02 网络模型

任务分层

本节讨论的主题

发送方，接收方和载体 Sender, Receiver, and Carrier 层次结构 Hierarchy

在日常生活中，我们使用分层的概念。例如，两个好朋友通过发送邮件来进行通信，如果没有邮局所提供的服务，那么两个人的通信过程会非常的复杂。

发送信件所包含的任务

理解协议的分层

网购协议：甲方、乙方、商品、流程、顺序

快递协议：收件人、寄件人信息、物品信息——向网购协议提供服务

理解协议

网络协议的三要素

为网络中数据交换而制定的规则、约定与标准称为协议。协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及报文的发送/接收或其他事件所采取的操作。

• 语法：规定用户数据与控制信息的结构与格式。
• 语义：定义需要发出何种控制信息，以及完成的动作与响应。
• 时序：对事件实现顺序的详细说明。

OSI 模型

本节讨论的主题

• 分层结构 Layered Architecture
• 对等进程 Peer-to-Peer Processes
• 封装 Encapsulation

• 国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）成立于 1947 年，它是一个致力于在全世界范围内建立统一国际化标准的多国组织。
• 一个包含网络通信的 ISO 标准是开放系统互联模型（Open System Interconnection , OSI），它最初形成于上世纪 70 年代。

OSI 参考模型的定义

• 体系结构（Architecture）：OSI 参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系，以及各层可能提供的服务。它作为一个框架来协调与组织各层协议的制定，也是对网络内部结构的精炼概括与描述。
• 服务定义（Service Definition）：OSI 参考模型的服务定义详细说明了各层所提供的服务。某层提供的服务是指该层及以下各层的一种能力，这种服务通过接口提供给相邻高层。各层提供的服务与这些服务的具体实现无关。
• 协议说明（Protocol Specification）：在 OSI 参考模型的范围内，只要各种协议是可以实现的，各种产品只要遵循 OSI 的协议就可以互连。也就是说，OSI 参考模型并不是一个标准，而是一种在制定标准时使用的概念性框架。

邮政系统和计算机网络的相似点

• 层次（Layer）是处理复杂问题的基本方法。将要实现的功能分配在不同层次，对每个层次的功能及实现流程有明确规定。高层使用低层提供的服务时，无需知道低层服务的实现方法。
• 接口（Interface）是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点。同一结点的相邻层之间存在明确规定的接口，低层通过接口向高层提供服务。低层功能的实现方法与技术的变化不会影响整个系统。
• 网络体系结构（Network Architecture）是网络层次结构模型与各层协议的集合。各层之间相对独立，高层只需知道下层能提供的服务，而无需知道低层的服务如何实现。每层的功能与提供的服务都已有精确说明，这有利于促进协议的标准化。

OSI 模型的结构

OSI 参考模型采用典型的分层结构。每层是一个模块，用于执行某种基本功能，并具有一套相应的协议。OSI 划分层次的原则是：

• 各结点都具有相同的层次。
• 不同结点的同等层具有相同的功能。
• 同一结点内相邻层之间通过接口通信。
• 每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。
• 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。

OSI 七层模型

以下是进一步详细的表格描述：

层次	英文	功能
物理层	Physical	负责网络硬件的实际连接和信号传输，定义接口特性、传输介质和信号类型。包括电压电平、脉冲调制、数据速率、物理拓扑（如总线、环形、星型）、接插件类型等细节。支持二进制数据比特在设备间以电信号、光信号或无线信号形式的传输。
数据链路层	Data Link	提供设备间可靠的数据帧传输，负责将物理层的比特流划分为数据帧。支持帧同步、错误检测与纠正、重发机制、流量控制等功能。分为逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层，用于管理不同协议的通信以及在共享介质上的冲突检测与避免（如 CSMA/CD）。
网络层	Network	实现数据的寻址、路由和转发，确保数据包可以通过多个网络到达目的地。提供逻辑地址（如 IP 地址）管理、路由选择协议（如 OSPF、BGP）、流量管理（如 QOS），并处理拥塞控制、分段和重组等操作。支持跨网关的数据包传输。
传输层	Transport	确保应用之间的端到端通信，管理数据传输的可靠性和顺序性。提供传输协议（如 TCP/UDP）支持，处理分段与重组、错误检测与纠正、数据重传机制、流量控制和端口地址管理（如应用标识）。TCP 提供可靠的连接，UDP 提供快速但不可靠的服务。
会话层	Session	负责建立、管理和终止会话，确保双向通信的协调。支持会话同步（如标记断点以便恢复）、对话组织（如全双工或半双工模式）和权限管理。提供检查点机制，以防止长时间传输中的数据丢失。
表示层	Presentation	处理数据的格式化和表示形式，确保数据在不同系统之间的兼容性。支持字符集翻译（如 Unicode 与 ASCII 转换）、数据压缩和解压缩（如图像或视频数据）、数据加密和解密（如 TLS/SSL），以提高数据传输的效率和安全性。
应用层	Application	直接面向用户，提供网络服务的接口。支持具体应用程序协议（如 HTTP 用于浏览网页、FTP 用于文件传输、SMTP 用于电子邮件）。负责服务请求与响应的处理，支持用户认证、资源访问、数据显示等功能。实现网络功能和用户需求的对接，例如浏览网页、发送邮件、文件下载等操作。

OSI 模型层次间的相互作用

相邻两层之间的接口是服务访问点 SAP

使用 OSI 模型传输过程

H2：封装 encapsulation，H3：头部 Header，T2：尾部 Trailer

OSI 环境中的数据传输过程

OSI 模型的各个层

在本节简要介绍 OSI 模型的各层的功能。

本节讨论的主题

• 物理层
• 数据链路层
• 网络层
• 传输层
• 会话层
• 表示层
• 应用层

物理层

• 物理层包含在物理介质上传输位流所需的功能，定义了接口与传输介质的机械和电气特性。
• 物理层负责位从一跳（节点）到另一跳（节点）的传递。

• 传输的是透明比特流
• 位的表示
• 数据速率
• 位同步
• 线路配置
• 拓扑结构
• 传输方式

数据链路层

• 数据链路层将物理层的数据无差错地传递给网络层。
• 数据链路层负责帧从一跳（节点）到下一跳（节点）传递。

• 成帧
• 物理寻址
• 流量控制
• 差错控制
• 访问控制

跳到跳的传递

网络层

• 网络层负责将各个分组从源地址传递到目的地址。

• 逻辑寻址
• 路由选择

源到目的传递

传输层

• 传输层负责一个报文从一个进程到另一个进程的传递。

• 服务访问点 SAP/端口 Port
• 分段 Segment 和组装
• 连接控制
• 流量控制
• 差错控制

一个报文在进程间的可靠传递

会话层

• 会话层负责对话控制和同步。

• 对话控制
• 同步
• Session 经常在套接字中使用

表示层

• 表示层负责翻译、加密和压缩数据。

• 翻译：语义与语法的转换
• 加密
• 压缩

应用层

• 应用层负责向用户提供服务。

• 向用户提供服务
• 虚拟终端
• FTP
• E-MAIL
• Directory 服务

各层功能的总结

TCP/IP 协议族

• TCP/IP 协议族 是在 OSI 模型之前所开发的，因此 TCP/IP 协议族的各层并不与 OSI 模型的各层严格对应。TCP/IP 协议族被定义为四个层次：主机到网络层，互联网层，传输层和应用层。
• 然而，当 TCP/IP 与 OSI 模型进行比较的时候，可以说 TCP/IP 协议族有五层：物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层。

本节讨论的主题

• 物理层和数据链路层
• 网络层
• 传输层
• 应用层

TCP/IP 参考模型的层次结构

• TCP/IP 是互联网中重要的通信规程，规定了计算机之间通信使用的命令与响应、PDU 格式、相应的动作等。
• TCP/IP 的主要特点：
  • 开放的协议标准；
  • 独立于特定的计算机硬件与操作系统；
  • 独立于特定的网络硬件；
  • 它拥有统一的网络地址分配方案；
  • 使用标准化的应用层协议。

TCP/IP 和 OSI 模型

流控制传输协议 SCTP（STREAM CONTROL TRANSMISSION PROTOCOL）是 IETF 新定义的一个传输层协议（2000 年）

PDUs(Protocol Data Unit) in TCP/IP

• 协议数据单元 PDU 是指对等层次之间传递的数据单位。
• 物理层的 PDU 是数据位（bit），数据链路层的 PDU 是数据帧（frame），网络层的 PDU 是数据包/数据报（packet），传输层的 PDU 是数据段（segment），其他更高层次的 PDU 是数据（data）。

Some Protocols in TCP/IP Suite

TCP/IP Concepts

寻址

TCP/IP 协议簇的应用网络中使用 4 层地址：物理地址、逻辑地址、端口地址和专用地址。

本节讨论的主题

• 物理地址 Physical Addresses
• 逻辑地址 Logical Addresses
• 端口地址 Port Addresses
• 专用地址 Specific Addresses

TCP/IP 中的地址

TCP/IP 协议中的各层与地址的关系

物理地址

• 物理地址，也称链路地址、硬件地址、MAC 地址，是局域网或广域网定义的节点地址。
• 它包含在数据链路层的帧中，是最低级的地址。其长度和格式是可变的，与网络有关。
• 通常以太网使用 6 个字节（48 位）物理地址，在网络接口卡上标明。

• 物理地址为 10 的节点向物理地址为 87 的节点发送了一个帧，这两个节点通过链路相连接（总线结构局域网）。
• 物理地址为 10 的计算机是发送方，物理地址为 87 的计算机是接收方。

• 大多数的局域网使用 48 位（6 个字节）的物理地址，这个物理地址被写成 12 个十六进制的数字；每个字节（2 个十六进制数）用冒号分开。
• 例如：07:01:02:01:2C:4B 6 个字节 (12 个十六进制) 物理地址。

IP 地址

• 下图显示了由两个路由器连接三个局域网的互联网的一部分。为了相互的连接，每个设备（计算机或者路由器）都有一对地址（物理地址和逻辑地址）。
• 在下面的例子中，每台计算机只与一个链路相连，因此只有一对地址。然而，每个路由器和三个网络相连（在图中只显示了两个）。因此每个路由器有三对地址，一对地址对应一个连接。

跳到跳时物理地址将改变，但逻辑地址保持不变。

端口地址

• 下图表示两台计算机通过网络进行通信。
• 发送方计算机有三个进程正在进行，分别使用端口 a，b，c。同时，接收方计算机有两个进程正在进行，端口地址分别是 j 和 k。
• 在发送方计算机中的进程 a 需要和在接收方计算机的进程 j 进行通信。
• 尽管从跳到跳物理地址会改变，但是逻辑地址和端口地址从源地址到目的地址均保持不变。

• 16 位的端口地址是用十进制数所表示。
• 例如：753：一个 16 位端口地址被表示成一个数字。

专用地址

• 有些面向用户的应用被设计为专用地址。
• 如电子邮件地址和统一资源定位符 URL。电子邮件地址定义邮件收发人，统一资源定位符用于在万维网中寻找一个文档。这些地址由发送计算机转换成对应的端口地址和逻辑地址。