网络分层与体系结构

网络分层与OSI七层模型

协议与分层

网络协议

• 网络协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

协议三要素

分层式协议的优势

• 模块化设计：复杂问题分解为局部问题
• 接口标准化：层间接口明确，易于实现和维护
• 技术独立性：各层可独立演进

各层的主要功能

• 差错控制：确保通信可靠性
• 流量控制：匹配发送与接收速率
• 分段和重装：处理不同MTU的数据块
• 复用和分用：多个高层会话共享底层连接
• 连接管理：建立和释放逻辑连接

体系结构 vs 实现

OSI七层体系结构

┌─────────────────────────────┐ │ 应用层 (Application) │ ← 用户接口、应用程序服务。网络服务与最终用户的一个接口 ├─────────────────────────────┤ │ 表示层 (Presentation) │ ← 数据格式转换、加密解密。数据的表示、安全、压缩 ├─────────────────────────────┤ │ 会话层 (Session) │ ← 会话管理、同步控制。建立、管理、中止会话 ├─────────────────────────────┤ │ 传输层 (Transport) │ ← 端到端连接、可靠性。定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验 ├─────────────────────────────┤ │ 网络层 (Network) │ ← 路径选择、IP寻址。进行逻辑地址寻址、差错校验等功能 ├─────────────────────────────┤ │ 数据链路层 (Data Link) │ ← 帧传输、MAC寻址。建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能 ├─────────────────────────────┤ │ 物理层 (Physical) │ ← 比特流传输、电气特性。建立、维护、断开物理连接 └─────────────────────────────┘

TCP/IP及层体结构

TCP/IP四层体系结构

┌─────────────────────────────────────┐ │ 应用层 │ │ (HTTP, SMTP, DNS, FTP, SSH...) │ ├─────────────────────────────────────┤ │ 传输层 │ │ (TCP, UDP, SCTP) │ ├─────────────────────────────────────┤ │ 网际层 │ │ (IP, ICMP, IGMP) │ ├─────────────────────────────────────┤ │ 网络接口层 │ │ (以太网, WiFi, PPP, ARP, 硬件驱动) │ └─────────────────────────────────────┘

• 是事实上的国际标准
• 实质上TCP/IP只有最上面的三层，最下面的网络接口层（链路层）并没有具体内容
• 链路层所使用的各种局域网标准是由IEEE的802委员会下属的各工作组负责制定的

TCP/IP设计特点

• 沙漏模型：IP层作为"腰部"，统一了底层多种网络技术
• 端到端原则：网络核心简单，智能在边缘
• 实际现状：
  • TCP/IP是事实上的国际标准
  • 网络接口层依赖IEEE 802等标准
  • 某些应用可直接使用IP层或网络接口层

路由器的工作层次

主机A → [应用层|传输层|网际层|网络接口层] ↓ 路由器 → [网际层|网络接口层] ↓ 主机B → [应用层|传输层|网际层|网络接口层]

TCP/IP五层体系结构

┌─────────────────────────────────────┐ │ 应用层 │ ← 报文(Message) ├─────────────────────────────────────┤ │ 传输层 │ ← 段(Segment)/数据报(Datagram) ├─────────────────────────────────────┤ │ 网络层 │ ← 分组(Packet)/数据报(Datagram) ├─────────────────────────────────────┤ │ 数据链路层 │ ← 帧(Frame) ├─────────────────────────────────────┤ │ 物理层 │ ← 比特(Bit) └─────────────────────────────────────┘

各层功能详解

应用层

• 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
• 协议：定义的是应用进程间通信和交互的规则。把应用层交互的数据单元称为报文(message)
• 例如：DNS，HTTP，SMTP

传输层

• 任务：为两台主机中的进程提供通用的数据传输服务
• 核心功能：复用（多应用共享网络）和分用（数据分发到正确应用）
• 主要使用两种协议： 传输控制协议 TCP和 用户数据报协议 UDP
  • TCP：
    • 特点：面向连接、可靠、字节流传输
    • 数据单元：报文段(Segment)
    • 适用场景：文件传输、Web浏览、远程登录
  • UDP：
    • 特点：无连接、尽最大努力交付、数据报传输
    • 数据单元：用户数据报(Datagram)
    • 适用场景：DNS查询、音视频流、物联网传感器数据

网络层

• 任务：为分组交换网上的不同主机提供通信服务
• 两个核心子任务：
  • 路由选择：生成转发表（路由协议：RIP, OSPF, BGP）
  • 分组转发：根据转发表转发数据
• 核心协议：IP协议（网际协议）
• 数据单元：IP数据报/分组

数据链路层

• 任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信
• 数据单元：帧(Frame)
• 关键协议：
  • 以太网（IEEE 802.3）：有线网络
  • WiFi（IEEE 802.11）：无线网络
  • PPP：串行链路
  • ARP：IP地址到MAC地址的解析
• 差错处理策略：
• 简单丢弃：发现错误直接丢弃帧（常见）
• 可靠传输：使用协议纠正差错（复杂，资源消耗大）

物理层（Physical Layer）

• 任务：实现比特（0/1）的传输
• 关注点：
  • 电气特性：电压、频率
  • 机械特性：接口形状、引脚数
  • 功能特性：引脚功能定义
  • 规程特性：时序关系
  • 物理媒体：双绞线、同轴电缆、光纤、无线信道等

数据封装与解封装过程

发送端（封装过程）： 应用层数据 → 添加传输层头部 → 添加网络层头部 → 添加链路层头部/尾部 → 比特流 接收端（解封装过程）： 比特流 → 去除链路层头部/尾部 → 去除网络层头部 → 去除传输层头部 → 应用层数据