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一、分层结构

1、为何要分层

• 由于两个系统中实体间的通信过程复杂，为降低协议的设计和调试过程中的复杂性，也为了便于对网络进行研究、实现和维护，促进标准化工作，通常对计算机完了过的体系结构以分层的方式进行建模。
• 计算机网络各层及其协议的集合称为网络的体系结构（Architecture），也即体系结构是这个计算机网络所应完成的功能的精确定义，是计算机网络中的层次、各层协议及层间接口的集合。
  （相关功能具体如何用硬件和软件实现，是一个遵循该体系结构的实现（Implementation）问题。）

2、分层原则

• 计算机网络的体系结构通常都具有可分层的特性，分层原则如下：

  ① 各层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
  ② 各层之间界面清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
  ③ 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现。
  ④ 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
  ⑤ 整个分层结构应能促进标准化工作。

• 依据一定原则，将分层后的网络从低层到高层依次称为第 1 层……第 n 层，通常每层取一个特定名称，如第一层为物理层。

• 分层结构中，第 n 层中的活动元素通常称为 n 层实体，而实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，为特定的软件模块。不同机器上的同一层称为对等层，同层的实体称为对等实体。

  n 层实体实现的服务为 n+1 层所利用，故而称 n 层为服务提供者，n+1 层服务于用户。

3、PDU

• 各层中每个报文由数据部分和控制信息部分组成，数据部分即服务数据单元（SDU），控制信息部分即协议控制信息（PCI），SDU 和 PCI 共同组成协议数据单元（PDU）

1）SDU

• 为完成用户所要求的功能而应传送的数据，第 n 层的服务数据单元记为 n-SDU。

2）PCI

• 控制协议操作的信息，第 n 层的协议控制信息记为 n-PCI。

3）PDU

• 对等层次之间传送的数据单位称为该层的 PDU，第 n 层的协议数据单元记为 n-PDU。特定层中的协议数据单元具有一个通俗的名称：物理层的 PDU 称为比特，链路层的 PDU 称为帧，网络层的 PDU 称为分组，传输层的 PDU 称为报文。

• 非对等层间传输数据时，称第 n+1 层收到的 PDU 作为第 n 层的 SDU，加上第 n 层的 PCI 组成第 n 层的 PDU，交给 n-1 层后作为 SDU 发送，接收方接收时作相反处理，故三者关系：n-SDU+n-PCI=n-PDU=(n-1)-SDU.

  

4、层次结构的含义

• 层次结构的含义包括一下几个方面：
  ① 第 n 层的实体不仅要使用第 n-1 层的服务实现自身定义的功能，还要向 n+1 层提供本 层的服务，该服务是 n 层及其下面各层提供的服务的总和。
  ②最底层只提供服务，是整个层次结构的基础；中间层既是下一次的服务使用者，又是上一层的服务提供者；最高层面向用户提供服务。
  ③ 上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务，而不能调用其他层的服务；下一层所提供服务的实现细节对上一层透明。
  ④ 两台主机通信时，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就把信息传送到对方。

二、相关名词概念

1、协议

• 计算机网络中为正确进行数据交换建立一套规则、标准或约定，这就是所谓的网络协议（Network Protocol），是控制两个或多个对等实体进行通信的规则的集合，是水平的；不对等实体间是没有协议的，如用 TCP/IP 协议栈通信的两个节点，节点 A 的传输层和节点 B 的传输层之间存在协议，但节点 A 的传输层和节点 B 的网络层之间不存在协议。
• 协议由语法、语义和同步组成；语法规定传输数据的格式；语义规定所要完成的功能，即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种响应；同步规定了执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。
• 完整的协议应具有线路建立和释放连接等线路管理、差错控制、数据交换等功能。

2、接口

• 同一节点内相邻两层之间交换信息的连接点。每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。
• 典型接口上，同一节点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point，SAP）进行交互，每个 SAP 都有一个能够标识它的地址。

3、服务

• 指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的；对等实体在协议控制下，基于更下一层所提供的服务的基础上为上一层提供服务。

• 上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令——OSI 中称为服务原语。OSI 将原语划分为如下四种：

  ① 请求（Request），由服务用户往服务提供者，请求完成某项工作。
  ② 指示（Indication），由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情。
  ③ 响应（Response），由服务用户发往服务提供者，作为指示的响应。
  ④ 证实（Comfirmation）由服务提供者发往服务用户，作为对请求的证实。

• 注意：在一层内所完成地全部功能并非都成为服务，只有那些能够被上一层实体“看得见”地功能才能称为服务。

• 协议、接口和服务三者的关系如下图：

  

4、服务种类

• 计算机网络中的服务可如下分类：

1）面向连接服务和无连接服务

• 在面向连接服务中，通信双方必须建立连接，分配相应的如缓冲区等必要资源，以保证通信正常进行，传输结束后释放连接所占用的资源；通常分为建立连接、数据传输和释放三个阶段，典型代表就是 TCP 协议。
• 无连接服务中，通信双方无需建立连接，需要发送数据时直接发送，将每个带有目的地址的报文分组传送到线路上，由系统选定路线进行传输。是一种不可靠的服务，通常被描述为“尽最大努力交付”（Best-Effort-Delivery），典型代表 IP 协议和 UDP 协议。

2）可靠服务和不可靠服务

• 可靠服务指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。
• 不可靠服务指网络尽量正确、可靠地传送，而不能保证数据正确、可靠地传送到目的地。这种网络下，可通过让用户自己进行信息检错，把出错信息报告给发送者，让发送者采取纠错措施，来让网络变得可靠。

3）有应答服务和无应答服务

• 有应答服务，指接收方在收到数据后向发送方进行回馈应答，该应答由传输系统内部自动实现。发送的应答可以是肯定应答，也可以是否定应答；文件传输就是一种有应答服务。
• 无应答服务指接收方接收到数据后不自动给出应答。若需要应答，则由高层实现，WWW 服务就是一种无应答服务。

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