协议层次及其服务模型

Posted 2021-05-21 天“码”行空

因特网是一个极为复杂的系统。我们已经看到，因特网有许多部分：大量的应用程序和协议、各种类型的端系统、分组交换机和各种类型的链路级媒体。面对这么庞大和复杂的系统，我们可以使用分层的体系结构。

为什么要分层？不管是计算机网络还是其它的复杂系统，分层具有如下优点：（1）每一层对其上面的层提供相同的服务，并使用来自下面层次的相同服务。（2）当某层的实现变化时，该系统的其余部分保持不变。

课本前面是对航班服务系统进行分层，现在将注意力转向网络协议，为了给网络协议的设计提供一个结构，网络设计者以分层（layer）的方式组织协议以及实现这些协议的网络硬件和软件。每个协议只属于这些层次中的某一层，同时每个协议所在的层向它的上一层提供服务（service），每层通过在该层中执行某些动作或使用直接下层的服务来提供服务。例如，由第n层提供的服务可能包括报文从网络的一边到另一边的可靠传输，这可能是通过使用第n-1层的边缘到边缘的不可靠报文传送服务（下层的服务），加上第n层的检测和重传丢失报文的功能来实现的（本层的功能）。

各层的所有协议称为协议栈。

通过上图可知，因特网协议栈自顶向下由5个层次组成：应用层，运输层，网络层，链路层，物理层。而ISO（国际标准化组织）的OSI参考模型由7层组成，自顶向下：应用层，表示层，会话层，运输层，网络层，链路层，物理层。

应用层

应用层是网络应用程序及他们的应用层协议存留的地方。因特网的应用层包括很多协议：HTTP（Web文档的请求和传送），SMTP（电子邮件报文的传输）和FTP（两个端系统之间文件的传输）。应用层协议分布在多个端系统上，而一个端系统中的应用程序使用协议与另外一个端系统中的应用程序交换信息分组，位于应用层的信息分组叫做报文。

运输层

因特网的运输层在应用程序端点之间传送应用报文。在因特网中有两种运输协议，即TCP和UDP，利用其中任何一个都能运输应用层报文。TCP向他的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务包括了应用层报文向目的地的确保传递和流量控制（即发送方/接收方速率匹配）。TCP也将长报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制，因此当网络拥塞时，源抑制其传输速率。UDP协议向它的应用程序提供无连接服务。这是一种不提供不必要服务的服务，没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。​​​​​​​位于运输层的分组叫报文段。

网络层

网络层负责端到端的服务。在一台源主机中的因特网运输层协议（TPC或UDP）向网络层递交运输层报文段和目的地址，就像你通过邮政服务寄送信件时提供一个目的地址一样。​​​​​​​网络层以分组完成端到端的传送。重要的两个协议：IP协议，路由选择协议。

链路层

因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。为了将分组从一个节点移动到路径上的另外一个节点，网络层必须依靠链路层的服务（即点对点的服务）。特别是在每个节点，网络层将数据报下传给链路层，链路层沿着路径将数据报传送给下个节点。在下个节点，链路层将数据报传送给网络层。链路层的分组称为帧。

物理层

链路层的作用是将整个帧从一个网络元素移动到临近的网络元素，而物理层是将帧中一个个的比特从一个节点移动到下一个节点。当然要借助下面的物理媒体，以电磁波的形式传输。

 

 

上图描述这样一条物理路径：

数据从发送端系统的协议栈向下，沿着中间的链路层的交换机和路由器的协议栈上上下下，然后向上达到接收端系统的协议栈。路由器和链路层交换机其实都是分组交换机，与端系统类似，路由器和链路层交换机以多层次的方式组织它们的网络硬件和软件。而路由器和链路层交换机并不实现协议栈中的所有层次。如上图所示，链路层交换机实现了第一层和第二层；路由器实现了第一层到第三层。这意味着因特网路由器能够实现IP协议（一种第三层协议），而链路层交换机则不能。尽管链路层交换机不能识别IP地址，但它们能够识别第二层地址，如以太网地址。值得注意的是，主机实现了所有5个层次，这与因特网体系结构将它的复杂性放在网络边缘的观点是一致的。

上图反映了两个重要过程：封装和解封。在发送主机端，一个应用层报文（application-layer message）（上图中的M）被传送给运输层。在最简单的情况下，运输层收取到报文并附上附加信息，该首部将被接收端的运输层使用。应用层报文和运输层首部信息一道构成了运输层报文段（transport-layer segment）。运输层报文段因此封装了应用层报文。运输层则向网络层传递该报文段，网络层增加了如源和目的端系统地址等网络层首部信息，产生了网络层数据报（network-layer datagram）。该数据报被传送到链路层，链路层会增加自己的首部信息并生成链路层帧。