协议栈的典型架构与核心协议

不同网络场景采用的协议栈架构存在差异，其中最具代表性的是互联网的 TCP/IP 协议栈和移动通信的蜂窝网络协议栈。这些协议栈虽在具体协议上有所不同，但都遵循分层设计思想。

1. TCP/IP 协议栈

TCP/IP 协议栈是互联网的基础，采用四层架构（有时也被描述为五层），每层包含多个核心协议：

网络接口层

• 功能：负责与物理网络的接口，处理硬件地址和帧同步
• 核心协议：以太网（Ethernet）、Wi-Fi（802.11）、PPP（点对点协议）
• 关键技术：MAC 地址（媒体访问控制地址）、帧校验（FCS）
• 数据单元：帧（Frame）

网络层

• 功能：实现跨网络的数据包路由和转发

核心协议：

• IP（网际协议）：提供无连接的数据包传输，包含 IPv4 和 IPv6
• ICMP（互联网控制消息协议）：用于网络诊断（如 ping 命令）
• ARP（地址解析协议）：实现 IP 地址到 MAC 地址的映射
• 关键技术：IP 地址、路由选择、分片与重组
• 数据单元：数据包（Packet）

传输层

• 功能：提供端到端的可靠数据传输服务

核心协议：

• TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输、流量控制
• UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠、低延迟
• 关键技术：端口号、序列号、确认机制、拥塞控制
• 数据单元：段（Segment，TCP）或数据报（Datagram，UDP）

应用层

• 功能：直接为应用程序提供特定的通信服务

核心协议：

• HTTP/HTTPS：万维网数据传输
• FTP/SFTP：文件传输
• SMTP/POP3/IMAP：电子邮件服务
• DNS：域名解析服务
• 数据单元：消息（Message）

TCP/IP 协议栈的灵活性体现在其对网络层的抽象，无论底层是以太网、Wi-Fi 还是光纤网络，IP 层都能提供统一的数据包传输服务，这也是互联网能够 "网罗天下" 的关键所在。

2. 移动通信协议栈

以 5G 协议栈为例，其架构更为复杂，分为控制面和用户面，采用分层设计以支持高速率、低延迟的通信需求：

用户面协议栈（UE 到核心网）：

• 物理层（PHY）：负责编码调制、资源映射、射频传输
• 媒体接入控制层（MAC）：处理调度、HARQ（混合自动重传）
• 无线链路控制层（RLC）：提供分段重组、ARQ 重传
• 分组数据汇聚协议层（PDCP）：负责头压缩、加密、切换时的数据转发
• 服务数据适配协议层（SDAP）：实现 QoS 流与数据无线承载的映射
• 网络层：基于 IPv6 的分组路由
• 传输层：根据业务类型选择 TCP 或 UDP

控制面协议栈：

• 物理层 / 数据链路层：与用户面共享，但承载控制信令
• 无线资源控制层（RRC）：负责无线资源管理、连接建立与释放
• 非接入层（NAS）：处理核心网与 UE 之间的会话管理、移动性管理

5G 协议栈相比 4G 进行了多项优化：引入 SDAP 层增强 QoS 控制能力；支持超低延迟的 URLLC 业务（单程延迟 < 10ms）；采用灵活的 numerology（子载波间隔、符号长度）适配不同业务。

3. 协议栈的关键共性组件

尽管不同协议栈的具体协议差异较大，但都包含以下关键组件：

• 地址标识机制

物理地址：如 MAC 地址（48 位）用于数据链路层

逻辑地址：如 IP 地址（32 位 IPv4 或 128 位 IPv6）用于网络层

端口标识：如 TCP/UDP 端口号（16 位）用于区分不同应用

• 数据格式规范

首部结构：每层协议定义的控制信息格式（如 TCP 首部包含 20-60 字节）

数据单元：不同层级的数据单位（帧、包、段等）

编码方式：如物理层的曼彻斯特编码、应用层的 JSON/XML 格式

• 差错控制机制

检错码：如 CRC（循环冗余校验）用于检测传输错误

纠错码：如卷积码、LDPC 码用于自动纠正部分错误

重传机制：如 ARQ（自动重传请求）用于纠正未恢复的错误

• 流量与拥塞控制

流量控制：如 TCP 的滑动窗口机制，防止接收方缓冲区溢出

拥塞控制：如 TCP 的慢启动、拥塞避免算法，防止网络拥塞

调度机制：如 5G MAC 层的优先级调度，确保高优先级业务优先传输

这些组件共同构成了协议栈的基础能力，确保数据在复杂网络环境中能够高效、可靠地传输。