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计算机网络：概述 --- 体系结构

article 2024/11/13 9:30:39

一. 体系结构总览

1.1 OSI七层协议体系结构

1.2 TCP/IP四层(或五层)模型结构

二. 数据传输过程

2.1 同网段传输

2.2 跨网段传输

三. 体系结构相关概念

3.1 实体

3.2 协议

3.3 服务

这里我们专门来讲一下计算机网络中的体系结构。其实我们之前在Linux系列的《网络基础入门》中已经略微提及了一下(点此查看)，今天在这里着重讲一下吧。这也算是比较重要的一节了，因为基本的框架都是基于这个模型构建的。所以仔细来学习一下吧！！！

一. 体系结构总览

1.1 OSI七层协议体系结构

计算机网络是一个非常复杂的系统。也由此产生了不同的网络体系结构，而为了让不同的网络体系结构的计算机网络都能互联，国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了专门机构的开放系统互联基本参考模型 OSI/RM，简称为 OSI。

开放：非独家垄断的。

系统：在现实的系统中与互联有关的各部分。

OSI模型是一个七层协议的体系结构。他是法律上的国际标准。虽然在20世纪80年代，很多公司都表示支持OSI，但是到了20世纪90年代初期，由于基于 TCP/IP 的互联网已经在全球相当大的范围成功运行了。所以现在很多人认可的是TCP/IP四层模型。

• OSI七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输;

• 它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也比较完整。通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯;

OSI（Open Systems Interconnection）七层模型每一层具有特定的功能和职责。下面是对OSI七层模型各层的详细解释：

物理层（Physical Layer）：物理层是最底层的一层，它负责传输数据的物理介质，如电缆、光纤等。物理层的主要任务是转换比特流（bits）为信号，并控制传输介质的物理连接。
数据链路层（Data Link Layer）：数据链路层负责将物理层传输的原始数据流转换为帧（Frame），并提供可靠的点对点数据传输。它在通信实体之间建立了逻辑连接，并通过差错检测和纠正机制来保证数据的可靠性。
网络层（Network Layer）：网络层通过IP（Internet Protocol）地址识别不同主机和网络之间的路径选择，以实现数据包的路由和转发。它负责将数据分割为数据包，并通过寻址、路由和流量控制等机制来确保数据的正确传输。
传输层（Transport Layer）：传输层负责提供端到端的可靠、无差错的数据传输服务。它通过协议（如TCP、UDP）和端口号来实现进程之间的通信，并提供流量控制、拥塞控制和错误恢复等功能。
会话层（Session Layer）：会话层为网络中两个应用程序之间建立和维护通信会话，并管理会话的控制和同步。它提供了会话的建立、维护和终止，以及数据传输的同步点标记和恢复机制。
表示层（Presentation Layer）：表示层负责数据的格式化和表示，确保不同系统之间的数据能够正确解释和理解。它处理数据的加密、压缩和转换等操作，以便于应用层的交互和共享。
应用层（Application Layer）：应用层是最高层也是最接近用户的一层，它提供了用户与网络服务的接口。应用层包含了各种网络应用和协议，如HTTP、FTP、SMTP等，用于实现特定的网络功能和服务。

1.2 TCP/IP四层(或五层)模型结构

其实在网络角度，OSI 定的协议 7 层模型其实非常完善，但是在实际操作的过程中，会话层、表示层是不可能接入到操作系统中的，所以在工程实践中，最终落地的是 5 层协议（物理层我们考虑的比较少，我们只考虑软件相关的内容. 因此很多时候我们直接称为TCP/IP 四层模型）。

TCP/IP 是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了 TCP/IP 协议簇. TCP/IP 通讯协议采用了 5 层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

物理层: 负责光/电信号的传递方式. 比如现在以太网通用的网线(双绞线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的 wifi 无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层.
数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线 LAN 等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层.
网络层: 负责地址管理和路由选择. 例如在 IP 协议中, 通过 IP 地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层.
传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机.
应用层: 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等. 我们的网络编程主要就是针对应用层.

该模型去掉了OSI七层模型中的表示层、会话层以及物理层。

一般而言

• 对于一台主机, 它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容;

• 对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层;

• 对于一台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;

• 对于集线器, 它只实现了物理层;

所以可以知道，在模型中越在高层的一般会兼容下层的功能。

二. 数据传输过程

2.1 同网段传输

网络传输流程如下：

用户在主机1应用层发送消息，不能直接传递到对方主机2应用层，而是往下层经过传输层、网络层、数据链路层，在经过每层时，会在数据前方添加对应层的报头，这个过程叫封装。

再通过局域网发送给对方，对方拿到有多层报头修饰的数据时，由于各主机相同层报头属性相同，那么数据会在对方主机上向上层经过数据链路层、网络层、传输层，在经过每层时，会取下对应的报头，这个过程叫做解包与分用。由此对方就拿到了用户发送的数据。

下面来明确一下概念：

报头部分，就是对应协议层的结构体字段，我们一般叫做报头
除了报头，剩下的叫做有效载荷
故，报文 = 报头 + 有效载荷

然后，我们在明确一下不同层的完整报文的叫法：

不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在网络层叫做数据报 (datagram),在链路层叫做帧(frame).
应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装(Encapsulation).
首部信息中包含了一些类似于首部有多长, 载荷(payload)有多长, 上层协议是什么等信息.
数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部,根据首部中的 "上层协议字段" 将数据交给对应的上层协议处理.

那么不同层对应的协议：