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現代電腦網路體繫結構 ---中國科學技術大學軟體學院 謝傳芳電腦網路就是一組通過一定形式串連起來的電腦系統，它需要四個要素的支援，即通訊線路和通訊裝置、有獨立功能的電腦、網路軟體的支援、能實現資料通 信與資源共用。電腦網路具有兩大參考模型，分別為OSI模型和TCP/IP模型，其中OSI模型為理論模型，而TCP/IP模型則已成為互連網事實的工 業標準，現在的通訊網路一般都是採用TCP/IP協議簇，而應用編程都是採用socket通訊端進行編程。 1. 網路體繫結構重要概念 網路體繫結構涉及以下幾個重要的概念。① 協議：為電腦網路中的資料交換而建立的規則、標準或約定的集合。② 通訊協定：通訊雙方必須共同遵守的規則和約定就稱為通訊協定。通訊雙方對資料的理解需要建立在約定與協議之上。③ 介面：相鄰兩層之間的邊界，在介面處規定了低層向上層提供的服務以及服務所使用的形式規範語句(服務原語)。
④ 服務：某一層提供的功能，並能通過介面提供給其相鄰上層。 ⑤ 網路體繫結構：對電腦網路的各層功能精確定義及其各層遵守協議的集合。⑥ 協議棧：網路各層協議按層次順序排列而成的協議序列。⑦ 點到點：體現在物理上兩兩串連，是物理拓撲，如光纖就必須是點到點串連。點到點協議體現在IP網路層或以下兩層。
IP網路層是兩兩路由器進行點到點通訊， 中間沒有跨越其他通訊裝置。點到點傳輸的優點是發送端裝置送出資料後，它的任務已經完成，不需要參與整個傳輸過程，這樣不會浪費發送端裝置的資源。另外， 即使接收端裝置關機或故障，點到點傳輸也可以採用儲存轉寄技術進行緩衝。點到點傳輸的缺點是發送端發出資料後，不知道接收端能否收到或何時能收到資料。 IP及以下各層採用的是點到點傳輸。 ⑧ 端到端：體現在邏輯上的兩兩串連。端到端是體現在網路傳輸層，比如要將資料從A傳送到E，中間可能經過A->B->C->D->E，對於傳輸層來說，它並不知道B、C、D的存在，它只認為報文資料是從A直接到E的，這就叫做端到端。總之，端到端是由無數點到點實現和組成的。 2. 網路分層模型分層能使複雜的問題簡單化，網路分層也是基於此原理。網路分層簡化了網路設計，提高網路互聯的標準化程度。網路分層是上一層都依賴於下一層，只有最底層才是物理的實際通訊，其他對等層是虛擬通訊。分層原理與方法如所示，網路分層模型涉及以下一些術語。
① 實體：每一層中的使用中的元素，可以是任何可發送或接收資訊的硬體或軟體進程，許多情況下，實體就是一個特定的軟體模組。② 對等實體：位於不同機器上同一層中的的實體。③ 服務提供者：n層（下層）是 n+1層（上層）的服務提供者。
④ 服務使用者：n+1層（上層）是n層（下層）的服務使用者。⑤ 服務存取點(SAP)：服務提供的地點，也即介面上相鄰兩層實體交換資訊之處。⑥ 服務和協議的關係：服務是垂直的，協議是水平的。n層的服務使用者只能看見n層的服務而無法看見n層的協議，在n層協議控制下兩個對等實體間的通訊使得n層能夠向n+1層提供服務，要實現n層協議，需要使用n-1層提供的服務。
圖 網路分層模型圖互 連網兩大網路模型（OSI模型和TCP/IP模型）都是基於分層原理實現的。通過網路分層，可以獲得好處有：各層之間相互獨立，相鄰層間互動只通過介面， 使整個問題複雜度下降。結構上可分割開，各層都可以採用最合適的技術來實現。每一層功能簡單，易於實現和維護。某一層改動時，只要不改變介面服務的關係， 其他層則不受影響，靈活性好。分層有利於促進網路通訊協定的標準化。3.OSI網路模型
（1）OSI分層模型開 放式系統互聯模型（OSI）是1984年由國際標準組織（ISO）提出的一個網路參考模型。作為一個概念性架構，提出時希望以後不同裝置製造商和應用軟 件開發商遵循此標準。現在，此模型已成為電腦間和網路間進行通訊的主要模型，目前使用的大多數網路通訊協定的結構都是基於OSI模型或參照OSI模型。OSI模型將網路分為七層，即物理層、資料連結層、網路層、傳輸層、會話層、展示層和應用程式層，如所示。
圖 OSI模型對OSI分層模型各層解釋如下：① 物理層(Physical layer)是參考模型的最底層。該層是網路通訊的資料轉送介質，由串連不同結點的電纜與裝置共同構成。物理層規定了啟用、維持、關閉通訊端點之間的機械 特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。該層為上層協議提供了一個傳輸資料的物理媒體。在這一層，資料的單位稱為位元（bit）。
② 資料連結層(Data link layer)是參考模型的第2層。主要功能是：在物理層提供的服務基礎上，在通訊的實體間建立資料鏈路串連，傳輸以“幀”為單位的資料包，並採用差錯控制與流量控制方法，使有差錯的物理線路變成無差錯的資料鏈路。
③ 網路層(Network layer)是參考模型的第3層。主要功能是：為資料在結點之間傳輸建立邏輯鏈路，通過路由選擇演算法為分組通過通訊子網選擇最適合的路徑，以及實現擁塞控制、網路互聯等功能。
④ 傳輸層(Transport layer)是參考模型的第4層。主要功能是向使用者提供可靠的端到端服務，處理資料包錯誤、資料包次序，以及其他一些關鍵傳輸問題。傳輸層向高層屏蔽了下層資料通訊的細節，因此，它是電腦通訊體繫結構中關鍵的一層。
⑤ 會話層(Session layer)是參考模型的第5層。主要功能是：負責維護兩個結點之間的傳輸連結，以確保點到點傳輸不中斷，以及管理資料交換等功能。⑥ 展示層(Presentation layer)是參考模型的第6層。主要功能是：用於處理在兩個通訊系統中交換資訊的表示方式，主要包括資料格式變換、資料加密與解密、資料壓縮與恢複等功能。⑦ 應用程式層(Application layer)是參考模型的最高層,為作業系統或網路應用程式提供訪問網路服務的介面。 （2）OSI模型特點有如下特點屬於分層網路互連模型，分為通訊子網和資源子網兩級結構。只有物理層之間是直接連接的，對等層之間採用相同的對等協議。發送資料時，資料從高層到低層；接收資料時，資料從低層到高層。
4. 網路分層資料流說明 下 圖畫出了網路分層時的資料流圖。網路中各層把資料當作一個流來處理，每層都有自己的傳輸單位，物理層傳輸單位是位元流，而只有這一層是物理的資料 傳輸，其他層都是邏輯的；鏈路層傳輸單位是幀；網路層傳輸單位是分組；傳輸層傳輸是段。源主機應用程式層資料往下層傳遞時每一層要增加相應的首部，稱為封裝； 到達目的主機後資料往上層傳遞時需要再剝掉相應的首部，稱為拆封。 圖 網路分層資料流圖
現代電腦網路體繫結構
