计算机网络基础小记 04 - 计算机网络体系结构

计算机网络的体系结构

计算机网络是一个非常复杂的系统。为方便讨论,引入体系结构,从功能上来描述计算机网络

计算机网络体系结构简称网络体系结构,是一种抽象分层结构,每层完成一种(类)特定服务 / 功能


为什么采用分层结构?

  1. 结构清晰,有利于识别复杂系统的部件及其关系
  2. 模块化的分层易于系统更新、维护
    • 任何一层服务实现的改变对系统其他层都是透明的
  3. 有利于标准化

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  • 实体:任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
  • 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合,协议是水平的
  • 任一层实体需要使用下层服务,遵循本层协议,实现本层功能,向上层提供服务,服务是垂直的
  • 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的
  • 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互,通过服务访问点 SAP,交换原语,指定请求的特定服务

OSI 参考模型

OSI 参考模型在 1984 年提出,目的是支持异构网络系统的互联互通,具有 7 层,每层完成特定的网络功能

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OSI 参考模型解释的通信过程

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中间系统:路由器 / 交换机

传输层之上为端到端通信

在通信过程中,发送方自顶向下逐层数据封装,接收方自底向上逐层数据解封

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为什么需要数据封装?

  • 增加控制信息,构造协议数据单元(PDU)
  • 控制信息主要包括:
    • 地址:标识发送端 / 接收端
    • 差错检测编码:用于差错检测或纠正
    • 协议控制:实现协议功能的附加信息,如:优先级、服务质量、安全控制等

物理层功能

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接口特性:

  • 机械特性:接口是什么形状?
  • 电气特性:接口电压多少?
  • 功能特性:接口有什么样的引脚?引脚有什么功能(接地)?电信号还是其他?
  • 规程特性:接口工作过程是什么样的?

比特编码:用什么表示 bit ?

数据率:介质的数据传输速率,如百兆网、千兆网、万兆网

比特同步:发送方和接收方怎么保证比特正确、顺序的收发,时钟同步

传输模式:

  • 单工:单向传输,如家用电器的电信号
  • 半双工:可以双向传输,但是只能交替进行,不能同时
  • 全双工:双向传输,不做限制

数据链路层

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  1. 负责结点-结点数据传输

  2. 组帧

  3. 物理寻址:在帧头中增加发送端和接收端的物理地址表示数据帧的发送端和接收端

    如果没有物理地址,数据发出没有办法保证被正确接收

  4. 流量控制:避免淹没接收端

  5. 差错控制:检测并重传损坏或丢失帧

  6. 访问(接入)控制 :在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路(物理介质)控制使用权

网络层

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  1. 负责源主机到目的主机数据分组(packet)交付:可能穿越多个网络
  2. 逻辑寻址:逻辑地址是全局唯一的,确保数据分组被送达目的主机,如 IP 地址
  3. 路由:路由器(或网关)互连网络,并路由分组至最终目的主机(路径选择
  4. 分组转发

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传输层

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  1. 负责源-目的(端-端)(进程间)完整报文传输
  2. 分段与重组
  3. SAP 寻址:确保将完整报文提交给正确进程,如端口号
  4. 连接控制
  5. 流量控制
  6. 差错控制

会话层

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  1. 对话控制:建立、维护
  2. 同步:在数据流中插入“同步点”
  3. 最 “薄” 的一层

表示层

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处理两个系统间交换信息的语法与语义问题

  1. 数据表示转化:转换为主机独立的编码
  2. 加密 / 解密
  3. 压缩/解压缩

应用层

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支持用户通过用户代理(如浏览器)或网络接口使用网络(服务)

典型应用层服务:文件传输(FTP)、电子邮件(SMTP)、Web(HTTP)……

TCP/IP 模型

分为 5 层:

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  1. 应用层:报文(message);支持各种网络应用:FTP、SMTP、HTTP……
  2. 传输层:段(segment);进程 - 进程的数据传输:TCP、UDP
  3. 网络层:数据报(datagram);源主机到目的主机的数据分组路由与转发:IP 协议、路由协议……
  4. 链路层:帧(frame);相邻网络元素(主机、交换机、路由器等)的数据传输:以太网、802.11、PPP……
  5. 物理层:比特传输