📖 1.6.3 计算机网络体系结构分层思想举例

🎯 课程摘要：本节课通过用户在主机浏览器中访问 Web 服务器的常见网络应用实例，从五层原理体系结构的角度详细演示应用层数据层层封装、逐层向下交付、经路由器转发、对端逐层解封的完整分层处理过程。

📝 详细笔记

1. 应用实例场景

• 场景描述：主机属于网络 N1，Web 服务器属于网络 N2，N1 和 N2 通过路由器互联。用户在主机浏览器地址栏输入 Web 服务器的域名后，主机向 Web 服务器发送请求报文，Web 服务器执行操作后返回响应报文，主机浏览器解析渲染显示。
• 本质：主机与 Web 服务器之间基于网络的通信，实际上是主机中的浏览器应用进程与 Web 服务器中的 Web 服务器应用进程之间基于网络的通信。
• ⚠️ 重点/考点：本例为简化的示意过程，重点是体系结构的分层处理方法，而非浏览器与 Web 服务器的详细交互过程。

2. 分层封装与传输过程（主机发送 HTTP 请求报文）

3. 各层封装详解（发送端）

• ⚠️ 重点/考点：物理层不认识帧的结构，仅将其看作比特流，转换成相应电信号发送。对于以太网，物理层会在比特流前添加前导码，目的是使接收方时钟同步并做好接收准备。

4. 路由器转发过程

| 层次 | 路由器操作 | |---| | 物理层 | 将电信号转换成比特流，去掉前导码，将帧向上交付给数据链路层 | | 数据链路层 | 去掉帧首部和尾部，将 IP 数据报向上交付给网络层 | | 网络层 | 从 IP 数据报首部提取目的 IP 地址，查找转发表决定转发接口；修改首部中某些字段值（如生存时间 TTL）；将 IP 数据报向下交付给数据链路层 | | 数据链路层 | 为 IP 数据报添加首部和尾部封装成帧，向下交付给物理层 | | 物理层 | 将帧看作比特流，添加前导码后转变成电信号发送出去 |

• ⚠️ 重点/考点：路由器工作在物理层、数据链路层和网络层，不涉及运输层和应用层。转发时要修改 IP 首部中的 TTL 等字段值。

5. 接收端解封过程（Web 服务器）

• Web 服务器收到数据包后，按网络体系结构自下而上的顺序逐层解封：
  1. 物理层：电信号 → 比特流；
  2. 数据链路层：去掉首部尾部 → IP 数据报；
  3. 网络层：去掉 IP 首部 → TCP 报文段；
  4. 运输层：去掉 TCP 首部 → HTTP 请求报文；
  5. 应用层：收到 HTTP 请求报文，执行相应操作。
• Web 服务器给主机发送 HTTP 响报文的过程与请求报文类似，需在 Web 服务器层层封装后发送，经路由器转发到达主机，主机自下而上逐层解封出 HTTP 响应报文。

6. 考研真题（2017 年计算机专业考研全国统考）

• 题目：应用层欲发送 400 字节数据（应用层 PDU），经表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层逐层封装，每层添加 20 字节首部，求数据传输效率。
• 分析：
  • 应用层 PDU = 400 字节；
  • 经下面五层逐层封装，每层引入 20 字节额外开销，共 5 × 20 = 100 字节；
  • 实际发送数据量 = 400 + 100 = 500 字节；
  • 数据传输效率 = 400 ÷ 500 = 80%。
• 助教补充：数据链路层一般添加首部和尾部，本题为简单起见将 20 字节额外开销全部看作首部。
• 答案：选项 A（80%）。

💡 核心总结

• 分层处理方法：发送端自上而下逐层封装（添加各自首部/尾部），接收端自下而上逐层解封，路由器在中间三层完成转发。
• 应用层 HTTP 报文 → 运输层加 TCP 首部成 TCP 报文段 → 网络层加 IP 首部成 IP 数据报 → 数据链路层加首部尾部成帧 → 物理层转比特流加前导码成电信号。
• 物理层不认识帧结构，仅处理比特流和前导码；路由器只工作在下三层，转发时修改 TTL 等字段。
• 数据传输效率 = 应用层数据量 ÷ 实际发送数据量；逐层封装引入开销会降低传输效率。

❓ 课后思考 / 经典考题

1. 主机发送 HTTP 请求报文时，各层分别添加什么首部/尾部？封装后的协议数据单元分别叫什么？
2. 路由器在转发数据包时，涉及哪几个层次？为什么要修改 IP 首部中的 TTL 字段？
3. 物理层为何要添加前导码？物理层是否认识帧的结构？
4. 2017 年考研题：应用层 400 字节数据经五层逐层封装每层加 20 字节首部，求数据传输效率。