朱建武 張 瑩

（[1]武漢城市職業(yè)學院計算機與電子信息工程學院 湖北·武漢 430070；[2]武漢市硚口區(qū)東方紅小學 湖北·武漢 430000）

計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個紛繁復雜的體系結(jié)構(gòu)，為了更安全更有效率的進行數(shù)據(jù)通信和資源共享，除了在計算機之間建立傳送數(shù)據(jù)的通路，還需要對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行分層，分層可以減少網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的復雜性，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可管理性。通過分層，能實現(xiàn)各層之間相互獨立，同時，各層之間具備更好的靈活性，各層在結(jié)構(gòu)上可以分割，各層的協(xié)議和服務(wù)易于實現(xiàn)和維護，容易實現(xiàn)標準化。

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)定義和描述了計算機和相關(guān)各種通信設(shè)備之間的互聯(lián)互通的協(xié)議和標準的集合。在20世紀八十年代初，各個企業(yè)和計算機的廠商都有自己的一套網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和規(guī)范，之間互相并不兼容，為了解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的問題，著名的國際標準化組織即ISO在1979年成立了一個委員會來專門研究一種體系結(jié)構(gòu)用來規(guī)范網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通的協(xié)議和標準的集合，這就是OSI/RM,即開放-系統(tǒng)-互連-參考模型。

1 OSI參考模型

將計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體分為七個層次，包括最底層物理層，依次數(shù)據(jù)鏈路層，依次網(wǎng)絡(luò)層，依次傳輸層，依次會話層，以及表示層，最后是應(yīng)用層共七個層次。最底層是物理層，最上層應(yīng)用層，上層向下層提出請求，下層向上層提供服務(wù)。

將網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸類比為貿(mào)易商人從武漢運送貨物去北京的情景：

（1）必須有一條通往北京的道路。相當于是七層的OSI參考模型中的最底層的物理層，作用是“道路”，類比為最底層物理層中的進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)媒介和網(wǎng)絡(luò)接口。

（2）對貨物進行包裝。相當于是七層的OSI參考模型中的第二層數(shù)據(jù)鏈路層，作用是“打包”，類比為數(shù)據(jù)鏈圖層中把比特流劃分為可以處理的數(shù)據(jù)單元，進行幀的裝配、拆解、流量控制和差錯校驗。

（3）需要一條合適的路徑送貨。相當于是七層的OSI參考模型中的第三層網(wǎng)絡(luò)層，作用是“選擇”，類比為網(wǎng)絡(luò)層中確保每一個分組能夠從源點到達終點，進行路由選擇和流量控制。

（4）運輸?shù)穆吠旧鲜欠褚ＷC貨物的安全？貨物不會遺失？相當于是七層OSI參考模型中的第四層傳輸層，作用是“保護”，類比為傳輸層中向高層提供可靠的進程到進程的數(shù)據(jù)傳輸，包括報文交付，差錯恢復等功能。

（5）運輸前雙方的溝通是否需要？相當于是七層OSI參考模型中的第五層會話層，作用是“交流”，類比為會話層中對話控制：允許2個系統(tǒng)進行對話狀態(tài)，建立同步檢查點。

（6）是否需要標簽和說明？是否需要翻譯人員？相當于是七層OSI參考模型中第六層表示層，作用是“標簽”，類比為表示層中的轉(zhuǎn)換：字符、數(shù)字按不同的編碼系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為比特流。加密：對敏感信息進行保密。壓縮：傳輸多媒體信息，減少比特數(shù)。

（7）貨物怎樣交易？相當于是七層OSI參考模型中最上層應(yīng)用層，作用是“交易”，類比為應(yīng)用層中提供對應(yīng)用程序和許多服務(wù)的支持。

表1：七層體系結(jié)構(gòu)OSI模型各層的作用

物理層是實現(xiàn)計算機端到端的節(jié)點之間比特流的傳送，傳送過程透明。數(shù)據(jù)鏈路層是在物理網(wǎng)絡(luò)鏈路中，能提供可靠的端到端的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)層是負責把分組數(shù)據(jù)從源點發(fā)送出去，直至交付到終點截止。傳輸層是向網(wǎng)絡(luò)層次中的高層提供可靠的端到端，進程到進程的數(shù)據(jù)報的交互，差錯恢復。會話層的作用是建立會話、管理會話和在有需要的時候終止會話。表示層的作用是對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的加密和必要的數(shù)據(jù)的壓縮。應(yīng)用層的作用為用戶提供網(wǎng)絡(luò)接口，同時也提供了對許多協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的支持。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)七層中各層之間存在很多重復的功能，OSI體系結(jié)構(gòu)不夠簡潔實用。

2 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

最早來源于美國軍方的ARPAnet，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了更高效更簡潔的四層的體系結(jié)構(gòu)，即最底層網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層和最上層應(yīng)用層，而且TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的提出要早于OSI模型，所以慢慢OSI模型被TCP/IP體系結(jié)構(gòu)所取代，TCP/IP體系結(jié)構(gòu)成為了事實上的通用的網(wǎng)絡(luò)國際標準。

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層（數(shù)據(jù)鏈路層，物理層）。負責對硬件的溝通，與七層體系結(jié)構(gòu)OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層（Data link layer）和物理層(Physical layer)相對應(yīng)，未定義任何特定的協(xié)議。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是決定數(shù)據(jù)如何傳送到目的地。

（3）傳輸層。主要為TCP/UDP協(xié)議。

（4）應(yīng)用層。應(yīng)用層相當于OSI會話層、表示層、應(yīng)用層。

3 OSI模型和TCP/IP模型的比較

從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)來看，七層的OSI模型比TCP/IP模型要具體的多，在OSI體系結(jié)構(gòu)的七層模型中會話層和表示層主要的作用是信道的連接與掛斷，數(shù)據(jù)的表示、數(shù)據(jù)加密與解密，目的是保護用戶之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不會出現(xiàn)中斷，但是會話層和表示層有部分功能在七層中是有重復的。在四層的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中，最下面的層即最底層是網(wǎng)絡(luò)接口層，相當于OSI體系結(jié)構(gòu)的物理層（Physical layer）和數(shù)據(jù)鏈路層（Data link layer），他們的作用是實現(xiàn)計算機端到端，節(jié)點到節(jié)點之間比特流的傳送，傳送過程透明。數(shù)據(jù)鏈路層是通過物理網(wǎng)絡(luò)鏈路提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。OSI/RM 體系結(jié)構(gòu)相對來說較為完整，每層的作用相對來說比較清晰，但存在各層之間重復的功能，顯得七層體系結(jié)構(gòu)較為復雜，四層的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)是從ARPANET發(fā)展過來的，實用性非常強，在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)運用中得到了不斷改進和檢驗，而且相對OSI/RM來說TCP/IP模型四層的體系結(jié)構(gòu)較為簡潔。

（1）OSI/RM參考模型的優(yōu)缺點：OSI參考模型概念清楚，層次結(jié)構(gòu)分明，但協(xié)議較為復雜，各層之間存在重復的功能，不夠簡潔，比如流量控制功能和尋址功能在各層中反復出現(xiàn)，所以O(shè)SI模型沒有全面普及開來，形成產(chǎn)品。

①會話層和表示層中幾乎沒有內(nèi)容，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層中的內(nèi)容反而比較多，內(nèi)容顯得不夠均衡。

②七層OSI模型以及各層次定義的服務(wù)和協(xié)議非常復雜，比較難以實現(xiàn)；部分功能會在有些層重復出現(xiàn)，例如地址編輯、流量控制以及差錯控制，加大了體系結(jié)構(gòu)的復雜程度，大大降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運行效率；還有一個原因是由于TCP/IP協(xié)議因為得到普遍的使用，變成了現(xiàn)實意義上的規(guī)范和標準，因而OSI體系結(jié)構(gòu)中協(xié)議的出現(xiàn)要比TCP/IP協(xié)議出現(xiàn)的晚，沒有得到普遍的認可。

③ISO組織在設(shè)計OSI/RM模型的時候，對可能會出現(xiàn)的情況沒有做到提前判斷和提前預(yù)計，造成了模型和協(xié)議規(guī)范不完全匹配的情況出現(xiàn)。

（2）TCP/IP模型在現(xiàn)實中得到了廣泛的應(yīng)用，TCP/IP模型的優(yōu)點：

①支持開放的各種規(guī)范和協(xié)議標準,并且協(xié)議對用戶免費,可以在不同的計算機硬件與操作系統(tǒng)獨立運行。

②獨立于各種硬件系統(tǒng),可運行在廣域網(wǎng)，城域網(wǎng)，局域網(wǎng)。

③支持各項網(wǎng)絡(luò)IP地址進行統(tǒng)一指派和分配，在同一個網(wǎng)段中，IP地址具備唯一性的特征。

④各層協(xié)議的統(tǒng)一標準化。但是存在明顯的缺陷，比如網(wǎng)絡(luò)接口層并不是一個實際意義的層，只是一個接口；沒有具體區(qū)分服務(wù)、接口、協(xié)議的概念；在TCP/IP模型中沒有明確區(qū)分數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。因此，TCP/IP模型還存在很大的缺陷。

總結(jié)：折中的參考模型方案。

綜合OSI模型和TCP/IP模型的優(yōu)缺點：OSI模型體系結(jié)構(gòu)復雜而且不實用，但層次結(jié)構(gòu)分明，TCP/IP協(xié)議得到了廣泛的應(yīng)用但體系結(jié)構(gòu)并不完整，在現(xiàn)實的計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，我們采取的是折中的方案，吸取不同體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，設(shè)計了一種具有五層協(xié)議的西體結(jié)構(gòu)，層次結(jié)構(gòu)分別為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。這五個層次的體系結(jié)構(gòu)能較好的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的各項功能，成為現(xiàn)在普遍通用的體系結(jié)構(gòu)。

五層的體系結(jié)構(gòu)既簡潔又能將每層的功能。為了方便描述，有時把最底下兩層物理層（Physical layer）和數(shù)據(jù)鏈路層（Data link layer）統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)接口層（Network interface layer）。在五層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)鏈路層負責分配物理地址，兩個端到端的相鄰節(jié)點之間傳送比特流時，數(shù)據(jù)鏈路層（Data link layer）將網(wǎng)絡(luò)層（Net layer）傳送下來的因特網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)報組裝成幀（Frame），從端到端的兩個相鄰的數(shù)據(jù)鏈路上傳送幀（Frame）。每一幀(Frame)包括傳送的比特流數(shù)據(jù)和相關(guān)的控制信息。物理層包括網(wǎng)卡接口的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，處理數(shù)據(jù)在物理媒介上的傳輸；不同的物理網(wǎng)絡(luò)具有電氣特性，為上層協(xié)議提供一致接口。物理層所傳數(shù)據(jù)單位是比特(Byte)。物理層主要研究在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流的能力。

4 各層對應(yīng)的工作設(shè)備

物理層：中繼器、集線器。

數(shù)據(jù)鏈路層：網(wǎng)橋或交換機。

網(wǎng)絡(luò)層中繼系統(tǒng)：路由器。

網(wǎng)絡(luò)層以上的中繼系統(tǒng)：網(wǎng)關(guān)。