数通网络模型

1分层网络模型

1.1为什么是分层模型

数据是由用户借助应用程序产生。我们要与家人和朋友语音通话、视频通话，我们要发送产品资料、方案、合同草稿给商业伙伴，不管是音频流、视频流还是文本、图片，通过计算机处理和传输前都要先转化成数字数据。单纯的数字数据是不会自己跑到家人、朋友和商业伙伴那里的，需要对它进行封装，添加一些标识信息和控制信息。标识信息用来标记数据的类型、接收者与发送者，以及传送方式等。通信双方需要建立通信会话，基于通信会话才能收发数据，封装的控制信息就是给会话协议建立通信会话用的。被封装后的数据形成一个个的数据报、数据包、数据帧或信元等。我们把对数据标识封装和会话的控制的规则或方法进行标准化，于是就形成了协议（Protocol）。负责数据标识封装的协议叫做标识协议或封装协议，负责会话控制的协议被叫做信令协议。因为应用的种类实在太多，不同的应用产生的数据也不一样，所以对应的标识和控制的方法也就不同，这就需要定义各种各样的协议与之相对应：有区分不同应用的协议，有标识不同数据类型的协议，有建立、维护、拆除会话的协议，有标识接收者和发送者的协议，有针对不同通信介质提供相应的介质访问控制方式的协议，有将数字数据进行编解码的协议，有定义数据传输介质属性和介质接口形式的协议。

数据通信整个过程是一个复杂的系统工程，人类处理复杂系统工程的办法就是分而治之，具体来说就是模块化加分层协作。将复杂信息通信这个复杂的系统工程划分成不同的功能层，再在功能层中划分出不同的功能模块，每一个模块实现系统工程中的一部分功能，然后将所有的功能模块联系在一起就完成了整个系统工程的功能。这就是分层思想的根源，为了复杂系统工程的实现。

1.2分层带来的好处

当然，它让数据通信这个复杂的系统工程得以实现。同时，分层以后，不同的组织完成其中的一部分功能就可以了，简化了实现难度。因为有各个组织的协同，就需要建立标准化体系，而标准体系的建立，又推进了数据通信工业化和产业的发展。

2OSI与TCP/IP

计算机网络是数据通信网络，我们经常把它叫做数通。数通网络的实现是基于两大网络模型来构建的，我们最熟悉的可能是由ISO（International Organization for Standardization，国际标准化组织）制定的OSI（Open System Interconnection，开放系统互联）模型，是一个推荐模型（Reference Model），有时也会被写做OSI/RM或ISO-OSI/RM，而TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，传输控制协议/因特网互联协议）模型则是事实上的标准，除少量个别协议遵从OSI外，整个互联网现网框架都是以这个协议为思想基础搭建起来的，也就是说整个网络系统的大厦都是由这两大模型为基础构建起来的。

我个人更愿意把TCP/IP，Transmission Control Protocol/Internet Protocol 翻译成传输控制与互联网协议。

通过对两大网络模型的介绍，为读者提供一个高屋建瓴地视角，对整个网络系统有个全局的认识，并为进一步地学习和掌握网络知识，分析、定位、解决网络问题打下基础。

本文以OSI模型为框架，介绍每一层的功能，数据在本层的表现形式，工作在本层的设备和典型协议等。在本节中并没有对某个特定的协议做过多讲解或论述，仅做初步了解就够了，有关协议的更多内容可以查阅附录1术语表，如果某个协议或涉及到的技术在生产中应用比较普遍，后面会有专门的篇幅详细介绍。

2.1OSI模型

图01-01 OSI网络模型

ISO（International Organization for Standardization，国际标准化组织）制定的OSI（Open System Interconnection，开放系统互联）模型，是一个参考模型（Reference Model），有时也会被写做OSI/RM或ISO-OSI/RM，它是我们学习计算网络必须要了解的基础和标准网络模型。此模型深入人心，流行甚广，不可不知。

2.2TCP/IP模型

图01-02 TCP/IP网络模型

TCP/IP在层次划分上更加简单，只有四层，由IETF提出并维护，它将OSI模型的应用层、表示层、会话层合并，称之为应用层，提供应用服务；将数据链路层和物理层合并，称之为网络接入层，并将网络接入层拆分成两个子层（Sub Layer），分别是LLC（Logic Link Control）子层和MAC（Media Access Control）子层，提供网络接入的能力。我们常说的MAC地址（MAC Address）就属于MAC子层（MAC Sub Layer）。此模型是计算机网络的实事标准，不可不知。

2.3OSI与TCP/IP对比

图01-04 OSI与TCP/IP网络模型对比

虽然有对应关系，甚至是相同的名字，但是两者定义的内容并不完全相同。

2.4改进的五层模型

图01-03 改进的五层模型

在实际的生产环境和工程实现中，工程技术人员在讨论和交流时实际上使用的网络模型是OSI与TCP/IP融合后的一种改进模型。改进模型同时TCP/IP模型的应用层、传输层、互联网络层和OSI模型的数据链路层、物理层。改进后形成五层模型，分别是应用层，传输层，网络层，数据链路层和物理层。

2.5实事上的标准

对于当前一统天下的以太网络（802.3）和无线网络（802.11），我们很难将其单独归入OSI模型的数据链路层或物理层，因为它同时包含了数据链路层和物理层定义的内容和功能，它属于TCP/IP模型的网络接入层。

我们在谈及OSI模型的表示层和会话层时，基本没有什么比较耳熟能详的协议、标准或技术，这是因为OSI模型的应用层、表示层、会话层实际上对应到了TCP/IP的应用层。TCP/IP模型基于OSI模型进行优化，并对各层不断地更新和迭代，以适应层出不穷的应用所提出的新要求，而OSI模型在后期的更新上做得并不好，以至于自己定的标准，被别人不断迭代优化后成为实事标准。如同人要不断学习并自我迭代才不会被淘汰一样。

尽管如此，我们在讨论网络架构模型时，习惯上还是使用OSI七层模型来论述。虽然TCP/IP模型是实事上的标准，但是OSI/RM早已深入人心，我选择遵从大多数人的习惯。尽管有迎合甚至讨好世众之嫌，但不代表我没有进行独立思考。如果有可能，若干年后此书再版，我会考虑以TCP/IP模型为标准进行论述。也许你说：啰啰嗦嗦这么多废话，而我们只需要一个能指出皇帝新装的孩子。好吧，可能是我还不够纯粹，让我继续再粹炼上几年！从更深层次来说，各种模型不过都是不同的解释方式，而伴随着网络技术的改进，对应的解释方式也会随之而变。

3OSI各层简介

3.1物理层 Physical Layer

定义了机械的、电气的、规程的、功能性的标准。

数据形式是二进制流（Bit Flowing）。

本层设备有中继器（Repeater）集线器（Hub）等。

物理层是网络存在的物理条件。这一层主要定义了通信介质及性质，接口形式和光电信号等。IEEE 802.3协议簇所定义的以太网是这一层最重要的协议，已形成对LAN网络的实事垄断。

3.2数据链路层 Data Link Layer

定义了帧结构和物理流控。

数据形式是帧（Frame）。

本层设备有网桥（Bridge）和交换机（Switch）。

在IEEE 802中又被分为较上层的LLC（Logic Link Control）子层和较下层的MAC（Media Access Control）子层。

根据不同的通信介质及其组网拓扑，规定介质的访问控制方式。可以简单概括为通信介质、组网拓扑、介质的访问控制方式。

IEEE 802.3是定义有线网络的协议簇，有线网络使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带冲突检测的载波侦听多路访问）逻辑链路控制。IEEE 802.11是定义无线网络的协议簇，无线网络使用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，带冲突避免的载波侦听多路访问）。有线网络可以通过监听线路电压或电流的方式监听载波是否空闲，而无线网络的载波是否空闲却无法通过载波侦听之外的方式实现，只能通过冲突避免的方式来实现线路分时共享。

以太网在二层局域网上拥有绝对优势地位。

3.3网络层 Network layer

定义了数据包结构，编址，寻址，路由计算等。

数据形式是包（Packet）。

工作在网层的设备是路由器和三层交换机等，但是我们一般统称这为路由器。

主要的功能是计算并提供路由。

比较典型的提供路计算的协议有：RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）,OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）,IS-IS（Intermediate System to Intermediate System，中间系统到中间系统）,IGRP（Interior Gateway Routing Protocol，内部网关路由协议）,BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）等。带有工具性质的协议ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议）和提供单播IP地址到下一跳MAC（Media access control）地址映射关系的ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）协议，是这一层另外两个非常重要的协议。RIP和BGP本质上是应用层协议，RIP使用UDP 520，BGP使用TCP 179。Integrated IS-IS是本质上是链路层协议，通过802.3的格式直接封装在数据帧中。但是因为以上三个协议都提供路由计算和选择，所以我们仍然把它们归为网络层协议。

其实这一层最重要的协议是IP（Internet Protocol，互联网协议），它提供数据包的封装和主机节点标识，只有被封装和标识的数据才可以被转发。

3.4传输层 Transport Layer

管理网络层连接，提供了可靠的包传递机制。

数据形式是分段或叫分片（Segment）。

传输层最重要的两个协议是TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。TCP设计之初是为了高可靠性传输，这就需要有比较复杂的协议报头封装，因此协议开销比较大，在没有添加任何选项的情况下，报头大小是20Byte，传输效率相对较低。UDP设计之初是为高效传输，放弃了比较复杂的控制，协议报头封装比较简单，只有8Byte，但是可靠性低。另外一个在传输层值得被关注的协议是SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议），它也是一个面向连接的协议，支持多宿主和多流，并且安全性更高，将来有望得到更多的应用和发展。

3.5会话层 Session Layer

会话的建立或拆除等。

RPC（Remote Procedure Call，远程过程调用）是这一层比较典型的一个协议。这一层在工业应用中并没有得到很好的发展，它的很多功能被应用层和传输层替代了。当然你也可以说是被TCP/IP替代了。

3.6表示层 Presentation Layer

定义数据的结构和传输格式，编解码，压缩解压缩，加解密等。

与会话层一样的一个非常难堪的存在。它基本上是被应用层替代。我个人认识会话层和表示层在设计之初考虑不足够周全，对工作任务分解不合理导致。

其实数据格式原计划是放在这层来实现。但是数据是应用程序产生的，应用层就顺便定义了数据的格式。很显然由我产生的数据由你来定义格式显然是不合理的，不利于合作和实现。

3.7应用层 Application Layer

提供接口给终端用户应用，为面向网络的应用程序提供服务。

各种各样的应用需求使得应用层的协议相比其它层要丰富得多，工作在应用层的协议是七层模型中最多的，各种应用呈百花齐放之态。其中最值得一提的是HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议），无人能出其右。当然比较重要和常见的还有DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）、DNS（Domain Name System，域名系统）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）、POP3（Post Office Protocol，邮局协议版本3），IMAP（Internet Message Access Protocol 4，互联网消息访问协议版本4）等。

4饭后思考题：

1）提供路由计算和选路的协议就一定是网络层协议吗？

2）我们的电脑工作在TCP/IP在哪一层？

3）路由器除了工作在网络层，以下两层有没有涉及？以上各层呢？交换机呢？换句话说，文中关于网络各层工作设备的描述是绝对正确吗？如果说不完全正确，为什么还这样描述？