网络体系结构与网络协议

一、网络体系结构的基本概念

一个功能完善的计算机网络是一个复杂的结构，网络上的多个节点间不断地交换着数据信息和控制信息，在交换信息时，网络中的每个节点都必须遵守一些事先约定好的共同的规则。为网络数据交换而制定的规则、约定和标准统称为网络协议 (Protocol)。

一个完善的网络需要一系列网络协议构成一套完备的网络协议集。大多数网络在设计时是将网络划分为若干个相互联系而又各自独立的层次，然后针对每个层次及层次间的关系制定相应的协议。这样可以减少协议设计的复杂性。像这样的计算机网络层次结构模型及各层协议的集合称为计算机网络体系结构 (Network Architecture)。

在理解网络的体系结构时，应充分注意到网络协议的层次机制及其合理性和有效性。层次结构中每一层都是建立在前一层基础上的，底层为高层提供服务，上一层在实现本层功能时会充分利用下一层提供的服务。但各层之间是相对独立的，高层无须知道底层是如何实现的，仅需知道低层通过层间接口所提供的服务即可。当任何一层因技术进步发生变化时，只要接口保持不变，其他各层都不会受到影响。当某层提供的服务不再需要时，甚至可以将这一层取消。

网络技术的发展过程中曾出现过多种网络体系结构。信息技术的发展在客观上提出了网络体系结构标准化的需求，在此背景下产生了国际标准化组织 (ISO) 的开放系统互联(OSI) 参考模型。

二、ISO/OSI参考模型

国际标准化组织于1981年提出了一个网络体系结构的开放系统互联参考模型。这里的“开放”指世界上任何两个地方的任意两个系统只要同时遵循OSI标准，这两个系统就可以进行通信。

OSI采用了三级抽象，即体系结构、服务定义和协议规格说明。体系结构部分定义OSI的层次结构、各层关系及各层可能的服务; 服务定义部分详细说明了各层所提供的功能; 协议规格部分的各种协议精确定义了每一层在通信中发送控制信息及解释信息的过程。OSI将网络划分为七个层次。

1. 物理层 (Physical layer)

物理层是OSI的最底层，主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供连接，以透明地传输比特流。

2. 数据链路层 (Data link layer)

数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，并采用相应方法使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

3. 网络层 (Network layer)

网络层的功能是进行路由选择，阻塞控制与网络互联等。

4. 传输层 (Transport layer)

传输层的功能是向用户提供可靠地端到端服务，透明地传送报文，是关键的一层。

5. 会话层 (Session layer)

会话层的功能是组织两个会话进程间的通信，并管理数据的交换。

6. 表示层 (Presentation layer)

表示层主要用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式，它包括数据格式变换、数据加密、数据压缩与恢复等功能。

7. 应用层 (Application layer)

应用层是OSI参考模型中的最高层，应用层确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要，它在提供应用进程所需要的信息交换和远程操作的同时，还要作为应用进程的用户代理，来完成一些为进行信息交换所必需的功能。

三、TCP/IP参考模型

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 协议是一个协议集，其中最重要的是TCP协议与IP协议，因此通常将这诸多协议统称为TCP/IP协议集，或干脆叫TCP/IP协议。TCP/IP参考模型也是一个开放模型，能很好地适应世界范围内数据通信的需要，它具有如下四个特点:

(1) 开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。

(2) 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于网络互联。

(3) 统一的网络地址分配方案，使得网络中的每台主机在网中都具有唯一的地址。

(4) 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

TCP/IP参考模型有四个层次。其中应用层与OSI中的应用层对应，传输层与OSI中的传输层对应，网络层与OSI中的网络层对应，物理链路层与OSI中的物理层和数据链路层对应。

TCP/IP参考模型中没有OSI中的表示层和会话层。

1. 应用层 (Applicationlayer)

应用层是TCP/IP参考模型的最高层，它向用户提供一些常用应用程序，如电子邮件等。应用层包括了所有的高层协议，并且总是不断有新的协议加入。

应用层协议主要有: 网络终端协议TELNET，用于实现互联网中的远程登录功能; 文件传输协议FTP，用于实现互联网中交互式文件传输功能; 简单电子邮件协议SMTP，实现互联网中电子邮件发送功能; 域名服务DNS，用于实现网络设备名字到IP地址映射的网络服务; 网络文件系统NFS，用于网络中不同主机间的文件系统共享。

2. 传输层 (Transport layer)

传输层也被称为TCP层，主要功能是负责应用进程之间的端——端通信。传输层定义了两种协议: 传输控制协议TCP与用户数据报协议UDP。

TCP协议是一种可靠的面向连接的协议，主要功能是保证信息无差错地传输到目的主机。

UDP协议是一种不可靠的无连接协议，它与TCP协议不同的是它不进行分组顺序的检查和差错控制，而是把这些工作交给上一级应用层完成。

3. 网络层 (Internet layer)

网络层也被称为IP层，负责处理互联网中计算机之间的通信，向传输层提供统一的数据报。它的主要功能有以下三个方面: 处理来自传输层的分组发送请求; 处理接收的数据包; 处理互联的路径。

4. 物理链路层 (Host-to-Network layer)

物理链路层主要功能是接收IP层的IP数据报，通过网络向外发送，或接收处理从网络上来的物理帧，抽出IP数据报，向IP层发送。该层是主机与网络的实际连接层。

四、OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

OSI参考模型与TCP/IP参考模型都采用了层次结构的概念，但是两者在层次划分、使用协议上有很大的区别。

OSI参考模型在问世之初，因为它含有大量的研究成果，所以很多人认为它将在全世界迅速风行。但事实上这一局面并没有出现。究其原因，一个重要的因素是协议自身存在的不足。

OSI参考模型的会话层在大多数应用中很少被用到，而表示层几乎是全空的。在数据链路层与网络层之间有很多的子层插入，每个子层都有不同的功能。OSI参考模型把“服务”与“协议”的定义结合起来，使参考模型变得格外复杂，实现起来很困难。同时，寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低了整个系统的效率。关于数据安全性、加密与网络管理等方面的问题也在设计初期被忽略了。

TCP/IP参考模型也有它自身的缺陷。它在服务、接口与协议的区别上不清楚，没能将功能与实现方法区别开。TCP/IP参考模型的物理链路层本身并不是实际的一层，它定义了网络层与数据链路层的接口。网络层次结构中物理层与数据链路层的划分是必要的和合理的，但TCP/IP参考模型将它们合并在一起了。

OSI参考模型由于要照顾各方面的因素，使它变得大而全，所以效率很低，但它的很多研究成果、方法以及提出的概念对网络发展有很高的指导意义。TCP/IP参考模型应用广泛，但它对参考模型的研究却很薄弱。