1.3计算机网络体系结构及OSI七层参考模型与TCP/IP参考模型
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1、计算机网络体系结构
为什么需要有计算机网络体系结构？我们都知道计算机网络非常复杂，涉及非常多的组成部分：如主机（hosts）、路由器（routers）、链路（links）、应用（applications）、协议（protocols）等等。那么有没有这样一种系统结构能够很好的描述网络呢？如果有的话是什么样的结构呢？至少这个系统结构可以用来讨论网络。答案是可以使用分层结构来描述复杂系统。为什么采用分层结构呢？（分层结构优点）因为分层结构清晰，有利于我们认识复杂系统的部件及其关系；模块化的分层易于系统更新、维护，任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的；有利于标准化。
计算机网络体系结构简称网络体系结构(network architecture)是分层结构，计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，每层遵循某个/些网络协议完成本层功能。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议 是 “ 水平的 ” 。服务：任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供 服务 ，服务是“ 垂直的 ”，下层协议的实现对上层的 服务用户是 透明 的。同系统的相邻层 实体间通过接口进行交互。
2、OSI与Internet参考模型
2.1OSI参考模型
最早的时候网络刚刚出现的时候，很多大型的公司都拥有了网络技术，公司内部计算机可以相互连接。可是却不能与其它公司连接。因为没有一个统一的规范。计算机之间相互传输的信息对方不能理解。所以不能互联。从而形成了一个个的网络孤岛，限制了计算机和网络的发展。因而国际标准化组织（ISO）推出了OSI参考模型。
OSI（Open System Interconnect）即开放式系统互连，一般叫OSI参考模型，OSI参考模型是由国际标准化组织 (ISO) 于1984年提出的分层网络体系结构模型， 目的是支持异构网络系统的互联互通。但由于OSI参考模型的标准实在是太严格了，目前还没有完全按照OSI标准设计的网络，理论成功，市场失败。OSI参考模型采用分层设计的方式，将一个复杂的网络问题划分成了多个小的问题。使网络的维护更利于实现、使网络技术更利于更新。OSI给设计网络和网络排错提供了一个非常好的模型和思路——一个完整的应该具备哪些功能？该功能在哪个层次？通过这样的思考方式很容易定位网络的故障。也很容易的来衡量出一个现实的网络是否完善。OSI参考模型将网络按照功能分为7层，每层完成特定的网络功能。如表1-1所示。
| 层号 | 层名 | 数据的名字 | 功能描述 |
| 7 | 应用层（Application） | 数据（data) | 提供用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）如、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、Web（HTTP）等。 |
| 6 | 表示层（Presentation） | 数据（data） | 处理两个系统间交换信息的 语法与语义（syntax and semantics ） 问题，比如对用户数据进行相应的编码、加密/解密、压缩/解压缩等 |
| 5 | 会话层（Session） | 数据（data） | 对话控制（dialog controlling）：建立维护对话、同步(synchronization)数据：在数据流中插入“同步点”。 |
| 4 | 传输层（Transport） | 数据段（sagment） | 为数据提供一种安全可靠的传输方式，主要做的工作：分段与重组、SAP寻址（确保将完整报文提交给正确进程，如端口号）、连接控制、流量控制、差错控制 |
| 3 | 网络层（Network） | 分组（packet） | 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付。完成数据在网络中的实际传输，确定地址和最佳路径。逻辑寻址（Logical addressing）：封装全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址；路由（Routing）：路由器(或网关)互连网络，确定分组从源主机到目的主机最佳传输路径；分组转发：将分组从路由器的输入端口交换到正确的输出端口。 |
| 2 | 数据链路层（Data link） | 帧（frame） |
负责 结点- 结点（node-to-node ） 之间的数据传输，使用硬件地址来定位远程主机（物理寻址）：在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端（组帧）。并进行必要的控制： 流量控制（Flow control）——避免淹没接收端 |
| 1 | 物理层（Physical） | 比特流 | 传输比特流。将链路层的数据用高低不同的电平值表示发送到物理线路上。物理层规定了设备的接口形状、针脚个数、针脚不同电平值的含义。 |
2.2TCP/IP（Internet）参考模型
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）及其后继Internet使用的参考模型。从低层到高层依次为：网络接口层（对应OSI参考模型中的物理层和数据链路层）、网际层、传输层和应用层（对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层）。TCP/IP由于得到广泛应用而成为事实上的国际标准。TCP/IP的层次结构及各层的主要协议如图1.1所示。
2.3五层参考模型
综合OSI和TCP/IP参考模型的优点，我们将七层参考模型中的会话层和表示层的功能由应用层来做，采用五层参考模型来学习计算机网络。五层分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
3、OSI下数据封装与通信过程
在OSI参考模型中主机要完成所有的七层功能，中间系统只需要完成下三层的功能，也就是物理层、数据链路层、网络层。之前也提到了，按照层次结构来看，所有对等层次之间都遵循相关的协议，进行数据交换，也就是说，对应层次之间协议规定了这个层次如何去构造数据，如何去交换数据，但要注意协议画的是虚线，在对等层之间交换的数据并不是物理上直接到达的，只是逻辑上到达对应的对等层。那么物理上真正通信是如何通信的呢？物理上通信怎么说也得通过链路，通过光信号、电信号、或者电磁波，所以物理层最下边是物理介质，物理介质完成物理信号传输。
那么按照OSI参考模型来看，数据是怎么进行通信的呢？比如A主机要发送一个数据给B，主机A的应用层最先处理数据，应用层处理完交给表示层，表示层交给会话层......，一层一层留下来通过物理介质发送到中间系统，中间系统从物理层把数据接收过来，接收以后要把数据进行还原，还原的时候遵循对等层之间的协议，比如中间系统的物理层还原数据时要遵循和主机A的物理层的协议。逐层还原到网络层。网络层明确数据应该在哪一段连路上传输，然后逐层处理交到物理层，传输到主机B，主机B再逐层还原。
注意：图1.2中实线所描述的过程是数据真正流动的方向，OSI参考模型把这个也叫做实通讯（或物理通讯）。那么虚线看到的是对等层之间的通信。协议规定的是对等层之间如何交换数据，比如应用层，在这一层看来，似乎数据是从主机A的应用层直接送到主机B的应用层。举个例子，我给女朋友（-vv-）写信,我写完信邮寄给女朋友，女朋友收到之后回信，看似好像是我直接和女票通信。事实上是我把信加上信封，按照规定（协议）写上邮政编码等信息，然后交给我们那的邮递员，邮递员逐层往下交，然后通过汽车、火车或者飞机等邮寄，邮寄的时候也是每一环节读取信封上的信息确定该往哪发，最后我女票收到信后，打开看信。所以协议是“水平的”，在传输过程中，相邻层之间交换信息是通过接口把数据交给下一层，或者通过接口向上一层提供服务。
我们从图1.2发现OSI上面四个层是和下面三层不太一样，中间系统实现的功能只到第三层，网络层再往上中间系统理论上就不用实现了。也就意味着上面四层直接从源主机对应到目的主机对应层次，这四层协议规定处理的数据直接到目的主机去处理。我们把这四层叫做端到端层（end-end）。
我们假设撇开中间系统，看源主机A到目的主机B的通信，从顶层来看我们是希望源主机A的用户数据送到目的主机B接收，比如一个文件，或一句话。按照OSI参考模型来看，主机A和主机B都需要实现7层功能。
在OSI参考模型看来，数据通信时，是一层一层处理，逐层封装好，在物理上进行实在的传输：从源主机（SOURCE）的应用层发出来的数据是有一定格式的协议数据单元，称为PDU（protocol data unit）。应用层发给下一层表示层后，在PDU前面加上了本层控制信息，也就是图1.3中的AH，加在头部。图1.3中加了头部PH的A-PDU，更新为本层的PDU，也就是要发给第五层会话层的内容。即A-PDU+PH=P-PDU。上一层向下一层发送PDU，逐层加上本层的头部后成为下一层的PDU。直至发到数据链路层，数据链路层还加一个尾部，也就是DT，起到校验作用，如果数据正确，继续传输，数据错误直接丢掉不继续传输。数据链路层发给物理层后，物理层将PDU转换为二进制编码（比特流），通过硬件转换为信号发送出去。这样源主机七层任务完成。
图1.3右侧是目的主机的数据接收过程：接收到硬件的二进制信号后，物理层转换为PDU发个数据链路层。数据链路层拆掉头部和尾部后，将赤裸的PDU送给网络层。网络层再拆掉头部，送入下一层，逐层拆掉头部，到了送给应用层时，前面不同层添加的头部完全被拆干净，留下原本发送的最原始PDU，也就是用户数据。
那么这里就有一个问题，为什么要进行数据封装？回答这个问题之前，先来了解一下加了那么多的头和尾，加的都是些什么内容。我们在构造协议数据单元（PDU）时会在头部增加控制信息，这些控制信息主要包括1）地址（Address）：用来标识发送端和接收端，源主机得知道数据往哪发，目的主机得知道数据是谁给发的。2）差错检测编码（Error-detecting code）: 用于差错检测或纠正。3）协议控制（Protocol control）: 实现协议功能的附加信息，如: 优先级（priority）、服务质量（QoS）、 和安全控制等。
