Windows Socket网络编程——第二章 Windows Socket概念

第二章 Windows Sockets的概念

2.1 OSI网络模型

OSI（Open SystemInterconnect）网络模型，即开放系统互连网络模型，其组成结构如下图所示。

7	应用层	提供用户接口、实现应用所需的服务（例如，文件传输、电子邮件、终端仿真等）。
6	表示层	阁书画数据（例如，加密或解密、压缩或解压，或者在不同的表示系统之间进行转换）。
5	会话层	在两台网络主机之间打开一个会话（一个“虚拟连接”），对两个端点之间的会话进行控制，然后关闭会话。
4	传输层	进行可靠或非可靠的数据传输。可靠传输需要创建连接（一个“虚拟连接”），然后在传输完成后拆除该链接。
3	网络层	为分组寻址和建立路由，通过中间结点，为两个网络主机之间建立起端到端的通信功能。
2	数据链路层	创建和管理两个端点之间的物理通信链路，对共享接口上的竞争链路进行复用，将比特流组织成帧。
1	物理层	提供到传输媒介上的电气连接，是发送端的一个比特能够被接收端正确识别为一个比特。

上层：5、6、7。下层：1、2、3、4。而Windows Sockets API就位于上层与下层之间。

在Windows Sockets 模型中，我们将下层成为网络系统，把上层称为WinSock应用程序。

服务和接口

OSI网络参考模型明确了一个7层的架构，每一层承担一种功能（即一组相关的服务）。每一层通过相邻下层的接口来访问其提供的服务。接口提供一组定义良好的功能调用，从而使其服务可被访问。

在OSI网络参考模型中，工作流是从上倒下执行的，上层依赖于下层来对付那些琐事，实现其构想。各层通过下层接口依次向下递交其工作，上层并不关心下层是怎样完成其服务的，它们只关心任务是否完成。也就是说，下层的活动及其实现细节对于上层来说是透明的。只有在发生故障时，下层对上层才是不透明的，，故障在OSI的层次之间就像“冒泡”一样从下往上呈现。因为当一个服务请求失败是，随之会带来上层的失效，由此形成一个连锁反应。

2.2 WinSock网络模型

将OSI网络模型的高层称作Winsock应用程序，低层则构成网络系统，WinSock的应用编程接口（API）位于两者之间。这样就构成了WinSock网络模型。

WinSock应用程序：提供高层的工程（OSI的5～7层）

网络系统：提供低层的功能（OSI的1～4层）

Winsock API：允许高层访问低层的服务。

下图是一个典型的网络系统具有的模块化结构。

2.2.1 信息与数据

信息是“加工过的”，或者承载了耨中含义，兵器总是完整的。数据则与此想法，数据时“原始的”，布局有什么含义，并且通常是不完整的。数据包含信息，但不是所有数据都具有信息价值。信息具有结构和意义，数据则两者都不具备，数据时8为比特（字节）的任意组合。

2.2.2 应用协议

应用协议定义了网络应用程序之间通信所要遵循的规则。这些规则描述了应用程序的信息，以及应用程序在发送和接收信息是应该怎样使用中。两个应用程序之间要进行与通信，必须有一个应用协议，因为协议定义了应用程序彼此之间应传递什么消息。

Windows SocketsAPI 向应用程序屏蔽了“下层”的协议，如此一来程序员只管做自己的事就好，不需要去担心“下层”是如何完成工作的。

2.3 WinSock中的OSI层次

2.3.1 应用层

应用层负责与用户的交互。它提供接收用户命令和显示信息的用户界面。

Windows Sockets应用程序的应用层处理用户的输入（命令）和应用程序的输出（响应），应用层的服务定义了应用程序的目的。例如，电子邮件程序，用户利用应用层阅读和撰写电子邮件。

除了提供用户界面和辅助功能外，应用层还承担主要的信息处理任务，实现与具体应用相关的信息处理机制。例如，在电子邮件中，应用层创建要发送的邮件消息的首部，积习所接受的邮件消息的首部。邮件消息就是用用层的信息单元。

2.3.2 表示层

表示层负责该层接受来自应用层的信息，并对其进行格式化。如果这个应用程序需要进行任何形式的数据转换，那么都会在表示层进行。常见的表示层功能的例子有：压索、加密、屏幕格式化以及代码转换（例如,ASCII到EBCDIC）。表示层不是必需的，如果应用程序不需要任何数据格式化服务的话，那么应用程序中可以没有表示层。

2.3.3 会话层

会话层负责建立、控制和关闭一个被称为会话的“高级别的"链接。一个会话与一个”低级别的“传输层连接不同。会话是一个”虚连接“，这意味着它可以存在于无连接的传输层协议之上，甚至当网络通信已经停止时。应用程序在绘画成上维持其通信的状态，即使不存在连接，会话层也可以通过该状态模拟一个连接。

会话层的服务对于传输大文件的应用层很有用，尤其是在一个不可靠的网络系统中，会话层与远程主机建立起一个会话，然后开始传输文件，按照预先设定的间隔，接收方发挥一个”同步消息“，向发送方表明已经成功接受了多少数据。发送方和接收方均保存这个消息。如果传输失败，虚连接依然存在，一旦会话层获得一个新的传输连接，则文件可以从上一个同步点重新开始传输，从而不必从头传输该文件。当文件传输完成时，会话层结束该会话（虚连接）。

会话层利用传输层的服务来建立、控制和关闭会话。

2.3.4 传输层

传输层提供那些通常与网络互联相关的服务，即数据的”端到端“（从源到目的）的传输。这个传输可以是可靠的，也可以是不可靠的，可靠传输要求一个链接，不可靠传输则无连接的要求。

传输层通过与网络层的接口实现数据包的封装、寻址和发送从会话层传递过来的数据。对于可靠的数据传输，传输层要负责所接收数据的确认、数据序号分配、缓存、流量控制和重传。

传输层使用网络层的接口，很多情况下，网络层的接口对应用程序来说是不可见的，因为它被隐藏在协议栈软件的内部。在Windows Sockets规范中没有定义这个API，而在Berkeley Sockets的4.3版本中SOCK_RAW API却是事实上的标准。

SOCK_RAW功能对某些特殊的应用程序来说是很有用的，但是我们应该避免使用它，应为大多数程序并不需要SOCK_RAW，它会大大降低应用程序的可移植性。

2.3.5 网络层

网络层负责数据包的路由、分片和重组。它的主要目的是寻址，这包括路由服务，即能够为数据包在网桥和路由器互联起来的网络中建立起传输路径。

2.3.6 数据链路层

数据链路层也被称为网络驱动层。它控制网络接口硬件，当有两个或多个网络层需要同时使用网络接口时，它负责管理竞争的请求。再把数据包发送到物理层之前，数据链路层创建媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）首部。将其作为从网络层接收的数据包的前缀。相反地，接收时，再把数据包上传给网络层之前，数据链路层要把MAC首部剥离下来，再上传。

2.3.7 物理层

物理层是硬件，即网卡本身。该层直接与物理网络介质的”对话“。它采用规定的方法（例如电压电平，无线信号或者光脉冲）产生（和检测）介质上传输的消息。物理层的主要目的是以比特流的形式发送数据并确保其正常接收。

2.4 模块化的层次框

每一层都隐藏了其实现细节，所以每一层的内容都是可以改变的，但是它所提供的服务和接口保持不变。Windows Sockets支持多种协议AppleTalk、DECnet以及Novell公司的IPX/SPX协议。

2.5 服务和协议

两个网络主机的对等层之间的对话，使用相同的协议进行彼此间“交谈”，协议是对等层之间进行通信所遵循的一组明确的规定。这些规定描述了当前状态下应有的请求和相应。换言之，协议定义了每一层信息的前后相关联的语法和语义。

两个对等层之间的“对话”在楼继上独立于其他对等层的对话，协议实现该层的服务，并且对上层的请求作出相应。

2.6 协议和API

Windows SocketsAPI是独立于协议的，访问不同协议栈的API间的差异，带来了各种协议簇间不同的寻址需求。此外，在可用的传输服务上也有一些细微的差异，但是这些差异对应用程序而言大多是透明的。

API和协议簇不能混为一谈。API提供对西医战中服务的访问，但是协议簇并不能决定API的标识和结构。不同的协议提供相同的服务，相反地，一个协议簇能够通过任何API提供服务。

两个程序能够进行通信，只要两边的应用程序都采用同样的协议簇，并且在同一网络中，API的不同不会有任何影响，只要上层的协议也是兼容的，两边的应用程序就能够通信。与此不同的，两边的应用程序采用了不同的协议簇，尽管都采用同样的API，两边的程序还是不能够通信。总的来说，API 不需要相同，但是协议栈必须相同。