计算机网络——计算机网络体系结构

我们今天来了解一下计算机网络体系结构：

计算机网络体系结构的由来

俗话说，“没有规矩，不成方圆”，我们有了互联网，可以上网，但是这个时候大家是没有遵守任何规则，这就会导致这个互联网的生态乱成一锅粥，此时我们急需制定一些大家都接受的规则，方便大家进行信息传输。

我们先从最简单的开始，两台电脑之间的传输，除了最基本的数据通路之外，还要满足以下规则：

(1) 必须有一条传送数据的通路。
(2) 发起方必须激活通路。
(3) 要告诉网络如何识别接收方。
(4) 发起方要清楚对方是否已开机，且与网络连接正常。
(5) 发起方要清楚对方是否准备好接收和存储文件。
(6) 若文件格式不兼容，要完成格式的转换。
(7) 要处理各种差错和意外事故，保证收到正确的文件。

我们发现我们要解决的各个问题，相对比较独立，所以我们可以将各个问题封装分层，一层解决一类问题，这就是之后各种架构的思想来源。

我们划分的层要满足以下特点：

1.各层之间相互独立，每层之间实现一种相对独立的功能
2.每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
3.结构上可分开。每层采用最适合的技术实现
4.保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
5.整个分层结构能促进标准化工作

分层带来了许多好处：

简化复杂性：通过将整个系统划分为多个独立的层次，每个层次只关注其特定的功能和任务，从而降低了系统的复杂性。这使得开发人员可以更容易地理解和处理每一层的问题，提高了工作效率。
灵活性：分层结构允许各层之间保持松散的耦合关系。这意味着当某一层发生变化时，只要其接口关系保持不变，其他层就不会受到影响。这种灵活性使得系统更容易适应变化，减少了级联修改的可能性。
标准化：分层结构促进了标准化工作。每个层次都可以遵循统一的规范和标准，从而确保整个系统的兼容性和互操作性。
可复用性：由于各层之间的独立性，某一层的实现可以被其他层复用，提高了代码的复用率。这不仅可以减少开发工作量，还可以提高系统的稳定性和可靠性。
分工明确：分层结构使得开发人员的分工更加明确。每个开发人员可以专注于某一层的开发，而不需要关心其他层的实现细节。这有助于降低沟通成本，提高开发效率。

正确认识分层

1.实体：第n层的活动元素称为第n层实体，同一层的实体叫做对等实体
2.协议
3.接口（访问服务SAP）：上层使用下层服务的接口
4. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用

还有几个术语：

1. SDU服务数据单元：为完成用户所要求的的功能而应传输的数据
2. PCI协议数据单元：控制协议操作的信息（头，附加信息）
3. PDU = PCI +SDU 对等层之间传送的数据单位

协议与层次划分

在计算机网络中要做到有条不紊的交换数据，就必须遵守一些事先约定好的约定，这些规定规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题，为进行网络中的数据交换而建立的规则，标准或约定称为网络协议

网络协议三个组成要素：

语法：数据与控制信息的结构或格式 。
语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
同步：事件实现顺序的详细说明。

这些是比较出名的协议：

IP协议（Internet Protocol，因特网互联协议）：是TCP/IP协议族的核心协议之一，负责为计算机之间的通信提供可靠的、无连接的、尽最大努力的数据包传输服务。
TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）：与IP协议配合使用，提供面向连接的、可靠的、基于字节流的通信服务。它确保数据在传输过程中的完整性和顺序性。
UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）：是另一种传输层协议，与TCP不同，UDP提供无连接的、不可靠的通信服务。它适用于对实时性要求较高、但对数据完整性要求不高的应用。
HTTP协议（Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议）：是用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。它是互联网上应用最为广泛的一种网络协议，用于网页浏览、文件传输等。
HTTPS协议（Secure Hypertext Transfer Protocol，安全超文本传输协议）：是HTTP协议的安全版本，通过SSL/TLS对数据进行加密，确保数据传输的安全性。
FTP协议（File Transfer Protocol，文件传输协议）：用于在计算机网络上进行文件传输的标准协议，允许用户从一台计算机将文件复制到另一台计算机上。
SMTP协议（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）：用于电子邮件的发送和接收，它规定了邮件在两台计算机之间进行传输的方式和格式。
POP3协议（Post Office Protocol 3，邮局协议第三版）：用于电子邮件的接收，它允许用户从邮件服务器上下载邮件到本地计算机上。
ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）：用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。
ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）：将32位网络地址转换为低层物理网络地址（如以太网地址）。
SNMP协议（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）：专门设计用于在IP网络管理网络节点（如服务器、工作站、路由器、交换机等）的一种标准协议。

各个层解决的各种问题，有一部分是依赖这些协议，协议帮助我们更好更高效的解决问题，同时，协议也是每一层的重要内容。

著名的几个体系结构

OSI体系结构

OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互连，是ISO组织在1985年研究的网络互连模型。OSI参考模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

物理层：实际上是布线、光纤、网卡和其他用于将两台网络通信设备连接在一起的东西。
数据链路层：该层负责通过MAC地址（物理地址）进行寻址，并且给分组数据加上头部与尾部，形成帧。
网络层：负责在计算机网络通信中选择合适的网间路由和交换节结点，以确保数据的及时传输。
传输层：在传输层上，数据单元变为段或者报文，该层提供端到端（最终用户到最终用户）的透明、可靠的数据传输服务，并处理端到端的差错控制和流程控制问题。
会话层：在两个节点间建立端与端的连接，进行对话的连接、管理和拆除，但不参与具体的传输。
表示层：提供格式化的表示和转换数据服务，对数据进行压缩、格式转换、加密和解密等工作，解决用户信息的语法表示问题。
应用层：包含应用程序级的数据。

但是，注意，这个OSI提出的很好，但没被使用：

至于为什么嘛：

OSI的专家们缺乏实际经验：在制定OSI标准时，他们缺乏商业驱动力，导致OSI标准的制定周期过长。这使得按照OSI标准生产的设备无法及时进入市场，从而降低了其竞争力。
OSI协议实现复杂且运行效率低：OSI的七层协议体系每一层都需要对数据进行处理，这增加了通信的延迟和资源消耗。此外，每个层级都需要对数据进行封装和解封装，这造成了冗余的数据传输和额外的开销，从而降低了网络的效率。
OSI的层次划分不太合理：在OSI的层次划分中，有些功能在多个层次中重复出现，这增加了系统的复杂性和不必要的开销。
OSI缺乏灵活性和适应性：随着互联网的发展和通信需求的不断变化，OSI的固定结构限制了其在新兴应用领域的适应性和灵活性。这使得OSI难以适应不断变化的网络通信需求。

相反，是另一款层次结构，TCP/IP得到了广泛应用：

TCP/IP体系结构

TCP/IP体系结构，也被称为TCP/IP协议簇，是Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，译为传输控制协议/因特网互联协议。这一体系结构为计算机网络中的数据通信提供了一套标准化的协议和规范，确保数据在传输过程中的封装、定址、传输、路由以及接收都得以正确执行。

TCP/IP体系结构主要分为四个层次，从下至上分别是：网络接口层、网际层、传输层和应用层。

网络接口层：主要负责将二进制数据转换为电信号，以便在物理网络上进行传输。尽管这一层没有直接对应的协议，但它确保了数据能够在不同的网络设备之间正确地传输。
网际层：负责主机间的数据路由和网络上数据的存储。主要协议包括IP（网间协议）和ARP（地址解析协议）。IP协议负责数据的路由和寻址，而ARP协议则将网络地址映射到硬件地址。此外，RARP（反向地址解析协议）则将硬件地址映射到网络地址。
传输层：提供端到端的通信，确保两台计算机上的软件间能够建立可靠的数据连接。主要协议有TCP（传送控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP是一种可靠的全双工字节流面向连接的协议，而UDP则提供无连接的通信服务。
应用层：为用户的应用程序提供接口，使用户可以访问网络。这一层包括多种协议，如HTTP（超文本传输协议，用于网页浏览）、FTP（文件传输协议，用于文件上传和下载）、SMTP（简单邮件传输协议，用于邮件的发送和转发）等。

TCP/IP体系结构将软件通信过程抽象化为这四个抽象层，采取协议堆栈的方式，分别实现出不同通信协议。这种分层的设计使得每一层都专注于其特定的功能，从而提高了整个系统的效率和可靠性。

5层体系结构

经过了时间的检验，大家综合了OSI和TCP/IP的优点，提出了5层体系结构
五层体系结构是计算机网络中常用的一种分层模型，它主要由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层五个层次组成。

物理层：物理层是五层体系结构的最低层，它主要关注数据的实际传输，包括比特流的传输和物理接口的规范。物理层定义了设备如何连接以及如何传输原始比特流，涉及的设备包括集线器和中继器等。
数据链路层：数据链路层在物理层之上，它负责将数据封装成帧，并在发送和接收端之间进行数据的可靠传输。数据链路层使用诸如CSMA/CD（载波侦听多路访问/碰撞检测）和PPP（点对点协议）等协议，以及二层交换机和网桥等设备。
网络层：网络层负责将数据包从源地址路由到目标地址。它处理的是分组交换和路由选择，确保数据包能够正确地到达目的地。网络层的主要协议是IP（网际协议），它负责数据包的寻址和路由。
传输层：传输层负责在源端和目的端之间提供可靠的、透明的数据传输服务。它处理数据的分段和重组，以及流量控制和差错控制。传输层的主要协议有TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。
应用层：应用层是五层体系结构的最高层，它直接为用户提供各种网络服务。应用层协议众多，如HTTP（超文本传输协议）用于网页浏览，SMTP（简单邮件传输协议）用于电子邮件的发送，FTP（文件传输协议）用于文件的上传和下载等。

接下来我们会依次介绍OSI和TCP/IP这两种网络层次模型。