互动百科：网络模型

摘要

计算机网络是指由通信线路互相连接的许多自主工作的计算机构成的集合体，各个部件之间以何种规则进行通信，就是网络模型研究的问题。网络模型一般是指OSI七层参考模型和TCP/IP四层参考模型。这两个模型在网络中应用最为广泛。

网络模型-OSI模型概述

OSI 七层参考模型

OSI(Open System Interconnection )七层网络模型由下至上为1至7 层，分别为物理层 （Physical layer），数 据链路层 （Data link layer），网络层 （Network layer），传输层 （Transport layer），会话层（Session layer），表示层 （Presentation layer），应用层 （Application layer）。

在OSI出现之前，计算机网络中存在众多的体系结构，其中以IBM 公司的SNA (系统网络体系结构)和DEC 公 司的DNA (Digital Network Architecture)数字网络体系结构最为著名。为了解决不同体系结构的网络的互联问题，国际标准化组织ISO (注 意不要与OSI搞混）于1981年制定了开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM）。这个模型把网络通信 的工作分为7层,它们由低到高分别是物理层（Physical Layer),数据链路层（Data Link Layer),网络层(Network Layer),传输层（Transport Layer),会话层（Session Layer），表示层（Presen tation Layer)和应用层（Application Layer)。第一层到第三层属于OSI参考模型的低三层，负责创建网络通信连接的链路；第四层到第七层为OSI参考模型的高四层，具体负责端到端的数据 通信。每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持，而网络通信则可以自上而下（在发送端）或者自下而上（在接收端）双向进行。当然并不是每一通信都需要经过OSI的全部七层，有的甚至只需要双方对应的某一层即可。物理接口之间的转接，以及中继器与中继器之间的连接就只需在物理层中进行即可；而路由器与路由器之间的连接则只需经过网络层以下的三层即可。总的来说，双方的通信是在对等层次上进行的，不能在不对称层次上进行通信。

OSI 标准制定过程中采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就是分层的体系结构办法。在OSI中，采用了三级抽象，既体系结构，服务 定义，协议 规格说明。

网络模型-OSI参考模型的主要功能和任务

OSI 七层参考模型

1、物理层（Physical layer）

    物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。

    媒体和互连设备

物理层的媒体包括架空明线 、平衡电缆 、光纤 、无 线信道 等。通信用的互连设备指DTE 和DCE 间的互连设备。DTE既数据终端设备，又称物理设备 ，如计算机 、终端 等都包括在内。而DCE则是 数据通信设备或电路连接设备，如调 制解调器等。数据传输通常是经过DTE──DCE，再经过DCE──DTE的路径。互连设备指将DTE、DCE连接起来的装置，如各种插头 、插座 。LAN中的各种粗、细同轴 电缆、T型接头 、插头，接收器 ，发送器 ,中继器 等都属 物理层的媒体和连接器。

物理层的主要功能

    为数据端设备提供传送数据的通路,数据通路可以是一个物理媒体,也可以是多个物理媒体连接而成.一次完整的数 据传输,包括激活物理连接,传送数据,终止物理连接.所谓激活,就是不管有多少物理媒体参与,都要在通信的两个数据终端设备间连接起来,形成一条通路.

    传输数据.物理层要形成适合数据传输需要的实体,为数据传送服务.一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽 (带宽是指每秒钟内能通过的 比特(BIT)数),以减少信道上的拥塞.传输数据的方式能满足点到点,一点到多点,串行或并行,半双工或全双工，同步 或异步传输的需要.

    完成物理层的一些管理工作.

    物理层的一些重要标准

    物理层的一些标准 和协议早在OSI/TC97/C16 分技术委员会 成立之前就已制定并在应用了,OSI也制定了一些标准并采用了一些已有的成果.下面将一些重要的标准列出,以便读者查阅.ISO2110 :称为"数据通信 ----25芯DTE/DCE接口连接器和插针分配".它与EIA(美国电子工业协会)的"RS-232-C"基本兼容。ISO2593 :称为"数据通信 ----34芯DTE/DCE----接口连接器和插针分配"。ISO4092 :称为"数据通信 ----37芯DTE/DEC----接口连接器和插针分配".与EIARS-449兼容。CCITT V.24 :称为"数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备之间的接口电路定义表".其功能与EIARS-232-C及RS-449兼容于 100序列线上.

    2、数据链路层（Data link layer）

    数据链路可以粗略地理解为数据通道。物理层 要为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接.媒体是长期的,连接是有生存期的.在连接生存期内,收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信.每次通信 都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程.这种建立起来的数据收发关

    系就叫作数据链路.而在物理媒体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错,为了弥补物理层上的不足,为上层提供无差错的数据传输,就要能对数据进行检错和纠错.数据链路的建立,拆除,对数据的检错,纠错是数据链路层的基本任务。

    链路层的主要功能

    链路层是为网络层提供数据传送服务的,这种服务要依靠本层具备的功能来实现。链路层应具备如下功能:

    链路连接的建立，拆除，分离。

    帧 定界和帧同步。链路层的数据 传输单元是帧,协议不同,帧的长短和界面也有差别，但无论如何必须对帧进行定界。

    顺序控制,指对帧的收发顺序的控制。

    差错检测和恢 复。还有链路标识,流量控制等等.差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码,而帧丢失等用序号检测.各种错误的恢复则常靠反馈 重发技术来完成。

    数 据链路层的主要协议

    数据链路层协议是为发对等实体间保持一致而制定的,也为了顺利完成对网络层的服务。主要协议如下：

 ISO7776: 称为"DTE数据链路层规程".与CCITT X.25LAB"平衡型链路访问规程"相兼容.

    链路层产品

    独立 的链路产品中最常见的当属网卡,网桥也是链路产品。MODEM 的某些功能有人认为属于链路层,对些还有争议.数 据链路层将本质上不可靠的传输媒体变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE802.3情况下，数据链路层分成了两个子层，一个是逻辑链路控制，另一个是媒体访问控制。下图所示为IEEE802.3LAN体系结构。

    AUI =连接单元接口       PMA = 物理媒体连接

    MAU =媒体连接单元       PLS = 物理信令

    MDI =媒体相关接口

    3、网络层 （Network layer）

    网络层的产生也是网络发展的结果.在联机系统和线路交换的环境中，网络层的功能没有太大意义.当数据 终端增多时.它们之间有中继设备相连.此时会出现一台终端要求不只是与唯一的一台而是能和多台终端通信的情况,这就是产生了把任意两台数据终端设备的数据链接起来的问题,也就是路由或者叫寻径.另外,当一条物理信道 建立之后,被一对用户使用, 往往有许多空闲时间被浪费掉.人们自然会希望让多对用户共用一条链路，为解决这一问题就出现了逻辑信道技术和虚拟电路技术.

    网 络层主要功能

网络层为建立网络连接和为上层提供服务,应具备以下主要功能：

    路由选择和中继

    激活,终止网络连接

    在一条数 据链路上复用多条网络连接,多采取分时复用技术

    差错检测与恢复

    排序,流量控制

    服务选择

    网络管理

网 络层标准简介

网络层的一些主要标准如下：

    ISO.DIS8208:称为"DTE用的X.25分组级协议"

    ISO.DIS8348: 称为"CO 网络服务定义"(面向连接)

    ISO.DIS8349:称为"CL 网络服务定义"(面向无连接)

    ISO.DIS8473: 称为"CL 网络协议"

    ISO.DIS8348:称为"网络层寻址"

    除上述标准外,还有许多标准。这些标准都只是解决网络层的部分功能,所以往往需要在网络层中同时使用几个标准才能完成整个网络层的功能.由于面对的网络不同,网络层将会采用不同的标准组合.

在具有开放特性的网络中的数据终端设备,都要配置网络层的功能.现在市场上销售的网络硬设备主要有网关和路由器.

OSI 七层参考模型

    4、传输层（Transport layer）

    传输层是两台计算机经过网络进 行数据通信时,第一个端到端的层次，具有缓冲作用。当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务加以提高，以满足高层的要求；当网络层服务质量较好时，它只用很少的工作。传输层还可进行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。 传输层也称为运输层.传输层只存在于端开放系统中,是介于低3层通信子网系统 和高3层之间的一层,但是很重要的一层.因为它是源端到目的端对数据传送进行控制从低到高的最后一层.

    有一个既存事实，即世界上各种 通信子网在性能上存在着很大差异.例如电话交换网,分组交换网,公用数据交换网，局域网等通信子网都可互连,但它们提供的吞吐量,传输速率,数据延迟通信费用各不相同.对于会话层来说,却要求有一性能恒定的界面.传输层就承担了这一功能.它采用分流/合流，复用/介复用技术来调节上述通信子网的差异,使会 话层感受不到.

    此外传输层还要具备差错恢复，流量控制等功能,以此对会话层屏蔽通信子网在这些方面的细节与差异.传输层面对的数据对 象已不是网络地址和主机地址,而是和会话层的界面端口.上述功能的最终目的是为会话提供可靠的,无误的数据传输.传输层的服务一般要经历传输连接建立阶 段,数据传送阶段,传输连接释放阶段3个阶段才算完成一个完整的服务过程.而在数据传送阶段又分为一般数据传送和加速数据传送两种。传输层服务分成5种类型.基本可以满足对传送质量,传送速度,传送费用的各种不同需要.

传输层的协议标准有以下几种：

    ISO8072:称为"面向连接的传输服务定义"

    ISO8072:称为"面向连接的传输协议规范

    5、会话层（Application layer）

    会话层提供的服务可使应用建立和维持会话，并能使 会话获得同步。会话层使用校验点可使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信。这种能力对于传送大的文件极为重要。会话层,表示层,应用层构成开放系统 的高3层，面对应用进程提供分布处理，对话管理,信息表示,恢复最后的差错等. 会话层同样要担负应用进程服务要求，而运输层不能完成的那部分工作,给运 输层功能差距以弥补.主要的功能是对话管理，数据流同步和重新同步。要完成这些功能,需要由大量的服务单元功能组合,已经制定的功能单元已有几十种.现将 会话层主要功能介绍如下.

    为会话实体间建立连接。为给两个对等会话服务用户建立一个会话连接,应该做如下几项工作：

    将 会话地址映射为运输地址

    选择需要的运输服务质量参数(QOS)

    对会话参数进行协商

    识别各个会话连接

    传送有限的透 明用户数据

    数据传输阶段

这个阶段是在两个会话用户之间实现有组织的,同步的数据传输.用户数据单元为SSDU,而协议数据单元为SPDU.会话用户之间的数据传送过程是将 SSDU转变成SPDU进行的.

连接释放

    连接释放是通过"有序释放","废弃"，"有限量透明用户数据传送"等功能单元来释放会话连接的.会话层标准为了使会 话连接建立阶段能进行功能协商，也为了便于其它国际标准参考和引用,定义了12种功能单元.各个系统可根据自身情况和需要，以核心功能服务单元为基础,选 配其他功能单元组成合理的会话服务子集.会话层的主要标准有"DIS8236:会话服务定义"和"DIS8237:会话协议规范".

6、表示层(Presentation layer)

这一层主要解决用户信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法。即提供格式化的 表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩， 加密和解密等工作都由表示层负责。例如图像格式的显示，就是由位于表示层的协议来支持。

7、应用层(Application layer)，应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。

    应用层协议的代表包括：Telnet 、FTP 、HTTP 、SNMP 等。

    通过 OSI 层，信息可以从一台计算机的软件应用程序传输到另一台的应用程序上。例如，计算机 A 上的应用程序要将信息发送到计算机 B 的应用程序，则计算机 A 中的应用程序需要将信息先发送到其应用层（第七层），然后此层将信息发送到表示层（第六层），表示层将数据转送到会话层（第五层），如此继续，直至物理层（第一层）。在物理层，数据被放置在物理网络媒介中并被发送至计算机 B 。计算机 B 的物理层接收来自物理媒介的数据，然后将信息向上发送至数据链路层（第二层），数据链路层再转送给网络层，依次继续直到信息到达计算机 B 的应用层。最后，计算机 B 的应用层再将信息传送给应用程序接收端，从而完成通信过程。下面图示说明了这一过程。

    OSI 的七层运用各种各样的控制信息来和其他计算机系统的对应层进行通信。这些控制信息包含特殊的请求和说明，它们在对应的 OSI 层间进行交换。每一层数据的头和尾是两个携带控制信息的基本形式。

对于从上一层传送下来的数据，附加在前面的控制信息称为头，附加在后面的控制信息称为尾。然而，在对来自上一层数据增加协议头和协议尾，对一个 OSI 层来说并不是必需的。

当数据在各层间传送时，每一层都可以在数据上增加头和尾，而这些数据已经包含了上一层增加的头和尾。协议头包含了有关层与层间的通信信息。头、尾以及数据是相关联的概念，它们取决于分析信息单元的协议层。例如，传输层头包含了只有传输层可以看到的信息，传输层下面的其他层只将此头作为数据的一部分传 递。对于网络层，一个信息单元由第三层的头和数据组成。对于数据链路层，经网络层向下传递的所有信息即第三层头和数据都被看作是数据。换句话说，在给定的某一 OSI 层，信息单元的数据部分包含来自于所有上层的头和尾以及数据，这称之为封装。

    例如，如果计算机 A 要将应用程序中的某数据发送至计算机 B ，数据首先传送至应用层。 计算机 A 的应用层通过在数据上添加协议头来和计算机 B 的应用层通信。所形成的信息单元包含协议头、数据、可能还有协议尾，被发送至表示层，表示层再添加为计算机 B 的表示层所理解的控制信息的协议头。信息单元的大小随着每一层协议头和协议尾的添加而增加，这些协议头和协议尾包含了计算机 B 的对应层要使用的控制信息。在物理层，整个信息单元通过网络介质传输。

计算机 B 中的物理层收到信息单元并将其传送至数据链路层；然后 B 中的数据链路层读取计算机 A 的数据链路层添加的协议头中的控制信息；然后去除协议头和协议尾，剩余部分被传送至网络层。每一层执行相同的动作：从对应层读取协议头和协议尾，并去除，再将剩余信息发送至上一层。应用层执行完这些动作后，数据就被传送至计算机 B 中的应用程序，这些数据和计算机 A 的应用程序所发送的完全相同 。

一个 OSI 层与另一层之间的通信是利用第二层提供的服务完成的。相邻层提供的服务帮助一 OSI 层与另一计算机系统的对应层进行通信。一个 OSI 模型的特定层通常是与另外三个 OSI 层联系：与之直接相邻的上一层和下一层，还有目标联网计算机系统的对应层。例如，计算机 A 的数据链路层应与其网络层，物理层以及计算机 B 的数据链路层进行通信。  

网络模型-OSI参考模型中的数据封装过程

OSI 参考模型中的数据封装过程

    如图所示，在OSI参考模型中，当一台主机需要传送用户的数据（DATA）时，数据首先通过应用层的接口进入应用层。在应用层，用户的 数据被加上应用层的报头（Application Header，AH），形成应用层协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU），然后被递交到下一层-表示层。

    表示层并不"关心"上层-应用层的数据格式而是把整个应用层递交的数据包看成是一 个整体进行封装，即加上表示层的报头（Presentation Header，PH）。然后，递交到下层-会话层。

    同样，会话层、 传输层、网络层、数据链路层也都要分别给上层递交下来的数据加上自己的报头。它们是：会话层报头（Session Header，SH）、传输层报头（Transport Header，TH）、网络层报头（Network Header，NH）和数据链路层报头（Data link Header，DH）。其中，数据链路层还要给网络层递交的数据加上数据链路层报尾（Data link Termination，DT）形成最终的一帧数据。

    当一帧数据通过物理层传送到目标主机的物理层时，该主机的物理层把它递交到上层 -数据链路层。数据链路层负责去掉数据帧的帧头部DH和尾部DT（同时还进行数据校验）。如果数据没有出错，则递交到上层-网络层。

    同 样，网络层、传输层、会话层、表示层、应用层也要做类似的工作。最终，原始数据被递交到目标主机的具体应用程序中。

网络模型-TCP/IP参考模型

ISO制定的OSI参考模型的过于庞大、复杂招致了许多批评。与此对照，由技术人员自己开发的TCP/IP协议栈 获得了更为广泛的应用。如图所示，是TCP/IP参考模型和OSI参考模型的对比示意图。

OSI 参考模型和TCP/IP参考模型的对比

TCP/IP协议栈是美国国防部高级研究计划局计算机网 （Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET）和其后继因特网 使用的 参考模型。ARPANET 是由美 国国防部（U.S．Department of Defense，DoD）赞助的研究网络。最初，它只连接了美国 境内的四所大学。随后的几年 中，它通过租用的电话线 连接了 数百所大学和政府部门。最终ARPANET发展成为全球 规模最大的互连网络-因特网。最初的ARPANET于1990年永久性地关闭。

 TCP/IP参考模型分为四个层次：应用层、传输层、 网络互连层和主机到网络层。

TCP/IP 参考模型的层次结构

在TCP/IP参考模型中，去掉了OSI参考模型中的会话层和表示层（这两层的功能被 合并到应用层实现）。同时将OSI参考模型中的数据链路层和物理层合并为主机到网络层。下面，分别介绍各层的主要功能。

 1、主机到网 络层

    实际上TCP/IP参考模型没有真正描述这一层的实现，只是要求能够提供给其上层-网络互连层一个访问接口，以便在其上传递IP 分组。由于这一层次未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。

 2、网络互连层

网络互连层是整个TCP/IP协议栈的核心。它的功能是把分组发往目标网络或主机。同时，为了尽快地发送分组，可能需要沿不同的路径同时进行分组传递。因此，分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，这就需要上层必须对分组进行排序。

    网络互连层定义了分组格式和协议，即IP协议（Internet Protocol）。

    网络互连层除了需要完成路由的功能外，也可以完成将不同类型的网络（异构网）互连的任务。除此之外，网络互连层还需要完成拥塞控制的功能。

 3、传输层

    在TCP/IP模型中，传输层的功能是使源端主机和目标端主机上的对等实体可以进行会话。在传输层定义了两种服务质量不同的协议。即：传输控制协议TCP（transmission control protocol）和用户数据报协议UDP（user datagram protocol）。

    TCP协议是一个面向连接的、可靠的 协议。它将一台主机发出的字节流无差错地发往互联网上的其他主机。在发送端，它负责把上层传送下来的字节流分成报文段并传递给下层。在接收端，它负责把收到的报文进行重组后递交给上层。TCP协议还要处理端到端的流量控制，以避免缓慢接收的接收方没有足够的缓冲区接收发送方发送的大量数据。

    UDP 协议是一个不可靠的、无连接协议，主要适用于不需要对报文进行排序和流量控制的场合。

第四层应用层

    应用层对应于OSI七层参考模型的应用层和表达层。因特网的应用层协议包括Finger、Whois、FTP(文件传输协议)、Gopher、HTTP(超文本传输协议)、Telent(远程终端协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、IRC(因特网中继会话)、 NNTP（网络新闻传输协议）等，这也是本书将要讨论的重点。