计算机网络分层结构

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。需要强调的是，这些功能究竟是用何种硬件或软件完成的，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，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。计算机网络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：

• 每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。
• 各层之间的接口自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
• 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。
• 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
• 整个分层结构应能促进标准化工作。

在网络分层结构中，第 n 层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，通常是某个特定的软件模块。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 层向第 n+1 层提供的服务包括在其以下各层提供的服务。第 n 层的实体称为服务提供者，服务提供者上一层的实体称为服务用户。

• 协议数据单元（PDU）

  对等层之间传送的数据单位。第 n 层的 PDU 记为 n-PDU。

  各层的 PDU 都分为 服务数据单元（SDU） 和 协议控制信息（PCI） 两部分。

  • 服务数据单元（SDU）

    层与层之间交换的数据单位。第 n 层的 SDU 记为 n-SDU。

  • 协议控制信息（PCI）

    控制协议操作的信息。第 n 层的 PCI 记为 n-PCI。

每层的协议数据单元都有一个通俗的名称，如物理层的 PDU 称为比特流，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。

当在各层之间传输数据时，将从第 n+1 层收到的 PDU 作为第 n 层的 SDU，加上第 n 层的 PCI，就封装成了第 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：

$$n-\mathrm{SDU}+n-\mathrm{PCI}=n-\mathrm{PDU}=(n-1)-\mathrm{SDU}$$

具体地，层次结构的含义包括如下几方面：

• 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。
• 最低层只提供服务，是整个层次结构的基础；最高层面向用户提供服务。
• 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。
• 通信时，对等层在逻辑上有一个直接信道，表现为能直接将信息传送到对方。