第一章 05计算机网络分层结构（王道）

一、知识总览

二、“分层”的设计思想

分层的设计思想:将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题

2.1 快递网络的四层体系结构

• 分层原理：将庞大复杂的系统拆分为若干更小的局部问题，每层承担特定功能
• 四层功能划分：
  • 第四层（顾客层）：实现货物打包功能
  • 第三层（快递员层）：负责取件和派件服务
  • 第二层（仓储部门）：实现冷链存储和包裹路由功能
  • 第一层（运输部门）：承担包裹运输功能
• 节点类型差异：
  • 快递终点站需实现全部四层功能
  • 快递中转站只需实现运输和仓储两层功能
• 包裹传输流程：
  • 寄件顾客打包→快递员取件→仓储部门存储路由→运输部门运输
  • 中转站入库→仓储部门路由决策→运输部门继续转运
  • 终点站逆向交付：运输→仓储→快递员→收件顾客

2.2 计算机网络要完成的功能

• 核心功能需求：
  • 差错控制：确保数据传输过程不出错
  • 流量控制：调节发送速率使接收端能及时处理
  • 分段与重装：数据块划分传输后还原
  • 复用与分用：高层会话共享低层连接
  • 连接管理：建立/释放逻辑连接
• 设计思路：类比快递网络，采用分层思想将复杂功能分解到不同层次

2.3 计算机网络的分层结构

• 层次划分：
  • 第五层：应用层
  • 第四层：传输层
  • 第三层：网络层
  • 第二层：数据链路层
  • 第一层：物理层
  • 物理传输媒体（网线/光纤等）
• 节点实现差异：
  • 主机需实现全部五层功能
  • 路由器只需实现下三层功能
• 数据传输流程：
  • 发送方：应用层→传输层→网络层→数据链路层→物理层→物理媒体
  • 接收方：逆向处理过程
  • 路由器：物理层→数据链路层→网络层→向下转发

• 设计灵活性：
  • 分层数量可调整（如快递网络可设计为四层或五层）
  • 功能可重复出现在不同层次（如打包功能可在顾客层和驿站层同时存在）
  • 功能安排需合理（如不应让运输部门承担派件功能）
• 计算机网络变体：
  • 除五层结构外，还可设计为四层或七层结构
  • 关键原则是功能分配的合理性而非固定层数

三、三种常见的计算机网络体系结构

• OSI参考模型:
  • 提出组织: 国际标准化组织(ISO)提出
  • 分层特点: 7层结构（应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层）
  • 标准性质: 法律上的标准
  • 功能特点: 同一功能可能在多个层次重复出现
• TCP/IP模型:
  • 发展背景: 美国国防部阿帕网(ARPANET)项目后续成果
  • 分层特点: 4层结构（应用层、传输层、网际层IP层、网络接口层）
  • 标准性质: 事实上的标准
  • 功能特点: 各层功能划分明确，设计更简单高效
• 五层模型:
  • 设计目的: 综合前两者优点，便于教学理解
  • 分层特点: 5层结构（应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层）
  • 标准性质: 教学用标准
  • 优势: 结合OSI对底层的清晰解释和TCP/IP的简洁性

四、网络结构的概念

• 定义:
  • 组成要素: 计算机网络的各层及其协议的集合
  • 本质: 对计算机网络及其构件应完成功能的精确定义
  • 特点: 不涉及具体实现细节
• 实现:
  • 关系: 在遵循体系结构前提下，用硬件/软件完成功能
  • 特点: 具体且可操作的
• 抽象性:
  • 体系结构: 抽象的框架和规范
  • 实现: 具体的软硬件解决方案

五、各层之间的关系

5.1 层之间的关系

• 功能分配:
  • 原则: 每个层次负责实现一个或多个特定功能
  • 特点: 功能划分遵循层次化设计思想

5.2 分层结构的几个重要概念

实体

• 定义：在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素（软件+硬件）称为第n层实体。
• 对等关系：不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。
• 功能实现：每个层次负责实现一个或多个功能，如压缩传输、差错控制等。

对等实体的定义

• 定义:
  • 概念: 不同节点中处于同一层的实体
  • 示例: 两个主机中的第五层实体互为对等实体
• 通信基础:
  • 作用: 对等实体间的通信是网络运行的基础

网络协议的作用与特点

• 定义：网络协议是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。
• 作用：为实现某一层的功能，对等实体之间需要遵循特定的通信协议。

层次间的服务关系

• 服务机制:
  • 请求方式: 上一层通过接口请求下一层服务
  • 关系特点: 仅相邻层之间存在服务关系
• 服务方向:
  • 特点: 垂直方向的服务（上下层间）
  • 类比: 类似函数调用过程

接口与服务访问点的概念

• 接口定义:
  • 概念: 相邻两层实体交换信息的逻辑接口
  • 别名: 服务访问点(SAP, Service Access Point)
• 服务定义:
  • 概念: 下层为紧邻上层提供的功能调用
  • 方向性: 垂直方向的交互

六、数据的传输过程

6.1 数据传输过程的水平视角

• 水平视角：发送方和接收方的对等实体通过协议完成特定功能（如数据压缩），用户感知不到中间处理过程。
• 示例：YSCS协议（压缩传输协议）规定发送方添加首部说明压缩算法，接收方根据首部选择解压算法。

6.2 为什么要分层？为什么要制定协议？

计算机网络功能复杂→采用分层结构，将诸多功能合理地划分在不同层次→对等层之间制定协议，以实现功能。

6.3 数据传输过程的垂直视角

• 逐层封装：应用层数据依次添加传输层、网络层、链路层首部，物理层直接传输比特流。
• 路由器处理：网络层实体根据IP地址决定下一跳，仅处理本层首部信息。

• 垂直视角：
  • 发送方：数据从顶层逐层向下传递，每层添加协议控制信息（首部/尾部）。
  • 接收方：数据从底层逐层向上处理，每层移除本层的协议控制信息。

6.4 PDU、SDU、PCI的概念

• PDU（协议数据单元）：对等层次之间传送的数据单位，记为n-PDU。
• SDU（服务数据单元）：为完成上层功能而传送的数据，记为n-SDU。
• PCI（协议控制信息）：控制协议操作的信息（如首部/尾部），记为n-PCI。

七、协议的三要素

• 语法：数据与控制信息的格式（如首部字节数、字段含义）。
• 语义：规定对等实体需要发出的控制信息、完成的动作及应答（如压缩传输协议中的成功/失败响应）。
• 同步（时序）：描述操作执行的顺序和条件（如发送方超时重传机制）。

八、知识总结

补充对等实体和对等层的概念

对等层（Peer Layer）和对等实体（Peer Entity）是计算机网络中的重要概念，我用简单例子来说明：

对等层（Peer Layer）

指网络协议栈中同一层次的协议层。

例子：

• 两台计算机通信时，A机器的传输层和B机器的传输层就是对等层
• A机器的网络层和B机器的网络层也是对等层
• 它们在协议栈中处于相同位置，执行相同类型的功能

对等实体（Peer Entity）

指不同主机上同一层的协议实现。

例子：

• A电脑上的TCP协议 ↔ B电脑上的TCP协议（传输层对等实体）
• A路由器上的IP协议 ↔ B路由器上的IP协议（网络层对等实体）
• A电脑上的HTTP协议 ↔ 服务器上的HTTP协议（应用层对等实体）

实际场景举例

当你用浏览器访问网站时：

• 你的浏览器中的HTTP协议和Web服务器中的HTTP协议是对等实体
• 它们都工作在应用层，应用层就是它们的对等层
• 这两个HTTP协议实体会直接”对话”，交换HTTP请求和响应

简单说：对等层是”同一楼层”，对等实体是”同一楼层里的具体住户”。