计算机网络的体系结构及分层模型

   在万兆环网等各种信息化项目及现在工业控制中，网络已经成为其重要的结构，所以我们应了解一下网络体系结构，以更好的在项目建设中理解其功能结构模型体系。

计算机网络协议体系结构的基本思想是：在计算机网络的设计中，采用分层次的设计方法，使互相通信的两个计算机之间达到高度协调。网络体系结构规定了同层进程通信的协议，以及相邻层之间的接口及服务。这些层次结构、同层进程间通信的协议，以及相邻层之间的接口统称为网络体系结构。

网络体系结构仅仅是人们对于网络功能的描述，这些功能的实现要通过具体的硬件和软件来完成，因此。也可以认为网络体系结构是网络层次结构模型和各层次协议的集合。

一、计算机网络体系结构的分层原理及网络协议概念

一个功能完备的计算机网络需要制定一套复杂的协议集，采用分层次结构是最为有效的组织方法，这样可以将复杂的问题分解为若干较为简明且有利于处理的问题。

1、分层原理 在分层结构中，一个层次完成一项相对独立的功能，在层次之间设置通信接口。在一个N层结构中，第N层是第N-1层的用户，又是N+1层的服务提供者。第N+1层直接使用了第N层提供的服务，但实际上他通过第N层还间接地使用了第N-1层以及以下所有各层提供的服务。

采用层次结构的优点在于每层实现的功能是相对独立的。实现每层功能的软件在保证实现层间接口功能的基础上，可以独立设计、调试，这样各层的软件开发可以并行进行，也进一步保证了软件设计的质量。某一层的功能发生变化或需要更新时，只要接口功能不变，都不会对其他各层产生影响，软件维护也比较方便。

计算机网络中的层次结构一般都是以垂直分层模型来表示。有几个要点，

（1）服务访问点（Service Access Point,SAP）:两个层次之间通过SAP 进行通信。第N层通过N-SAP向第N+1层实体提供服务，第N+1层实体通过N-SAP向第N层实体请求服务。

（2）服务原语（Primitive）:服务的请求与提供是通过在SAP上发送或者接收服务原语来实现的。

（3）协议（Protocol）:不同系统的对等层之间为了完成本层的功能而必须遵循的通信规则和约定。

2、层次划分原则

（1）各层功能明确。即每一层的划分都应有明确的、与其他层不同的基本功能。这样在某层的具体实现方法或者功能发生变化时，只要保持与上层、下层的接口不变，就不会对其他各层产生影响。

（2）层间界面接口清晰。建立分层边界时，尽量减少跨过接口的通信量。

（3）层数适中。层数如果足够多，可以避免不同的功能混杂在同一层中：但也不能太多，否则体系结构会过于庞大，增加各层服务的开销。

网络中各节点都具有相同的层次，不同节点的同等层具有相同的功能。

3、计算机网络协议的概念

网络协议是为同等层实体之间的通信制定的有关通信规则的集合。网络协议包括三个要素：语义、语法、同步。

二、计算机网络分层模型

现有两种具体的网络分层参考模型学习：

第一种，OSI模型，即开放式通信系统互联参考模型(open system interconnection)，是国际标准化组织(iso)提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架，简称OSI。第二种,TCP/IP模型，传输控制协议/网际协议。是一种常用的网络通信协议。

OSI的层次划分：OSI将计算机网络体系结构(architecture)划分为以下七层：

1、物理层  physical layer

2、数据链路层  data link layer

3、网络层  network layer

4、传输层  transport layer

5、会话层  session layer

6、表示层  presentation layer

7、应用层 application layer

它和我们常用的TCP/IP的协议层有些相似，TCP/IP把1和2封装为一层，3和4还是独立的层，5和6和7封装成为一层，也就是说TCP/IP只有四层，现具体说一下7层的具体意义。

在这里我将假设一个场景，那就是把要传输数据的一方视为某个公司的经理，网络传输被视为这个经理要把一件事情告诉另一个公司的经理。

网络的a端：

1、应用层：a公司经理把他想要告诉b公司经理的事情用嘴讲了出来。

2、表示层：秘书就把a公司经理说的事情翻译成为英文然后写在了纸上。

3、会话层：行政的职员把秘书写的这封信，装到了信封封装好了，写上了信封的信息。

4、传输层：a邮局的职工把这封信取走。

5、网络层：a邮局的分派的职工，把这封信分派到指定送信区域。

6、数据链路层：a邮局的装箱的职工，就把一同送往这个区域的信封装到一个木箱子里，然后送到a邮局物流站。

7、物理层：a邮局的物流职工把木箱运到铁路

这里的铁路就是网络连接物理介质

网络的b端：

7、物理层：b邮局的物流职工把木箱从铁路运到邮局的物流站。

6、数据链路层：b邮局的拆箱的职工把物流站的木箱拆箱然后把所有的信件取出来。

5、网络层：b邮局的分派的职工，把这封信分派到指定送信区域。

4、传输层：b邮局的职工把这封信送到b公司。

3、会话层：b公司行政的职员把公司的信件整理并且拆封信件（假设这是公司允许的情况下）并送到各自部门的秘书手里。

2、表示层：b公司秘书把信上的英文翻译成为中文。

1、应用层：b公司经理听秘书转述给他这封信的内容。

到此为止一个完整的通过这7层的网络通讯顺利完成。接下来我将用技术术语并结合TCP/IP中的应用再描述一遍这7层协议。

1）应用层：与其他计算机进行通讯的一个应用，它是对应应用程序的通信服务的。例如，一个没有通信功能的字处理程序就不能执行通信的代码，从事字处理工作的程序员也不关心osi的第7层。但是，如果添加了一个传输文件的选项，那么字处理器的程序员就需要实现osi的第7层。示例：telnet,http,ftp,www,nfs,smtp等。

（2）表示层：这一层的主要功能是定义数据格式及加密。例如，ftp允许你选择以二进制或asii格式传输。如果选择二进制，那么发送方和接收方不改变文件的内容。如果选择asii格式，发送方将把文本从发送方的字符集转换成标准的asii后发送数据。在接收方将标准的asii转换成接收方计算机的字符集。示例：加密，asii等。

（3）会话层：他定义了如何开始、控制和结束一个会话，包括对多个双向小时的控制和管理，以便在只完成连续消息的一部分时可以通知应用，从而使表示层看到的数据是连续的，在某些情况下，如果表示层收到了所有的数据，则用数据代表表示层。示例：rpc，sql等。

（4）传输层：这层的功能包括是否选择差错恢复协议还是无差错恢复协议，及在同一主机上对不同应用的数据流的输入进行复用，还包括对收到的顺序不对的数据包的重新排序功能。示例：tcp，udp，spx。

（5）网络层：这层对端到端的包传输进行定义，他定义了能够标识所有结点的逻辑地址，还定义了路由实现的方式和学习的方式。为了适应最大传输单元长度小于包长度的传输介质，网络层还定义了如何将一个包分解成更小的包的分段方法。示例：ip,ipx等。

（6）数据链路层：他定义了在单个链路上如何传输数据。这些协议与被讨论的各种介质有关。示例：atm，fddi等。

（7）物理层：osi的物理层规范是有关传输介质的特性标准，这些规范通常也参考了其他组织制定的标准。连接头、针、针的使用、电流、电流、编码及光调制等都属于各种物理层规范中的内容。物理层常用多个规范完成对所有细节的定义。示例：rj45，802.3等。

说完第一种，然后简单讲TCP/IP模型，TCP/IP并不完全符合OIS的 7层参考模型。而是4层结构，每一层都使用它的下一层所提供的服务来完成本层的功能。这4层从下往上依次是网络接口层、网络层、传输层和应用层。

（1）网络接口层：这是TCP/IP模型的最低层，负责对实际的网络媒体进行管理，接受IP数据报并通过网络将其发送出去。

（2）网络层（因特网层）：负责数据的转发和路由选择，保证数据报到达目的主机。

（3）传输层：负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。

（4）应用层：向用户提供一组常用的应用程序。