计算机网络笔记(三)——体系结构

计算机网络体系结构

OSI/RM体系结构

OSI/RM(Open System Interconnecction Reference Model)开放系统互连参考模型,是第一个标准化的计算机网络体系结构。

它争对广域网通信进行设计的,将整个网络通信的功能划分为七个层次,任何广域网其实都是由多个远程局域网连接而成的,所以在OSI/RM中不仅包括了广域网中不同局域网间通信的功能层次(最上面五层),也给出了局域网内部通信所必需的两个层次(最下面两层)

OSI/RM低四层(从物理层到传输入层)定义了如何进行端到端的数据传输,也就是定义了如何通过网卡、物理电缆、交换机和路由器进行数据传输;而高三层(从会话层到应用层)定义了终端系统的应用程序和用户如何彼此通信。更多的分七层结构分成低三层和高四层,低三层负责创建网络通信所需的网络连接(面向网络),属于「通信子网」部分,高四层负责端到端的用户数据通信(页面用户),属于「资源子网」部分;

资源子网

  • 应用层(Application Layer):提供各种网络应用接口
  • 表示层(Presentation Layer):数据表示、压缩与加密
  • 会话层(Session Layer):主机间的会话管理
  • 传输层(Transport Layer):端到端的可靠传输

通信子网

  • 网络层(Network Layer):寻址和路由选择
  • 数据链路层(Data Link Layer):相邻节点间的可靠传输
  • 物理层(Physical Layer):二进制比特流传输

TCP/IP协议体系结构

TCP/IP协议体系结构是专门针对使用TCP/IP协议簇的广域计算机网络而开发的,可以说是OSI/RM的改进版。

TCP/IP结构层次模型

  • 应用层
    • 合并了OSI/RM中最高的三层。因为OSI/RM中会话层和表示层的功能都非常单一,完全可以合并到应用层之中。
  • 传输层
  • 网际互连层
  • 网络访问层
    • 合并了原来OSI/RM中的「物理层」和「数据链路层」,提供局域网中的功能。但网络访问层本身并不是实际的一层,把这两层合并并不是很合理,所以现在通常认为五层网络体结构才是最为科学、合理的。因为这样就综合了两种体系结构的优点,同时也克服了各自的不足。-
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与OSI/RM体系结构对比

  • 1.OSI/RM是开放型的标准,所以适用于所有类型网络设计参考;
    2.TCP/IP协议体系结构是专门针对TCP/IP网络的,各种通信协议和功能实现原理更加具体
    3.TCP/IP协议体系结构更加精简,更有利于网络系统的设计

局域网体系结构IEEE 802.1

概述:目前计算机局域网标准主要是由IEEE发布的,所以局域网体系结构也是由IEEE发布的。它针对有线以太网和WLAN无线局域网分别发布了体系结构,但IEEE也参考 了OSI/RM体系结构来设计局域网体系结构。只是各层的功能实现方法与所适用的通信协议不同。

有线以太网体系结构

  • 在IEEE 802.1A标准中定义的,它仅包括了OSI/RM的最低两层(物理层和数据链路层),因为局域网内部通信只需要这两层。
  • 因为OSI/RM和TCP/IP协议体系结构可以说都是针对广域网设计的,并不是局域网所全部需要的,主要原因是:1.在局域网中不需要路由寻址,所以也就不需要网络层(网际互连层);2.传输层和应用层的功能是通过安装在计算机操作系统中的网络通信协议和一些具体网络应用软件来实现的,所以在局域网设备中也不需要这两层。-68AB1698-AA6B-4651-B3F7-DB898023E3EB
  • 又因为局域网(如以太网)通常是属于广播型网络,存在介质争用现象(广域网中通常是属于点对点网络,通常不存在介质争用),所以它在数据链路层中又进行了细分为两个子层。
    • 介质访问控制(Media Access Control,MAC)子层:主要用来解决介质争用和局域网内部寻址的。主要支持IEEE 802系列局域网标准中的载波多路访问(Carrier Sense Multiple Access CSMA)、载波监听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect,CSMA/CD)协议,以及封装成MAC子帧的功能。
    • 逻辑链路控制(Logical Link Control,LLC)子层:主要支持IEEE 802系列局域网标准中的LLC子帧封装、链路控制管理功能
  • 物理层:与OSI/RM和TCP/IP协议体系结构中的物理层功能一样,但仅支持IEEE 802.3系统局域网标准(如IEEE 802.3系列、IEEE 802.4、IEEE 802.5)中的物理层协议。

无线局域网(WLAN)体系结构

WLAN也是局域网的一种,所以WLAN体系结构与上面介绍的IEEE 802.1A局域网体系结构是完全一样的,只不是两种局域网所用的物理层传输介质和相关数据链路层技术或协议不同

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网络体系结构各层主要功能

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应用层

  • 应用层是用户进行具体网络应用的层次,是具体网络应用的体现者,负责接受用户的各种网络应用进程的调用。

会话层和表示层

  • 会话层:在TCP/IP中会话层的作用太单一,所以合并到了应用层中;在OSI/RM中,会话层为具体的用户应用建立会话进程。
  • 表示层:因TCP/IP协议是专门针对TCP/IP协议类型网络而开发的体系结构,不存在其他网络类型,所以不需要表示层;在OSI/RM中,表示层是对用户网络应用数据的具体解释,包括在网络通信时可采用的信息技术、可采用的加密方式等。

传输层

  • 传输层是在下面三层构建的网络平台基础上专门为通信双方构建端对端(不是点对点)的数据传输通道,使用通信双方就像直接进行数据传输一样。这个端对端传输通道是可以跨网络的

网络层或网际互联层

  • 网络层为不同网段之间的数据转发提供路径选择,通过IP地址(也可能是其他网络地址)把数据包转发到目的节点。网络层的这种寻址功能是就我们常说的「路由寻址」,就是选择哪条路径来到达下一个结点。
  • 网络层的功能仅起到不同网络间转发数据包的作用,最终数据还是要在目的网络的数据链路层进行传输,在到达下一个网络结点设备(如路由器)时再进行路由、转发。

数据链路层

  • 数据链路层为同一局域网内部的网络/数据通信提供点对点的数据传输通道,通过MAC地址寻址把数据转到目的节点
  • 每个网络中的数据链路层间的通信仅可以在同一网段内进行。要在不同网段间进行数据转发必须依靠网络层和传输层。
  • 数据链路层提供的不是物理线路,而是在物理层的物理线路基础之上,通过数据链路层协议构建的虚拟数据传输通道,并且也只能在同一段内进行数据转发。

物理层

  • 计算机网络体系结构中最底层,为所有网络/数据通信提供物理的通信线路。另外通信线路可以通过信道复用方式在一条物理线路中划分中多条信道。默认情况下,一条物理线路就是一条信道。

OSI/RM和TCP/IP协议体系结构的比较

相同点:
1.层次结构划分思想相同;
2.总体层次结构相似;
3.核心组成一样,都定义了「服务」、「接口」和「协议」三个重要核心;

不同点:
1.适用范围不同,OSI/RM在标准协议发明前就产生了,不偏重于任何特定的网络类型,具有最广泛的理论参考性,是一个理想代的模型;而TCP/IP则相反,它是针对TCP/IP协议簇产生的,最具实践性。
2.层次结构不同,TCP/IP中没有会话层、表示层;
3.支持网络通信模式不同,OSI/RM的网络层同时支持无连接和面向连接的网络通信(不仅支持TCP/IP协议网络中无连接的IP网络协议,同时支持NetWare SPX/IPX网络中的面向连接的SPX服务等)。TCP/IP模型的网络层只提供无连接的服务(因为它只支持IP这种无连接的网络层协议)。
4.所包括的通信协议不同。

计算机网络体系结构通信原理

无论是哪种网络体系结构,在通信原理上它们都有着两个相同的方面:一是在网络连接和数据传输流程方面,发送端是自上而下,接收端是自下而上进行的,也就是数据通信原理相同;二是通信会话方面,双方都必须是逻辑上的对等层次,也就是对等通信原理相同。如发送端的网络层只能与接收端的网络层通信。

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数据通信原理

  • 在各种计算机网络体系结构的网络连接建立和数据传输的流程中,发送端是把通信连接建立指令和用户数据从上层向下层传输的,直到最低的物理层;而接收端是把通信连接建立指令和用户应用数据从下层向上层传输,直到与发送端发起通信的对等层。

对等通信原理

  • 通信双方的网络连接建立好后,是在双方对等层次上进行各种具体的网络应用和网络通信。进行对等层通信主要是两方面原因:一方面是只有双方是对等层次的会话才可能使用相同类型的协议,彼此才能「听的懂」,才能有「共同语言」;另一方面是在网络体系结构中,每一层都是独立完成自己工作的,其他层都是不干预不了解的。
  • 各层上传输的数据格式:对等层之间传送的数据单位称为PDU(Protocol Data Unit,协议数据单元),不同层的PDU包括的内容和格式不一样
    • 会话层、表示层应用层是以具体的数据报文为单位进行传输的。
    • 传输层比较特殊,OSI/RM中是直接以TPDU(传输协议数据单元)为单位的;而TPC/IP中TCP是以数据段(segment)为单位进行传输的,UDP是以数据报为单位进行传输的。
    • 网络层的传输单位是「分组」(或者「包」,paket),一个分组双可以包括多个帧,分组大小也要根据不同协议而定,一个分组其实也就是一个NPDU(网络协议数据单元)
    • 数据链路层传输的单位是「帧」frame,一个帧包括多个比特,但一个帧的大小必须是一个整数字节,不同协议的帧大小也不一样。一个帧其实也就是一个DPDU(数据链路协议数据单元)。
    • 物理层是以最原始的「比特」bit流格式传输的,或者说物理层的PDU就是「比特」
  • 协议头和协议尾的封装
    • 在整个数据传输过程中,数据在发送端时经过各层时都要附加上相应层的协议头和协议尾(仅数据链路层需要封装「协议尾」)部分,也就是对数据进行协议封装,以标识对应用层所用的通信协议。在数据接收端,数据是由低向高层传输的,这样当数据到达某一层后,就会去掉对应下层的协议头和协议尾部分,这个过程就是一个解封装的过程。
    • 协议头是用来封装本层PDU的,协议尾则代表本层封装的结束。AH为应用层协议头,PH为表示层协议头,SH为会话层协议头,TH为传输层协议头、NH为网络层协议头,DH为数据链路层协议头(物理层为最低层,传输的是最小单位的bit,不需要再进行封装,所以没有物理层头),DT为数据链路层协议尾-
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网络体系结构的设计考虑

层次划分的依据

  • 网络体系结构」是一种概念上的蓝图,描述了整个网络的层次结构和基本的数据通信规则。实际上就是描述了整个网络中两个节点间实现了有效通信的所有过程,然后将这些过程划分为逻辑上的组,而这些组就是网络体系结构中所说的「层」。
  • 计算机及网络体系结构的分层是从通信流程,或者说是服务调用关系上来划分的。不同层次之间只有通信流程角度上的午后次序,下层是为上层服务的。
  • 无论是OSI/RM标准化的计算机网络体系结构,还是IE802.1标准中针对局域网的体系结构,或者是针对无线局域网WLAN而发布的IE802.11标准的体系结构,以及最开始只应用于ARPANET而后发展成为事实上的当前internet体系标准的TCP/IP协议体系结构。他们都直接或间接的包括了物理层和数据链路层,因为这是所有网络通信的基石和物理通道。
  • 局域网体系结构和WLAN体系结构都是针对局域网内部的网络通信来设计的,而用户的具体网络应用所需要的网络层及以上各层功能,完全可以直接通过局域网内部的用户操作系统来实现,所以也就只有物理层和数据链路层了。而OSI/RM和TCP/IP体系结构都是针对不同网络之间的互联和通信而开发的,中间会有许多网络层或以上各层设备,所以他们之间不可能只有物理层和数据链路层,还得考虑网络地址的寻址(也就是网络层),以及不同计算机网络中如何建立通信连接和数据传输通道(也就是传输层,以及OSI/RM中的会话层和表示层),以及基于网络地址的各种网络应用(应用层)。-
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  • 事实上两个远程网络间的通信,中间提供网络连接的设备(如路由器设备)都只支持OIS/RM体系结构中的下三层,而高四层功能基本都是由计算机提供的

分层的好处

  • 便于方案设计和维护:有了分层结构,在方案设计方面,开发者可以很容易理解网络通信的流程,并能确定每个流程中需要实现哪些类型的功能,然后就可以把一个大而复杂的网络通信任务分解成几个模块各个击破。在维护方面,若没分层结构,就要对整个网络的各方面进行故障分析和排除,有如大海捞针;若有分层结构,就可以根据不同层次的功能、实现原理及故障特点来专门针对某一个或少数几个层次进行对应的故障分析和排除,这样就容易很多。
  • 各层相互独立、技术升级和扩展灵活性好:如不采用分层结构,则可能任何一方面的技术更新,都可能引起全局的配置改动;而有了分层后,则仅需要对相应层次和对应的服务接口进行技术更新即可,其他层次仍然可以保持不变不受影响。
  • 促进标准化:通过网络体系结构的标准化可以统一个开发商的设计标准实现协同开发。并允许不同厂家的产品相互通信极大地促进了计算机网络的发展。
  • 经验之谈:在进行分时应使用每一层的功能非常明确,而且比较容易实现。通常每一层都要完成以下几个方面的任务:
    差错控制:使得双方的网络通信更加稳定可靠、不出现网络连接中断和数据丢失现象。
    流量控制:使得通信双方的数据发送和接收速率相当,以避免数据丢失。
    分段和重装:在发送端把大的数据块划分成更容易发送和接收的小数据块,然后在接收端按照对应的数据块的发送顺序重新组装,恢复为原来的大数据块。
    连接建立和释放:在进行正式的数据交换前必须先建立相应的链路连接,然后在数据交换完后,立即释放所占用的链路,以提高链路的利用率。

通信协议

概念:为了使用网络中的不同设备能进行协同的数据通信而预先制定的一整套通信双方相互了解和共同遵守的格式和约定。

网络通信协议的三要素:
1.「语义」做什么,实现什么样的网络服务,完成什么功能(如L2TP协议用来进行VPN通信);
2.「语法」如何做,用来规定通信时的信息格式,包括数据及控制信息的格式、编码及信号电平等;
3.「同步」做的次序,用来规定通信双方必须依据什么样的流程,匹配什么样的速率、什么样的电平来进行通信,以确定通信成功。

 


体系结构知识脑图

03计算机网络体系结构

03计算机网络体系结构

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