协议层次和服务模型

层次化方式实现复杂网络功能

将网络复杂的功能分成，功能明确的层次，每一层实现了其中一个或一组功能，功能中有其上层可以使用的功能：服务（功能的子集）
本层协议实体相互交互，执行本层的协议动作，目的是实现本层功能，通过接口为上层提供更好的服务
在实现本层协议的时候，直接利用了下层所提供的服务
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（上层可以利用的）+ 更下层所提供的服务

服务和服务访问点

服务Service：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力
- 服务用户(service user)
- 服务提供者(service provider)
- 服务访问点（service access point），如传输层的socket套接字，区分不同的上层用户；端口(port)
原语primitive：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语进行交互的

如传输层向应用层提供的原语：关闭socket

服务的类型

面向连接

定义：在传输数据之前，发送方和接收方需要先建立一条连接，数据传输完成后再释放连接。连接建立的过程通常包括握手、协商传输参数等，确保双方通信状态一致。

特点：
- 提供可靠的传输，保证数据包按顺序到达并且不会丢失或重复。
- 常有错误检测和纠正机制，确保数据传输的完整性和一致性。
- 适用于需要保证数据准确传输的场景，如文件传输、视频流、银行交易等。
协议示例：TCP（传输控制协议）。TCP协议通过三次握手建立连接，传输过程中提供流量控制、错误恢复等机制，保证了数据的可靠性。
无连接

定义：发送方在传输数据时不需要建立预先的连接，数据包独立传输，每个数据包（也称为“数据报”）包含目的地址，直接发送到目标方。接收方接收到数据后无需发送确认信息。

特点：
- 传输过程简单，传输效率较高，但不能保证数据包的有序性或完整性，可能会出现丢包或数据包乱序。
- 适用于对传输时延敏感、但对数据完整性要求不高的场景，如实时视频会议、在线游戏、广播等。
协议示例：UDP（用户数据报协议）。UDP协议不提供可靠性保障，发送方直接发送数据，接收方根据实际情况处理，常用于需要快速传输但允许一定程度丢包的场景。

服务和协议的区别

服务（Service）：服务是低层实体为高层实体提供的通信功能，借助原语（primitive）进行操作，作用是垂直的，体现了不同层次之间的交互。

协议（Protocol）：协议是对等层实体之间在通信过程中必须遵守的规则集合，作用是水平的，确保相同层次的实体能够顺利进行通信。

上层协议的实现依赖于下层提供的服务。
本层实体通过协议向上层提供更高级别的服务。

数据单元

SDU（Service Data Unit）

服务数据单元，是从上层实体传递到下层实体的数据，未经过本层处理。SDU是上层传递给本层的原始数据，本层负责根据协议进行处理或封装。
ICI（Interface Control Information）

接口控制信息，是在传输过程中，本层附加在数据单元上的控制信息，用于指示数据的处理方式或传输要求。ICI帮助在不同层之间管理和控制数据的传输。
IDU（Interface Data Unit）

接口数据单元，包含SDU和ICI，是在层间传输时的完整数据单元。IDU通过层间接口进行交换，保证数据和控制信息的传递。
PDU（Protocol Data Unit）

协议数据单元，是本层在处理SDU后生成的数据单元。PDU是通过本层协议形成的传输单元，可能包含封装后的头部信息（如地址、校验等）以及经过处理的SDU，用于发送到同等层的对等实体。

每一层的PDU都有不同的称呼：帧、分组/数据报

分层处理和实现复杂系统的好处

应对复杂系统：
- 概念化：分层处理使系统结构清晰，有助于标识网络组件并描述它们之间的相互关系。
- 分层参考模型：提供清晰的层次结构，有助于理解和设计复杂系统。
结构化：
- 模块化：系统通过模块化设计变得更容易维护和升级。各层次之间的职责明确，减少了系统复杂性。
- 独立性：某一层的实现可以独立变化，而不影响其他层次的功能。例如：
  - 修改登录程序不会影响系统的其他部分。
  - 改变两个节点之间的通信方式不会影响它们之间的应用处理。
  - 修改两个翻译之间使用的语言不影响上下层的其他任务。
分层思想的潜在弊端：
- 在某些情况下，过度分层可能会引入额外的开销和复杂性，导致系统性能下降或效率低下。

Internet协议栈

应用层：负责提供网络应用服务
- 直接为用户或其他应用进程提供网络服务。
- 常见协议：FTP、SMTP、HTTP、DNS。
传输层：管理主机之间的数据传输，进程到进程之间的区分
- 在网络层提供的主机到主机通信基础上，进一步细分为进程到进程通信。
- 通过协议将不可靠的通信转换为可靠的传输。
- 常见协议：TCP、UDP。
网络层：选择数据报从源到目的地的路由（端到端），转发和路由
- 负责主机之间的端到端通信，确保数据包能够通过多个网络传输到目的地。
- 通信不一定可靠，需结合传输层提供可靠性。
- 常见协议：IP、路由协议。
链路层：管理相邻网络节点之间的数据传输
- 处理相邻节点之间的通信，实现点对点通信。
- 传输可以是可靠或不可靠的。
- 常见协议：P2P（点对点协议）、802.11（WiFi）、以太网（Ethernet）。
物理层：负责在物理介质上传输比特流
- 将数据以比特形式在线路上传送，确保信号的物理传输。

链路层和物理层通常都被封装到一起。

ISO/OSI参考模型

在传输层和应用层之间，还有会话层和表示层。

表示层与会话层

表示层：负责允许应用程序解释传输的数据。提供数据的加密、压缩以及与机器相关的格式转换功能。
- 例如：数据加密、数据压缩、不同格式之间的转换。
会话层：管理数据交换的同步。提供检查点、恢复等机制，以确保会话过程中的数据完整性。
- 例如：数据传输的同步与恢复控制。

在互联网协议栈中的缺失

互联网协议栈（TCP/IP协议栈）没有明确的表示层和会话层。
- 这些功能如果需要，必须由应用程序自身实现。

这些层是否必要？

是否需要这些服务取决于具体应用的需求：
- 如果应用需要加密、压缩或同步恢复等功能，则需要在应用层自行实现这些机制。

各层次的协议数据单元PDU

应用层：
- PDU：报文（Message）
- 描述：应用层的PDU通常被称为“报文”，它代表应用程序之间传输的数据。
传输层：
- PDU：报文段（Segment）
  - TCP段
  - UDP数据报
网络层：
- PDU：分组（Packet），如果是无连接方式，则为数据报datagram
数据链路层：
- PDU：帧（Frame）
- 描述：数据链路层的PDU称为“帧”。在这一层，数据在两个相邻节点之间传输，帧包含了错误检测与纠正信息，确保点到点或链路到链路的可靠传输。
物理层：
- PDU：比特（Bit）
- 描述：物理层的PDU是“比特”。它负责将数据帧中的比特以电信号、光信号或无线信号的形式在物理介质上传输，确保信号的物理传送。

计算机网络:协议层次和服务模型