中科大计网学习记录笔记（五）：协议层次和服务模型-编程知识

前言：

学习视频：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程
该视频是B站非常著名的计网学习视频，但相信很多朋友和我一样在听完前面的部分发现信息量过大，有太多无法理解的地方，在我第一次点开的时候也有相同的感受，但经过了一段时间项目的学习，对计网有了更多的了解，所以我准备在这次学习的时候做一些记录并且加入一些我的理解，希望能够帮助到大家。
往期笔记可以看专栏中的内容😊😊😊

资料分享：
视频课件分享链接，提取码 pho1
计算机网络（第七版）自顶向下方法分享链接，提取码 7ln4

1.7 协议层次和服务模型

问题：如何设计和实现计算机网络这个极其复杂的系统？

1.7.1 例子类比

两位异地哲学家的交流

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模型解析：

根本是为了实现两位哲学家的思想交流，这里采用分层次的解决方法，也就是下层为上层去服务，第一层是秘书，他们负责两位哲学家书信的传递，比如使用马车邮寄信件，第二层是翻译，负责将书信翻译成哲学家能看懂的语言，重复这个过程，最终实现思想交流。

这样的好处就是将复杂的问题拆分开，比较好实现，而且后续拓展较为容易，比如可以将马车更换为邮车等等。

用层次化的方式实现复杂的网络功能：

**PDU（Protocol Data Unit）**是指在通信协议中，用于在不同层次之间传递的数据单元。通信协议按照 OSI 模型（Open Systems Interconnection model）分为七个层次，每个层次负责不同的功能。在每个层次之间传递的数据单元就是 PDU。

将网络复杂的功能分层成功能更明确的层次，每一层实现了其中的一个或者一组紧密相关的功能，功能中有其上层可以使用的功能，也就是提供给上层的服务。
本层协议实体相互交互执行本层的协议动作，目的是实现本层的功能，通过接口为上层提供更好的服务。
在本层协议的时候，直接利用了下层的服务。
本层的服务 = 借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能 + 更下层所提供的服务。

1.7.2 服务和服务访问点

服务（Service）：低层的实体向上层实体提供其和其对等实体通信的能力

服务访问点（SAP，Service Access Point）：上层使用下层的服务通过层间的接口——地点；因为下层不可能只为上层中的一个实体提供服务，所以需要一个标识来找到本次的信息要提供给哪个实体；例如传输层的 SAP 就是经常提到的端口（port）

TCP/IP 协议模型层次：网络接口层、网络层、传输层、应用层
套接字（Socket）是计算机网络中进行进程间通信或主机间通信的一种机制。它提供了一种标准的接口，允许不同计算机上的进程通过网络进行数据交换。套接字是网络编程中重要的概念之一，通常用于实现客户端和服务器之间的通信。

原语（primitive）：上层使用下层服务的形式，高层使用底层提供的服务，以及底层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行服务的。可以理解成一个不可再分的基本操作或者指令，是计算机指令集的基本组成成分。

1.7.3 服务的类型

面向连接的服务（Connection-oriented Service）

连接：两个通信实体为进行通信而建立的一种结合

无连接的服务（Connectionless Service）

两个对等层实体在通信前不需要建立一个连接，不预留资源；不需要通信双方都是活跃状态，例如寄信

基本理解即可，具体的会在后面课程中详细讲述

服务和协议的关系与区别

服务：低层实体向上层实体提供它们之间通信的能力
协议：对等层实体之间相互通信过程中遵循的集合

服务与协议的联系

本层协议的实现要依靠与下层的服务
本层实体通过协议为上层提供更好的服务

1.7.4 数据单元

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理解上图中的概念

SAP：上面提到的服务访问点
IDU：是指在不同层次的通信协议中，数据在相邻层之间传递的单元。
ICI：是指接口控制信息，它是在通信中用于传递控制信息的部分
SDU：是指服务数据单元，它是在通信协议的各层之间传递的数据的逻辑单元。在通信协议的更高层次（应用层、表示层、会话层）中，SDU 包含了实际的用户数据以及可能的协议控制信息。
PDU：是指在通信协议中传递的数据的单元，它是通信协议中进行数据传输的最小单位。不同协议层次和不同协议使用不同名称的 PDU。

PDU 的主要作用是 通过协议栈的各层传递数据，并在每一层添加相应的控制信息。当数据通过协议栈向下传递时，每一层都会封装上层的 PDU，添加自己的头部信息，形成新的 PDU。当数据向上传递时，每一层都会解封装下层的 PDU，提取控制信息，并将数据传递给上一层。

上层（第 n 层）的 SDU 作为下一层（n - 1 层）要传递的数据，下层对这个 SDU 进行拓展，加上本层的头部（Header）形成本层的 PDU，而这个 PDU 又作为更下一层（n - 2 层）的 SDU，是一个相对的概念。

1.7.5 分层处理实现复杂系统的好处

概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系
- 分层参考模型
结构化：模块化更易于维护和系统升级
- 改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次
  - 对于其他层次而言是透明的
- 如改变登机程序并不影响系统的其它部分
  - 改变2个秘书使用的通信方式不影响2个翻译的工作
  - 改变2个翻译使用的语言也不影响上下2个层次的工作
缺点：拆分成子系统会导致效率较低

1.7.6 Internet 协议栈

Internet 协议栈是指构成互联网体系结构的协议集合，它定义了在计算机网络中信息如何在不同层次进行传输和处理。

提到模型，首先要区分开 OSI 模型和 TCP/IP 模型

OSI 模型（开放系统互联模型）是由国际标准化组织（ISO）制定的，其设计目的是为了提供一个通用的框架，能够帮助理解和设计各种计算机网络协议。
OSI 模型并没有在实际互联网中得到广泛的应用，但它仍然在学术界和标准化文档中被用作理论基础，以便更好地理解网络协议的功能和交互。
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
TCP/IP 模型是在实际互联网的发展中形成的，最初是由美国国防部的研究项目 ARPANET 的设计所推动的。它以更简洁的四层结构描述了互联网协议的体系结构，包括链路层、网络层、传输层和应用层。TCP/IP 模型更贴近实际应用和互联网的发展，因此 在实际网络设计和实施中更为常见。
链路层、网络层、传输层、应用层

可以理解为 TCP/IP 模型是在 OSI 模型上发展而来的，且是更偏向于实践的模型，而作为一个通用的规范，OSI 在学习上也有很大的价值。

这里继续记录郑老师课上使用的模型，可以看作是上面两个的结合

应用层：为人类用户或者其他应用进程提供网络服务的服务，是计算机网络存在的目的。
- 上面存在的协议包括：FTP（文件传输的协议）, SMTP（用于电子邮件的协议）, HTTP（用于在客户端和服务器之间传递超文本文档的协议）,DNS（是用于将域名映射到 IP 地址的分布式数据库系统）等
传输层：在网络层提供端到端通信的基础上，细分为进程到进程，将不可靠的通信变为可靠的通信
- 上面存在的协议包括：TCP（面向连接）、UDP（面向无连接）等
网络层：为数据报从源主机到目标主机 选择路由，提供端到端的通信，不可靠
- 上面存在的协议包括：IP、路由协议等等
链路层：相邻两个网络节点的数据传输，提供点到点的数据通信，而非端到端的
- 上面存在的协议包括：点对点协议PPP，802.11（wifi），Ethernet
物理层：在线路上传输以 bit 为单位的数据

继续在传输过程中看这些层次的作用

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在传输的过程中会经过交换机和路由器

交换机主要工作在数据链路层（第二层），通过学习和转发 MAC 地址来实现局域网内部的设备通信。交换机的作用是根据目标设备的 MAC 地址进行内部局域网内的帧转发。
路由器主要工作在网络层（第三层），通过学习和转发 IP 地址来实现不同网络之间的数据包路由。路由器的作用是根据目标设备的 IP 地址进行不同网络之间的数据包转发。

路由算法就是在路由器上执行的，为了确定到达目标位置的路径，需要借助网络层，而交换机是负责局域网的数据传输，只需要解封到链路层负责端到端的传输，这里有部分关于路由器和交换机的补充知识，了解即可。

关于路由器和交换机的工作

在交换机中，决定数据包转发的主要因素是目标设备的 MAC 地址。交换机通过学习源 MAC 地址和构建一个 MAC 地址表，根据目标 MAC 地址来决定将数据包转发到哪个端口。这个过程是根据数据链路层的信息（MAC 地址）进行的，而不涉及网络层（IP 地址）的路由决策。交换机在同一局域网内实现设备之间的高效通信。
而在路由器中，决定数据包转发的主要因素是目标设备的 IP 地址。路由器使用路由表来查找目标 IP 地址，并决定将数据包转发到哪个输出端口。这个过程是根据网络层的信息（IP 地址）进行的，涉及到不同网络之间的路由决策。路由器用于连接不同网络，实现跨网络的数据包传输。

关于 MAC 的确定

在同一局域网内，如果目标主机位于源主机所在的子网，源主机可以通过 ARP（地址解析协议）查询目标主机的 IP 地址对应的 MAC 地址，然后将目标 MAC 地址写入数据包的目标 MAC 地址字段。
如果目标主机位于不同的网络，源主机会将数据包的目标 MAC 地址设置为它直接连接到的路由器的 MAC 地址。这个路由器通常是源主机发送数据包经过的第一个路由器，即默认网关。路由器会负责将数据包从源主机的子网传递到目标主机所在的子网。
在目标主机所在的子网内，路由器会将目标 MAC 地址替换为目标主机的真实 MAC 地址。这是通过路由器在两个子网之间进行 MAC 地址转换的过程，通常称为 NAT（Network Address Translation）。