计算机网络体系结构

【计算机网络的层次结构】

体系结构

计算机网络各层及其协议的集合称为计算机网络的体系结构（Architecture），其是计算机网络中层次、各层协议、各层接口的集合，是网络及其所完成功能的精确定义

网络体系结构是用何种硬件、软件所实现，是一个遵循这种体系结构的实现问题，也就是说，体系结构是抽象的，实现是具体的

分层原则

计算机网络的体系结构具有可分层的特性，其将复杂的大系统分为若干较易实现的层次，分层的基本原则如下：

• 各层相互独立，每层均实现一种相对独立的功能，以降低整个大系统的复杂度
• 各层之间界面清晰，易于理解，彼此交互尽可能的少
• 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，每层选用合适的技术实现
• 下层对上层有独立性，即上层单向使用下层所提供的服务
• 整个分层结构能够促进标准化工作

层次结构

在计算机网络的分层结构中，第 $n$ 层中的活动元素称为 $n$ 层实体，其是任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，不同机器上的同一层称为对等层，对等层的实体称为对等实体

对于 $n$ 层实体上所实现的服务，被 $n+1$ 层所利用，在这种情况下，$n$ 层被称为服务提供者，$n+1$ 层称为服务使用者

具体来说，层次结构具有以下含义：

• 第 $n$ 层实体使用第 $n-1$ 层的服务来实现自身所定义的功能，同时向第 $n+1$ 层提供本层的服务，该服务是第 $n$ 层及下面各层提供的服务总和
• 最底层仅提供服务，是整个层次结构基础；中间各层既是下一层的服务使用者，又是上一层的服务使用者；最高层面向用户提供服务
• 上层只能通过相邻层的接口来使用下一层的服务，无法调用其他层的服务，同时，下层所提供服务的实现细节对上层透明
• 两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，其表现为不经过下层就把信息传给对方

数据单位

在计算机网络的分层结构中，每层有着自己的传输数据单位，其名称、大小、含义均不同

在整个体系结构的各个层次中，每个报文分为两部分：SDU、PCI，两者共同组成 PDU

• 服务数据单元 SDU：报文的数据部分，是为了完成用户所要求的功能而应传送的数据，第 $n$ 层的服务数据单元记为 n-SDU
• 协议控制信息 PCI：报文的控制信息部分，是控制协议操作的信息，第 $n$ 层的协议控制信息记为 n-PCI
• 协议数据单元 PDU：对等层次传送的数据单元，第 $n$ 层的协议数据单元记为 n-PDU

在实际的网络中，每层协议数据单元都有一个通俗的名称，在物理层中，称为比特；在链路层中，称为帧；在网络层中，称为分组；在传输层中，称为报文

在各层间传输数据时，对于发送方，会将第 $n+1$ 层收到的 PDU 作为第 $n$ 层的 SDU，再加上第 $n$ 层的 PCI，就构成了第 $n$ 层的 PDU，之后交给第 $n-1$ 层后作为 $SDU$ 发送，而接受方则进行相反的处理

综上，三者的关系如下：

$$\begin{align} n-PDU &= n-SDU+n-PCI\\ &=(n-1)-SDU \end{align}$$

【协议、接口、服务】

协议

网络协议（Network Protocol），是为网络中数据交换而建立的规则、标准、约定，其是控制两个对等实体进行通信的规则集合

网络协议是水平上的概念，也就是说，不对等实体之间是不存在协议的

协议由语法、语义、同步三个要素组成：

• 语法：规定了传输数据的格式
• 语义：规定了要完成的功能，即发出何种控制信息、完成何种动作、做出何种应答
• 同步：规定了执行各种操作的条件、时序关系

接口

接口（Interface），是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定义接口

在典型的接口中，同一结点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point，SAP）进行交互，服务通过 SAP 提供给上层使用，第 $n$ 层的 SAP 就是第 $n+1$ 层可以访问第 $n$ 层服务的位置

每个 SAP 都有一个能够标识的地址，但其实是一个抽象的逻辑接口

服务

服务（Service），是下层为紧邻的上层所提供的功能调用

服务是垂直的概念，对等实体在协议的控制下，能够令本层为上层提供服务，同时要实现本层协议还要使用下层的服务

上层在使用下层所提供的服务时，必须要与下层进行命令交换，这些命令被称为服务原语，其划分为以下四类：

• 请求（Request）：由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作
• 证实（Confirmation）：由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实
• 指示（Indication）：由服务提供者发往服务用户，指示用户进行某项工作
• 响应（Response）：由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应

这 4 类服务原语的关系如下图所示

协议、服务、接口关系

协议、服务、接口之间的关系如下图所示

【服务类型】

计算机网络提供的服务，可以按照以下三种方式进行分类：

1.面向连接服务与无连接服务

• 面向连接服务：通信前双方需建立连接，分配相应资源，通信完成后释放连接与所占用的资源
• 无连接服务：通信双方在需要发送数据时可直接发送，由系统选定线路进行传输，是一种不可靠服务，无法保证通信的可靠性

2.可靠服务与不可靠服务

• 可靠服务：网络具有纠错、检错、应答机制，能够保证数据正确、可靠地传送到目的地
• 不可靠服务：网络只是尽量正确、可靠的传送，无法保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽最大可能交付的服务

对于不可靠服务来说，若想保证数据的正确性，应由用户或应用来进行保障，例如在收到信息后判断信息的正确性，根据正确性来对发送方进行反馈

3.有应答服务与无应答服务

• 有应答服务：是指接收方在收到数据后向发送方作出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现

• 无应答服务：是值接收方收到数据后不自动给出应答，若需要应答，则由高层实现