夏杰

【摘 要】計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由各類具有獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和終端通過通信線路連接起來的復(fù)雜系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中各計(jì)算機(jī)必須遵從通信規(guī)定才能相互協(xié)調(diào)工作。為了設(shè)計(jì)這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)工作者提出了分層實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能的方法。

【關(guān)鍵詞】體系結(jié)構(gòu)；分層；模型；協(xié)議

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)要解決很多復(fù)雜的技術(shù)問題，如支持多種通信介質(zhì)；支持不同廠商異種機(jī)互連，包括軟件的通信約定和硬件接口的規(guī)范；支持多種業(yè)務(wù)等。一方面，正如結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中對復(fù)雜問題進(jìn)行模塊化分層處理一樣，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)劃分成若干層次，每層完成特定的功能，各層協(xié)調(diào)起來實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。另一方面，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，若要實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。

通信協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中為進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的通信雙方共同遵守的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定的集合。在網(wǎng)絡(luò)中通信雙方之間必須遵從相互可以接受的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（相同或兼容的協(xié)議）才能進(jìn)行通信，如目前因特網(wǎng)上使用的協(xié)議是TCP/IP。

體系結(jié)構(gòu)是研究系統(tǒng)中各組成部分及其關(guān)系的一門學(xué)科，這個(gè)術(shù)語后來被計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工作者所采用，為了使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在同一原則和方法下進(jìn)行設(shè)計(jì)、構(gòu)建和使用，提出了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的概念，對構(gòu)成整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要部分及應(yīng)具備的功能給出了一組定義。要理解網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，首先必須了解分層的設(shè)計(jì)思想。

層次結(jié)構(gòu)的好處在于每一層實(shí)現(xiàn)相對獨(dú)立的功能。每一層不必知道下面一層是如何實(shí)現(xiàn)的，只要知道下層通過層間接口提供什么服務(wù)，以及本層應(yīng)向上層提供什么服務(wù)，就能獨(dú)立設(shè)計(jì)。系統(tǒng)經(jīng)過分層后，每一層的功能相對簡單且易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。此外，若某一層需要改動(dòng)或替代時(shí)，只要不改變它和上下層的服務(wù)關(guān)系，則其他層次都不會(huì)受到影響，因此具有很大的靈活性。每一層的功能和所提供的服務(wù)都有精確的說明，有助于標(biāo)準(zhǔn)化。

一、一個(gè)合理的層次結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、各層之間是獨(dú)立的

某一層并不需要知道它的下一層是如何實(shí)現(xiàn)的，而僅僅需要知道該層通過層間的接口（即界面）所提供的服務(wù)。由于每一層只實(shí)現(xiàn)一種相對獨(dú)立的功能，因而可將一個(gè)難以處理的復(fù)雜問題分解為若干個(gè)較容易處理的更小一些的問題。

2、靈活性好

當(dāng)任何一層發(fā)生變化時(shí)，例如由于技術(shù)的變化促進(jìn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的變化，只要層間接口關(guān)系保持不變，則在這層以上或以下各層均不受影響。此外，對某一層提供的服務(wù)還可進(jìn)行修改。當(dāng)某層提供的服務(wù)不再需要時(shí)，甚至可以將這層取消。

3、結(jié)構(gòu)上可分割開

各層都可以采用最合適的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，各層實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改變不影響其他層。

4、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)

因?yàn)檎麄€(gè)的系統(tǒng)已被分解為若干個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)使得實(shí)現(xiàn)和調(diào)試一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)變得易于處理。

5、能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作

因?yàn)槊恳粚拥墓δ芗捌渌峁┑姆?wù)都已有了精確的說明。

二、分層的原則

如果層次劃分不合理也會(huì)帶來一些問題。因此，在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)分層時(shí)要遵循以下原則：

根據(jù)功能進(jìn)行抽象分層，每個(gè)層次所要實(shí)現(xiàn)的功能或服務(wù)均有明確的規(guī)定。

1、每層功能的選擇應(yīng)有利于標(biāo)準(zhǔn)化。

2、不同的系統(tǒng)分成相同的層次，對等層次具有相同功能。

3、高層使用下層提供的服務(wù)時(shí)，下層服務(wù)的實(shí)現(xiàn)是不可見的。

4、層的數(shù)目要適當(dāng)。若層數(shù)太少，就會(huì)使每一層的協(xié)議太復(fù)雜。但層數(shù)太多又會(huì)在描述和綜合各層功能的系統(tǒng)工程任務(wù)時(shí)遇到較多的困難。

值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中層次的劃分是人為規(guī)定的，有多種劃分的方法，每一層功能也可以有多種協(xié)議實(shí)現(xiàn)，因此伴隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展產(chǎn)生了多種體系結(jié)構(gòu)模型。分層結(jié)構(gòu)中的相關(guān)概念。

在網(wǎng)絡(luò)通信中，通信實(shí)體是層功能實(shí)現(xiàn)的真正承擔(dān)者（相應(yīng)的軟硬件），能發(fā)送和接收信息。例如，文件傳輸系統(tǒng)、電子郵件系統(tǒng)等，也可以是一塊網(wǎng)卡、一個(gè)智能I/O芯片。系統(tǒng)中的各層次都存在一些實(shí)體，不同系統(tǒng)的相同層次稱為對等層，對等層之間的通信稱為對等層通信，而對等實(shí)體是指相互通信的兩個(gè)不同系統(tǒng)上的同一層的通信實(shí)體。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是指相鄰兩層之間下層為上層所提供的操作功能或通信能力。由于網(wǎng)絡(luò)分層的結(jié)構(gòu)中的單向依賴關(guān)系，使下層總是向它的上層提供服務(wù)，上層可看成是下層的服務(wù)用戶，下層是上層的服務(wù)提供者。N 層使用N-1層及以下各層所提供的服務(wù)，向更高的N+1層提供服務(wù)。

在網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中，通信協(xié)議相應(yīng)地被分為各層協(xié)議，每一層都可能有若干個(gè)協(xié)議，因此，網(wǎng)絡(luò)中提到的協(xié)議總是指某一層的協(xié)議。N層協(xié)議規(guī)定了第N層對等實(shí)體之間進(jìn)行的虛通信必須遵守的規(guī)則。對等層通信所遵守的規(guī)則或約定稱為同層協(xié)議。

在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，常提到“功能”“服務(wù)”和“協(xié)議”這幾個(gè)術(shù)語，它們有著不同的含義。功能是本層內(nèi)部的活動(dòng)，是為了實(shí)現(xiàn)對外服務(wù)而從事的活動(dòng)；而服務(wù)是本層提供給高一層使用的操作功能，屬于外觀的表象，只有那些能夠被高一層看得見的功能才能稱為服務(wù)；協(xié)議則相當(dāng)于一種工具，對外的服務(wù)是依靠本層的協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。

協(xié)議是控制兩個(gè)對等實(shí)體（或多個(gè)實(shí)體）進(jìn)行通信的規(guī)則的集合。在協(xié)議的控制下，兩個(gè)對等實(shí)體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下面一層所提供的服務(wù)。

協(xié)議和服務(wù)是兩個(gè)不同的概念。

首先，協(xié)議的實(shí)現(xiàn)保證了能夠向上一層提供服務(wù)。本層的服務(wù)用戶只能看見服務(wù)而無法看見下面的協(xié)議。下面的協(xié)議對上面的服務(wù)用戶是透明的。

其次，協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實(shí)體之間通信的規(guī)則。但服務(wù)是“垂直的”，即服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的。另外，并非在一個(gè)層內(nèi)完成的全部功能都稱為服務(wù)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，就是協(xié)議必須將所有不利的條件都事先估計(jì)到，而不能假定都是在很順利的條件下進(jìn)行通信。例如，兩個(gè)朋友在電話中約好，晚上7點(diǎn)在某某飯店門口碰頭，然后一起吃飯，并且約定“不見不散”。這就是一個(gè)很壞的協(xié)議，因?yàn)槿魏我环脚R時(shí)有急事來不了，另一方按照協(xié)議就必須永遠(yuǎn)等待下去，這顯然是不行的。因此，判斷一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是否正確，不但要看該協(xié)議在正常情況下是否正確，還要看這個(gè)協(xié)議能否應(yīng)付各種異常的情況，哪怕這種異常情況出現(xiàn)的概率極其微小。因此，要設(shè)計(jì)一個(gè)很可靠的協(xié)議則并不容易。