第2章 互聯體系與協議

本章導讀

把網絡通信的復雜過程抽象成一種層次結構模式來進行研究，無疑對網絡實現開放式的互聯大有裨益。用這種分層結構模式去學習，也便于更好的理解與掌握。本章從計算機網絡體系與協議著手，系統認識計算機網絡體系、OSI七層參考模型、TCP四層參考模型。

內容要點

開放系統參考模型的創建是為了幫助互聯設備生產廠家根據協議來構建可互操作的網絡和軟件，以便讓不同生產廠家的網絡能夠互相協同工作。它作為一種概念上的藍圖，描述通信是怎么進行的，解決實現有效通信所需的過程，并將這些過程劃分為邏輯上的組即分層。

在網絡發展的初期，許多研究機構、計算機廠商都在大力發展計算機網絡。這種自行發展的網絡，在體系結構上差異很大，以至于它們之間互不相容，難以相互連接，構成更大的網絡系統。為此，許多標準化機構積極開展網絡體系結構標準化方面的研究工作，力求使各種異構網絡、異型機能互聯到一起。其中最為著名的就是國際標準化組織（ISO）提出的開放系統互連參考模型OSI/RM，該參考模型采用了分層的方法。所謂分層是一種構造技術，允許開放系統網絡用分層次的方式進行邏輯組合。整個通信子系統劃分為若干層，每層執行一種明確定義的功能，并由較低層執行附加的功能，為較高層提供服務。

事實上，實現計算機網絡通信是很復雜的。兩臺計算機進行通信，必須使它們采用相同的信息交換約定。在計算機網絡中用于規定信息的格式，以及發送/接收信息的規則與約定，稱為網絡協議或通信協議。為了減小網絡協議設計和調試過程的復雜性，網絡設計者并不是簡單地設計一個單一、巨大的協議來為所有形式的通信規定完整的細節，而是采用將通信問題劃分成許多個小問題，然后為每個小問題設計一個單獨的協議。使用這種方法使得每個協議的設計、分析、編碼和測試都變得非常容易。

用來約定通信過程的網絡協議同樣很復雜，為了減少協議設計和實現的復雜程度，引入了網絡功能分層結構以及不同的各層協議。具體的做法是將網絡協議按照層次設計方法進行設計，即將協議按功能分成若干層，每層完成一定功能，并對其上層提供支持，每一層都建立在它的下層基礎之上，該層功能的實現以其下層提供的服務為基礎。整個層次結構中各個層次相互獨立，每一層的實現細節對其上層是完全屏蔽的，即每一層可以通過層間接口調用其下層的服務，而不需要了解下層服務是怎樣實現的，如圖2-1所示。

2.1 計算機網絡體系結構

計算機網絡體系結構的出現，大大加快了計算機網絡的發展，網絡按層或級的方式來組織，不同的網絡，層的名字、數量、內容和功能都不盡相同，但是每一層的目的都是向它的上一層提供服務。

2.1.1 計算機網絡體系

隨著計算機網絡技術的不斷發展，計算機網絡的規模越來越大，各種應用不斷增加，網絡也因此變得越來越復雜。面對日益復雜化的網絡系統，必須采用結構化的方法來描述網絡系統的組織、結構和功能，才能夠很好地研究、設計和實現網絡系統。而各種計算機系統、網絡設備和計算機網絡的相互連接已成為人們迫切需要解決的實際問題。過去各個廠商各自為政，難以實現網絡互聯的不規范標準變得越來越難以立足于市場，開放系統的互連參考模型就是在這種背景下產生、發展并逐步完善起來的。

國際標準化組織（ISO）、各國的一些研究機構或大公司都十分重視研究計算機網絡的體系結構。比較著名的網絡體系結構有ISO提出的開放系統互聯體系結構（OSI）、美國國防部提出的TCP/IP、IBM公司提出的系統網絡體系結構（SNA）、DEC提出的數字網絡體系結構（DNA）、CCITT提出的X.25協議等。

2.1.2 開放式系統互聯（OSI）參考模型

OSI的建立是由ISO于1977年首次指定的。這個參考模型使得網絡中各種設備之間能在共同的通信規則和協議的基礎上進行通信和傳輸數據，對實際設計工作和理論分析有著指導意義，得到了廣泛的認可，最終確定成為標準的參考模型。

該體系結構標準定義了網絡互聯的七層框架，即OSI開放系統互聯參考模型。這里的“開放”是指只要遵循OSI標準，一個系統就可以和世界上其他任何也遵循這一標準的系統進行通信和互聯。OSI參考模型定義了開放系統的層次結構、層次之間的相互關系及各層所包括的可能服務。它是作為一個框架來協調和組織各層協議的制定，也是對網絡內部結構最精煉的概括與描述。

OSI參考模型的目的是規范不同系統的互聯標準，提供不同廠商間的接口標準。OSI將整個通信功能劃分為7個層次，每層都有自己的功能集，層與層之間相互獨立又相互依賴，上層依賴下層，下層為上層提供服務。從下而上為：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層，如圖2-2所示。

物理層

物理層處于OSI參考模型的底層，定義了實際的機械規范、最大距離、物理接頭形式、電子數據比特流、傳輸數據的速率等。

物理層的任務是透明地傳送比特流，即確定如何使用物理傳輸介質，實現兩個結點間的物理連接。所謂透明，是指某一個實際存在的事物看起來就好像不存在一樣。該層在結點之間的通信線路上建立、維護或斷開物理連接，其傳輸的數據是位流信號。由于計算機網絡中有許多物理設備和各種傳輸介質，因此物理層對上層的真正作用是要盡可能地屏蔽各種媒體和設備的具體特性，使得數據鏈路層感覺不到差異的存在。

它的基本功能是利用物理傳輸介質為數據鏈路層提供物理連接，以便透明地傳送比特流，保證網絡一方可以正確接收另一方發送的信號。在傳輸時將稱為“幀”的報文分解成比特“位”，然后再將接收到的“位”重新組織成“幀”，提供跨物理網絡的可靠數據傳送，重點保證信息是否被發送，而不去保證尋址、是否被接收、處理流量控制及檢錯和差錯控制。

數據鏈路層

數據鏈路層可以粗略地理解為數據通道，數據鏈路層在物理層提供比特流傳輸服務的基礎上，在通信的實體之間建立數據鏈路連接，傳送以幀為單位的數據，采用差錯控制、流量控制方法，使有差錯的物理線路變成無差錯的數據鏈路。它是為網絡層提供數據傳送服務的，這種服務要依靠本層具備的鏈路管理、幀的裝配與分解、幀的同步、流量控制與順序控制、差錯控制、尋址等功能來予以實現。

數據鏈路層的任務是接收來自物理層的位流形式的數據，并加工（或稱為封裝）成幀，傳送到上一層。同樣，也將來自上層的數據幀，拆裝為位流形式的數據轉發到物理層，并且負責處理接收端發回的確認幀的信息，以便提供可靠的數據傳輸。

它的基本功能是在物理層的基礎上，在兩個相鄰結點之間的線路上無差錯地傳送以幀為單位的數據，每一幀包括數據和必要的控制信息。也就是說，數據鏈路層可以把一條有可能出錯的實際鏈路，轉變成為讓網絡層向下看好像一條不出差錯的鏈路。

網絡層

網絡層是OSI模型的第三層，這是OSI參考模型中最復雜的一層。數據鏈路層只能解決相鄰結點間的數據傳輸問題，不能解決兩個主機之間的數據傳輸問題，因為兩個主機之間的通信通常要包括許多段鏈路，涉及到鏈路選擇、流量控制等問題。網絡層是通信子網與用戶資源子網之間的接口，也是高低層協議之間的界面層。

網絡層的任務是為分組交換網上的不同主機提供通信，它通過路由選擇算法，為報文或分組通過通信子網選擇最適當的傳輸路徑，以實現網絡的互聯功能。控制數據鏈路層與傳輸層之間的信息轉發，建立、維持和終止網絡的連接。

網絡層的功能是實現路由選擇、擁塞控制與網絡互聯等。

傳輸層

傳輸層位于高層和底層中間，起承上啟下的作用，接收會話層的數據，將其分成較小的信息單位進行端到端通信。它的下面三層面向數據通信，上面三層面向數據處理。主要任務是向用戶提供可靠的端到端服務，透明地傳送報文，負責數據傳輸的最高一層。它向高層屏蔽了下層數據通信的細節，是計算機通信體系結構中最關鍵、最復雜的一層。

傳輸層的任務是向用戶提供可靠的端到端的服務，處理數據包的傳輸差錯、數據包的次序、處理傳輸連接管理等傳輸方面的問題，以保證報文的正確傳輸。

會話層

所謂會話，是指在兩個會話用戶之間為交換信息而按照某種規則建立的一次暫時聯系。會話可以使一個遠程終端登錄到遠地的計算機，進行文件傳輸或進行其他的應用。會話層與下面四層不同，下面四層涉及到提供可靠的端到端的通信，而會話層與提供面向用戶的服務有關。主要任務是組織兩個會話進程之間的通信，并管理數據的交換。

表示層

表示層為應用層服務，處理的是通信雙方之間的數據表示問題。網絡中，對通信雙方的計算機來說，一般有其自己的數據內部表示方法。為使通信雙方能互相理解所傳送信息的含義，表示層就需要把發送方具有的內部格式編碼為適于傳輸的位流，接收方再將其解碼為所需要的表示形式。主要功能就是處理在兩個通信系統中交換信息的表示方式。它包括數據格式變換、數據加密與解密、數據壓縮與恢復等功能。

應用層

應用層處于OSI參考模型的最高層，下面六層主要解決支持網絡服務功能所需要的通信和表示問題，應用層則提供完成特定網絡功能服務所需要的各種應用協議，它直接面向用戶，是計算機網絡與最終用戶的界面。應用層確定進程之間通信的性質，以滿足用戶的需要。應用層不僅要提供應用進程所需要的信息交換和遠程操作，而且還要作為應用進程的用戶代理，來完成一些為進行信息交換所必需的功能。

在網絡的實際應用過程中，OSI被當作一個理想的模型。一般的網絡系統只會涉及到其中的幾層，很少有系統能夠同時具有所有的七層，并完全遵循它的規定。