【计算机网络】计算机网络协议、接口与服务全面解析—

【计算机网络】计算机网络协议、接口与服务全面解析——结合生活化案例与图文详解

导读

大家好，很高兴又和大家见面啦！！！

在上一篇内容中我们介绍了……

一、协议

1.1 定义

网络协议（Network Protocol）是指为了在网络中进行数据交换而建立的规则、标准或者约定。

网络协议是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。

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graph LR
A[实体1] ---- 网络协议1 ---> B[对等实体1]
C[实体2]---- 网络协议2 ---> D[对等实体2]

不对等的实体之间是没有协议的：

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graph LR
    实体1-.-C((无协议))-.-> 对等实体2
    classDef red fill:#ff0000, stroke:#000000  
    class C red

1.2 组成

协议是由语法、语义以及同步三部分组成：

语法：数据与控制信息的格式。

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graph LR
%% ===== 数据包语法结构 =====
subgraph Ethernet_Frame[以太网帧语法]
    direction LR
    A["帧头<br>------------------<br>
	    目标MAC: 00:1A:2B:xx<br>
	    源MAC: 00:0C:29:xx
	"] --> 
    B["IP头<br>------------------<br>
	版本: IPv4<br>
	TTL: 64"] --> 
    C["TCP头<br>------------------<br>序列号: 0x3a4b<br>窗口大小: 8192"] 
    C --> D["数据载荷<br>------------------<br>(应用层数据)"] --> 
    E["帧尾<br>
	------------------<br>
	CRC校验: 0x7d3f"]

    classDef header fill:#e6f3ff,stroke:#0066cc,stroke-width:1.5px;
    classDef data fill:#e6ffe6,stroke:#00cc00;
    classDef checksum fill:#ffe6e6,stroke:#ff0000;
    
    class A,B,C,E header
    class D data
    class E checksum
end

语义：即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。

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graph TB
%% ===== 协议语义：控制逻辑 =====
subgraph 语义[控制逻辑与动作]
    direction TB
    Start((开始)) --> CheckCRC{校验CRC}
    
    CheckCRC -- 校验成功 --> SendACK[发送ACK确认]
    CheckCRC -- 校验失败 --> SendNAK[发送NAK要求重传]
    
    SendACK --> UpdateWindow[更新接收窗口]
    SendNAK --> WaitRetransmit[等待重传]
    
    UpdateWindow --> EndProcess((结束))
    WaitRetransmit --> EndProcess
    
    classDef decision fill:#ffe6cc,stroke:#ff9900;  
    classDef action fill:#e6ffe6,stroke:#00cc00;     
    classDef startEnd fill:#f0f0f0,stroke:#666;      
    
    class CheckCRC,SendACK decision
    class SendNAK,UpdateWindow,WaitRetransmit action
    class Start,EndProcess startEnd
end

同步（时序）：执行各种操作的条件、时序关系等，即事件发现顺序的详细说明。

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sequenceDiagram
    participant Sender as 发送方
    participant Receiver as 接收方

    %% ===== 同步时序 =====
    Sender ->> Receiver: 数据包 (语法: 头部+数据)
    Note over Receiver: 语义: 解析头部并校验
    Receiver-->>Sender: ACK (控制信息)
    alt 超时未收到ACK
        Sender->>Sender: 重传数据 (语义: 超时动作)
    else 正常收到ACK
        Sender->>Receiver: 发送下一包 (同步: 顺序约束)
    end

这里我以小明与小红这两个好友之间的交流为例进行说明：

语法就是指的双方交流时采用的语法规则，如中文语法规则；
语义则是当小明提问时，小红对问题的思考与回复；
同步则是指交流时的先后顺序与事件的触发条件：

在双方沟通之前，有进行过如下约定：

T01协议：当接收方未正常接收到消息时触发
T02协议：当接收方未在规定时间内回复时触发
规定当声音超过60dB对方才能听清

第一轮对话（物理层错误）：

小明：[音量40dB]“你吃饭了吗？”

→ 小红检测到振幅不足，不传递至语义层小红触发T01协议

小红：[音量60dB] “你声音太小了，声音大点再问一次”

第二轮对话（协议层超时）：

小明：[音量60dB]你吃饭了吗？

→ 对话状态机启动10秒计时小红：语义分析完成，但生成回复耗时12秒 → 小明检测超时 触发T02协议

小明：再次提问[音量60dB]“你吃饭了吗？”

第三轮对话（正常流程）：

小明：[音量60dB]你吃饭了吗？

小红：[5秒内]语义解析 → 生成回复 → 输出

小红：[音量60dB]“吃过了”

→ 计时器终止，对话状态更新

二、接口

同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点（Service Access Point, SAP）。

接口是也仅是相邻的上下层之间通信的渠道，不可能存在跨层接口，也就是说上层不可能的跨层与下层进行通信。

服务就是通过SAP提供给上层使用，第n层的SAP就是第n+1层访问第n层服务的渠道。

三、服务

3.1 定义

服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。

对等实体在协议的控制下，使得本层能为上层提供服务，但要实现本层协议，还需要使用下层提供的服务。

3.2 服务与协议的区别

服务与协议是两个完全不同的概念，主要区别如下：

通信对象不同
- 服务是垂直的，下层为紧邻的上层提供功能接口（如传输层为应用层提供可靠传输服务）。
- 协议是水平的，同一层对等实体间通过协议通信（如两台主机的传输层通过TCP协议协商数据传输）。
依赖关系不同
- 服务定义接口，协议实现功能：下层通过协议实现其向上层承诺的服务。例如，传输层通过TCP协议（三次握手、超时重传）实现可靠传输服务，向上层暴露 send() 和 receive() 接口。
- 上层仅依赖服务接口：应用层调用传输层的 send(data)，无需知晓TCP协议如何实现可靠性（如滑动窗口、拥塞控制）。
透明性
- 下层协议对上层透明：上层用户只能看到下层提供的服务接口，而协议实现细节（如TCP序列号管理）对上层不可见。
- 示例：应用层（浏览器）通过传输层的 send() 发送HTTP请求，但无需了解TCP如何通过ACK确认数据包。

注意：只有能被上一层实体使用的功能才称为服务，协议实现的其他功能（如流量控制）对上层透明。

3.3 分类

计算机网络提供的服务可按以下三种方式分类：

3.3.1 面向连接服务于无连接服务

在面向连接服务中，通信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占用的资源。因此这种服务可分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。

在无连接服务中，通信前双方不需要先建立连接，需要发送数据时可直接发送，将每个带有目的地址的包（报文分组）传送到线路上，由系统选定路线进行传输。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”，是一种不可靠服务。

3.3.2 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。

不可靠服务是指网络只是尽量让数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务。

3.3.3 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，该应答由传输系统内部自动实现，而不由用户实现。发送的应答可以是肯定应答也可以是否定应答，通常在收到数据有错误时发送否定应答。

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。

结语

在今天的内容中我们介绍了计算机网络的协议、接口与服务的相关内容：

协议指的是计算机网络中数据交换的规则、标准与约定。由语法、语义与同步三部分组成。
接口是分层结构中，相邻层之间通信的通道。
服务是下层为紧邻的上层提供的功能调用。

今天的内容到这里就全部结束了，在下一篇内容中我们将介绍《OSI模型》，大家记得关注哦！

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