计算机网络是现代信息社会的柱石，而协议则是网络中完成通讯的关键。在计算机网络中，协议依照不同的层次进行安排，以便更好地完成通讯的牢靠性、功率和安全性。本文将深入探讨计算机网络的协议系统结构，侧重介绍OSI、TCP/IP两种首要的系统结构以及它们所触及的五层协议系统结构，同时针对每一层级进行具体解说。

前语

协议系统结构是计算机网络协议的有序调集，依照层次化的办法安排，以完成分而治之、模块化规划的方针。这种结构化的规划使得网络协议更易于了解、保护和扩展。两种首要的协议系统结构是OSI（Open Systems Interconnection） 和TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）。

OSI模型

当咱们谈到计算机网络协议时，OSI（Open Systems Interconnection）模型是一个有关如何规划和了解网络协议的概念框架。它将网络协议分为七个层次，每个层次都有特定的功用和使命。

计算机网络之OSI协议系统结构以及各层协议含义

1、物理层 (Physical Layer)

首要，物理层是OSI（开放系统互联）模型的第一层，坐落模型的底部。它首要担任传输比特流，经过物理媒体（如电缆、光纤）完成设备之间的直接通讯。在这一层，数据被转化为电流、电压、光脉冲等物理信号，以便在网络中传输。

计算机网络之OSI协议系统结构以及各层协议含义

物理层的首要使命

  • 比特编码： 将数据转化为比特流，确认0和1的编码办法。
  • 物理拓扑： 界说设备在网络中的布局和衔接办法，例如星型、总线型、环形等。
  • 传输介质： 确认传输媒体的类型，如双绞线、同轴电缆、光纤等。
  • 时钟同步： 保证发送和接纳设备之间的时钟同步，以正确解说数据。

物理层的运用

  1. 比特编码

在物理层，数据被转化为比特流。最常见的比特编码办法之一是非归零（NRZ）编码。在NRZ编码中，1表明高电平，0表明低电平。例如，将二进制数1010编码为NRZ信号：1010。

  1. 物理拓扑

物理拓扑界说了设备之间的衔接办法。以星型拓扑为例，所有设备都衔接到中央集线器（hub）。这种布局使得设备之间的通讯都经过中央集线器。

  1. 传输介质

不同的传输介质具有不同的特性。例如，双绞线适用于短距离通讯，而光纤则能够支撑高带宽和远距离传输。

  1. 时钟同步

在物理层，时钟同步保证发送和接纳设备都依照相同的时刻标准进行数据传输。这有助于避免数据接纳时的时序问题。

物理层的协议

物理层并没有明确认义特定的协议，因为它更重视传输媒体和信号编码。实际上，物理层的标准一般由硬件制造商和通讯标准安排制定，例如IEEE。（中继器，集线器，网关）

2、数据链路层 (Data Link Layer)

数据链路层是OSI模型中的第二层，担任在两个直接相连的节点之间供给牢靠的数据传输。它将物理层供给的比特流划分为数据帧，并担任帧的传输、过错检测和纠正，以及流量操控。该层的功用首要触及点对点的直接通讯，而非跨网络的通讯。

计算机网络之OSI协议系统结构以及各层协议含义

数据链路层效果

  1. 帧的封装与解封装： 将网络层的数据包封装成数据帧，以便在物理层上传输。在接纳端，担任解封装还原成网络层的数据包。
  2. 物理地址寻址： 数据链路层运用物理地址（一般是MAC地址）来标识和寻址网络上的设备。这种地址是唯一的，用于保证数据帧被正确地送到方针设备。
  3. 过错检测与纠正： 数据链路层经过附加帧检验序列（FCS）来检测传输过程中的过错，但并不供给纠正。一旦检测到过错，一般会丢弃损坏的帧，由更高层协议处理。
  4. 流量操控： 保证发送方和接纳方之间的数据传输速率匹配，避免接纳方因来不及处理而丢掉数据。
  5. 拜访操控： 当多个设备共享同一信道时，数据链路层经过媒体拜访操控（MAC）协议来和谐它们的拜访，以避免抵触。

数据链路层的运用

假设有两台计算机A和B经过以太网衔接。当A要向B发送数据时，数据链路层将担任以下过程：

  1. 帧封装： 将网络层的数据包封装成帧，增加帧头和帧尾信息。
  2. 地址寻址： 将方针设备B的MAC地址增加到帧头，以便在局域网中寻址。
  3. 过错检测： 计算帧的校验和，用于在接纳端检测传输中是否发生了过错。
  4. 流量操控： 保证发送速率与接纳速率匹配，避免因速率不匹配而导致的数据丢掉。
  5. 帧发送： 将帧传输到物理层，由物理层担任将比特流发送到网络上。

在接纳端，数据链路层将进行相反的过程，将帧从物理层接纳并解封装，最终将数据包传递给网络层。这保证了端到端的牢靠通讯。

数据链路层的协议

  1. HDLC（High-Level Data Link Control）

HDLC是一种面向比特的数据链路协议，广泛用于广域网和局域网中。它规定了帧的格局、过错检测办法和流程操控机制。

  1. PPP（Point-to-Point Protocol）

PPP是一种用于串行通讯的数据链路协议，一般用于在计算机和网络服务供给商之间树立拨号衔接。它支撑多种网络层协议，如TCP/IP。

  1. Ethernet

Ethernet是一种局域网技能，界说了数据帧的结构和MAC地址的格局。它是最常见的有线局域网协议之一，支撑多种传输速率。

3、网络层 (Network Layer)

OSI网络层是计算机网络协议系统结构中的第三层，担任在网络中选择最佳的途径，以便数据能够从源主机传输到方针主机。这一层的规划旨在处理不同网络之间的路由和转发，供给统一的、端到端的数据传输服务。

计算机网络之OSI协议系统结构以及各层协议含义

网络层效果

  1. 路由和转发： OSI网络层的首要使命是确认数据在网络中的最佳途径，并进行相应的转发。这触及到路由器等网络设备的运用，它们能够依据网络层的信息决议数据包的下一跳。
  2. 寻址和标识： 网络层运用逻辑地址（例如IP地址）来标识主机和设备。这种逻辑寻址使得数据能够精确地传递到方针主机，而不受物理拓扑的影响。
  3. 流量操控和拥塞操控： 网络层经过操控数据包的流量，以及对拥塞的监测和处理，来保证网络的高效运转。

网络层的运用

假设有两台主机A和B，它们坐落不同的网络中，而且这两个网络经过路由器R衔接。主机A想要向主机B发送数据。

  1. 寻址： 主机A知道主机B的IP地址（例如，A知道B的IP地址是192.168.1.2）。
  2. 路由： 主机A将数据包发送到方针IP地址，但它不知道具体的物理途径。路由器R经过检查数据包的方针IP地址，并依据自己的路由表选择合适的接口进行转发。
  3. 转发： 路由器R将数据包转发到衔接主机B所在网络的恰当接口。
  4. 投递： 数据包最终到达主机B，主机B依据自己的IP地址辨认并接纳数据。

经过这个比如，咱们能够看到OSI网络层的效果，包含寻址、路由、转发等，以及IP协议在其中的关键效果。这有助于保证数据能够在网络中正确传递，并且能够跨过不同网络的鸿沟。

网络层的协议

在OSI网络层，最常用的协议是Internet协议（IP）。IP协议是因特网上的首要协议，它界说了数据报的格局和传输办法。IPv4和IPv6是当前运用最广泛的两个版本。后续咱们将对IPv4和IPv6做具体介绍。

4、传输层 (Transport Layer)

传输层是OSI模型中的第四层，担任在网络中的不同主机之间供给端到端的通讯服务。该层的首要使命包含数据传输的过错检测和纠正、流量操控、数据的分段与重组以及端口到端口的通讯。

计算机网络之OSI协议系统结构以及各层协议含义

传输层功用与特点

  1. 数据分段与重组

在传输层，数据会被分段成恰当巨细的单元，以适应底层网络的传输要求。这些数据段一般称为”报文段”（segment）。在接纳端，传输层会担任将这些分段重新组装成完好的数据。

  1. 过错检测和纠正

传输层经过增加校验和等办法来检测数据是否被过错地传输。在发现过错时，TCP会要求重新发送犯错的数据段，以保证数据的精确性。

  1. 流量操控

为了避免发送方发送速度过快导致接纳方无法及时处理，传输层完成了流量操控机制。TCP运用滑动窗口协议来保证在网络中合适的速度进行数据传输。

传输层的端口

传输层运用端口来标识应用程序，以便将数据正确地交付给方针应用。TCP和UDP都运用16位的端口号，共有65536个或许的端口。

  • 比如：HTTP一般运用端口号80，HTTPS运用端口号443。

传输层协议

OSI模型中，传输层的首要协议有两种：TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）。它们别离供给面向衔接和无衔接的通讯服务。

  • TCP（Transmission Control Protocol） ：

    • 效果：供给牢靠的、面向衔接的通讯服务。保证数据的完好性、有序性和不重复性。
    • 比如：在网页浏览器中，运用TCP来下载网页内容。HTTP协议就是基于TCP的。

  • UDP（User Datagram Protocol） ：

    • 效果：供给无衔接的通讯服务，适用于对实时性要求较高的应用。
    • 比如：语音通话和视频会议常常运用UDP，因为它的推迟相对较低，但对数据丢掉的容忍度较低。

5、会话层 (Session Layer)

在OSI模型中，会话层是该系统结构的第五层。它承当了办理、树立、保护和停止会话（sessions）的职责。会话能够被界说为两个设备之间的通讯会话或进程之间的对话。该层的使命包含保证数据的有序传输，供给过错检测和纠正，以及处理会话期间的同步问题。

会话层的功用

  1. 会话的办理： 会话层担任树立、保护和停止会话。会话能够是临时的，也能够是耐久的，具体取决于通讯的需求。
  2. 对话操控： 会话层处理设备之间的对话操控，保证数据的有序传输，避免丢掉或重复的数据。
  3. 同步： 会话层处理同步问题，保证在通讯会话期间，数据的发送和接纳是和谐一致的。
  4. 过错检测和纠正： 会话层能够实施过错检测和纠正措施，以保证数据的完好性和牢靠性。

会话层协议

在实际应用中，由于OSI模型并没有界说具体的协议，会话层的功用一般由更高层次的协议来处理。然而，有些协议能够在此层次上履行一些使命，如RPC（Remote Procedure Call）和NetBIOS。

会话层具体比如

考虑一个网络文件传输的场景。当用户从一个计算机上的文件系统向另一个计算机请求文件时，会话层将处理树立衔接、办理文件传输会话并最终停止衔接的使命。在这个过程中，会话层保证文件的正确传输，处理任何过错，并在文件传输完成后封闭会话。

6、表明层 (Presentation Layer)

OSI模型中的表明层是七层模型中的第六层，担任处理数据的编码、加密、解密和紧缩，以保证不同设备之间的数据能够正确解说和交换。表明层首要重视数据格局的转化，使得应用层能够独立于数据表明办法。

计算机网络之OSI协议系统结构以及各层协议含义

表明层使命和功用

  1. 数据格局转化： 表明层担任将应用层的数据转化为合适在网络上传输的格局，以保证不同系统之间的兼容性。
  2. 数据加密和解密： 在数据传输过程中，表明层能够对数据进行加密，保护数据的安全性。接纳端的表明层则担任解密数据，还原成原始格局。
  3. 数据紧缩： 表明层能够对数据进行紧缩，减小数据传输的带宽占用，进步传输功率。
  4. 字符集转化： 处理不同字符集之间的转化，保证不同系统之间的字符能够正确显现。

会话层协议和标准

在表明层并没有像传输层和网络层那样明确的协议，而是界说了一些标准和标准，以保证数据的正确表明和传输。常见的标准包含：

  1. ASCII（American Standard Code for Information Interchange）： 表明层运用ASCII编码来保证不同系统中文本数据的一致性。
  2. JPEG（Joint Photographic Experts Group）： 用于图像数据的紧缩和表明。
  3. MPEG（Moving Picture Experts Group）： 用于音频和视频数据的紧缩和表明。

会话层具体比如

考虑一个场景，两台计算机之间需求传输一张图片。在表明层的效果下，数据会被编码为JPEG格局，以便在网络上传输。如果需求保护图片的隐私，表明层还能够对数据进行加密。接纳端的表明层会担任解密数据，并将其还原成原始的JPEG格局，以供应用层进行处理。

这个比如突显了表明层的核心使命：处理数据的编码和加密，以保证数据在网络上传输和接纳端解析时都能正确无误。

7、应用层 (Application Layer)

OSI模型的应用层是网络协议系统结构中的最顶层，担任处理用户与网络之间的交互。该层供给了一系列网络服务，使应用程序能够与网络通讯。以下是对OSI应用层的具体解说，包含具体比如、层的协议以及效果。

计算机网络之OSI协议系统结构以及各层协议含义

应用层的使命

应用层是整个OSI模型中最挨近用户的一层，其首要使命包含：

  1. 文件传输和办理： 供给文件传输、文件办理和目录查询等功用，运用户能够方便地共享文件和资源。
  2. 长途登录和服务： 支撑长途登录，答应用户在网络上长途拜访其他计算机，并履行相应的操作。
  3. 电子邮件服务： 供给电子邮件的创立、发送和接纳功用，运用户能够经过网络进行邮件通讯。
  4. 网络虚拟终端： 答应用户经过网络衔接到长途主机，并在长途主机上履行命令。
  5. 网络办理和资源共享： 供给网络办理功用，包含网络资源的共享、装备和监控。

应用层协议和比如

在应用层，有许多常见的协议，每个协议都专心于供给特定类型的服务。以下是一些常见的应用层协议和其效果的比如：

  1. HTTP（HyperText Transfer Protocol）： 用于在Web浏览器和Web服务器之间传输超文本的协议。例如，当您在浏览器中输入URL并按下回车键时，浏览器运用HTTP与Web服务器通讯以获取网页内容。
  2. FTP（File Transfer Protocol）： 用于在客户端和服务器之间传输文件的协议。经过FTP，用户能够上传、下载和删除文件，完成文件的长途办理。
  3. SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）： 用于在邮件服务器之间传输电子邮件的协议。当您发送电子邮件时，运用SMTP将邮件从您的邮件服务器发送到接纳者的邮件服务器。
  4. DNS（Domain Name System）： 用于将域名转化为IP地址的协议。当您在浏览器中输入域名时，DNS协议协助将域名解析为相应的IP地址。
  5. SNMP（Simple Network Management Protocol）： 用于网络设备的办理和监控。网络办理员能够运用SNMP来监督设备的性能、装备和状况。

以上是OSI协议系统的相关内容，后续将更新TCP/IP系统结构