2.3 分層架構

有了大致的思路之后，讓我們來想一想如何在數據鏈路的基礎上構建一個完整的網絡體系。

上一節中我們講解了如何構建可靠的數據鏈路。雖然這個數據鏈路是我們附加在物理鏈路之上的抽象概念，但這種數據鏈路我們一般都會使用純硬件實現。但是如果想仿照數據鏈路使用硬件實現接下來的功能，就不是那么簡單了。

例如，接下來要實現數據的轉發功能。但是問題是，我們如何知道要將數據轉發到何處呢？直接將整個網絡的拓撲結構存儲在每個機器節點里嗎？如果是這樣，當機器節點增加時需要將網絡中的所有機器節點數據全部更新一遍，這無疑是費時費力的（比如像圖2-3那樣）。那么我們就需要實現一種復雜的自學習式的尋路算法，如果直接使用電路實現成本極高。同時我們還要確保數據可以可靠地被轉發到目的機器節點，如果數據在路途中丟失或損壞我們也要采取一定的措施。此外，如果軟件直接使用硬件接口，手動將數據劃分為一個個分組進行傳送，無疑會加大應用軟件的開發成本。

換言之，想要構建一條純硬件的、任意機器節點之間可靠傳輸的數據鏈路成本太高。應該如何解決這些問題呢？

在計算機的世界中，我們將這種問題稱為“高復雜性”問題，而解決高復雜性問題一種慣性思維就是加入中間層。

例如，我們可以將物理鏈路看成一個層，而數據鏈路看成另一個層，如圖2-4所示。

圖2-4中上面一層稱為數據鏈路層，下面一層稱為物理層。通過之前的講解，可以看到我們完全是在物理層的基礎上實現了一個數據鏈路層，保證相鄰機器節點之間的可靠數據通道。那如果我們在數據鏈路層的基礎上再加一個層，這個層假設相鄰機器節點之間有可靠且可分數復用的數據通道，而該層只考慮在這種可靠的數據通道中實現節點的分組轉發功能，并使用軟件技術實現這種算法，是不是可以降低整個系統的復雜度呢？

實際上就是如此。

所以我們就在這上面再加一層，稱之為網絡層（就是在網絡中尋找目標機器節點），該層主要使用軟件實現，如圖2-5所示。

但現在又出現新的問題——同一個機器節點上可能會運行不同的軟件程序，如果A機器節點的程序1向B機器節點的程序2發送數據，A機器節點的程序3也會向B機器節點的程序4發送數據，那么B機器節點接收到數據時該如何區分呢？此外，網絡層依然是分組傳送，如果直接讓軟件自己手動對數據進行分組開發成本過高，如果可以將數據傳輸看成無限字節流的傳輸就太好了。但直接在“尋找路徑”這一層實現這些功能又勢必會增加軟件的復雜度。

所以我們故技重施，再加一層，用這一層實現端到端（也就是應用程序之間的）的字節流數據傳輸通道，我們稱之為傳輸層。目前的分層結構如圖2-6所示。

最后，雖然所有的應用程序都可以將數據轉換為字節流，但普通的字節流是毫無意義的，為了讓字節流變得有意義，需要雙方遵守同樣的規則來理解一個字節流，也就是雙方要有一個軟件層的解釋字節流的協議。很明顯傳輸層并不負責這件事情，而且由于應用程序類型眾多，傳輸層如果還要考慮解釋字節流，負擔就太重了。因此我們還需要再加一層，不同的應用程序在這一層上建立自己的協議，由于這一層完全是面向應用程序的，因此我們稱之為應用層。

現在的層次結構如圖2-7所示。

到現在我們終于可以松口氣了，你會發現，我們已經一步步將整個分布式網絡的架構構建出來了。

我們可以看出，在解決這個問題的過程中，為了保證網絡的簡單性，我們根據實際問題將整個網絡劃分成了多個邏輯層次，每個層次專注解決一個或幾個相關問題。這樣一來每個層次都可以直接使用下一層次提供的“服務”，降低了每個層次的復雜性，進一步降低整個網絡構建的成本。

幸運的是，經過實踐打磨出的TCP/IP協議正采用了這種分層的思想，TCP/IP的分層結構如圖2-8所示。

其中物理層在協議之外。而數據鏈路層和我們的一樣，保證相鄰通信節點之間的可靠數據傳遞。網絡層負責網絡之間任意兩點數據包的傳送。傳輸層負責端到端的字節流抽象。最后應用層負責構建應用程序協議。

接下來具體介紹如何構建數據鏈路層上的每一層，并引入TCP/IP的一些規范。