计算机网络体系结构（二）

2.计算机网络体系结构与参考模型

2.1计算机网络分层结构

计算机网络的分层结构是指将网络通信过程中的功能和服务分为多个层次，每一层都承担特定的任务，并与上下层进行交互。这种分层的设计使得网络协议更加清晰、模块化，也便于网络的维护和管理。常见的网络分层模型有两种：OSI七层模型和TCP/IP四层模型。

1. OSI七层模型

OSI（开放系统互联）模型将网络协议分为七个层次，从上到下分别为：

1. 应用层（Layer 7）

   • 提供用户接口和网络应用服务，如文件传输和电子邮件。
   • 例子：HTTP、FTP、SMTP。

2. 表示层（Layer 6）

   • 处理数据格式化、加密和解密等任务。
   • 例子：ASCII、JPEG、SSL。

3. 会话层（Layer 5）

   • 管理会话和连接，控制两个设备间的对话。
   • 例子：RPC、NetBIOS。

4. 传输层（Layer 4）

   • 提供端到端的传输服务，确保数据的完整性和顺序。
   • 例子：TCP、UDP。

5. 网络层（Layer 3）

   • 处理数据包的路由和转发，负责网络地址。
   • 例子：IP（互联网协议）、ICMP。

6. 数据链路层（Layer 2）

   • 负责物理地址的封装与拆解，提供节点到节点的通信。
   • 例子：Ethernet、PPP。

7. 物理层（Layer 1）

   • 处理物理传输介质、比特流的传输。
   • 例子：光纤、电缆、信号调制。

2. TCP/IP四层模型

相较于OSI模型，TCP/IP模型更简化，通常被用于互联网的实际实现。它将网络分为四个层次：

1. 应用层

   • 包含OSI模型中的应用层、表示层和会话层。
   • 例子：HTTP、FTP、DNS。

2. 传输层

   • 提供通信端口的服务，确保数据的完整传输。
   • 例子：TCP、UDP。

3. 互联网层

   • 对应于OSI的网络层，处理数据包的路由和寻址。
   • 例子：IP协议。

4. 网络接口层

   • 对应于OSI的物理层和数据链路层，负责上层数据的封装与物理传输。
   • 例子：Ethernet、Wi-Fi。

总结

通过分层结构，计算机网络能够实现更高效的通信和模块化的设计。每一层都可以独立发展和更新，而不会影响其他层。这种灵活性是现代网络能够快速发展的关键所在。

2.2计算机网络协议，接口，服务的概率

在计算机网络中，协议、接口和服务是互动和通信的核心概念。了解这些概念对于理解网络的设计和运作至关重要。以下是对这三个概念的详细介绍。

1. 网络协议

网络协议是计算机网络中定义通信规则的标准化规范。它描述了不同设备之间如何传输数据，以及在此过程中应遵循的规则和约定。协议的类型众多，通常可以按照以下几个方面进行分类：

根据层次分类

• 应用层协议：如HTTP、FTP、SMTP，负责数据在网络上被应用程序使用和交互。
• 传输层协议：如TCP、UDP，保障端到端的数据传输，确保数据包按顺序到达。
• 网络层协议：如IP，负责数据包的路由和转发，并处理网络地址。
• 数据链路层协议：如Ethernet，负责在物理网络中封装数据帧并进行传输。
• 物理层协议：涉及信号的传输，如光纤电缆的特性。

按照功能分类

• 连接导向协议：如TCP，确保对等方建立连接、管理会话并保障数据顺序。
• 无连接协议：如UDP，不建立连接，数据包的发送没有顺序或完整性保障。

常见协议示例

• HTTP/HTTPS：用于Web浏览，支持网页访问和数据传输。
• FTP：文件传输协议，允许文件在客户端和服务器之间传输。
• SMTP/POP3/IMAP：用于电子邮件的发送和接收。
• DNS：域名解析服务，将域名转换为IP地址。

2. 网络接口

网络接口是计算机与网络之间的交互点，提供了数据传输与接收的能力。接口可以是硬件接口（如网络适配器、网卡等）或软件接口（如API）。

硬件接口

• 网卡：计算机中的网络适配器，用于进行网络连接，支持有线或无线通信。
• 交叉电缆、光纤：物理介质，通过这些介质数据得以传输。

软件接口

• API（应用程序编程接口）：允许不同应用程序或服务之间通讯与交互。例如，Web服务的RESTful API允许不同平台的数据交换。
• 接口协议：如Socket接口等，使得应用程序能够进一步与底层协议进行交互。

3. 网络服务

网络服务是通过网络协议提供的特定操作或功能，通常是用户或应用程序可以访问的。网络服务基于底层的网络协议和接口，提供一系列的功能。

常见类型的网络服务

1. 文件服务：

   • 允许用户存储、访问和管理文件。
   • 示例：文件传输服务（如FTP）。

2. 电子邮件服务：

   • 提供发送、接收和存储电子邮件的功能。
   • 示例：SMTP、IMAP、POP3。

3. 网页服务：

   • 提供通过浏览器访问的Web内容。
   • 示例：HTTP、HTTPS。

4. 域名解析服务：

   • 提供域名与IP地址之间的转换。
   • 示例：DNS。

5. 终端服务：

   • 允许用户远程访问和控制计算机。
   • 示例：远程桌面服务（RDP）。

总结

在计算机网络中，协议、接口和服务是紧密相连的。协议定义了数据之间的通信规则，接口允许硬件和软件之间进行交互，而服务则提供了用户可以使用的具体功能。这种分层的概念帮助我们理解了网络中各个部分是如何共同工作的，并使网络的管理和开发更加高效。

2.3ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型是计算机网络中两个重要的分层架构。它们为网络协议的设计与实现提供了框架，帮助理解网络通信的各个层次及其功能。以下是对这两个模型的详细介绍，包括每层的功能、相关协议及其主要区别。

ISO/OSI参考模型

ISO/OSI（国际标准化组织/开放系统互联）参考模型将网络通信分为七个层次，形成了一个理论框架。每一层都有特定的功能，下面是各层的详细说明：

1. 物理层 (Layer 1)

• 功能：负责原始比特流的传输。它处理与计算机硬件（如电缆和连接器）相关的物理和电气特性。
• 涉及技术：电流、光信号、线缆种类（以太网、光纤等）。
• 常见协议：IEEE 802.3（以太网）、IEEE 802.11（Wi-Fi）。

2. 数据链路层 (Layer 2)

• 功能：提供点到点的数据传输，负责帧的封装与拆解，错误检测和纠正，流量控制。该层根据MAC地址识别网络设备。
• 子层：
  • 逻辑链路控制（LLC）：提供逻辑链路控制功能，包括流量控制和帧的管理。
  • 媒介访问控制（MAC）：负责硬件地址编址和帧的封装，管理对共享媒体的访问。
• 常见协议：Ethernet、PPP、HDLC。

3. 网络层 (Layer 3)

• 功能：负责数据包的路由和转发，以及逻辑地址（如IP地址）的管理。它确保数据从源地址传输到目的地址，即使两个设备不在同一网络中。
• 常见协议：IP（互联网协议）、ICMP（互联网控制消息协议）、IPsec。

4. 传输层 (Layer 4)

• 功能：提供结束到端的通信，确保数据包的完整性和顺序。该层通过端口号识别不同的应用程序。
• 保证服务类型：
  • 可靠性（TCP）：保证数据传输的可靠性，提供重传机制和流量控制。
  • 不可靠性（UDP）：提供简单的传输服务，不保证数据的完整性。
• 常见协议：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）。

5. 会话层 (Layer 5)

• 功能：提供会话管理，控制设备之间的对话。它负责会话的建立、管理和终止，确保会话状态的持续性。
• 功能示例：为每个会话分配标识符，保证数据传输的顺序和完整性。
• 常见协议：RPC（远程过程调用）、NetBIOS。

6. 表示层 (Layer 6)

• 功能：负责数据格式化、转换和加密解密，确保数据在应用间的正确传输。
• 数据处理：处理字符集、数据压缩与加密等。
• 常见协议：ASCII、JPEG、SSL/TLS。

7. 应用层 (Layer 7)

• 功能：为用户和应用程序提供网络服务，是用户可直接交互的层。它负责处理多种网关应用和消息协议之间的交互。
• 常见协议：HTTP、FTP、SMTP、DNS、Telnet。

---

TCP/IP模型

TCP/IP模型是一种更为实际和广泛使用的分层架构，主要用于互联网。它将网络协议简化为四个层次：

1. 应用层

• 功能：负责提供应用程序的网络服务，包括用户交互和应用数据处理。它包括所有应用层协议。
• 常见协议：HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS。

2. 传输层

• 功能：提供进程之间的通信。管理端到端的数据传输，确保数据传输的完整性和顺序。
• 常见协议：
  • TCP：提供可靠的连接导向服务（如重发、流量控制）。
  • UDP：提供无连接、不可靠的服务。

3. 网络层

• 功能：负责数据包的路由和转发。处理逻辑地址及选择最佳路径以实现数据传递。
• 常见协议：IP（IPv4和IPv6）、ICMP。

4. 网络接口层

• 功能：涉及物理设备与网络的连通性，包括数据链路层和物理层的功能。
• 角色：负责数据帧的生成和传送，确保数据通过指定的介质传输。
• 常见协议：Ethernet、Wi-Fi。

---

OSI模型与TCP/IP模型的主要区别

表格

特点	OSI模型	TCP/IP模型
层数	七层	四层
抽象性	较为理论化	更加实用和广泛使用
会话层与表示层	具有独立的会话层和表示层	这两个层的功能被纳入应用层
协议的独立性	不同层可以独立开发不同的协议	各层的协议紧密耦合，旨在互相配合
发展背景	由ISO提出，适合于多种网络技术	由美国国防部为互联网开发
适用范围	理论模型，对教学有良好支持	主要在TCP/IP网络中使用

---

总结

OSI和TCP/IP模型为网络通信提供了重要的框架。OSI模型更加理论，分层清晰，而TCP/IP模型则是应用广泛的实践标准，更直接适应了互联网的发展需求。理解这两个模型可以帮助网络工程师、开发者和系统管理员更好地设计、实现和管理网络。

2.4总结

计算机网络体系结构是指计算机网络系统的设计和实现的整体架构，包括网络的逻辑结构和物理结构。它定义了网络中各个组件如何协同工作、互相连接及互动。下面我将非常详细的总结计算机网络体系结构的关键组成部分、层次模型及其功能。

计算机网络体系结构的组成部分

1. 网络硬件：

   • 包括网络设备如路由器、交换机、集线器、防火墙、网络适配器等，这些设备负责数据的传输、路由和安全管理。

2. 网络协议：

   • 网络协议是定义数据如何在网络中传输的规则和标准，包括数据格式、传输方式、错误检测和纠正机制等。常见的协议包括TCP、IP、HTTP、FTP等。

3. 网络拓扑结构：

   • 描述网络中设备的物理或逻辑布局，如星形、环形、总线和网状拓扑等。不同的拓扑结构影响网络的性能和可靠性。

4. 传输介质：

   • 包括有线介质（如光纤、电缆）和无线介质（如Wi-Fi、蓝牙），用于网络中数据的实际传输。

5. 网络服务与应用：

   • 网络服务是用户通过网络使用的功能，如电子邮件服务、文件传输服务、Web服务等。应用是实现这些服务的软件。

计算机网络分层模型

为了更好地理解计算机网络体系结构，一般使用分层模型。最常用的模型有 OSI（开放系统互联）模型 和 TCP/IP模型。

1. OSI参考模型

OSI模型定义了七个逻辑层次，从低到高如下：

• 物理层 (Layer 1)：
  • 负责物理信号的传输。包括电缆、插头、信号的电气特性等。
• 数据链路层 (Layer 2)：
  • 提供链路层封装、数据帧的传输、访问控制、错误检测与纠正。
• 网络层 (Layer 3)：
  • 负责数据包的路由和转发，处理逻辑地址（IP地址）。
• 传输层 (Layer 4)：
  • 提供端到端的传输服务，确保数据可靠传输，管理流量控制。
• 会话层 (Layer 5)：
  • 建立、管理和终止会话，控制不同设备之间的对话。
• 表示层 (Layer 6)：
  • 负责数据格式的转换、加密与解密，确保数据在不同应用间的兼容性。
• 应用层 (Layer 7)：
  • 为用户应用提供网络服务，包括多种网络应用协议。

2. TCP/IP模型

TCP/IP模型是另一种重要的计算机网络体系结构，通常用于互联网。它分为四层：

• 应用层：
  • 包括所有用户层协议，如HTTP、FTP、SMTP等，支持用户与网络服务的交互。
• 传输层：
  • 提供通信管理，包括数据的可靠性与传输速率，协议包括TCP和UDP。
• 网络层：
  • 处理数据包的路由与转发，主要协议是IP。
• 网络接口层：
  • 包含物理层和数据链路层的功能，处理网络硬件之间的通信。

网络体系结构的作用

• 模块化与标准化：网络分层架构使得不同层的协议和功能可以独立开发和修改，提高了系统的灵活性和可扩展性。
• 简化故障处理：分层结构使得在特定层次出现故障时可以更快地进行故障定位和处理。
• 互操作性：不同厂商和技术可以在同一层次上进行互操作，促进了网络的兼容性与集成。
• 便于学习与理解：将复杂的网络系统拆分为多个层级，使得学习和理解网络协议变得更加简单。

计算机网络体系结构的挑战

尽管计算机网络体系结构带来了许多好处，但也面临一些挑战：

• 安全性：随着网络规模的扩大，安全性问题日益严重，确保网络数据安全和用户隐私是一个重要挑战。
• 性能优化：网络中的延迟、带宽、拥塞控制等因素都需要进行优化，以提升用户体验。
• 协议的复杂性：随着网络技术的不断发展，新的协议和服务层出不穷，管理和兼容不同协议的复杂性也在增加。