第二章 网络体系结构与分层模型
2.1 网络体系结构的概念
网络体系结构是计算机网络的逻辑结构和设计框架，定义了网络中设备间如何相互通信的规则和协议。它通常通过分层的方式设计，每一层专注于特定的功能，简化了复杂系统的实现和维护。
2.2 OSI参考模型
OSI（Open Systems Interconnection）参考模型是由国际标准化组织（ISO）制定的一种网络分层设计模型。它将网络通信分为七个独立的层级，每一层完成特定功能并与上下层交互。以下是七个层级的详细说明：
2.2.1 物理层
- 功能：
- 负责比特流的物理传输，确保数据能够在设备 间以电信号、光信号或无线信号的形式传递。
- 定义硬件接口，包括电气标准、信号类型、传输速率等。
- 常见设备：网络接口卡、集线器、网线、光纤。
- 示例协议：IEEE 802.3（以太网）、RS-232。
2.2.2 数据链路层
- 功能：
- 提供节点间的可靠数据传输。
- 负责帧的组装和拆解，处理数据链路上的差错检测和纠正。
- 实现物理地址（如MAC地址）与逻辑地址的映射。
- 常见设备：交换机、无线接入点。
- 示例协议：以太网协议、PPP（点对点协议）、HDLC。
2.2.3 网络层
- 功能：
- 负责跨网络的数据转发与路由选择。
- 解决异构网络之间的通信问题。
- 实现逻辑地址（如IP地址）的分配与管理。
- 常见设备：路由器、防火墙。
- 示例协议：IP协议（IPv4/IPv6）、ICMP、IGMP。
2.2.4 传输层
- 功能：
- 提供端到端的数据传输服务，确保数据可靠性和正确性。
- 管理数据流量控制、差错检测及修复。
- 支持多种传输模式，如连接型传输（TCP）和无连接型传输（UDP）。
- 示例协议：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）。
2.2.5 会话层
- 功能：
- 管理通信会话，负责会话的建立、维护和终止。
- 实现会话间的数据同步和检查点恢复功能。
- 典型应用：远程登录（如SSH）、视频会议、文件传输会话控制。
2.2.6 表示层
- 功能：
- 负责数据格式的转换、加密与解密、压缩与解压缩。
- 解决不同主机之间数据表示方式的差异问题。
- 示例应用：数据加密（如SSL/TLS）、数据格式转换（如JPEG、MP4）。
2.2.7 应用层
- 功能：
- 为用户提供直接的网络服务接口。
- 处理用户请求并与下层通信，完成网络应用程序所需的功能。
- 示例协议：HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）。
2.3 TCP/IP模型
TCP/IP模型是现实中广泛使用的网络协议模型。它包含以下四层：
| TCP/IP层次 | 对应OSI层次 | 功能 |
|---|---|---|
| 应用层 | 应用层、表示层、会话层 | 提供网络服务，如HTTP、FTP等。 |
| 传输层 | 传输层 | 提供端到端通信，如TCP、UDP。 |
| 网络层（互联网层） | 网络层 | 实现数据包的路由与转发，如IP协议。 |
| 网络接口层（链路层） | 数据链路层、物理层 | 处理设备间的数据传输，如以太网协议。 |
2.4 OSI与TCP/IP模型的比较
| 比较项 | OSI模型 | TCP/IP模型 |
|---|---|---|
| 层数 | 7层 | 4层 |
| 开发背景 | 理论模型，由ISO制定 | 实用模型，由DARPA制定 |
| 适用性 | 通用性强，但实现较少 | 应用广泛，支持现代互联网协议 |
| 设计顺序 | 先模型后协议 | 先协议后模型 |
2.5 分层模型的优点与缺点
2.5.1 优点
- 模块化设计：每层独立实现，便于理解和开发。
- 灵活性强：支持协议替换与更新。
- 标准化：促进厂商间互操作性。
- 简化问题定位：网络故障易于定位和排查。
2.5.2 缺点
- 额外开销：每层处理增加了延迟和资源消耗。
- 不完全符合实际：理论模型与实际实现可能存在偏差。
- 复杂性：分层设计增加了模型的复杂度。
通过本章内容的学习，我们了解了网络分层模型的基本原理、常见类型及其优缺点，为后续深入探讨具体协议和应用奠定了基础。