8.1.2　计算机网络的体系结构

网络体系结构为了完成计算机间的通信合作，把每个计算机的功能划分明确的层次，规定了同层进程通信的协议，以及相邻层之间的接口及服务。这些层次结构、同层进程间通信的协议以及相邻层之间的接口统称为网络体系结构。

网络体系结构仅仅是人们对于网络功能的描述，这些功能的实现要通过具体的硬件和软件来完成。因此，也可以认为网络体系结构是网络层次结构模型和各层次协议的集合。

1．网络体系结构的分层原理

计算机网络系统非常复杂，由一个程序来完成所有这些功能显然是不现实的。计算机网络体系结构中采用了分层方法将一个复杂的系统分解为若干个容易处理的子系统。

（1）分层原理

在分层结构中，一个层次完成一项相对独立的功能，在层次之间设置了通信接口。在一个N层结构中，第N层是第N-1层的用户，又是第N+1层的服务提供者。第N+1层直接使用了第N层提供的服务，但实际上它通过第N层还间接地使用了第N-1层以及以下所有各层提供的服务。

采用层次结构的优点在于每层实现的功能是相对独立的。实现每层功能的软件在保证实现层间接口功能的基础上，可以独立设计、调试，这样各层的软件开发可以并行进行，也进一步保证了软件设计的质量。某一层的功能发生变化或需要更新时，只要接口功能不变，都不会对其他各层产生影响，软件维护也比较方便。

计算机网络中的层次结构一般都是以垂直分层模型来表示的，如图8-5所示。

1）服务访问点（Service AccessPoint，SAP）

两个层次之间是通过SAP进行通信的，第N层通过N-SAP向第N+1层实体提供服务，第N+1层实体通过N-SAP向第N层实体请求服务。每层向其相邻的上层提供的服务都是由本层及较低层共同实现的。但高层在使用低层提供的功能和服务时，并不需要了解低层是如何实现此功能的，即低层功能的实现对高层来说是透明的。

图8-5　计算机网络的分层结构

2）服务原语（primitive）

服务的请求与提供是通过在SAP上发送或接收服务原语来实现的。这是N层服务的用户与N层服务的提供者通过N-SAP进行的交互，指出了相应的服务和必须执行的抽象操作。服务原语可以由服务用户发出，也可由服务提供者发出。

3）协议（protocol）

不同系统的对等层之间为了完成本层的功能而必须遵循的通信规则和约定。

（2）层次划分原则

由于计算机网络结构复杂，不可能用一个程序来完成所有的功能，需要对网络进行层次划分。那么，应该将整个系统划分成几层，每层应该完成什么功能呢？下面首先了解一下在进行系统划分时应该遵循的几原则，在该节中将对具体的网络分层模型进行介绍。

系统划分应遵循的原则如下。

·各层功能明确，即每一层的划分都应有明确的、与其他层不同的基本功能。这样在某层的具体实现方法或功能发生变化时，只要保持与上层、下层的接口不变，就不会对其他各层产生影响。

·层间接口清晰，应尽量减少跨过接口的通信量。

·层数适中，层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中。但也不能太多，否则体系结构会过于庞大，增加各层服务的开销。

·网络中各节点都具有相同的层次，不同节点的同等层具有相同的功能。

2．通信协议

协议是为同等实体之间的通信制定的有关通信规则的集合。网络协议包括如下3个要素。

·语义（semantics）：涉及用于协调和差错处理等功能的控制信息，即需要发出何种控制信息，以及完成的动作和做出的响应。

·语法（syntax）：涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等，即用户数据的控制信息结构及格式。

·时序（timing）：涉及速度匹配和排序等，即对事件实现顺序的详细说明。