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体系结构与参考模型
考情分析
体系结构是 408 计算机网络的必考内容，几乎每年都会涉及。考法多样：选择题考各层功能和对应协议，大题可能结合具体场景问"这个操作发生在哪一层"。对各层的理解程度直接影响后续所有章节的学习效果。
考频：★★★
为什么要分层
计算机网络是一个极其复杂的系统，涉及硬件、软件、协议、数据格式等方方面面。如果把所有功能都塞到一个模块里，不仅难以设计，更难以维护和升级。
分层的核心思想：每一层只关注自己的功能，向上层提供服务，使用下层提供的服务。
好处：
- 模块化设计：每层功能独立，便于分工开发
- 接口标准化：层与层之间通过接口交互，某一层的实现变化不影响其他层
- 易于理解和调试：问题定位可以逐层排查
分层的基本原则：
- 每层实现一种相对独立的功能，降低系统复杂度
- 各层之间接口清晰、简洁，相互依赖尽可能少
- 各层功能的定义独立于具体实现方法
- 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
- 整个分层结构应有利于标准化工作
计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。体系结构是抽象的定义，而实现是具体的硬件和软件。
两个重要的体系结构
OSI 七层参考模型
OSI（Open Systems Interconnection）是 ISO 提出的标准化体系结构，分为七层。它更多是理论参考，实际应用中并未被广泛采用。
从上到下：
| 层次 | 名称 | 主要功能 | PDU |
|---|---|---|---|
| 7 | 应用层 | 为用户应用程序提供网络服务接口 | 报文（Message） |
| 6 | 表示层 | 数据格式转换、加密解密、压缩 | — |
| 5 | 会话层 | 建立、管理和终止会话，同步控制 | — |
| 4 | 传输层 | 端到端的可靠/不可靠数据传输 | 段（Segment） |
| 3 | 网络层 | 路由选择，逻辑寻址（IP 地址） | 数据报（Datagram） |
| 2 | 数据链路层 | 帧的封装、差错检测、介质访问控制 | 帧（Frame） |
| 1 | 物理层 | 比特流的透明传输，定义接口特性 | 比特（Bit） |
记忆口诀：应表会传网数物（从上到下）。
表示层和会话层在实际协议中功能较弱，所以 TCP/IP 模型将它们合并到了应用层。
TCP/IP 四层模型
TCP/IP 是因特网使用的实际体系结构，分为四层（也有五层的说法，把网络接口层拆成数据链路层和物理层）。
| TCP/IP 四层 | TCP/IP 五层 | 对应 OSI 层 | 典型协议 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 | 应用层 + 表示层 + 会话层 | HTTP, FTP, DNS, SMTP |
| 传输层 | 传输层 | 传输层 | TCP, UDP |
| 网际层 | 网络层 | 网络层 | IP, ICMP, ARP, OSPF |
| 网络接口层 | 数据链路层 + 物理层 | 数据链路层 + 物理层 | 以太网, PPP, Wi-Fi |
408 教材通常使用五层模型来讲解（兼具 OSI 的清晰和 TCP/IP 的实用），这也是考试默认的参考框架。
OSI vs TCP/IP 对比
| 对比项 | OSI 七层 | TCP/IP 四（五）层 |
|---|---|---|
| 层数 | 7 层 | 4 层（或5层） |
| 制定组织 | ISO | IETF |
| 实际使用 | 仅作为参考模型 | 因特网实际采用 |
| 设计顺序 | 先有模型，后制定协议，通用性好 | 先有协议栈，后归纳出模型 |
| 表示层/会话层 | 独立设置 | 合并到应用层 |
| 网络层 | 可以面向连接也可以无连接 | 仅无连接（IP） |
| 传输层 | 仅面向连接 | 面向连接（TCP）+ 无连接（UDP） |
TCP/IP 体系体现了两大设计哲学：Everything over IP（各种应用均可构建于 IP 之上）和 IP over Everything（IP 可运行于任意底层网络之上）。
各层的功能详解
应用层
直接为用户的应用进程提供服务。不同的网络应用对应不同的应用层协议。
核心协议：HTTP（网页）、FTP（文件传输）、SMTP/POP3/IMAP（邮件）、DNS（域名解析）。
传输层
提供端到端（进程到进程） 的数据传输服务。通过端口号区分同一主机上的不同应用进程。
注意三层通信的区别：数据链路层实现节点到节点通信（MAC 地址），网络层实现主机到主机通信（IP 地址），传输层实现端到端通信（端口号）。
传输层具有复用与分用功能：复用是指多个应用进程可同时使用传输层服务；分用是指传输层能将接收到的数据准确交付给对应的上层进程。
- TCP：面向连接、可靠传输、流量控制、拥塞控制
- UDP：无连接、尽最大努力交付、开销小
OSI 参考模型的传输层仅提供面向连接的可靠服务，而 TCP/IP 模型的传输层同时支持面向连接（TCP）和无连接（UDP）。
网络层
负责将分组从源主机传送到目的主机，核心功能是路由选择和逻辑寻址（IP 地址）。
网络层提供的是无连接、不可靠的数据报服务（IP 协议的特点），可靠性交给传输层的 TCP 来保证。
数据链路层
将网络层交下来的数据报封装成帧，在相邻节点之间传输。主要功能：
- 封装成帧（加首部和尾部）
- 差错检测（CRC 校验）
- 介质访问控制（MAC，解决多节点共享信道的冲突问题）
物理层
在传输介质上传送比特流。物理层关心的是：
- 接口的机械特性（形状、引脚数）
- 电气特性（电压范围、信号速率）
- 功能特性（各引脚的功能定义）
- 规程特性（信号时序关系）
物理层的任务是透明传输比特流——不管传的是什么数据，物理层都一视同仁地转成信号传出去。
PDU、SDU 与 PCI
这三个概念在选择题中经常考辨析：
- 协议数据单元（PDU）：对等层之间传送的数据单位
- 服务数据单元（SDU）：相邻层之间交换的数据单位
- 协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息（即首部/尾部）
三者关系：n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU
也就是说，第 n 层从第 n+1 层接收到的 PDU 作为本层的 SDU，加上本层的 PCI 后封装成本层的 PDU，再交给第 n-1 层。
封装与解封装
数据在发送方从上层往下层传递时，每经过一层都会加上该层的首部（有时还有尾部），这个过程叫封装。到达接收方后，从下层往上层逐层去掉首部，叫解封装。
各层数据单元的名称：
| 层次 | PDU 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| 应用层 | 报文（Message） | 应用层产生的完整数据 |
| 传输层 | 段/报文段（Segment） | TCP 的叫段，UDP 的叫用户数据报 |
| 网络层 | 数据报/分组（Datagram/Packet） | IP 数据报 |
| 数据链路层 | 帧（Frame） | 加了帧首部和尾部 |
| 物理层 | 比特（Bit） | 0 和 1 的比特流 |
交互可视化
下面的可视化展示了各层的功能、PDU 名称和封装/解封装的过程。
协议、接口与服务
这三个概念在 408 选择题中经常出辨析题。
- 协议：对等层（同一层）之间通信时遵守的规则，是水平的。协议由语法（数据格式）、语义（控制信息含义）、同步（动作时序）三要素组成。不对等实体之间不存在协议。
- 服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。第 n 层提供的服务是其自身及以下所有层服务的总和。只有能被上层感知并调用的功能才构成服务，下层协议对上层是透明的。
- 接口（SAP，服务访问点）：同一节点内相邻两层实体交换信息的逻辑接口。每层只能与紧邻的上下层定义接口，不允许跨层调用。
服务的分类
| 分类方式 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 按连接方式 | 面向连接服务 | 通信前建立连接、分配资源，结束后释放（如 TCP） |
| 无连接服务 | 无须建立连接，各分组独立传输，"尽最大努力交付"（如 UDP） | |
| 按可靠性 | 可靠服务 | 具备检错、纠错、应答机制，确保数据正确送达 |
| 不可靠服务 | 仅"尽最大努力交付"，可靠性由高层保障 | |
| 按应答方式 | 有应答服务 | 接收方自动返回确认（如文件传输） |
| 无应答服务 | 接收方不自动返回应答（如 WWW 浏览） |
一个常见的比喻：你（应用层）用中文写信（协议），交给翻译（表示层）翻译成英文，然后交给邮局（传输层及以下）。邮局提供的"寄信"功能就是服务，你和邮局之间的窗口就是接口。
疑难点
为什么互联网的网络层被设计为"不可靠"的？
这是互联网的核心设计哲学——端到端原则。IP 层只负责"尽力而为"地转发分组，不保证到达、不保证顺序、不保证不重复。可靠性交给传输层的 TCP 来做。好处是：网络核心（路由器）保持简单高效，只需要做转发；不同应用可以按需选择可靠传输（TCP）或不可靠传输（UDP）。如果在网络层强制可靠传输，视频通话、直播这类对实时性要求高、能容忍少量丢包的应用反而会受到不必要的延迟。
端到端通信和逐跳（点到点）通信有什么区别？
端到端通信指源主机到目的主机之间跨越整个网络的通信，属于传输层概念，通信双方是源主机进程和目的主机进程。逐跳通信指一条链路两端相邻节点之间的通信，属于数据链路层概念。一次端到端的通信，在路径上会经过多次逐跳转发。类比：你从北京寄快递到广州是"端到端"，快递在每个中转站之间的运输是"逐跳"。网络层的 IP 协议虽然也是逐跳转发，但它提供的"服务"是端到端的——从源到目的。
易错点
1. OSI 模型中网络层可以提供面向连接的服务
OSI 的网络层既支持面向连接也支持无连接。而 TCP/IP 的网络层（IP）只提供无连接的数据报服务。两个模型在这一点上是不同的。
2. ARP 到底属于哪一层？
这是个经典争议。408 教材（谢希仁版）将 ARP 放在网络层。但从功能上看，ARP 是把 IP 地址映射为 MAC 地址，涉及数据链路层的概念。考试中按教材处理，认为 ARP 属于网络层。
3. "对等层通信"是逻辑上的
物理上数据是从上层到下层，经过物理链路到对方，再从下层往上层传。对等层之间并没有直接的物理连接。所谓"第 N 层和对方第 N 层通信"是指它们在逻辑上使用相同的协议处理数据。
4. 服务和协议的方向
服务是纵向的（下层给上层提供），协议是横向的（对等层之间遵守的规则）。不能把"TCP 协议"说成"TCP 服务"。
高频考点清单
- OSI 七层模型每层的名称和功能
- TCP/IP 四（五）层模型与 OSI 的对比（设计顺序、网络层/传输层差异）
- 各层 PDU 的名称（报文 / 段 / 数据报 / 帧 / 比特）
- PDU、SDU、PCI 三者关系：n-SDU + n-PCI = n-PDU
- 封装与解封装的过程
- 协议三要素：语法、语义、同步
- 协议（水平）、服务（垂直）、接口（SAP）三个概念的区分
- 服务的分类：面向连接/无连接、可靠/不可靠、有应答/无应答
- 传输层的复用与分用功能
- 节点到节点（数据链路层）、主机到主机（网络层）、端到端（传输层）的区分
- 常见协议属于哪一层（HTTP-应用层, TCP-传输层, IP-网络层, ARP-网络层）