1.2 计算机网络体系结构与参考模型

分层的思想，实体、协议、服务与接口，PDU、SDU 与 PCI，OSI 七层参考模型、TCP/IP 模型与五层教学模型，数据的封装与解封装。

为什么要分层

两台计算机通信是一件非常复杂的事：要保证线路畅通、能识别对方、能正确理解数据格式、能处理差错和拥塞……把庞大而复杂的问题划分为若干较小的、易于处理的局部问题，就是分层的思想：

• 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能；
• 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少；
• 结构上可分割开，每层都采用最合适的技术来实现；
• 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务；
• 整个分层结构应能促进标准化工作。

计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。体系结构是抽象的，它只描述”做什么”，而实现是具体的（遵循体系结构的具体硬件和软件）。

协议、接口与服务

• 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。同一层的实体称为对等实体；
• 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定。协议由三要素组成：
  • 语法：数据与控制信息的格式（如 TCP 首部各字段的长度与顺序）；
  • 语义：需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答；
  • 同步（时序）：执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。
• 接口：同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。在典型的接口上，同一结点相邻两层的实体通过服务访问点 SAP 进行交互（例如传输层的 SAP 是端口号，网络层的 SAP 是 IP 地址）；
• 服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用。上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语（请求 Request、指示 Indication、响应 Response、证实 Confirmation）。

数据单元：对等层之间传送的数据单位称为协议数据单元 PDU；层与层之间交换的数据单位称为服务数据单元 SDU；控制协议操作的信息称为协议控制信息 PCI（即首部）。关系为 $\text{n-PDU} = \text{n-PCI} + \text{n-SDU}$，而 $\text{n-SDU} = \text{(n+1)-PDU}$。

服务的分类：面向连接服务（连接建立、数据传输、连接释放三个阶段，如 TCP）与无连接服务（不需要先建立连接，如 IP、UDP）；可靠服务与不可靠服务；有应答服务与无应答服务。

参考模型

OSI 参考模型各层的功能

TCP/IP 模型

TCP/IP 模型从低到高依次为网络接口层、网际层、传输层和应用层。与 OSI 相比：

• 两者都采取分层的体系结构，且分层的功能大体相似；都是基于独立的协议栈的概念；都可以解决异构网络的互联；
• OSI 精确定义了服务、协议和接口三个概念，TCP/IP 一开始没有明确区分；
• OSI 先有模型后有协议，通用性好；TCP/IP 先有协议栈后建立模型，TCP/IP 已成为事实上的国际标准；
• TCP/IP 在设计之初就考虑到了多种异构网的互联问题，并将 IP 作为一个单独的重要层次；
• OSI 在网络层支持无连接和面向连接的通信，在传输层仅有面向连接的通信；而 TCP/IP 在网际层仅有无连接（IP）的通信，在传输层支持无连接（UDP）和面向连接（TCP）两种方式。

TCP/IP 协议栈呈”沙漏”形：上下两头大而中间小，各种应用层协议和各种网络接口都可以通过 IP 互联（Everything over IP，IP over everything）。

封装与解封装

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