。目前ITU已经制定完成了2000多项国际标准。

（3）国际标准：由国际标准化组织ISO研究、制定和推行的标准。这些标准不仅仅涉及网络通信领域。目前ISO已经发布了9000多个国际标准。OSI参考模型即为其中之一。

（4）Internet标准：该标准的特点是自发而非政府干预，管理相对松散。Internet的最高管理机构是一个民间性质的组织，称为“因特网协会”；该组织下设一个“因特网工作委员会”负责Internet标准的协商、制定和宣传推广；各国家和地区的“网络信息中心”是“因特网工作委员会”的外派机构，负责本国或本地区的相关工作，管理IP地址，保证注册地址的唯一性，推广因特网服务。

7.网络协议

（1）广域网协议

广域网是指覆盖范围大，传输速率低，以数据通信为主的数据通信网络。广域网的应用和技术都具有鲜明的特点。目前，主要用于广域网传输的协议包括：PPP（点对点协议）、DDN（数字数据网）协议、ISDN（综合业务数字网）协议、FR（帧中继）协议、ATM（异步传输模式）协议等。

（2）局域网协议

局域网协议主要以IEEE（国际电子电气工程师协会）定义的标准为主。

IEEE于1980年2月成立局域网标准委员会（简称IEEE 802委员会），专门从事局域网标准化的研究和制定工作。IEEE 802制定的局域网标准只包含了相当于OSI模型中的低两层，即物理层和数据链路层的通信协议，称为IEEE 802协议集。

IEEE 802规范定义了网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。遵循IEEE 802标准的产品包括网卡、桥接器、路由器以及其他一些组件，专用于建立局域网络。

（3）Internet协议

TCP/IP协议集是因特网的核心，是在Internet中实际应用的协议。TCP/IP模型及其协议集构成了Internet的体系结构。