分层架构简介

在构建大型复杂系统时，逐步提高抽象层次来解决问题会非常有帮助。因此，系统可以由多个层组成，每一层执行特定的一组任务。

为什么使用分层？

分层架构通过允许我们讨论大型系统中具体且定义清晰的部分，提供了模块化设计。这使得修改实现细节和定位错误变得更加容易。

类比：邮寄信件

在深入探讨网络层栈的不同模型之前，先来看一个有趣的类比。

想象一下寄一封信或一个包裹。整个过程通常包括以下几个步骤：

注意，这里有几个方面与计算机网络有着相似之处。以下是一些对应关系的例子：

层与层之间的服务关系：垂直通信

每一层都为上一层提供服务。同时，上一层并不关心下一层是如何实现这些服务的。这种机制称为抽象。因此，各层之间以一种垂直的方式进行交互。

邮寄中的垂直分层

在信件邮寄的类比中，每一层都在为上一层提供服务。例如，邮递员为发信人和收信人提供服务，他们从信箱中收取信件，并将邮件投递到住户家中。

此外，发信人所知道并关心的只是：只要把信写好、放进信封、贴上邮票、投入信箱，信件最终就会送达目的地。至于信件是通过卡车、火车还是飞机运输，对发信人来说完全无关紧要。因此，第4层如何完成其工作对上层而言并不重要，这就是所谓的抽象。

网络中的垂直分层

同样地，计算机网络在概念上也被划分为若干层，每一层既服务于上一层，也受制于下一层。

• 例如，在大多数分层模型中，最顶层被称为应用层。用户终端应用程序（如网页浏览器、电子邮件客户端）位于应用层，几乎总是以软件形式实现。这也是传出消息旅程的起点。

• 应用层需要底层提供一种服务，能够将应用消息从源端可靠地传输到目的端，并将回复带回。这正是后续各层所承担的任务。

由于底层从上层收集消息用于发送，并将目标为上层的消息传递上去，因此它为应用层提供服务。同时，应用层进行了抽象，不关心下层的具体实现细节。

层与层之间的对等通信：水平通信

请注意，发送端的每一层在接收端都有一个对应的平行层。

邮寄中的水平分层

在邮寄类比中，写信人和收信人似乎直接在交流。写信人书写，收信人阅读，完全无视底层耗费的人力物力。同样地，发信方的邮局与另一方的邮局进行协作，共同完成信件投递任务。在最低层，可能涉及多个中间环节。例如：有人骑自行车从信箱取信，送到邮局；然后信件被打包，由卡车运往机场；机场将信件空运至另一个机场；再由卡车将信件运送到当地邮局，最后完成派送。虽然过程中存在多个横向实体，但我们只看到发信人和收信人。

网络中的水平分层

在计算机网络中，这种情况更加清晰。例如，应用层的应用程序在两端系统之间发送和接收数据。一端系统的应用层与另一端系统的应用层存在对应关系——比如一台设备上的聊天应用正在与另一台设备上的聊天应用通信。这些应用层的应用程序看似直接相互沟通，即以一种水平方式通信。它们并不了解下层的存在。

各层可独立演进

在此模型中，任何下层提供的服务都可以被上层用来构建其他服务。上层可以独立发展出各种新的服务形态，例如从基于文本的电子邮件，发展到支持附件、万维网、动态网站、互动游戏、实时视频会议等，所有这些都在相同的基础设施之上运行于顶层。

邮寄系统中的独立演进

1. 例如，被寄送的物品不一定是信件——也可以是包裹。
2. 它可以放入信封或箱子中。
3. 可以送到邮局，投入信箱，或由专人上门收取。
4. 收件方可以是邮局信箱、家庭住址或办公场所。

网络中的独立演进

应用层的应用程序可以发送和接收几乎任何形式的数据，无论是MP3文件还是Word文档。

封装与解封装

每一层都会在其来自上层的消息上添加自己的头部信息，而在接收端，对应的实体则移除这些头部。每个头部中包含的信息有助于消息向上传递。添加头部的过程称为封装，移除头部的过程称为解封装。请看下面的示意图，了解其工作原理。

我们尚未为这些层命名，因为还没有介绍它们，但整体思路已经呈现出来。

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现在我们已经对分层架构有了基本了解，下一节课我们将讨论一个流行的网络参考模型。