协议层次及服务模型

计算机网络的分层设计方法，将复杂的网络功能分解为多个层次，每一层实现特定的功能。

互联网中的TCP/IP协议族，包括物理层、链 路层、网络层、传输层和应用层的功能。然后，数据传输的 过程，从应用层开始，数据被封装成报文，然后通过传输层 形成段，到达网络层后形成分组，最终在物理层被转换为比 特进行传输。各个层次的协议数据单元（PDU）有着不同称呼，例如应用层的报文、传输层的段、网络层 的分组或数据报，以及链路层的帧和物理层的比特。

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

现实生活中的例子：航线系统

票务 (购买)	票务 (投诉)
行李 (托运)	行李 (认领)
登机口 (登机)	登机口 (离机)
从跑道起飞	从跑道着陆
按航线飞行	按航线飞行
按航线飞行

 

 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

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

服务的类型

•  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

 

服务和协议

•  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？

Internet 协议栈

 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



点对对协议PPP, 802.11(wifi), Ethernet

 物理层: 在线路上传送bit

 

 Internet 协议栈

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)

 

 小课堂：

1. 计算机网络采用分层方法解决复杂功能，分解为明确层次，提供服务。
2. 互联网被定义为一个层次结构，包括网络边缘、核心和接入网，每个部分都有特定的标准和技术。
3. 网络的复杂性源于其多样化的应用、终端和链路形式，以及除点对点传输外的其他功能，如端到端路由和可靠数据传输。
4. 计算机网络是一个复杂的系统，拥有数百亿设备、数十亿用户和数千种流行应用，是人类最大的人工系统之一。
5. 为了解决网络复杂性，工程师和科学家采用模块化和分层的方法，将复杂功能分解为模块，并通过层次间的调用实现。
6. 计算机网络采用分层方法，将功能分解为明确的层次，每一层实现一组功能并通过接口向上层提供服务。
7. 通过现实生活例子（如航班系统和哲学家交流），展示了分层方法如何解决复杂网络功能设计实现问题。
8. 计算机网络通过将复杂功能分解为功能明确的层次，并通过接口向上层提供服务，实现分层设计。
9. 网络层次通过协议交换控制信息，实现复杂功能的分解和实现。
10. 计算机网络分层实现复杂功能，通过协议实体交换信息。
11. 通过协议实体交换信息，实现功能，通过下层接口访问下层服务。
12. 计算机网络功能分为明确层次，每一层通过承接接口向上层提供服务，借助下层服务与对方交换PDU。
13. 协议实现借助下层服务，目的是向上层提供更好的服务，一层摞一层实现复杂功能。
14. 服务提供与使用，包括服务访问点、服务用户和服务提供者，以及服务类型，包括面向连接与无连接服务。
15. 服务是下层向上层提供的垂直关系，通过充电接口提供功能。
16. 服务提供者（如TCP）向多个应用实体提供服务，存在服务访问点问题，用于区分不同上层用户。
17.  服务提供者向服务用户提供服务，服务访问点在层间接口上，用于区分不同服务用户。
18.  两个应用进程通过USB交互，无需握手，采用无连接服务。
19.  两个应用进程通过USB进行交互，无需在通信前握手，直接发送查询。
20. 介绍了无连接服务（如UDP），与面向连接服务相对，通常不可靠。
21. 服务分为面向连接和无连接两种，前者在通信前建立连接，后者无需建立连接。
22. 互联网分层结构，物理层传输比特，链路层以帧为单位传输数据。
23. 地缘层形成PDU，考虑大小上限。
24. 三种关系：一对一、一对多、多对一。
25.  常见数据单元：PDU，应用层为Message，传输层为Segment，网络层为分组，链路层为帧。
26.  网络分层与协议数据单元的封装与解封装过程。
27.  每层主要功能体系架构指的是每一层协议的具体实现，参考模型则更抽象。
28.  表示层负责表示转换，绘画层负责绘画管理，这两个层次在TCP/IP协议栈中没有。
29.  在TCP/IP协议栈中，表示转换和绘画管理由应用程序自行实现。
30.  网络分层传输，各层数据单元命名不同。
31. 传输层（message segment）被分为段，每个段包含传输层单元（TCP段或MAC段）。
32. 网络层对段进行分组，若为无连接网络（如IP），则称为数据报。
33. 各层PDU（协议数据单元）名称不同，应用层为消息，传输层为段，网络层为分组（或数据报）。 文中没有错误，无需修改。