计算机网络 —— 协议层次及其服务模型

前言

因特网是一个极为复杂的系统。我们已经看到,因特网有许多部分:大量的应用程序和协议、各种类型的端系统、分组交换机和各种类型的链路级媒体。面对这么庞大和复杂的系统,我们可以使用分层的体系结构

一.分层的体系结构

利用分层的体系结构,我们可以讨论一个定义良好的、大而复杂系统的特定服务。分层结构的关键在于:

  • 每一层对其上面的层提供相同的服务,并使用来自下面层次的相同服务。

当某层的实现变化时,该系统的其余部分保持不变。

协议分层

现在将注意力转向网络协议,为了给网络协议的设计提供一个结构,网络设计者以分层(layer)的方式组织协议以及实现这些协议的网络硬件和软件。每个协议只属于这些层次中的某一层,同时每个协议所在的层向它的上一层提供服务(service),每层通过在该层中执行某些动作或使用直接下层的服务来提供服务。例如,由第n层提供的服务可能包括报文从网络的一边到另一边的可靠传输,这可能是通过使用第n-1层的边缘到边缘的不可靠报文传送服务,加上第n层的检测和重传丢失报文的功能来实现的。

协议分层具有概念化和结构化的优点[RFC 3439]

  • 分层提供了一种结构化方式来讨论系统组件
  • 模块化使更新系统组件更容易

某些研究人员和联网工程师激烈地反对分层[Wakeman 1992]。因为分层也有其相应的缺点:

  • 某一层可能冗余较低层的功能
    例如,许多协议栈在基于每段链路和基于端到端两种情况下都提供了差错恢复。
  • 某层的功能可能需要仅在其他某层在出现的信息(例如时间戳值),这违反了层次分离的目标

将这些综合起来,各层的所有协议被称为协议栈(protocol stack)

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五层因特网协议栈

因特网的协议栈由5个层次组成:

  • 物理层
  • 链路层
  • 网络层
  • 运输层
  • 应用层

应用层

应用层是网络应用程序及它们的应用层协议存留的地方。因特网的应用层包括许多协议,例如HTTP(它提供了Web文档的请求和传送),SMTP(它提供了电子邮件报文的传输)和FTP(它提供了两个端系统之间的文件传送)。某些网络功能,如将像www.zaomianbao.comwww.zaomianbao.com这样对人友好的端系统名字转换为32比特网络地址,也是借助于特定的应用层协议即域名系统(DNS)完成的。当然,我们也可以创建并部署我们自己的新应用层协议。

应用层协议分布在多个端系统上,一个端系统中的应用程序使用协议与另一个端系统中的应用程序交换信息的分组。我们把这种位于应用层的信息分组称为报文(message)

运输层

因特网的运输层在应用程序端点之间传送应用层报文。在因特网中,有两个运输协议,即TCP和UDP,利用其中的任意一个都能运输应用层报文。TCP向他的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务包括了应用层报文向目的地的确保传递和流量控制(即发送方/接收方速率匹配)。TCP也将长报文划分为短报文,并提供拥塞控制机制,因此当网络拥塞时,源抑制其传输速率。UDP协议向它的应用程序提供无连接服务。这是一种不提供不必要服务的服务,没有可靠性,没有流量控制,也没有拥塞控制。

我们可以把运输层分组称为报文段(segment)

网络层

因特网的网络层负责将称为数据报(datagram)的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。在一台源主机中的因特网运输层协议(TPC或UDP)向网络层递交运输层报文段和目的地址,就像你通过邮政服务寄送信件时提供一个目的地址一样。

因特网的网络层包括著名的IP协议,该协议定义了在数据报中的各个字段以及端系统和路由器如何作用于这些字段。又有一个IP协议,所有具有网络层的因特网组件必须运行IP协议。因特网的网络层也包含了决定路由的路有选择协议,它使得数据报根据该路由从源传输到目的地。因特网具有许多路有选择协议。因特网是一个网络的网络,在一个网络中,其网络管理者能够运行所希望的任何路有选择协议。尽管网络层包括了IP协议和一些路有选择协议,但通常吧它简单的称为IP层,这反映了IP是将因特网连接在一起的粘合剂这样的事实。

链路层

因特网的网络层通过源和目的地之间的一系列路由器路由数据报。为了将分组从一个节点(主机或路由器)移动到路径上的下一个结点,网络层必须依靠该链路层的服务。特别是在每个节点,网络层将数据报下传给链路层,链路层沿着路径将数据报传递给下一个结点。在下个节点,链路层将数据报上传给网络层。

由链路层提供的服务取决于应用于该链路的特定链路层协议。例如,某些协议基于链路提供可靠传递,从传输结点跨越一条链路到接收结点。值得注意的是,这种可靠的传递服务不同于TCP的可靠传递服务,TCP提供从一个端系统到另一个端系统的可靠交付。链路层的例子包括以太网、WiFi和电缆接入网的DOCSIS协议。因为数据报从源到目的地传送通常需要经过几条链路,一个数据报可能被沿途不同链路上的不同链路层协议处理。例如,一个数据报可能被一段链路上的以太网和下一段链路上的PPP所处理。网络层将受到来自每个不同的链路层协议的不同服务。

通常,我们把链路层分组称为(frame)

物理层

虽然链路层的任务是将整个帧从一个网络元素移动到邻近的网络元素,而物理层的任务是将该帧中的一个一个比特从一个结点移动到下一个结点。在这层中的协议仍然是链路相关的,并且进一步与该链路(例如,双绞铜线、单模光纤)的实际传输媒体相关。例如,以太网具有许多物理层协议:一个是关于双绞铜线的,另一个是关于同轴电缆的,还有一个是关于光纤的,等等。在每种场合中,跨越这些链路移动一个比特是以不同的方式进行的。

七层OSI参考模型

OSI参考模型的七层是:

  • 应用层
  • 表示层
  • 会话层
  • 运输层
  • 网络层
  • 链路层
  • 物理层

这些层次中,5层的功能大致与它们名字类似的因特网对应层的相同。所以,我们来考虑OSI参考模型中附加的两个层,即表示层和会话层。

表示层

表示层的作用是使通信的应用程序能够解释交换数据的含义。这些服务包括数据压缩和数据加密(它们是自解释的)以及数据描述(这使得应用程序不必担心在各台计算机中表示/存储的内部格式不同的问题)。

会话层

会话层提供了数据交换定界和同步功能,包括了建立检查点和恢复方案的方法。

因特网缺少了在OSI参考模型中建立的两个层次,该事实引起了一些有趣的问题:这些层次提供的服务不重要吗?如果一个应用程序需要这些服务之一,将会怎样呢?因特网对这两个问题的回答是相同的:这留给应用程序开发者处理。应用程序开发者决定一个服务是否是重要的,如果该服务重要,应用程序开发者就应该在应用程序中构建该功能。

二.封装

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上图显示了这样一条物理路径:

数据从发送端系统的协议栈向下,向上和向下经过中间的链路层交换机和路由器的协议栈,进而向上到达接收端系统的协议栈

路由器和链路层交换机其实都是分组交换机,与端系统类似,路由器和链路层交换机以多层次的方式组织它们的网络硬件和软件。而路由器和链路层交换机并不实现协议栈中的所有层次。如上图所示,链路层交换机实现了第一层和第二层;路由器实现了第一层到第三层。这意味着因特网路由器能够实现IP协议(一种第三层协议),而链路层交换机则不能。尽管链路层交换机不能识别IP地址,但它们能够识别第二层地址,如以太网地址。值得注意的是,主机实现了所有5个层次,这与因特网体系结构将它的复杂性放在网络边缘的观点是一致的。

上图也说明了一个重要概念:封装(encapsulation)。

  • 在发送主机端,一个应用层报文(application-layer message)(上图中的M)被传送给运输层。

  • 在最简单的情况下,运输层收取到报文并附上附加信息(所谓运输层首部信息,上图中的HtH_t),该首部将被接收端的运输层使用。应用层报文和运输层首部信息一道构成了运输层报文段(transport-layer segment)。
    运输层报文段因此封装了应用层报文。附加的信息也许包括了下列信息:如允许接收端运输层向上向适当的应用程序交付报文的信息;如差错检测位信息,该信息让接收方能够判断报文中的比特是否在途中已被改变。

  • 运输层则向网络层传递该报文段,网络层增加了如源和目的端系统地址等网络层首部信息(如上图中的HnH_n),产生了网络层数据包(network-layer datagram)。

  • 该数据报接下来被传递给链路层,链路层(自然而然地)增加它自己的链路层首部信息并创建链路层帧(link-layer frame)。

所以,我们看到在每一层,一个分组具有两种类型的字段:首部字段有效载荷字段(payload field)。有效载荷通常是来自上一层的分组。

其实,封装的过程能够比上面描述的更为复杂。例如,一个大报文可能被划分成多个运输层的报文段(这些报文段每个可能被划分为多个网络层数据报)。在接收端,则必须从其连续的数据报中重构这样一个报文段。