计算机网络协议基础

计算机网络协议是计算机网络中的计算机设备（电脑主机，路由器，交换机）之间在相互通信时遵守的规则、标准和规定。这种协议是一组控制数据通信的规则。

通信系统的双方要完成一次可靠的通信要实现许多的功能：建立连接，差错控制，流量控制，寻址，恢复，重发，连接释放等。在通信时有三个必要的条件：

(1) 通信双方都有通信的愿望和要求；

(2) 通信双方有通信的信道；

(3) 通信双方遵循共同认可的通信协。

计算机网络协议的三个要素： (1) 语法：信息的格式，协议数据单元(PDU，protocol data unit，由0，1组成的数据块)的结构或格式，包括哪些字段以及字段的作用；

(2) 语义：某些信息位组合的含义，标识通信双方可以理解的确定的意义。PDU给出何种控制信息，完成何种操作，做出何种反应；

(3) 同步或规程： 收、发信息的双方都能分辨出通信的开始和结束，哪些动作先执行，哪些动作后执行。

语法规定了怎么做，语义规定了做什么，同步规定了什么时候做。

计算机网络协议的格式：

网络体系结构中的每一个层次都有该层对应的PDU。PDU由控制部分和数据部分组成，控制部分表示通信双方用到的协议，数据部分为需要传输的信息内容。

当前层PDU的控制部分为该层的协议，数据部分一般为上一层的PDU。发送时，高一层的PDU到低一层时，成为该层PDU的数据部分，当前层再将当前层的控制部分加上，组成当前层的PDU，继续向下传输。接受方从底层向高层逐层剥离数据部分的内容，称为拆包。在拆包的过程中，对等层之间彼此理解协议，实现了对等层之间的理解。

计算机网络结构的分层：

从下到上分为5个层，

(1) 物理层：计算机设备以及端系统和通信子网的连接处，以及网络节点与节点之间的物理连接处，用于实现物理连接，位置在各个节点上；

(2) 数据链路层：网络中相邻节点之间实现可靠的传输划分的一个层次，位置在相邻节点上；

(3) 网络层：源主机节点和目标主机节点之间实现网络传输的共划分的一份层次，位置在协议包传输经过的各个节点上。传输路由源主机节点、中间经过的节点，到目标主机节点；

(4) 运输层： 在源端节点和目标主标端节点，也就是两个通信的计算机设备之间，为实现应用进程的可靠传输所提供的一个层次，位置在端节点上；

(5) 应用层：网络应用之间的可靠传输可以划分的一个层次，位置在端节点上。

在层次结构的网络结构中，下层为上层提供服务，也就是上层时服务用户，下层是服务提供者。

相邻的层次间交换信息：

在相邻的层次间交换信息要遵循一组规则，首先来了解相关的名字术语：

SAP：service user point，服务访问节点，SAP是层次之间的一个逻辑结构，

SDU：service data unit，服务数据单元，

PCI：protocol control information，协议控制信息，

ICI：interface control information，接口控制信息，

IDU：interface data unit，接口数据单元，

PDU：protocol data unit，协议数据单元。

这些数据单元之间的关系和数据传输如图：

n+1层通过接口(SAP)将一个接口数据单元(IDU)传递给n层，其中接口数据单元(IDU)由服务数据单元(SDU)和接口控制信息(ICI)组成。接口控制信息为通过接口时需要的信息，在越过接口(SAP）后，拆分掉ICI，分离出SDU，加上第n层的协议控制信息PCI，组成了第n层的协议数据单元(PDU)，再加上n层的接口控制信息，组成了n层 的接口数据单元IDU。再向下一次传递到物理层，最终到达目标主机，再从下向上进行拆包。

对等层实体间的通信不是水平的，而是通过相邻层，每一层接收的SDU加上该层 的PCI，组成了该层的PDU，经过逐层封装到达物理层，物理层内的两个对等实体通过他们连接的传输介质连接到通信子网，把数据信息通过通过传输介质传输到目标系统的物理层，再由下层向上层逐层拆开各层 的PCI，实现对等层的协议的理解，相当于实现了对等层之间的通信，最后把数据信息传输到目标系统的应用接收实体上。

所以，协议时水平的，服务时垂直的。

协议时水平的：是控制对等实体层之间的通信的规则；

服务时垂直的：是下一层通过接口(SAP)向上层提供服务。

对等层通过对等层的协议进行通信。再发送端协议数据单元(PDU)经过上层向下层的逐层封装，在物理层构成了二进制流，通过传输介质，经通信子网到达接收端，再经过由底层向上层的逐层拆封，每一层去掉该层的协议头，进行拆包。此时相当于对等层彼此理解了对等层的协议，实现了对等层的通信，完成了该层的网络功能。最终实现了数据的传输。

各层的功能：

物理层：物理层的PDU为比特流(bit)，物理层的协议用4个特性描述和定义

1）机械特性，规定与通信介质连接的接口插座插头的机械尺寸、针脚数目和排列；

2）电气特性，规定用什么电压表示二进制的0或者1，以为持续的时间，传输是否在两个方向上还是单方向传输，以及传输的距离；

3）功能特性，规定每根信号线的作用，而且作用应唯一；

4）规程(同步)特性，规定哪根信号线先动作，哪根信号线后动作，连接如何建立，连接如何释放。

数据链路层：数据链路层的PDU为帧(frame)。涉及相邻节点的可靠传输，需要完成的功能有链路管理、成帧、差错控制、流量控制。成帧有4种方法：字节计数、面向字符、面向位和物理违例。

数据链路层能够对帧的丢失，包括数据帧和应答帧的丢失进行处理，一般方法是在发送帧以后保留一个副本，并启动超时计时器，在规定的时间内没有应答就再次发送。

网络层：网络的PDU为分组(packet)。涉及的是源主机节点到目标主机节点间的可靠网络传输。网络层是通信子网的最高层，完成的功能包括路由选择、网络寻址、流量控制、拥塞控制、网络互连等。有4中网络互连设备：中继器、网桥、路由器和协议转换器。

运输层：运输层及以上的PDU都是报文(message)。为了区分不同层次的报文，在前面加上英文首字母大写。运输层PDU为T-message。运输层起着承上启下的作用，运输层要为高层提供可靠的运输连接，通过采用不同的运输协议使用不同的底层网络所提供的服务，屏蔽掉下面通信子网的差异。

运输层用一个叫做“端口地址”的标识来区分主机上运行的多个应用进程，端口地址为运输协议数据单元的一个字段。端口地址和IP地址一起构成了套接字，用于标识和区分主机上运行的多个进程连接。

建立运输连接时需要进行“三次握手”，确保真正建立连接；释放运输连接时，采用“四次握手”，确保数据不会丢失。

应用层(应用层，会话层，表示层)：现在在进行计算机网络体系结构的描述时，一般把上面三层划分为应用层。因为会话层和表示层只是对应用层起到锦上添花的作用。常用的应用层协议有简单邮件传输协议(SMTP)、超文本传输协议(HTTP)、文件传输协议(FTP)、域名解析协议(DSN)、简单网络管理协议(SNMP)。

再次强调，数据实际传输方向是垂直的，数据到对等层再实现拆包逐层传输。