本文目录导读：
《计算机网络体系结构：各层次及其协议集合的深度解析》
计算机网络各层次结构模型及其协议的集合称为计算机网络体系结构，它是计算机网络技术的核心概念，对理解网络的构建、运行和通信机制有着至关重要的意义。
计算机网络体系结构的分层思想
1、分层的必要性
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- 在计算机网络中，将复杂的网络功能进行分层处理是一种有效的设计策略，不同的设备（如计算机、路由器、交换机等）需要在网络中进行通信，而这些设备的功能和处理能力存在差异，分层可以将整个网络通信过程分解为多个相对独立的功能模块，每个模块负责特定的任务。
- 在发送端，数据从应用层产生，如用户在浏览器中输入网址请求网页，如果没有分层，这个复杂的从用户请求到网络传输的过程将难以管理和实现，通过分层，应用层只需要关注用户需求的表达，而不必考虑数据如何在物理线路上传输。
2、各层的功能划分
- 物理层：它是计算机网络的最底层，主要负责在物理介质（如双绞线、光纤等）上传输原始的比特流，物理层定义了接口的机械、电气、功能和规程特性，规定了网络接口卡（NIC）的插头形状、电压范围、信号的编码方式（如曼彻斯特编码）等。
- 数据链路层：其功能是将物理层提供的原始比特流进行分组，形成帧，它负责帧的定界、差错检测和纠正等，以太网中的数据链路层协议会在帧的开头和结尾添加特殊的标识，以确定帧的边界，同时通过循环冗余校验（CRC）来检测传输过程中的错误。
- 网络层：网络层的主要任务是进行路由选择和分组转发，它将数据链路层的帧封装成网络层分组（如IP分组），并根据网络的拓扑结构和路由算法，确定分组从源主机到目的主机的传输路径，在互联网中，IP协议是网络层的核心协议，路由器工作在网络层，根据IP地址进行分组的转发。
- 传输层：传输层为两台主机上的应用进程提供端到端的通信服务，它有两种主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP），TCP提供可靠的、面向连接的服务，通过三次握手建立连接，保证数据的顺序传输和无差错接收；UDP提供不可靠的、无连接的服务，适用于对实时性要求较高但对数据准确性要求相对较低的应用，如视频流传输。
- 会话层：会话层负责建立、管理和终止会话，在远程登录（Telnet）应用中，会话层控制着用户登录会话的建立、保持和断开过程。
- 表示层：表示层主要处理数据的表示形式，如数据的加密、解密、压缩、解压缩等，当在网络中传输敏感数据时，表示层可以对数据进行加密，确保数据的安全性，在接收端再进行解密还原。
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- 应用层：应用层是最接近用户的一层，它为用户提供各种网络应用服务，如万维网（WWW）、电子邮件（E - mail）、文件传输（FTP）等，应用层协议定义了应用程序之间通信的规则，如HTTP协议用于网页浏览，SMTP和POP3协议用于电子邮件的发送和接收。
协议在网络体系结构中的作用
1、协议的定义与特性
- 协议是指在计算机网络中，为了使通信双方能够正确地进行数据通信而制定的规则、标准或约定，协议具有以下特性：
- 语法：规定了数据与控制信息的结构或格式，在IP协议中，规定了IP分组的首部格式，包括版本号、首部长度、源IP地址、目的IP地址等字段的长度和位置。
- 语义：定义了需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应，在TCP协议中，当接收方收到一个正确的分组时，要向发送方发送一个确认（ACK）信号，表示已经正确接收。
- 时序：规定了事件实现顺序的详细说明，在TCP的三次握手过程中，首先由客户端发送一个SYN请求，然后服务器端回复一个SYN + ACK，最后客户端再发送一个ACK，这个顺序是严格规定的，以确保连接的正确建立。
2、协议的协同工作
- 在网络体系结构中，各层的协议相互协作，共同完成网络通信任务，当一个网页请求从客户端发送到服务器端时，应用层的HTTP协议将请求信息按照其规定的格式进行组织，然后传递给传输层的TCP协议，TCP协议会给数据加上自己的首部信息，包括端口号、序列号等，以确保端到端的可靠传输，网络层的IP协议将TCP段封装成IP分组，根据路由信息确定转发路径，数据链路层再将IP分组封装成帧，在物理层的物理介质上进行传输，在接收端，则按照相反的顺序，各层协议依次处理收到的数据，最终将网页内容呈现给用户。
常见的计算机网络体系结构
1、OSI参考模型
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- OSI（Open Systems Interconnection）参考模型是国际标准化组织（ISO）提出的一个开放式的计算机网络体系结构标准，它将网络分为七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，OSI参考模型的优点在于它是一个非常全面、系统的网络体系结构模型，对网络的理解和研究有着重要的理论意义，由于其过于复杂，在实际应用中并没有完全按照OSI模型来实现。
2、TCP/IP体系结构
- TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）体系结构是目前互联网所采用的体系结构，它实际上是一个四层的体系结构，包括网络接口层（相当于OSI的物理层和数据链路层）、网络层（IP层）、传输层（TCP或UDP层）和应用层，TCP/IP体系结构简洁实用，它的协议在互联网的发展过程中不断完善，已经成为全球互联网通信的事实标准。
计算机网络体系结构的发展趋势
1、融合与优化
- 随着网络技术的不断发展，计算机网络体系结构也在不断融合和优化，软件定义网络（SDN）的出现，将网络的控制平面和数据平面进行分离，通过软件定义的方式实现对网络的灵活管理，这种技术融合了传统网络体系结构的优点，并对网络的管理和配置进行了优化。
2、适应新的应用需求
- 新的网络应用如物联网（IoT）、5G通信等对网络体系结构提出了新的要求，物联网中的海量设备连接、低功耗要求以及实时性需求，促使网络体系结构在网络层的路由算法、传输层的服务质量（QoS）保障等方面进行改进，5G通信的高速率、低延迟、大容量等特点也要求网络体系结构在物理层的传输技术、网络层的资源分配等方面进行创新。
计算机网络体系结构作为计算机网络各层次及其协议的集合，是一个复杂而又有序的整体，它不断发展以适应不断变化的网络应用需求和技术进步，在现代信息技术领域发挥着不可替代的作用。
评论列表