1.2 計算機網絡體系結構

1.2.1 網絡分層的必要性

計算機網絡是一個非常復雜的系統。若兩臺計算機進行通信必須有一條傳送數據的通路，但還遠遠不夠，至少還有以下工作要做：

⊙ 發起通信的計算機必須將數據通信的通路進行激活。

⊙ 告訴網絡如何識別接收數據的計算機。

⊙ 發起通信的計算機必須查明對方計算機是否已準備好接收數據。

⊙ 發起通信的計算機必須清楚，在對方計算機中的文件管理程序是否已做好接收文件和存儲文件的準備工作。

⊙ 若兩個計算機的文件格式不兼容，則至少其中的一臺計算機能完成格式轉換。

⊙ 對出現的各種差錯和意外事故，應有可靠的措施保證對方計算機最終能收到正確的文件。

上面的例子足以說明計算機網絡通信的復雜性了，為了將復雜的問題簡單化，便于網絡的設計和管理，1974年IBM公司宣布了研制的系統網絡體系結構SNA，這個網絡標準就是按照分層的方法制定的。網絡分層以后，使得某公司所生產的各種設備都能夠很容易地互連成網絡。但由于用戶一旦購買了某個公司的網絡產品后，若需擴大網絡只能購買原公司的產品。為此，ISO（國際化標準組織）于1978年定義了OSI參考模型，使得各個公司的產品能互相兼容。

1.2.2 OSI參考模型

OSI參考模型即開放系統互連參考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM）。這是一個開放協議標準，使各網絡設備廠商可以遵照共同的標準來開發網絡產品，最終實現彼此兼容。整個OSI參考模型共分7層，如圖1-4所示，從下往上分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。每層都為上一層提供服務。

（1）物理層

物理層是整個OSI/RM的最低層，它的任務就是提供網絡的物理連接。所以，物理層建立在物理介質上（而不是邏輯上的協議和會話），提供的是機械和電氣接口，主要包括電纜、物理端口和附屬設備，如雙絞線、同軸電纜、接線設備（如網卡等）、RJ-45接口、串口和并口等在網絡中都工作在該層上。

物理層提供的服務包括：物理連接、物理服務數據單元順序化（接收物理實體收到的比特順序，與發送物理實體所發送的比特順序相同）和數據電路標識。

（2）數據鏈路層

數據鏈路層建立在物理傳輸能力的基礎上，以幀為單位傳輸數據，其主要任務是進行數據封裝和數據鏈接的建立。在封裝的數據信息中，地址段含有發送節點和接收節點的地址，控制段用來表示數據連接幀的類型，數據段包含實際要傳輸的數據，差錯控制段用來檢測傳輸中幀出現的錯誤。數據鏈路層可使用的協議有SLIP、PPP、X.25和幀中繼等。交換機工作在數據鏈路層上，工作在該層上的交換機俗稱“第二層交換機”。Modem之類的撥號設備也工作在數據鏈路層上。

數據鏈路層的功能包括：數據鏈路連接的建立與釋放，構成數據鏈路數據單元，數據鏈路連接的分裂、定界和同步，順序和流量控制，差錯的檢測和恢復等。例如，在大多數系統上，NIC的驅動程序執行在此層，MAC地址屬于數據鏈路層。

（3）網絡層

網絡層屬于OSI/RM中的較高層次，解決的是網絡與網絡之間即網際通信的問題，而不是同一網段內部的問題。

網絡層的主要功能是提供路由，即選擇到達目標主機的最佳路徑，并沿該路徑傳輸數據包。除此之外，網絡層還應能夠消除網絡擁擠，具有流量控制和擁擠控制的能力。網絡邊界中的路由器就工作在網絡層上，現在較高檔的交換機也可直接工作在網絡層上，因為它們也提供了路由功能，這類交換機俗稱“第三層交換機”。網絡層的功能還包括：建立和拆除網絡連接，路徑選擇和中繼，網絡連接多路復用，分段和組塊，服務選擇和傳輸及流量控制等。

（4）傳輸層

傳輸層解決的是數據在網絡之間的傳輸質量問題，屬于較高層次。傳輸層用于提高網絡層服務質量，提供可靠的端到端的數據傳輸，如常說的QoS（Quality of Service，服務質量）就是傳輸層的主要服務。傳輸層主要涉及的是網絡傳輸協議，提供的是一套網絡數據傳輸標準，如TCP協議。傳輸層的功能包括：映像傳輸地址到網絡地址，多路復用與分割，傳輸連接的建立和釋放，分段和重新組裝，組塊和分塊。

（5）會話層

會話層利用傳輸層來提供會話服務，會話可能是一個用戶通過網絡登錄到一個主機，或者是一個正在建立的用于傳輸文件的會話。

會話層的功能主要有：會話連接到傳輸連接的映射，數據傳輸，會話連接的恢復和釋放，會話管理，令牌管理和活動管理。

（6）表示層

表示層用于數據管理的表示方式，如用于文本文件的ASCII碼和BCD碼，用于表示數字的1S或2S補碼表示形式。如果通信雙方用不同的數據表示方法，它們就不能互相理解。表示層就是用于屏蔽這種不同之處。

表示層的功能主要有：數據語法轉換，語法表示，表示連接管理，數據加密和數據壓縮。

（7）應用層

應用層是OSI/RM的最高層，解決的也是最高層次即程序應用過程中的問題，直接面對用戶的具體應用。應用層包含用戶應用程序執行通信任務所需要的協議和功能，如電子郵件和文件傳輸等。在該層，TCP/IP協議中的FTP、SMTP、POP等協議得到了充分應用。

1.2.3 TCP/IP體系結構及功能

TCP/IP參考模型是一個抽象的分層模型，包括：應用層（Application Layer）、傳輸層（Transport Layer）、網絡層（Internet Layer）和網絡接口層（Network Interface Layer），如圖1-5所示。所有的TCP/IP系列網絡協議都被歸類到這4層中。完成一些特定的任務需要眾多的協議協同工作，這些協議分布在參考模型的不同層中，因此又稱它們為TCP/IP協議族。

（1）網絡接口層

網絡接口層也稱為鏈路層（Link Layer），不屬于TCP/IP協議族的范圍，通常包括操作系統中的設備驅動程序和計算機中對應的網絡接口卡。它們一起處理與電纜（或其他傳輸媒介）的物理接口細節。

常用的網絡接口層技術有：Ethernet（以太網）、Token Ring（令牌環）、FDDI（光纖數據分布接口）、PPP（端對端協議）、X.25，Frame Relay（幀中繼）、ATM和Sonet SDH等。

（2）網絡層

網絡層也稱為互聯網層，負責處理數據分組在網絡中的活動，轉發和路由。在TCP/IP協議族中，網絡層協議包括IP（網際協議）、ICMP（Internet控制報文協議）、IGMP（Internet組管理協議）、RIP、OSPF、BGP、ARP、RARP等。

（3）傳輸層

傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。傳輸層協議包括TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）。

TCP協議為兩臺主機提供高可靠性的數據通信。它所做的工作包括把應用程序交給它的數據分成合適的小塊，交給下面的網絡層，確認接收到的分組，設置發送最后確認分組的超時時鐘等。由于運輸層提供了高可靠性的端到端的通信，因此應用層可以忽略所有這些細節。UDP則為應用層提供一種非常簡單的服務，只是把稱為數據報的分組從一臺主機發送到另一臺主機，但并不保證該數據報能到達另一端。這兩種運輸層協議分別在不同的應用程序中有不同的用途。

（4）應用層

應用層負責處理特定的應用程序細節，為用戶提供所需要的各種服務。

應用層提供的主要服務：遠程登錄，用戶可使用異地主機；文件傳輸，用戶在不同主機之間傳輸文件；電子郵件，用戶可通過主機和終端互相發送信件；Web服務器，發布和訪問具有超文本格式HTML的各種信息。該層包括的協議有HTTP、TELNET、FTP、SMTP、DNS、SNMP等。

1.2.4 OSI和TCP/IP模型的比較

產生背景：OSI/RM是由ISO制定的一個參考模型，提供了一個參考建議；TCP/IP是產生于早期ARPANET的一組協議，但由于各廠家主動遵守而變成了一個事實上的工業標準。

共同點：解決異構網絡的互連問題；采用了分層結構的思想；各層次的劃分和所應用的協議功能大體相同。

不同點：

⊙ OSI參考模型體系結構清晰；TCP/I模型把功能描述與實現細節混雜起來。如要分析更普遍的網絡通信問題，ISO的OSI參考模型能起到更好的效果。

⊙ OSI詳細地定義和劃分了各層次的功能，特別是區分了物理層和數據鏈路層；TCP/IP只用一個網絡接口層來代替。

⊙ OSI提供面向連接和面向無連接的服務，提供較高的可靠性；TCP/IP降低了可靠性。

⊙ OSI造成了協議復雜、效率低下和實現困難；TCP/IP設計目的單一，協議簡單而有效，可操作性強。