【计算机网络】第1章：概述—协议层次及服务模型

一、协议层次

网络是一个复杂的系统！

网络功能繁杂：数字信号的物理信号承载、点到点、路由、rdt、进程区分、应用等
现实来看，网络的许多构成元素和设备:
- 主机
- 路由器
- 各种媒体的链路
- 应用
- 协议
- 硬件，软件

问题是： 如何组织和实现这个复杂的网络功能？

例子1: 现实生活中的例子：航线系统

例子2: 两位异地哲学家的交流

航线的功能层次

层次化方式实现复杂网络功能:

将网络复杂的功能分层功能明确的层次，每一层实现了其中一个或一组功能，功能中有其上层可以使用的功能：服务
本层协议实体相互交互执行本层的协议动作，目的是实现本层功能，通过接口为上层提供更好的服务
在实现本层协议的时候，直接利用了下层所提供的服务
本层的服务：借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能（上层可以利用的）+ 更下层所提供的服务

二、服务模型

服务和服务访问点

服务 (Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力
- 服务用户 (service user)
- 服务提供者 (service provider)
原语 (primitive)：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行交互的 --- 形式
服务访问点 SAP (Services Access Point) ：上层使用下层提供的服务通过层间的接口 --- 地点；
- 例子：邮箱
- 地址 (address)：下层的一个实体支撑着上层的多个实体，SAP 有标志不同上层实体的作用
- 可以有不同的实现，队列
- 例子：传输层的 SAP: 端口 (port)

服务的类型

面向连接的服务和无连接的服务 - 方式
- 面向连接的服务 (Connection-oriented Service)
  - 连接 (Connection)：两个通信实体为进行通信而建立的一种结合
  - 面向连接的服务通信的过程：建立连接，通信，拆除连接
  - 面向连接的服务的例子：网络层的连接被成为虚电路
  - 适用范围：对于大的数据块要传输；不适合小的零星报文
  - 特点：保序
  - 服务类型:
    - 可靠的信息流传送页面 (可靠的获得，通过接收方的确认)
    - 可靠的字节流远程登录
    - 不可靠的连接数字化声音

面向连接的服务和无连接的服务

无连接的服务 (Connectionless Service)
- 无连接服务：两个对等层实体在通信前不需要建立一个连接，不预留资源；不需要通信双方都是活跃；(例：寄信)
- 特点：不可靠、可能重复、可能失序
- IP 分组，数据包；
- 适用范围：适合传送零星数据；
- 服务类型：
  - 不可靠的数据报电子方式的函件
  - 有确认的数据报挂号信
  - 请求回答信息查询

服务与协议的区别

服务 (Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，是通过原语 (primitive) 来操作的，垂直
协议 (protocol) ：对等层实体 (peer entity) 之间在相互通信的过程中，需要遵循的规则的集合，水平

服务与协议的联系

本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现
本层实体通过协议为上层提供更高级的服务

分层处理和实现复杂系统的好处？

对付复杂的系统

概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系

分层参考模型

结构化：模块化更易于维护和系统升级

改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次

对于其他层次而言是透明的

如改变登机程序并不影响系统的其它部分

改变 2 个秘书使用的通信方式不影响 2 个翻译的工作

改变 2 个翻译使用的语言也不影响上下 2 个层次的工作

分层思想被认为有害的地方？

五层模型

应用层 : 网络应用
- 为人类用户或者其他应用进程提供网络应用服务
- FTP, SMTP, HTTP,DNS
传输层 : 主机之间的数据传输
- 在网络层提供的端到端通信基础上，细分为进程到进程，将不可靠的通信变成可靠地通信
- TCP, UDP
网络层 : 为数据报从源到目的选择路由
- 主机主机之间的通信，端到端通信，不可靠
- IP, 路由协议
链路层 : 相邻网络节点间的数据传输
- 2 个相邻 2 点的通信，点到点通信，可靠或不可靠
- 点对点协议 PPP, 802.11 (wifi), Ethernet
物理层: 在线路上传送 bit

ISO/OSI 参考模型

表示层：允许应用解释传输的数据，e.g.，加密，压缩，机器相关的表示转换
会话层：数据交换的同步，检查点，恢复
互联网协议栈没有这两层！
- 这些服务，如果需要的话，必须被应用实现
- 需要吗？

各层次的协议数据单元

应用层：报文 (message)

传输层：报文段 (segment)：TCP 段，UDP 数据报

网络层：分组 packet（如果无连接方式：数据报 datagram）

数据链路层：帧 (frame)

物理层：位 (bit)

三、总结

（一）协议分层核心概念

1. 分层目的

解耦设计：各层独立变化，互不影响
模块化开发：分层实现与测试
标准化接口：层间通过明确定义的接口通信
抽象封装：下层对上层隐藏实现细节

2. 关键分层模型

OSI 七层模型	TCP/IP 四层模型	核心功能
7. 应用层(Application)	4. 应用层	用户接口（HTTP, FTP, SMTP）
6. 表示层(Presentation)	(合并至应用层)	数据加密/压缩/编码转换
5. 会话层(Session)	(合并至应用层)	建立/管理/终止会话
4. 传输层(Transport)	3. 传输层	端到端连接（TCP, UDP）
3. 网络层(Network)	2. 网络层	寻址和路由（IP, ICMP）
2. 数据链路层(Data Link)	1. 网络接口层	介质访问控制（MAC, ARP）
1. 物理层(Physical)	(包含在网络接口层)	比特流传输（电缆, 光纤, 无线电）

模型对比：TCP/IP 模型更贴近实际协议栈，OSI 模型更具理论指导性

（二）核心协议层次详解

1. 应用层（Application Layer）

功能：提供用户可直接使用的网络服务
关键协议 ：
- HTTP/HTTPS：Web 通信
- FTP：文件传输
- SMTP/POP3/IMAP：电子邮件
- DNS：域名解析
- SSH：安全远程登录

2. 传输层（Transport Layer）

特性	TCP（传输控制协议）	UDP（用户数据报协议）
连接性	面向连接（三次握手）	无连接
可靠性	可靠传输（ACK/重传）	不可靠传输
流量控制	滑动窗口机制	无
拥塞控制	AIMD、慢启动等算法	无
数据单元	分段（Segments）	数据报（Datagrams）
典型应用	Web、Email、文件传输	视频流、DNS、VoIP

3. 网络层（Network Layer）

核心功能 ：
- 逻辑寻址（IP地址）
- 路由选择（OSPF, BGP, RIP）
- 分组转发
- 拥塞控制
关键协议 ：
- IPv4/IPv6：互联网协议
- ICMP：错误报告（如ping）
- ARP：IP→MAC地址解析
- IGMP：组播管理

4. 数据链路层（Data Link Layer）

核心功能 ：
- 物理寻址（MAC地址）
- 帧封装与解封装
- 差错检测（CRC校验）
- 介质访问控制（MAC）
子层划分 ：
- LLC（逻辑链路控制）：帧同步/流量控制
- MAC（介质访问控制）：控制物理介质访问（如CSMA/CD）
典型协议：PPP, Ethernet (IEEE 802.3), Wi-Fi (IEEE 802.11)

5. 物理层（Physical Layer）

核心功能 ：
- 比特流传输
- 定义电气/机械特性
- 比特同步
- 传输模式（单工/半双工/全双工）
传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波
关键概念：调制解调、码元速率、带宽

（三）服务模型（Service Models）

1. 面向连接 vs 无连接

特性	面向连接服务（如TCP）	无连接服务（如UDP）
建立连接	需要显式连接建立	无需预先连接
可靠性	保证数据按序到达	不保证可靠性
流量控制	支持	不支持
路径	固定路径传输	独立路由每个分组
适用场景	文件传输、关键数据	实时应用、广播

2. 服务质量（QoS）参数

带宽：单位时间数据传输量
时延：数据包从发送到接收的时间
抖动：时延变化程度
丢包率：传输中丢失的数据包比例
吞吐量：实际成功传输的数据量

3. 典型服务模型实现

TCP服务模型 ：
- 可靠字节流传输
- 拥塞感知的速率控制
- 全双工通信
IP服务模型 ：
- 尽力而为（Best-Effort）服务
- 无可靠性保证
- 支持分片与重组

（四）分层交互关键机制

封装与解封装 ：

应用层数据 → 传输层头部(TCP/UDP) → 网络层头部(IP) → 数据链路层头部/尾部 → 物理层比特流
多路复用/解复用：

传输层通过端口号区分应用
网络层通过协议字段区分传输协议

分层寻址：

应用层：域名（www.example.com）
传输层：端口号（80, 443）
网络层：IP地址（192.168.1.1）
数据链路层：MAC地址（00:1A:C2:7B:00:47）

（五）分层设计优势总结

降低复杂性：各层只需关注自身功能实现
促进标准化：每层可独立制定标准（如IEEE 802系列）
技术兼容性：下层技术升级不影响上层（如以太网→光纤）
故障隔离：易于定位和解决特定层次的问题
灵活替换：可替换单层实现（如IPv4→IPv6过渡）

（六）核心协议对比表

层级	协议	特点	应用场景
应用层	HTTP	无状态，超文本传输	网页浏览
	FTP	文件传输	文件上传/下载
	DNS	UDP为主，域名解析	域名到IP地址映射
传输层	TCP	可靠、面向连接	网页加载、文件传输
	UDP	不可靠、无连接	视频流、DNS查询
网络层	IP	无连接，分组独立传输	跨网络通信
	ICMP	网络诊断	`ping`、`traceroute`
数据链路层	ARP	IP地址映射到MAC地址	局域网内通信

完结撒花🎉