计算机网络协议结构

1、分层协议概念

        网络协议也就是网络软件技术，它直接关系到网络的互通和传送性能，是网络标准化的核心内容。众所周知，现代网络协议的一个重要特征是采用分层的结果，例如国际标准化组织（1SO）制定的著名的计算机网络开放式系统互连（OS1）七层协议结构就是一个典型的例子。

       分层协议结构的基本概念如图2.4所示。

图2.4        协议分层的概念

       每个网络节点装备有层次完全相同的协议，各层具有明确的功能分工。其中最高层负责装配和处理应用业务消息，直接和上面的应用系统接口，常称作应用层；最低层定义物理传输媒体，常称作物理层。每一层经处理和过滤后，将有效信息传递给上一层，称之为“提供服务”，同时向下一层"请求服务”，相邻层之间通过所谓的“层间原语"（primitive）交换信息，实现服务的请求和提供。通常称上一层为下一层的服务用户，下一层为上一层的服务提供者。两个节点中编号相同的分层称之为对等层，节点间通信是由各对等层通信（peer-to-per Communication）组成的。各层消息在物理上是通过其下层提供的连接传送的，如图中实线所示，但是在逻辑上相当于是由另一节点的对等层沿水平方向发送过来的，如图中虚线所示。描述第n层之间水平通信的规则称之为n层协议。各层协议完成各自的功能分工，并互相协同最终实现应用业务信息在两个节点之间的无差错传送。

       分层协议的最大优越性就在于它的灵活性和可扩充性。由于各层分工明确，因此每层协议可独立修改和更新，当推出新的应用业务时，只要增加相应的应用层协议就可迅速满足需要。

       所谓协议，它主要包含如下几个方面的内容：

        一个采用分层结构的协议体系，由各个分层的协议组成，称之为协议栈（prolocolstack）。各层协议消息的格式必须统一，层间原语格式可由开发厂商自行规定。
       各层协议的消息采用逐层封装的方法构成，如图2.5所示。

图2.5    协议消息的封装过程

        每层消息由两部分组成：头部（Header）和数据体（Data）组成。其中，头部为该层协议实体加入的控制信息，如地址、序号、消息类型等，又称为开销（overbead），协议定义的就是如何解释和处理该层头部的一组规则。数据体就是上层传下来的消息，每层协议对数据体不作任何处理，只是透明传递。整个协议栈的消息处理过程是：应用层将原始用户数据装配成应用层消息往下传递，每经一层加一个头部；至远端节点，每经一层协议处理去掉一个头部，最后将原始用户数据传递到应用层。通常，第2层（数据链路层）消息除了头部外，还有一个尾部，供差错检测用。

        在协议术语中，消息的数据体称为服务数据单元（SDU-ServiceDataUnit），加上头部后成为协议数据单元（PDU-ProtocodDataUnit）在不同的协议栈和不同协议层中，协议消息可有不同的名称，如帧、分组、段、报文等，数据体也可称为净荷（payload）或用户数据。

        需要注意的是，由于每层消息都有一个最大允许长度，每个网络还有一个最大允许传送单元（MTU-MaximumTransferUnit），因此，如果上层传下来的消息太长，下层就需将其拆成多个SDU，分别加上头部后往下传递，这称之为分割（segmentation），远端节点的逆过程称为重装（Reassembly）。
       最后说明一点，在分层协议结构中，相邻层间的接口点称为服务接入点（SAP-ServiceAceessPoint）。一般说来，每层协议可为上一层多个协议实体提供服务，每个协议实体代表一类协议功能，例如在应用层就对应为多种不同的应用。因此，每层可有多个SAP，每个SAP有其对应的地址。这样从协议的角度看，每个物理节点可视作多个逻辑节点，至该节点的连接实际上可为一个多重连接。SAP的概念示于图2.6。

2.OSI七层结构

        OSI七层参考模型如图2.7所示。各层的功能为：

       
图2.7 osi参考模型       

       由图2.7可见，下三层协议是相邻节点之间执行的协议，解决分组的传送问题，称为低层协议。运输层及以上各层协议是端到端协议，解决分组的处理问题，称为高层协议。主机到路由器及通信子网内部只含低层协议，高层协议则位于主机中。

       OSI参考模型提出的分层结构思想和设计原则已被一致认同，有关术语也被广泛采用，但是实际上并没有一个协议是按照七层结构去实现的，其原因是过于复杂。例如，表示层和会话层很少有用。而Inemet的TCP/IP协议栈采用简化的结构，却获得了极大的成功。

3.TCP/IP参考模型
如图2.8所示，TCP/IP参考模型仅为4层：

       上述4层模型因Intemet的主要协议TCP和IP而得名。该模型也适用于其它网络，只是网络层和运输层的协议不同。如著名的Novell网，其网络层协议为IPX，运输层协议为NCP或SPX。网络接人层则为各种LAN。
        TCP/IP模型除了简洁以外，它和OSI模型的最大不同之处是，TCP/P模型的网络层只提供无连接服务，运输层则提供面向连接和无连接两类协议，其思路是简化网络层协议，提高路由对网络设备故障的自适应调整能力。而OSI模型的网络层支持两类服务，运输层只支持面向连接服务，网络层的面向连接服务导致协议十分复杂，这也是传统电信网及ATM网和IP网的最大不同之处。

图2.9计算机网络的5层混合模型

       应该说OSI模型是一个对网络研究和讨论十分有用的模型，但是很少有人对开发OSI协议感兴趣，而TCP/IP协议已经广泛使用，但是其参考模型比较粗糙，实际上是后来才给出的，尤其是网络接人层不能算作是一个协议层，应将它进一步划分为数据链路层和物理层。由此得到改进的5层混合模型如图2.9所示，这是讨论计算机网络一般基于的模型。

       最后说明一点，在Interet中常称数据链路层消息为帧（frame），P层消息为分组（packet），TCP/UDP层消息为段（segnent）。