考点三：计算机网络的体系结构
计算机网络的标准之争是个大江湖，其中包括华为、高通、诺基亚、思科等这些全球通信的行业大佬。通信领域3G有三个标准（欧洲主导的WCDMA、美国主导的CDMA2000、中国主导的TD-SCDMA），4G有两个标准（欧洲主导的LTE-FDD和中国主导的TD-LTE）。针对5G，全球通信业则已达成共识，要形成一个统一的标准。2016年10月葡萄牙举办的86次会议讨论中，最终确定数据信道长码编码方案采用高通主导的LDPC编码。2016年11月美国举办的87次会议的讨论中，最终确定信道短码编码方案采用华为主导的Polar Code（极化码）方案。“一流企业定标准、二流企业做品牌、三流企业做产品”，一句话揭示了高科技行业的真谛，谁掌握了标准，谁就获得了先机。由此我们也可以看到，计算机网络的标准是融合了各方大佬的技术和方案的产物，其设计也要经历大佬们的各种妥协和交换。
1．体系结构
计算机网络是一个复杂的系统，绝大多数网络采用分层设计方法。所谓分层设计方法，是指按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同计算机的同等功能层之间采用相同的协议，同一计算机上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。这样的好处是只需要定义各层之间的数据流动的接口，各层内部的实现细节由各个大佬厂商决定，就可以海纳百川地包括各种技术和设备，皆大欢喜。
在计算机网络的分层结构中，计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。存在以下术语（图1-6）。
（1）实体：第n层中的实体常称为n层实体，该实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
（2）对等实体和对等层：不同计算机上的相同层为对等层，不同计算机的同一层的实体称为对等实体。
（3）n层实体实现的服务为n+1层所利用。在这种情况下，n层被称为服务提供者，n+1层为服务用户。
（4）在计算机网络体系结构的各个层次中，每个报文都分为两个部分，一个是服务数据单元（Service Date Unit，SDU），另一个是协议控制信息（Protocol Control Information，PCI），它们共同组成协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。服务数据单元是为完成用户所要求的功能而应传送的数据，第n层的服务数据单元记为n-SDU。协议控制信息控制协议操作的信息，第n层的协议控制信息记为n-PCI。对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU，第n层的协议数据单元记为n-PDU。
（5）在实际的网络中，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，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。
2．协议
协议就是规则的集合。在网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵循事先约定的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。这些为网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，它是控制两个（或多个）对等实体进行通信的规则的集合，也就是“水平的”。网络协议简称协议。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。协议的实现保证了能够向上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的实体是透明的。
协议由语法、语义和时序三部分组成。语法规定了传输数据的格式；语义规定了所要完成的功能，即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答；时序（也称同步）是对事件实现顺序的详细说明，它体现的是时间特性。
3．服务
服务是指下层为紧相邻的上层提供的功能调用，也就是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。并非在一个层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才能称为服务。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。
注意：协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
计算机网络提供的服务可按以下3种方式进行分类。
（1）面向连接服务与无连接服务。在面向连接服务中，通信前双方必须先建立连接，分配相应的资源（如缓冲区），以保证通信能正常进行，传输结束后释放连接和所占用的资源。因此，这种服务可以分为连接建立、数据传输和连接释放这3个阶段。常用的面向连接的服务有TCP协议、PPP协议。（说明：先记住有这些协议，后面会详细讲解这些内容）
在无连接服务中，通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时就直接发送，把每个带有目的地址的数据报发送到数据线路上，系统根据一些协议选定发送数据的路径，是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”，并不保证通信的可靠性。在计算机网络中，除了TCP和PPP协议，其他的协议几乎都是面向无连接的，如IP、ICMP等。
（2）可靠服务和不可靠服务。可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。在计算机网络中，只有TCP协议是可靠协议，当然使用TCP协议的应用层协议也是可靠协议，其他协议都是不可靠的协议。
不可靠服务是指网络只是尽量正确、可靠地传送，但不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务。不可靠服务也是一种尽最大努力的服务，不能保证服务质量，但是也不会随意丢弃数据。在计算机网络中，除TCP协议以及使用TCP协议之外的协议几乎都是不可靠协议。
（3）有应答服务和无应答服务。有应答服务是指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答。所发送的应答可以是肯定应答，也可以是否定应答。需要说明的是，并不是面向连接的协议一定需要应答，也并不是有应答的服务就是可靠服务。在考试中TCP协议和CSMA/CA协议均需要有应答，但是CSMA/CA既不是可靠服务，也不是面向连接的服务。PPP协议是面向连接的协议，但是PPP协议不需要应答。无应答服务是指接收方收到数据后不自动给出应答。若需要应答，则由高层实现。
4．接口（服务访问点）
接口是同一节点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。在典型的接口上，同一节点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point，SAP）进行交互。服务是通过服务访问点提供给上层使用的，第n层的服务访问点就是第n+1层可以访问第n层服务的地方。实际就是逻辑接口，是一个层次系统的上、下层之间进行通信的接口，n层的SAP就是n+1层可以访问n层服务的地方。
协议、接口、服务三者之间的关系如图1-6所示。
图1-6 协议、接口、服务三者之间的关系
注意：体系结构三要素是协议、服务和服务访问点；协议三要素是语法、语义和同步。
【政哥点拨】
1.计算机网络的体系结构是指( )。
A.计算机网络的分层结构和协议的集合 B.计算机网络的连接形式
C.计算机网络的协议集合 D.由通信线路连接起来的网络系统
解析 A 本题考查计算机网络体系结构的基本概念。网络协议是计算机网络必不可少的，一个完整的计算机网络需要有一套复杂的协议集合,组织复杂的计算机网络协议的最好方式就是利用层次模型。而将计算机网络层次模型和各层协议的集合定义为计算机网络的体系结构。故而本题选择A项。
2．在OSI参考模型中,第n层与它之上的第n+1层的关系是( )。
A.第n层为第n+1层提供服务
B．第n+1层将从第n层接收到的报文添加一个报头
C．第n层使用第n+1层提供的服务
D.第n层使用第n+1层提供的协议
解析 A 本题考查OSI参考模型上层与下层的关系。OSI分层结构有以下特点：
①网络中各节点都有相同的层次。
②不同节点的同等层具有相同的功能,同一节点内相邻层之间通过接口通信。
③每层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。
④不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。
注意：B项,第n层将从第n+1层接收到的报文添加一个报头,B项的描述刚好相反,所以不正确。我们来看看数据从应用层传递到物理层添加报头(有的层还需要添加报尾)的过程,如图1-7所示。
3.网络协议的主要要素是( )。
A.数据格式、编码、信号电平 B.数据格式、控制信息、速度匹配
C.语法、语义、同步 D.编码、控制信息、同步
解析 C 本题考查网络协议的要素。一个网络协议至少包含3个要素,即语法、语义和时序。其中,语法即数据和控制信息的结构的格式、编码及信号电平等。语义用来说明需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应,用于协调与差错处理有关的控制信息。时序说明事件的先后顺序、速度匹配和排序等。
图1-7 数据从应用层传递到物理层添加报头的过程
政哥应试提醒：在考研中，结合真题的出题规律，本考点的体系结构的概念、协议、服务等是考查的重点，大家背诵好概念，轻松上分。
难度系数：★
牛刀小试
1.在计算机网络体系结构中,相邻层交换的数据单元称为( ),对等层间交换的数据单元称为( )。
A.SDU B.IDU C.PDU D.ICI
2.下列关于网络体系结构的描述中正确的是( )。
A.网络协议中的语法涉及的是用于协调与差错处理有关的控制信息
B.在网络分层体系结构中,n层是n+1层的用户,又是n-1层的服务提供者
C.OSI参考模型包括了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象
D.OSI模型和TCP/IP模型的网络层同时支持面向连接的通信和无连接通信
3.在OSI模型中,服务定义为( )。
A.各层向下层提供的一组原语操作 B.各层对等实体间通信的功能实现
C.各层通过SAP向上层提供的一组功能 D.与协议的含义是一样的
4.协议中,( )是对构成协议的元素的含义的解析,( )规定数据和控制信息的结构或格式。
A．语义 B.服务 C．语法 D.差错控制
5．服务和协议是完全不同的两个概念,下列关于它们的说法错误的是( )。
A．协议是水平的,即协议是控制对等实体间通信的规则。服务是垂直的,即服务是下层向上层通过层间接口提供的
B.在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议,还需要使用下面一层所提供的服务
C.协议的实现保证了能够向上一层提供服务
D.OSI将层与层之间交换的数据单位称为协议数据单元PDU
6．计算机网络体系结构中,下层的目的是向上一层提供( )。
A.协议 B.服务 C.规则 D.数据包
7．下列说法正确的是( )。
A．服务发生在同层实体之间
B.协议发生在不同层实体之间
C.协议通过不同主机的服务访问点进行交互
D.下层总是为上层提供服务,上层总是享受下层服务
8．对等层实体之间采用( ）进行通信。
A.服务 B.服务访问点 C.协议 D.上述三者
9.在OSI/RM中,表示进行发送和接收信息的硬件和软件进程的名词是( )。
A.实体 B.子系统 C.对等层 D.服务
牛刀小试解析
1．A、C 解析 本题考查协议数据单元和服务数据单元的概念和区别。我们常见的数据单元有SDU、PDU和IDU 3种。
SDU(Service Data Unit)指的是第n层待传送和处理的数据单元。
尽管它可能在上层封装了头部,但是下层只是把它看成一个整体。如果下层的接收实体允许的最大长度小于该SDU的长度,那么该SDU需要分拆。分拆后的SDU再分别用下层的PCI 封装形成下层的PDU。
PDU(Protocol Control Unit）指的是同等层水平方向传送的数据单元。它通常是将SDU分成若干段,每段加上报头,作为单独协议数据单元PDU在水平方向上传送。
IDU(Interface Data Unit)指的是在相邻层接口间传送的数据单元,它是由SDU和一些控制信息组成的。
2．C 解析 语义:涉及用于协调与差错处理的控制信息。语法：涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。
在网络分层体系结构中,n层是n-1层的用户,又是n+1层的服务提供者。
OSI模型的网络层同时支持面向连接的通信和无连接通信，TCP/IP模型的网络层只有一种模式,即无连接通信。
3．C 解析 本题考查OSI模型中协议的定义。服务是某一层及其以下各层的一种能力,通过接口提供给其相邻的上层。故而选择C项。
4．A、C 解析 本题考查协议要素中语义和语法的含义。协议是为实现网络中的数据交换建立的规则标准或约定,它主要由语法、语义和时序三部分组成,即网络协议的三要素。
①语法规定用户数据与控制信息的结构与格式。(如何通信?)
②语义是需要发出何种控制信息,以及要完成的动作与应做出的响应。(通信什么?即对构成协议的元素的含义的解析)
③时序是事件实现的速度匹配和排序等。故而本题第一空选择A项,第二空选择C项。
5．D 解析 服务与协议的区别如下：
①协议是控制两个对等实体(或者多个实体,水平的)进行通信的规则的集合。
在协议的控制下,两个对等实体之间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议,还需要使用下一层所提供的服务。
②协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间的通信规则。服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
OSI将层与层之间交换的数据单位称为接口数据单元。故而本题选择D项。
6．B 解析 协议(Protocol)是在计算机网络中,实现对等实体之间正确传递信息,在有关信息传输顺序、信息格式及信息内容等方面定义的一组通信约定或规则(水平的)。服务是网络分层结构模型中,每层向其相邻的上一层提供的服务(一组操作)(垂直的),服务类型有面向连接服务和无连接服务。接口则是相邻两层之间的界面。
7．D 解析 ISO开放系统互联参考模型把网络协议分为7层，下层协议实体向上层协议实体提供服务,上层协议实体通过服务访问点(Service Access Point,SAP)接受下层的服务。
服务访问点是在同一系统中相邻两层的实体进行交互(交换信息)的地方,是邻层实体之间的逻辑接口。从物理层开始,每层都向上层提供服务访问点。
在连接因特网的普通计算机上,物理层的服务访问点就是网卡接口,数据链路层的服务访问点是MAC地址,网络层的服务访问点是IP地址,传输层的服务访问点是端口号,应用层提供的服务访问点是用户界面。
8．C 解析 本题考查OSI模型和TCP/IP参考模型两种协议栈相同的层次结构。计算机之间的数据通信过程实际上是计算机对等层实体之间进行数据交换的过程,对等层实体间通信应遵循一些事先约好的规则,这些规则称为协议。故而本题选择C项。
9．A 解析 实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
对等层：在网络体系结构中,通信双方实现同样功能的层。
协议：是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
服务：是由下层向上层通过层间接口提供的。
在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议,还需要使用下一层所提供的服务。
服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体进行交互(交换信息)的地方。服务访问点（SAP）是一个抽象的概念,它实际上就是一个逻辑接口。