# 1.2 计算机网络体系结构与参考模型

## 一、网络体系结构的基本概念

### 1.1 为什么要分层

**原因**：
- 网络通信复杂，需要分解为多个子问题
- 每层完成特定功能
- 层与层之间通过接口交互
- 便于标准化和实现

**分层的原则**：
- 功能相对独立
- 接口清晰简单
- 层次数量适中

### 1.2 网络协议

**定义**：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

**三要素**：

**语法**：
- 数据与控制信息的结构或格式
- 如：二进制编码、字段长度

**语义**：
- 需要发出何种控制信息
- 完成何种动作以及做出何种响应
- 如：收到ACK表示确认

**同步（时序）**：
- 事件实现顺序的详细说明
- 如：先发请求，后收响应

### 1.3 接口和服务

**接口（服务访问点SAP）**：
- 相邻层之间交换信息的连接点
- 下层通过接口向上层提供服务

**服务**：
- 下层为上层提供的功能
- 垂直方向（层与层之间）

**协议**：
- 对等实体之间通信的规则
- 水平方向（对等层之间）

---

## 二、OSI参考模型

### 2.1 OSI模型的层次

**OSI（Open Systems Interconnection）**：
- 开放系统互连参考模型
- ISO于1977年提出
- 七层结构

```
+------------------+
|  7. 应用层       |  Application Layer
+------------------+
|  6. 表示层       |  Presentation Layer
+------------------+
|  5. 会话层       |  Session Layer
+------------------+
|  4. 传输层       |  Transport Layer
+------------------+
|  3. 网络层       |  Network Layer
+------------------+
|  2. 数据链路层   |  Data Link Layer
+------------------+
|  1. 物理层       |  Physical Layer
+------------------+
```

### 2.2 各层功能

#### 物理层（Physical Layer）

**功能**：
- 传输比特流
- 定义物理接口特性

**主要任务**：
- 定义电压、接口、线缆标准
- 比特编码
- 数据传输速率
- 传输模式（单工、半双工、全双工）

**设备**：
- 集线器（Hub）
- 中继器（Repeater）

**协议/标准**：
- RS-232
- RJ-45
- IEEE 802.3（以太网物理层）

#### 数据链路层（Data Link Layer）

**功能**：
- 将比特流组织成帧
- 提供节点到节点的可靠传输

**主要任务**：
- **成帧**：将比特流划分为帧
- **差错控制**：检测和纠正传输错误
- **流量控制**：控制发送速率
- **介质访问控制**：控制对共享信道的访问

**子层**：
- **LLC（逻辑链路控制）子层**：向上层提供服务接口
- **MAC（介质访问控制）子层**：控制对物理介质的访问

**设备**：
- 网桥（Bridge）
- 交换机（Switch）

**协议**：
- HDLC
- PPP
- IEEE 802.3（以太网）

#### 网络层（Network Layer）

**功能**：
- 提供主机到主机的通信
- 路由选择和分组转发

**主要任务**：
- **路由选择**：选择最佳路径
- **分组转发**：将分组从输入链路转发到输出链路
- **拥塞控制**：防止网络过载
- **异构网络互联**：连接不同类型的网络

**设备**：
- 路由器（Router）

**协议**：
- IP（Internet Protocol）
- ICMP（Internet Control Message Protocol）
- ARP（Address Resolution Protocol）
- RARP（Reverse ARP）
- 路由协议：RIP、OSPF、BGP

#### 传输层（Transport Layer）

**功能**：
- 提供进程到进程的通信
- 端到端的可靠传输

**主要任务**：
- **端口寻址**：标识不同的应用进程
- **可靠传输**：差错控制、流量控制、拥塞控制
- **分段与重组**：将大数据分成小段传输
- **连接管理**：建立、维护、释放连接

**协议**：
- TCP（Transmission Control Protocol）：面向连接、可靠
- UDP（User Datagram Protocol）：无连接、不可靠

#### 会话层（Session Layer）

**功能**：
- 建立、管理和终止会话

**主要任务**：
- 会话建立和释放
- 会话同步（检查点）
- 对话控制（单工、半双工、全双工）

**协议**：
- NetBIOS
- RPC（Remote Procedure Call）

#### 表示层（Presentation Layer）

**功能**：
- 处理数据表示格式

**主要任务**：
- 数据格式转换
- 数据加密和解密
- 数据压缩和解压缩

**协议**：
- JPEG
- MPEG
- ASCII、EBCDIC

#### 应用层（Application Layer）

**功能**：
- 为应用程序提供网络服务

**主要任务**：
- 文件传输
- 电子邮件
- 远程登录
- 万维网

**协议**：
- HTTP（HyperText Transfer Protocol）
- FTP（File Transfer Protocol）
- SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）
- POP3/IMAP（邮件接收）
- DNS（Domain Name System）
- Telnet/SSH（远程登录）

### 2.3 OSI模型的数据传输

**封装过程**（发送端）：
```
应用层数据
↓ + 应用层首部
表示层PDU
↓ + 表示层首部
会话层PDU
↓ + 会话层首部
传输层PDU
↓ + 传输层首部
网络层PDU（分组）
↓ + 网络层首部
数据链路层PDU（帧）
↓ + 帧首部 + 帧尾部
物理层比特流
```

**解封装过程**（接收端）：
- 相反的过程，逐层去掉首部

### 2.4 OSI模型的特点

**优点**：
- 概念清晰
- 层次功能明确
- 便于教学和理解

**缺点**：
- 过于复杂
- 某些层次功能重复
- 实现困难
- 没有成为实际标准

---

## 三、TCP/IP模型

### 3.1 TCP/IP模型的层次

**TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）**：
- 实际使用的网络模型
- 四层结构

```
+------------------+
|  4. 应用层       |  Application Layer
+------------------+
|  3. 传输层       |  Transport Layer
+------------------+
|  2. 网际层       |  Internet Layer
+------------------+
|  1. 网络接口层   |  Network Interface Layer
+------------------+
```

### 3.2 各层功能

#### 网络接口层（Network Interface Layer）

**对应OSI**：物理层 + 数据链路层

**功能**：
- 物理传输
- 帧的封装和传输
- 物理寻址（MAC地址）

**协议**：
- Ethernet
- WiFi（IEEE 802.11）
- PPP
- ARP

#### 网际层（Internet Layer）

**对应OSI**：网络层

**功能**：
- IP寻址
- 路由选择
- 分组转发

**协议**：
- IP（IPv4、IPv6）
- ICMP
- IGMP
- ARP
- 路由协议

#### 传输层（Transport Layer）

**对应OSI**：传输层

**功能**：
- 端到端通信
- 可靠或不可靠传输

**协议**：
- TCP
- UDP

#### 应用层（Application Layer）

**对应OSI**：会话层 + 表示层 + 应用层

**功能**：
- 各种网络应用

**协议**：
- HTTP、FTP、SMTP、DNS、SSH等

### 3.3 TCP/IP模型的特点

**优点**：
- 简单实用
- 成为事实标准
- 广泛应用

**缺点**：
- 层次划分不够清晰
- 网络接口层功能复杂

---

## 四、OSI与TCP/IP的比较

### 4.1 层次对比

| OSI模型 | TCP/IP模型 |
|---------|-----------|
| 应用层 | 应用层 |
| 表示层 | （并入应用层） |
| 会话层 | （并入应用层） |
| 传输层 | 传输层 |
| 网络层 | 网际层 |
| 数据链路层 | 网络接口层 |
| 物理层 | 网络接口层 |

### 4.2 主要区别

| 特性 | OSI | TCP/IP |
|-----|-----|--------|
| 层次数 | 7层 | 4层 |
| 标准化 | 理论标准 | 事实标准 |
| 应用 | 教学为主 | 实际使用 |
| 网络层 | 支持多种协议 | 只有IP |
| 传输层 | 面向连接 | 面向连接和无连接 |

---

## 五、五层参考模型

### 5.1 五层模型的提出

**目的**：
- 结合OSI和TCP/IP的优点
- 便于教学和理解

### 5.2 五层结构

```
+------------------+
|  5. 应用层       |
+------------------+
|  4. 传输层       |
+------------------+
|  3. 网络层       |
+------------------+
|  2. 数据链路层   |
+------------------+
|  1. 物理层       |
+------------------+
```

### 5.3 各层功能

- **应用层**：为应用程序提供服务
- **传输层**：端到端通信
- **网络层**：路由选择和分组转发
- **数据链路层**：节点到节点通信
- **物理层**：比特传输

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## 六、考研重点

1. **网络体系结构的基本概念**：
   - 为什么要分层
   - 协议的三要素：语法、语义、同步
   - 接口和服务的概念
2. **OSI七层模型**：
   - 各层的名称和功能
   - 各层的主要协议和设备
   - 数据封装和解封装过程
3. **TCP/IP四层模型**：
   - 各层的名称和功能
   - 与OSI的对应关系
4. **OSI与TCP/IP的比较**
5. **五层参考模型**

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*下一节：1.3 计算机网络性能指标*