计算机网络分层结构

两个系统中实体间的通信是一个很复杂的过程,为了降低协议设计和调试过程的复杂性,也为了便于对网络进行研究、实现和维护,促进标准化工作,通常对计算机网络的体系结构以分层的方式进行建模。

我们把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(Architecture)。换言之,计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其所应完成的功能的精确定义,它是计算机网络中的层次、各层的协议及层间接口的集合。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(Implementation)问题。体系结构是抽象的,而实现是具体的,是真正在运行的计算机硬件和软件。

计算机网络的体系结构通常都具有可分层的特性,它将复杂的大系统分成若干较容易实现的层次。分层的基本原则如下：

1. 每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。

2. 各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。

3. 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法,可以采用最合适的技术来实现。

4. 保持下层对上层的独立性,上层单向使用下层提供的服务。

5. 整个分层结构应能促进标准化工作。

在计算机网络的分层结构中,第n层中的活动元素通常称为第n层实体。具体来说,实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。第 n 层实体实现的服务为第 n+1 层所利用。在这种情况下,第n层称为服务提供者,第n+1层则服务于用户。每一层还有自己传送的数据单位，其名称、大小、含义也各有不同。

在计算机网络体系结构的各个层次中,每个报文都分为两部分:一是数据部分,即SDU;二是控制信息部分，即PCI，它们共同组成PDU。

1. 服务数据单元(SDU):为完成用户所要求的功能而应传送的数据。第n层的服务数据单元记为 n-SDU。

2. 协议控制信息(PCI):控制协议操作的信息。第n层的协议控制信息记为n-PCI。

3. 协议数据单元(PDU):对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU。第n层的协议数据单元记为n-PDU。在实际的网络中，每层的协议数据单元都有一个通俗的名称，如物理层的PDU称为比特,数据链路层的PDU称为帧,网络层的PDU称为分组,传输层的PDU称为报文段。

在各层间传输数据时,把从第n+1层收到的PDU作为第n层的SDU,加上第n层的PCI,就变成了第n层的PDU,交给第n-1层后作为SDU发送,接收方接收时做相反的处理,因此可知三者的关系为n-SDU+ n-PCI=n-PDU=(n-1)-SDU

具体地,层次结构的含义包括以下几方面:

1. 第 n 层的实体不仅要使用第 n-1 层的服务来实现自身定义的功能，还要向第 n+1 层提供本层的服务，该服务是第 n 层及其下面各层提供的服务总和。

2. 最低层只提供服务,是整个层次结构的基础;中间各层既是下一层的服务使用者,又是上一层的服务提供者;最高层面向用户提供服务。

3. 上一层只能通过相邻层间的接口使用下一层的服务,而不能调用其他层的服务;下一层所提供服务的实现细节对上一层透明。

4. 两台主机通信时,对等层在逻辑上有一条直接信道,表现为不经过下层就把信息传送到对方。