## 计算机网络的体系结构

### 1. 计算机网络的体系结构

#### 1.1 OSI七层模型

| 层次 | 名称 | 功能 | 典型协议/设备 |
|------|------|------|-------------|
| 7 | 应用层 | 提供网络服务和用户接口 | HTTP、FTP、SMTP、DNS |
| 6 | 表示层 | 数据格式转换、加密解密、压缩 | JPEG、ASCII、MPEG |
| 5 | 会话层 | 管理会话、建立维护通信 | NetBIOS、RPC |
| 4 | 传输层 | 端到端可靠传输、流量控制 | TCP、UDP |
| 3 | 网络层 | 路由选择、逻辑寻址 | IP、ICMP、路由器 |
| 2 | 数据链路层 | 帧同步、差错控制、MAC寻址 | PPP、Ethernet、交换机 |
| 1 | 物理层 | 比特流传输、接口标准 | 集线器、中继器、双绞线 |

#### 1.2 TCP/IP四层模型

| 层次 | 对应OSI | 主要协议 |
|------|--------|---------|
| 应用层 | 5-7层 | HTTP、FTP、SMTP、DNS、TELNET |
| 传输层 | 4层 | TCP、UDP |
| 网际层 | 3层 | IP、ICMP、ARP、RARP |
| 网络接口层 | 1-2层 | Ethernet、PPP、SLIP |

#### 1.3 数据封装与解封装过程

```
TCP/IP Model - Encapsulation                    Decapsulation
+---------------------+                       +---------------------+
|     Application     |  Data                 |     Application     |
+---------------------+                       +---------------------+
|     TCP/UDP         |  Segment + TCP Hdr    |     TCP/UDP         |
+---------------------+                       +---------------------+
|     IP              |  Packet + IP Header   |     IP              |
+---------------------+                       +---------------------+
|     Ethernet/FCS    |  Frame + Eth Header   |     Ethernet/FCS    |
+---------------------+                       +---------------------+
|     Bit             |  101011001...         |     Bit             |
+---------------------+                       +---------------------+
```

**实际封装过程**：

1. **应用层**：原始数据
2. **传输层**：添加TCP/UDP头部 → 数据段（Segment）
3. **网络层**：添加IP头部 → IP数据报（Datagram）
4. **数据链路层**：添加Ethernet头部和FCS尾部 → 帧（Frame）
5. **物理层**：转换为比特流传输

> **关键点**：封装是自上而下逐层添加头部；解封装是自下而上逐层去掉头部

#### 1.4 各层关键设备与协议

- **物理层**：中继器、集线器（放大信号、广播）
- **数据链路层**：网桥、交换机（基于MAC地址转发、VLAN）
- **网络层**：路由器、三层交换机（基于IP路由）
- **传输层**：四层交换机、防火墙（基于端口）
- **应用层**：网关（协议转换）

#### 1.5 重要概念

- **协议**：控制两个对等实体通信的规则集合
- **服务**：下层向上层提供服务，上层调用下层服务
- **接口**：相邻两层之间交互的界面
- **SDU**：服务数据单元
- **PDU**：协议数据单元

### 2. 电路交换，报文交换，分组交换

#### 2.1 电路交换（Circuit Switching）

**原理**：通信双方必须建立一条专用物理通路，在通信过程中始终占用该通路，其他用户无法使用。

**工作阶段**：

1. **建立连接**：分配专用信道资源
2. **通信**：双方实时传输数据
3. **释放连接**：归还信道资源

**特点**：

- 优点：通信可靠，时延小，有序传输
- 缺点：建立连接时间长，资源独占利用率低，不适应突发性传输

**典型应用**：传统电话网络

#### 2.2 报文交换（Message Switching）

**原理**：以完整报文为单位进行存储-转发交换，不需要建立专用通路。

**工作流程**：

1. 发送方将整个报文发送给相邻结点
2. 结点完整接收报文并存储
3. 等待下一跳空闲时转发
4. 逐跳传递直至到达目的地

**特点**：

- 优点：无需建立连接，动态分配路线，多个报文可共享信道
- 缺点：时延大，需要大缓存，报文大小不一导致处理复杂

**典型应用**：早期电报系统

#### 2.3 分组交换（Packet Switching）

**原理**：将大报文分割成若干固定长度的分组（包），以分组为单位进行存储-转发。

**工作流程**：

1. 将长报文分割成多个分组
2. 每个分组带序号和目的地址
3. 分组独立选择路由转发
4. 接收端按序号重组报文

**特点**：

- 优点：时延较报文交换小，资源利用率高，支持并行传输，路由灵活
- 缺点：存在时延抖动，需要额外头部开销，可能产生失序

**典型应用**：现代互联网（TCP/IP网络）

#### 2.4 对比总结

| 特性 | 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 |
|------|:-------:|:-------:|:-------:|
| 是否建立连接 | 必须 | 不需要 | 不需要 |
| 传输单位 | 比特流 | 完整报文 | 分组 |
| 转发方式 | 连续比特流 | 存储转发 | 存储转发 |
| 时延 | 建立时延大，传输时延小 | 时延大 | 时延较小 |
| 资源占用 | 独占信道 | 共享信道 | 共享信道 |
| 可靠性 | 高 | 较低 | 高（可重传） |