數通網絡模型

1分層網絡模型

1.1爲什麼是分層模型

數據是由用戶藉助應用程序產生。我們要與家人和朋友語音通話、視頻通話，我們要發送產品資料、方案、合同草稿給商業夥伴，不管是音頻流、視頻流還是文本、圖片，通過計算機處理和傳輸前都要先轉化成數字數據。單純的數字數據是不會自己跑到家人、朋友和商業夥伴那裏的，需要對它進行封裝，添加一些標識信息和控制信息。標識信息用來標記數據的類型、接收者與發送者，以及傳送方式等。通信雙方需要建立通信會話，基於通信會話才能收發數據，封裝的控制信息就是給會話協議建立通信會話用的。被封裝後的數據形成一個個的數據報、數據包、數據幀或信元等。我們把對數據標識封裝和會話的控制的規則或方法進行標準化，於是就形成了協議（Protocol）。負責數據標識封裝的協議叫做標識協議或封裝協議，負責會話控制的協議被叫做信令協議。因爲應用的種類實在太多，不同的應用產生的數據也不一樣，所以對應的標識和控制的方法也就不同，這就需要定義各種各樣的協議與之相對應：有區分不同應用的協議，有標識不同數據類型的協議，有建立、維護、拆除會話的協議，有標識接收者和發送者的協議，有針對不同通信介質提供相應的介質訪問控制方式的協議，有將數字數據進行編解碼的協議，有定義數據傳輸介質屬性和介質接口形式的協議。

數據通信整個過程是一個複雜的系統工程，人類處理複雜系統工程的辦法就是分而治之，具體來說就是模塊化加分層協作。將複雜信息通信這個複雜的系統工程劃分成不同的功能層，再在功能層中劃分出不同的功能模塊，每一個模塊實現系統工程中的一部分功能，然後將所有的功能模塊聯繫在一起就完成了整個系統工程的功能。這就是分層思想的根源，爲了複雜系統工程的實現。

1.2分層帶來的好處

當然，它讓數據通信這個複雜的系統工程得以實現。同時，分層以後，不同的組織完成其中的一部分功能就可以了，簡化了實現難度。因爲有各個組織的協同，就需要建立標準化體系，而標準體系的建立，又推進了數據通信工業化和產業的發展。

2OSI與TCP/IP

計算機網絡是數據通信網絡，我們經常把它叫做數通。數通網絡的實現是基於兩大網絡模型來構建的，我們最熟悉的可能是由ISO（International Organization for Standardization，國際標準化組織）制定的OSI（Open System Interconnection，開放系統互聯）模型，是一個推薦模型（Reference Model），有時也會被寫做OSI/RM或ISO-OSI/RM，而TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，傳輸控制協議/因特網互聯協議）模型則是事實上的標準，除少量個別協議遵從OSI外，整個互聯網現網框架都是以這個協議爲思想基礎搭建起來的，也就是說整個網絡系統的大廈都是由這兩大模型爲基礎構建起來的。

我個人更願意把TCP/IP，Transmission Control Protocol/Internet Protocol 翻譯成傳輸控制與互聯網協議。

通過對兩大網絡模型的介紹，爲讀者提供一個高屋建瓴地視角，對整個網絡系統有個全局的認識，併爲進一步地學習和掌握網絡知識，分析、定位、解決網絡問題打下基礎。

本文以OSI模型爲框架，介紹每一層的功能，數據在本層的表現形式，工作在本層的設備和典型協議等。在本節中並沒有對某個特定的協議做過多講解或論述，僅做初步瞭解就夠了，有關協議的更多內容可以查閱附錄1術語表，如果某個協議或涉及到的技術在生產中應用比較普遍，後面會有專門的篇幅詳細介紹。

2.1OSI模型

圖01-01 OSI網絡模型

ISO（International Organization for Standardization，國際標準化組織）制定的OSI（Open System Interconnection，開放系統互聯）模型，是一個參考模型（Reference Model），有時也會被寫做OSI/RM或ISO-OSI/RM，它是我們學習計算網絡必須要了解的基礎和標準網絡模型。此模型深入人心，流行甚廣，不可不知。

2.2TCP/IP模型

圖01-02 TCP/IP網絡模型

TCP/IP在層次劃分上更加簡單，只有四層，由IETF提出並維護，它將OSI模型的應用層、表示層、會話層合併，稱之爲應用層，提供應用服務；將數據鏈路層和物理層合併，稱之爲網絡接入層，並將網絡接入層拆分成兩個子層（Sub Layer），分別是LLC（Logic Link Control）子層和MAC（Media Access Control）子層，提供網絡接入的能力。我們常說的MAC地址（MAC Address）就屬於MAC子層（MAC Sub Layer）。此模型是計算機網絡的實事標準，不可不知。

2.3OSI與TCP/IP對比

圖01-04 OSI與TCP/IP網絡模型對比

雖然有對應關係，甚至是相同的名字，但是兩者定義的內容並不完全相同。

2.4改進的五層模型

圖01-03 改進的五層模型

在實際的生產環境和工程實現中，工程技術人員在討論和交流時實際上使用的網絡模型是OSI與TCP/IP融合後的一種改進模型。改進模型同時TCP/IP模型的應用層、傳輸層、互聯網絡層和OSI模型的數據鏈路層、物理層。改進後形成五層模型，分別是應用層，傳輸層，網絡層，數據鏈路層和物理層。

2.5實事上的標準

對於當前一統天下的以太網絡（802.3）和無線網絡（802.11），我們很難將其單獨歸入OSI模型的數據鏈路層或物理層，因爲它同時包含了數據鏈路層和物理層定義的內容和功能，它屬於TCP/IP模型的網絡接入層。

我們在談及OSI模型的表示層和會話層時，基本沒有什麼比較耳熟能詳的協議、標準或技術，這是因爲OSI模型的應用層、表示層、會話層實際上對應到了TCP/IP的應用層。TCP/IP模型基於OSI模型進行優化，並對各層不斷地更新和迭代，以適應層出不窮的應用所提出的新要求，而OSI模型在後期的更新上做得並不好，以至於自己定的標準，被別人不斷迭代優化後成爲實事標準。如同人要不斷學習並自我迭代纔不會被淘汰一樣。

儘管如此，我們在討論網絡架構模型時，習慣上還是使用OSI七層模型來論述。雖然TCP/IP模型是實事上的標準，但是OSI/RM早已深入人心，我選擇遵從大多數人的習慣。儘管有迎合甚至討好世衆之嫌，但不代表我沒有進行獨立思考。如果有可能，若干年後此書再版，我會考慮以TCP/IP模型爲標準進行論述。也許你說：囉囉嗦嗦這麼多廢話，而我們只需要一個能指出皇帝新裝的孩子。好吧，可能是我還不夠純粹，讓我繼續再粹煉上幾年！從更深層次來說，各種模型不過都是不同的解釋方式，而伴隨着網絡技術的改進，對應的解釋方式也會隨之而變。

3OSI各層簡介

3.1物理層 Physical Layer

定義了機械的、電氣的、規程的、功能性的標準。

數據形式是二進制流（Bit Flowing）。

本層設備有中繼器（Repeater）集線器（Hub）等。

物理層是網絡存在的物理條件。這一層主要定義了通信介質及性質，接口形式和光電信號等。IEEE 802.3協議簇所定義的以太網是這一層最重要的協議，已形成對LAN網絡的實事壟斷。

3.2數據鏈路層 Data Link Layer

定義了幀結構和物理流控。

數據形式是幀（Frame）。

本層設備有網橋（Bridge）和交換機（Switch）。

在IEEE 802中又被分爲較上層的LLC（Logic Link Control）子層和較下層的MAC（Media Access Control）子層。

根據不同的通信介質及其組網拓撲，規定介質的訪問控制方式。可以簡單概括爲通信介質、組網拓撲、介質的訪問控制方式。

IEEE 802.3是定義有線網絡的協議簇，有線網絡使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，帶衝突檢測的載波偵聽多路訪問）邏輯鏈路控制。IEEE 802.11是定義無線網絡的協議簇，無線網絡使用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，帶衝突避免的載波偵聽多路訪問）。有線網絡可以通過監聽線路電壓或電流的方式監聽載波是否空閒，而無線網絡的載波是否空閒卻無法通過載波偵聽之外的方式實現，只能通過沖突避免的方式來實現線路分時共享。

以太網在二層局域網上擁有絕對優勢地位。

3.3網絡層 Network layer

定義了數據包結構，編址，尋址，路由計算等。

數據形式是包（Packet）。

工作在網層的設備是路由器和三層交換機等，但是我們一般統稱這爲路由器。

主要的功能是計算並提供路由。

比較典型的提供路計算的協議有：RIP（Routing Information Protocol，路由信息協議）,OSPF（Open Shortest Path First，開放最短路徑優先）,IS-IS（Intermediate System to Intermediate System，中間系統到中間系統）,IGRP（Interior Gateway Routing Protocol，內部網關路由協議）,BGP（Border Gateway Protocol，邊界網關協議）等。帶有工具性質的協議ICMP（Internet Control Message Protocol，互聯網控制消息協議）和提供單播IP地址到下一跳MAC（Media access control）地址映射關係的ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協議）協議，是這一層另外兩個非常重要的協議。RIP和BGP本質上是應用層協議，RIP使用UDP 520，BGP使用TCP 179。Integrated IS-IS是本質上是鏈路層協議，通過802.3的格式直接封裝在數據幀中。但是因爲以上三個協議都提供路由計算和選擇，所以我們仍然把它們歸爲網絡層協議。

其實這一層最重要的協議是IP（Internet Protocol，互聯網協議），它提供數據包的封裝和主機節點標識，只有被封裝和標識的數據纔可以被轉發。

3.4傳輸層 Transport Layer

管理網絡層連接，提供了可靠的包傳遞機制。

數據形式是分段或叫分片（Segment）。

傳輸層最重要的兩個協議是TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）和UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）。TCP設計之初是爲了高可靠性傳輸，這就需要有比較複雜的協議報頭封裝，因此協議開銷比較大，在沒有添加任何選項的情況下，報頭大小是20Byte，傳輸效率相對較低。UDP設計之初是爲高效傳輸，放棄了比較複雜的控制，協議報頭封裝比較簡單，只有8Byte，但是可靠性低。另外一個在傳輸層值得被關注的協議是SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制傳輸協議），它也是一個面向連接的協議，支持多宿主和多流，並且安全性更高，將來有望得到更多的應用和發展。

3.5會話層 Session Layer

會話的建立或拆除等。

RPC（Remote Procedure Call，遠程過程調用）是這一層比較典型的一個協議。這一層在工業應用中並沒有得到很好的發展，它的很多功能被應用層和傳輸層替代了。當然你也可以說是被TCP/IP替代了。

3.6表示層 Presentation Layer

定義數據的結構和傳輸格式，編解碼，壓縮解壓縮，加解密等。

與會話層一樣的一個非常難堪的存在。它基本上是被應用層替代。我個人認識會話層和表示層在設計之初考慮不足夠周全，對工作任務分解不合理導致。

其實數據格式原計劃是放在這層來實現。但是數據是應用程序產生的，應用層就順便定義了數據的格式。很顯然由我產生的數據由你來定義格式顯然是不合理的，不利於合作和實現。

3.7應用層 Application Layer

提供接口給終端用戶應用，爲面向網絡的應用程序提供服務。

各種各樣的應用需求使得應用層的協議相比其它層要豐富得多，工作在應用層的協議是七層模型中最多的，各種應用呈百花齊放之態。其中最值得一提的是HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本傳輸協議），無人能出其右。當然比較重要和常見的還有DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議）、DNS（Domain Name System，域名系統）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，簡單郵件傳輸協議）、POP3（Post Office Protocol，郵局協議版本3），IMAP（Internet Message Access Protocol 4，互聯網消息訪問協議版本4）等。

4飯後思考題：

1）提供路由計算和選路的協議就一定是網絡層協議嗎？

2）我們的電腦工作在TCP/IP在哪一層？

3）路由器除了工作在網絡層，以下兩層有沒有涉及？以上各層呢？交換機呢？換句話說，文中關於網絡各層工作設備的描述是絕對正確嗎？如果說不完全正確，爲什麼還這樣描述？