【计算机网络】计算机网络体系结构与参考模型
目录
一、计算机网络分层结构
1. 网络体系结构定义
2. 分层基本原则（5 条）
3. 实体与对等层
4. 数据单元（PDU、SDU、PCI）
二、计算机网络协议、接口、服务的概念
1. 协议（“水平的” 通信规则）
2. 接口（层间 “逻辑门”）
3. 服务（“垂直的” 功能调用）
三、ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型
1. OSI 参考模型（7 层，“理论化” 分层）
2. TCP/IP 模型（4 层，“实用化” 分层）
3. 两者对比（OSI vs TCP/IP）
四、协议栈通信过程（以 “HTTP 请求” 为例）
五、总结
一、计算机网络分层结构
1. 网络体系结构定义
计算机网络的 **“层”（功能模块）与对应“协议”（通信规则）的集合，称为网络体系结构 **。
- 体系结构是抽象的：仅定义功能和协议的逻辑关系，不涉及具体硬件 / 软件实现。
- 实现是具体的：如路由器、交换机的硬件设计，TCP/IP 协议栈的软件代码，是体系结构的物理载体。
2. 分层基本原则（5 条）
| 原则 | 详细说明 | 实例 |
|---|---|---|
| 降低系统复杂度 | 每层仅负责一类独立功能，避免 “一损俱损” | 网络层只管路由，传输层只管端到端可靠，各司其职 |
| 接口自然清晰 | 相邻层之间的交互规则（如数据格式、调用方式）明确，减少层间依赖 | 传输层通过 “端口号” 向应用层提供服务，应用层无需关心传输层内部逻辑 |
| 功能定义独立于实现 | 层的功能仅定义 “做什么”，不限制 “怎么做” | 网络层的 “路由功能”，既可以用 OSPF 协议实现，也可以用 RIP 协议实现 |
| 上层单向使用下层服务 | 上层只能通过下层的 “接口” 调用服务，不能反向或跨层调用 | 应用层（如 HTTP）必须通过传输层（如 TCP）、网络层（如 IP）才能发送数据，无法直接操作物理层 |
| 促进标准化 | 分层后，每层的协议、接口可独立标准化，推动不同厂商设备互通 | 以太网（数据链路层标准）、IP（网络层标准）让全球设备能互联 |
3. 实体与对等层
- 实体：第n层中执行功能的活动元素（如软件模块、硬件组件）。
- 对等层：不同设备上的同一层（如主机 A 的网络层与主机 B 的网络层）。
- 对等实体：对等层中的实体（如主机 A 的 IP 模块与主机 B 的 IP 模块），通过协议实现逻辑通信。
4. 数据单元（PDU、SDU、PCI）
| 类型 | 定义 | 实例 | 关系公式 |
|---|---|---|---|
| 协议数据单元（PDU） | 对等层之间传送的完整数据单位，含 “本层控制信息 + 上层数据” | 物理层 PDU 是比特流，数据链路层是帧，网络层是分组（数据报），传输层是报文段 | n-SDU+n-PCI=n-PDU=(n−1)-SDU |
| 服务数据单元（SDU） | 层与层之间交换的 “用户数据”（即上层传递给下层的原始数据） | 传输层的 SDU 是应用层的 HTTP 报文，网络层的 SDU 是传输层的 TCP 报文段 | |
| 协议控制信息（PCI） | 本层协议的控制信息（如头部、尾部的标识、校验位等） | 以太网帧的 “MAC 地址、校验和” 是数据链路层的 PCI；IP 头部的 “源 / 目的 IP、TTL” 是网络层的 PCI |
二、计算机网络协议、接口、服务的概念
1. 协议（“水平的” 通信规则）
- 定义：网络中对等实体交换数据的规则、标准或约定。
- 三要素：
- 语法：数据与控制信息的格式、结构（如 “字段长度、编码方式”）。实例：TCP 报文段的 “源端口、目的端口、序列号” 字段格式由 TCP 语法定义。
- 语义：控制信息的含义、动作、应答逻辑（如 “收到该字段后执行什么操作”）。实例：TCP 头部的 “SYN” 位表示 “请求建立连接”，收到后需回发 “SYN+ACK”。
- 同步：操作的时序关系、执行条件（如 “先做什么、后做什么”）。实例：TCP 三次握手的时序（SYN→SYN+ACK→ACK）由同步定义。
2. 接口（层间 “逻辑门”）
- 定义：同一节点内相邻两层实体交换信息的逻辑接口，称为服务访问点（SAP）。
- 特点：仅能在紧邻层之间定义，不能跨层。
- 实例：传输层的 SAP 是端口号（如 HTTP 用 80 端口，FTP 用 21 端口），应用层通过端口号调用传输层服务。
3. 服务（“垂直的” 功能调用）
- 定义：下层为紧邻上层提供的功能调用，是 “垂直” 的依赖关系。
- 特点：
- 服务用户（上层）仅能看见服务，看不见下层协议（如 HTTP 只需知道 TCP 能传数据，无需关心 TCP 的三次握手）。
- 只有本层协议的实现，才能保证向上层提供服务（如 TCP 协议若未实现，传输层就无法给 HTTP 提供可靠传输服务）。
- 服务分类：
| 分类维度 | 类型 | 定义 | 实例 |
|---|---|---|---|
| 连接方式 | 面向连接 | 通信前需建立连接，分配资源（如缓冲区），通信后释放资源 | TCP（三次握手建立连接，四次挥手释放连接） |
| 无连接 | 无需建立连接，直接发送数据 | IP、UDP（数据包直接投递，无连接过程） | |
| 可靠性 | 可靠 | 有检错、纠错、应答机制，保证数据正确送达 | TCP（通过 ACK、重传、校验和实现可靠） |
| 不可靠 | 尽力而为，不保证数据正确 / 完整送达 | IP、UDP（仅做数据包转发，出错则丢弃） | |
| 应答方式 | 有应答 | 接收方收到数据后自动回送应答（由传输系统底层实现） | FTP 文件传输（上传后服务器自动回应答包） |
| 无应答 | 接收方收到数据后不自动应答，需高层应用实现应答逻辑 | WWW 服务（浏览器收页面后，无底层自动应答） |
三、ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型
1. OSI 参考模型（7 层，“理论化” 分层）
自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，每层功能、传输单位、关键机制如下：
| 层名 | 传输单位 | 核心功能 | 关键技术 / 设备 / 协议 |
|---|---|---|---|
| 物理层 | 比特 | 实现原始比特流在物理介质上的透明传输；定义接口的机械、电气、功能特性 | 双绞线、光纤、中继器；RS-232、以太网物理规范 |
| 数据链路层 | 帧 | 将物理层的 “不可靠连接” 改造为 “逻辑无差错链路”；实现差错控制、流量控制；封装网络层分组为帧 | 以太网帧（802.3）、PPP；网桥、交换机；CRC 校验、滑动窗口 |
| 网络层 | 分组（数据报） | 负责分组路由选择（选路到目标网络）、拥塞控制、网际互联；提供 “虚电路” 和 “数据报” 两种服务 | IP、ICMP、OSPF、RIP；路由器；IPv4/IPv6 |
| 传输层 | 报文段 | 负责进程间端到端通信；提供可靠传输、连接管理、复用 / 分用（多个应用共享传输层连接） | TCP、UDP；端口号（复用 / 分用的标识） |
| 会话层 | 会话单元 | 管理进程间会话的建立、维护、终止；通过 “检查点机制” 实现可靠会话（如断点续传） | 无特定协议（多为应用层协议集成该功能）；FTP 断点续传 |
| 表示层 | 表示数据 | 处理信息的表示方式（如编码转换、数据压缩、加密 / 解密），使不同系统能互通 | ASCII/Unicode 编码转换；SSL 加密；ZIP 压缩 |
| 应用层 | 应用数据 | 用户与网络的接口，提供各类应用协议，满足特定网络应用需求 | HTTP、DNS、SMTP、FTP、Telnet |
2. TCP/IP 模型（4 层，“实用化” 分层）
自下而上依次为网络接口层、网际层、传输层、应用层，每层功能与 OSI 的对应关系如下：
| 层名 | 对应 OSI 层 | 传输单位 | 核心功能 | 关键协议 / 技术 |
|---|---|---|---|---|
| 网络接口层 | 物理层 + 数据链路层 | 帧 / 比特 | 负责 IP 分组与物理网络的交互（如以太网、令牌环网的适配）；未定义具体协议，由物理网络决定 | 以太网、PPP；网桥、交换机 |
| 网际层 | 网络层 | IP 数据报 | 负责分组选路、网际互联，提供 “无连接不可靠” 的 IP 数据报服务 | IP（IPv4/IPv6）、ICMP、ARP；路由器 |
| 传输层 | 传输层 | 报文段 / 用户数据报 | 提供端到端通信，支持 “面向连接可靠”（TCP）和 “无连接不可靠”（UDP）两种服务 | TCP、UDP；端口号 |
| 应用层 | 会话层 + 表示层 + 应用层 | 应用数据 | 集成会话、表示层功能，提供各类应用协议 | HTTP、DNS、SMTP、FTP、Telnet、RTP |
3. 两者对比（OSI vs TCP/IP）
| 维度 | OSI 参考模型 | TCP/IP 模型 |
|---|---|---|
| 分层数量 | 7 层（物理、数据链路、网络、传输、会话、表示、应用） | 4 层（网络接口、网际、传输、应用） |
| 模型与协议的关系 | 先有模型，后设计协议（理论驱动） | 先有协议（如 ARPANET 的 TCP/IP），后总结模型（实践驱动） |
| 服务 / 协议 / 接口 | 明确定义 “服务、协议、接口” 三者的边界 | 未明确区分，协议即模型的体现 |
| 层功能合并 | 会话、表示层独立存在 | 会话、表示层功能合并到应用层 |
| 网络层服务 | 支持 “无连接（数据报）” 和 “面向连接（虚电路）” | 仅支持 “无连接（IP 数据报）” |
| 传输层服务 | 仅支持 “面向连接（可靠）” | 支持 “面向连接（TCP）” 和 “无连接（UDP）” |
| 实用性 | 过于理论化，实际部署少 | 全球广泛部署，是 “事实上的标准” |
四、协议栈通信过程（以 “HTTP 请求” 为例）
用户在浏览器中输入网址，数据会经历 **“逐层封装→传输→逐层拆封”** 的过程：
-
应用层封装：
- 应用层生成HTTP 请求报文（如 “GET /index.html HTTP/1.1”），这是应用层 SDU。
- 加上应用层 PCI（如 HTTP 头部的 “Host、User-Agent”），形成应用层 PDU（完整 HTTP 请求）。
-
传输层封装：
- 应用层 PDU 作为传输层 SDU，交给传输层（如 TCP）。
- 加上 TCP 头部（传输层 PCI，如 “源端口（随机）、目的端口（80）、序列号、SYN 位”），形成TCP 报文段（传输层 PDU）。
-
网络层封装：
- TCP 报文段作为网络层 SDU，交给网络层（IP）。
- 加上 IP 头部（网络层 PCI，如 “源 IP、目的 IP、TTL、协议类型（TCP）”），形成IP 数据报（网络层 PDU）。
-
数据链路层封装：
- IP 数据报作为数据链路层 SDU，交给数据链路层（如以太网）。
- 加上以太网头部（如 “源 MAC、目的 MAC”）和尾部（如 “CRC 校验”），形成以太网帧（数据链路层 PDU）。
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物理层传输：以太网帧被转换为比特流，通过网线、光纤等物理介质传输。
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接收方拆封（逆向过程）：
- 物理层将比特流还原为以太网帧，数据链路层校验并拆帧，提取 IP 数据报。
- 网络层拆 IP 数据报，提取 TCP 报文段；传输层拆 TCP 报文段，提取 HTTP 请求。
- 应用层解析 HTTP 请求，最终交给服务器的 Web 服务处理。
五、总结
计算机网络体系结构采用分层设计原则，包括OSI七层模型和TCP/IP四层模型。分层通过定义各层功能、协议和接口降低系统复杂度，实现标准化。网络通信涉及协议（对等层通信规则）、接口（层间交互点）和服务（下层对上层功能支持）。数据在协议栈中经历逐层封装（添加头部控制信息）和拆封过程，如HTTP请求从应用层到物理层的完整传输流程。TCP/IP模型因实际应用广泛成为事实标准，而OSI模型更偏向理论指导。理解分层结构、协议数据单元(PDU)转换机制及模型差异是掌握网络通信原理的关键。