计算机网络体系结构与网络协议

在计算机网络技术中，网络体系结构指的是通信系统的整体设计，它的作用是为网络硬件、软件、协议、存取控制和拓扑提供标准。现在广泛采用的是开放系统互联参考模型（OSI／RM）和TCP／IP协议。

（1）网络体系结构

在计算机网络的基本概念中，分层次的体系结构是最基本的。计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的定义。需要强调的是，这些功能究竟是用何种硬件或软件完成的，则是一个遵循这种体系结构的实现问题。不能把一个具体的计算机网络说成是一个抽象的网络体系结构。总之，体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

（2）网络协议

为了实现不同主机间的信息交换和资源共享，在基本的物理连接的基础上，必须有一整套准则来规定通信双方信息交换的格式、信息传递的顺序、传送过程中的差错控制等问题，通信双方都必须遵守协议规则才能进行数据交换。目前，计算机网络存在两个协议标准，一个是国际标准化组织（International Organization Standardization，ISO）制定的OSI／RM；另一个是事实上的工业标准TCP／IP协议。

①OSI／RM参考模型

为了减少网络协议软件设计的复杂性，大多数网络都按层的方式来组织协议集，每一层完成其独立的功能，并为上一层提供一定的服务，通过这种层与层的结构，将协议必须完成的功能由各层来分担。不同的网络，其层的数量及各层的名字、内容和功能等都不相同，由于各层要完成规定的功能，因此，每一层都有着其独自的协议。人们将网络的层和协议的集合称为网络体系结构。

国际标准化组织提出丁一个互联网参考模型OSI／RM，即开放系统互联参考模型。OSI／RM规定的网络体系结构为一个七层结构，从低到高分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图3－5所示。

图3－5 OSI／RM参考模型及协议

OSI作为国际标准化组织提出的网络协议参考模型，对每一层的功能和每一层向上一层提供的服务都有明确的定义，但由于协议的模型比较复杂，实现比较困难，因此，OSI／RM参考模型并未真正流行开来，但它是学习网络理论知识的一个理想模型。

②TCP／IP协议

传输控制协议（Transportation Control Protocol，TCP）和网际协议（Internet Protocol，IP）是网际互联网的通信协议，其目的在于通过它实现异构网络或异种机之间互相通信。TCP／IP协议是目前最完整、被普遍接受的通信协议，其中包含了许多通信标准用来规范各计算机之间如何通信、网络如何连接等操作。TCP／IP协议模型由四层构成，每一层对应多种通信协议，如图3－6所示。

图3－6 TCP／IP模型及协议

网络接口层：处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节（编码的方式，成帧的规范等）。现今在网络接入层上较流行的技术有IEEE802.3以太网、无线、帧中继、ATM、X.35、PPP等。

网络层：处理分组在网络中的活动，为经过逻辑网络路径的数据进行路由选择。网络层上的协议主要有IP，ICMP，IGMP等。网络层上的载体是IP协议，同时被TCP和UDP使用。

基于IP的附属协议有ICMP、IGMP。（ICMP和IGMP的定位比较模糊，位于网络层和传输层之间。而RARP和ARP则位于网络接口层和网络层之间。）

ICMP：IP层使用ICMP与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。使用ICMP的应用程序主要有：ping和traceroute。

IGMP：Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。

ARP和RARP是某些网络接口使用的特殊协议，用来转换IP层和网络接口层使用的地址。

传输层：为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层的协议有传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。TCP使用不可靠的IP服务，并提供一种可靠的传输层服务。TCP所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。基于TCP的应用层程序有Telnet，Rlogin，FTP，SMTP。

UDP为应用程序发送和接收数据报，和TCP不同，UDP是不可靠的。UDP只是把称作数据报的分组从一台主机传送到另一台主机，但不保证该数据报能到达另一端。任何必须的可靠性由应用层来提供。基于UDP的应用层程序有TFTP、DNS、BOOTP、SNMP。

传输层和数据链路层都定义了流量控制和差错控制机制，不同之处在数据链路层强调控制数据链路上的流量，即连接两台设备的物理介质的流量。而传输层控制逻辑链路上的流量，即两台设备的端到端连接。这种连接可能跨越多个数据链路。

应用层：负责处理特定的应用程序细节，如Telnet、FTP、SNMP、SMTP、TFTP等。应用层上的用户进程有直接调用ICMP的，如ping，traceroute。

应用层上的路由协议有RIP和BGP。BGP使用TCP端口179传送它的路由信息。而RIP使用UDP接口传递它的信息。其他路由协议是IP层协议，因为它们直接在IP数据包中封装了它们的信息。