計算機網絡體系結構

計算機網絡結構可以從網絡體系（Network Architecture）結構，網絡組織和網絡配置三個方面來描述。網絡體系結構是從功能上來描述，指計算機網絡層次結構模型和各層協議的集合；網絡組織是從網絡的物理結構和網絡的實現兩方面來描述；網絡配置是從網絡應用方面來描述計算機網絡的佈局、硬件、軟件和通信線路。

計算機網絡體系結構是計算機網絡及其部件所應該完成功能的精確定義。這些功能究竟由何種硬件或軟件完成，是遵循這種體系結構的。體系結構是抽象的，實現是具體的，是運行在計算機軟件和硬件之上的。

世界上第一個網絡體系結構是美國IBM公司於1974年提出的，它取名為系統網絡體系結構SNA（System Network Architecture）。凡是遵循SNA的設備就稱為SNA設備。這些SNA設備可以很方便地進行互連。此後，很多公司也紛紛建立自己的網絡體系結構，這些體系結構大同小異，都採用了層次技術。

在網絡系統中 ，為了滿足數據通信的雙方準確無誤的進行通信 ，這就需要我們根據在通信過程中產生的各種問題 ，制定一系列的通信雙方必須遵守的規定 ，這就是我們所説的通信協議。從通信協議的表現形式來看 ，它規定了交互雙方用於通信的一系列語言法則和語言意義 ，這些相關的協議能夠規範各個功能部件在通信過程中的正確操作。 ^[3] 

每層的具體功能是由該層的實體完成的。所謂實體是指能在某一層中具有數據收發能力的活動單元（元素）。一般就是該層的軟件進程或者實現該層協議的硬件單元。在不同系統上同一層的實體互稱為對等實體。 ^[3] 

上下層之間交換信息通過接口來實現。一般使上下層之間傳輸信息量儘可能少 ，這樣使兩層之間保持其功能的相對獨立性。 ^[3] 

服務就是網絡中各層向其相鄰上層提供的一組功能集合 ，是相鄰兩層之間的接口。因為在網絡的各個分層機構中的單方面依靠關係 ，使得在網絡中相互鄰近層之間的相關界面也是單向性的 ：下層作為服務的提供者 ，上層作為服務的接受者。上層實體必須通過下層的相關服務訪問點（Service Access Point，SAP），才能夠獲得下層的服務。SAP 作為上層與下層進行訪問的服務場所 ，每一個 SAP 都會有有自己的一個標識 ，並且每個層間接口可以有多個 SAP。 ^[3] 

網絡中的各種服務是通過相應的語言進行描述的 ，這些服務原語可以幫助用户訪問相應的服務 ，也可以像用户報告發生的相應事件。服務原語可以帶着不同的參數 ，這些參數可以指明需要與那台服務器相連、服務器的類別、和準備在這次連接上所使用的數據長度。假如被呼叫的用户不同意呼叫用户建立的連接數據大小 ，它會在一個“連接響應”原語中提出一個新的建議 ，呼叫的一方能夠從“連接確認”的原語中得知情況。這樣的整個過程細節就是協議內容的一部分。 ^[3] 

在網絡中信息傳送的單位稱為數據單元。數據單元可分為 ：協議數據單元（PDU）、接口數據單元（IDU）和服務數據單元（SDU）。1）協議數據單元不同系統某層對等實體為實現該層協議所交換的信息單位 ，稱為該層協議數據單。其中 ：協議控制信息 ，是為實現協議而在傳送的數據的首部或尾部加的控制信息 ，如地址、差錯控制信息、序號信息等 ；用户數據為實體提供服務而為上層傳送的信息。考慮到協議的要求 ，如時延、效率等因素 ，對協議數據單元的大小一般都有所限制。2）服務數據單元上層服務用户要求服務提供者傳遞的邏輯數據單元稱為服務數據單元。考慮到協議數據單元對長度的限制 ，協議數據單元中的用户數據部分可能會對服務數據單元進行分段或合併。3）接口數據單元在同一系統的相鄰兩層實體的一次交互中 ，經過層間接口的信息單元 ，稱為接口數據單元。其中 ，接口控制信息是協議在通過層間接口時 ，需要加一些控制信息 ，如通過多少字節或要求的服務質量等 ，它只對協議數據單元通過接口時有作用 ，進入下層後丟棄 ；接口數據為通過接口傳送的信息內容。 ^[3] 

網絡體系結構就是以完成不同計算機之間的通信合作為目標，把需要連接的每個計算機相互連接的功用分成明確的層次，在結構裏面它規定了同層次進程通信的協議及相鄰層之間的接口及服務。實際上網絡體系結構就是用分層研究方法定義的計算機網絡各層的功能、各層協議以及接口的集合。 ^[3] 

為把在一個網絡結構下開發的系統與在另一個網絡結構下開發的系統互聯起來，以實現更高一級的應用，使異種機之間的通信成為可能，便於網絡結構標準化，國際標準化組織（ISO）於1984年形成了開放系統互連參考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model，簡稱OSI）的正式文件。

OSI從邏輯上，把一個網絡系統分為功能上相對獨立的7個有序的子系統，這樣OSI體系結構就由功能上相對獨立的7個層次組成，如圖1所示。它們由低到高分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

（1）物理層（Physical，PH）傳遞信息需要利用一些物理傳輸媒體，如雙絞線、同軸電纜、光纖等。物理層的任務就是為上層提供一個物理的連接，以及該物理連接表現出來的機械、電氣、功能和過程特性，實現透明的比特流傳輸。在這一層，數據還沒有組織，僅作為原始的比特流提交給上層——數據鏈路層。

（2）數據鏈路層（Data-link，D）數據鏈路層負責在2個相鄰的結點之間的鏈路上實現無差錯的數據幀傳輸。每一幀包括一定的數據和必要的控制信息，在接收方接收到數據出錯時要通知發送方重發，直到這一幀無差錯地到達接收結點，數據鏈路層就是把一條有可能出錯的實際鏈路變成讓網絡層看起來像不會出錯的數據鏈路。實現的主要功能有：幀的同步、差錯控制、流量控制、尋址、幀內定界、透明比特組合傳輸等。

（3）網絡層（Network，N）網絡中通信的2個計算機之間可能要經過許多結點和鏈路，還可能經過幾個通信子網。網絡層數據傳輸的單位是分組（Packet）。網絡層的主要任務是為要傳輸的分組選擇一條合適的路徑，使發送分組能夠正確無誤地按照給定的目的地址找到目的主機，交付給目的主機的傳輸層。

（4）傳輸層（Transport，T）傳輸層的主要任務是通過通信子網的特性，最佳地利用網絡資源，並以可靠與經濟的方式為2個端系統的會話層之間建立一條連接通道，以透明地傳輸報文。傳輸層向上一層提供一個可靠的端到端的服務，使會話層不知道傳輸層以下的數據通信的細節。傳輸層只存在端系統中，傳輸層以上各層就不再考慮信息傳輸的問題了。

（5）會話層（Session，S）在會話層以及以上各層中，數據的傳輸都以報文為單位，會話層不參與具體的傳輸，它提供包括訪問驗證和會話管理在內的建立以及維護應用之間的通信機制。如服務器驗證用户登錄便是由會話層完成的。

（6）表示層（Presentation，P）這一層主要解決用户信息的語法表示問題。它將要交換的數據從適合某一用户的抽象語法，轉換為適合OSI內部表示使用的傳送語法。即提供格式化的表示和轉換數據服務。數據的壓縮和解壓縮、加密和解密等工作都由表示層負責。

（7）應用層（Application，A）這是OSI參考模型的最高層。應用層確定進程之間通信的性質以滿足用户的需求，以及提供網絡與用户軟件之間的接口服務。 ^[2] 

20世紀70年代初期，美國國防部高級研究計劃局（ARPA）為了實現異種網之間的互聯與互通，大力資助網絡技術的研究開發工作。ARPANET開始使用的是一種稱為網絡控制協議（network control protocol，NCP）的協議。隨着ARPANET的發展，需要更為複雜的協議。

1973年，引進了傳輸控制協議TCP，隨後，在1981年引入了網際協議IP。1982年，TCP和IP被標準化成為TCP/IP協議組，1983年取代了ARPANET上的NCP，並最終形成較為完善的TCP/IP體系結構和協議規範。

TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol，傳輸控制協議/網際協議）由它的2個主要協議即TCP協議和IP協議而得名。TCP/IP是Internet上所有網絡和主機之間進行交流時所使用的共同“語言”，是Internet上使用的一組完整的標準網絡連接協議。通常所説的TCP/IP協議實際上包含了大量的協議和應用，且由多個獨立定義的協議組合在一起，因此，更確切地説，應該稱其為TCP/IP協議集。

TCP/IP共有4個層次，它們分別是網絡接口層、網際層、傳輸層和應用層。TCP/IP層次結構與OSI層次結構的對照關係如圖2所示。

（1）網絡接口層TCP/IP模型的最底層是網絡接口層，也被稱為網絡訪問層，它包括了可使用TCP/IP與物理網絡進行通信的協議，且對應着OSI的物理層和數據鏈路層。TCP/IP標準並沒有定義具體的網絡接口協議，而是旨在提供靈活性，以適應各種網絡類型，如LAN、MAN和WAN。這也説明，TCP/IP協議可以運行在任何網絡上。

（2）網際層是在Internet標準中正式定義的第一層。網際層所執行的主要功能是處理來自傳輸層的分組，將分組形成數據包（IP數據包），併為該數據包在不同的網絡之間進行路徑選擇，最終將數據包從源主機發送到目的主機。在網際層中，最常用的協議是網際協議IP，其他一些協議用來協助IP的操作。

（3）傳輸層傳輸層也被稱為主機至主機層，與OSI的傳輸層類似，它主要負責主機到主機之間的端對端可靠通信，該層使用了2種協議來支持2種數據的傳送方法，它們是TCP協議和UDP協議。

（4）應用層在TCP/IP模型中，應用程序接口是最高層，它與OSI模型中高3層的任務相同，都是用於提供網絡服務，如文件傳輸、遠程登錄、域名服務和簡單網絡管理等。 ^[2]