学习笔记之TCP/IP协议分层与OSI参考模型

1.协议的分层

     ISO 在制定标准化 OSI 之前，对网络体系结构相关的问题进行了充分的讨论， 最终提出了作为通信协议设计指标的 OSI 参考模型。这一模型将通信协议中必要 的功能分成了 7 层。通过这些分层，使得那些比较复杂的网络协议更加简单化。

在这一模型中，每个分层都接收由它下一层所提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定的服务。上下层之间进行交互时所遵循的约定叫做“接口”。同一层之间的交互所遵循的约定叫做“协议”。

协议分层就如同计算机软件中的模块化开发。 OSI 参考模型的建议是比较理想化的。它希望实现从第一层到第七层的所有模块 ， 并将它们组合起来实现网络 通信。分层可以将每个分层独立使用，即使系统中某些分层发生变化，也不会波及整个系统。因此，可以构造一个扩展性和灵活性都较强的系统。此外，通过分层能够细分通信功能 ， 更易于单独实现每个分层的协议，并界定各个分层的具体责任和义务。这些都属于分层的优点。 而分层的劣势，可能就在于过分模块化、使处理变得更加沉重以及每个模块都 不得不实现相似的处理逻辑等问题。

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2. 通过对话理解分层

关于协议的分层，我们再以A与C的对话(见上一节)为例简单说明一下。在此，我们只考虑语言层和通信设备层这两个分层的情况。首先，以电话聊天为例，见下图，上半部分中的A与C两个人正在通过电话 (通信设备）用汉语（语言协议）聊天。我们详细分析一下这张图。

表面上看A跟C是在用汉语直接对话，但实际上A与C都是在通过电话机的听筒听取声音，都在对着麦克风说话。想象一下如果有一个素未见过电话机的人见到这个场景会怎么想？恐怕他一定会以为A和C在跟电话机聊天吧。其实在这个图中，他们所用的语言协议作为麦克风的音频输入，在通信设备层被转换为电波信号传送出去了。传送到对方的电话机后，又被通信设备层转换为音频输出，传递给了对方。因此，A与C其实是利用电话机之间通过音频转化声音的接口实现了对话。

     通常人们会觉得拿起电话与人通话，其实就好像是直接在跟对方对话，然而如果仔细分析，在 整个过程中实际上是电话机在做中介，这是不可否认的。如果 A 的电话 机所传出的电子信号并未能转换成与 C 的电话机相同频率的声音，那会如何？这就如 同 A 的电话机与 C 的电话机的协议互不相同。 C 听到声音后可能会觉得自己不是在跟  A 而是在跟其他人说话。频率若是相去甚远， C 更有可能会觉得自己听到的不是汉语。

那么如果我们假定语言层相同而改变了通信设备层，情况会如何？例如，将 电话机改为无线电。通信设备层如果改用无线电，那么就得学会使用无线电的方 法。由于语言层仍然在使用汉语协议，因此使用者可以完全和以往打电话时一样 正常通话（上图左下部分）。

那么，如果通信设备层使用电话机，而语言层改为英语的话情况又会如何？ 很显然，电话机本身不会受限于使用者使用的语言。因此，这种情况与使用汉语 通话时完全一样，依然可以实现通话（上图右下部分）。

   到此为止，读者可能会觉得这些都是再简单不过的、理所当然的事。在此仅举出简单的例子，权作对协议分层及其便利性的一个解释，以加深对分层协议的理解。

3. OSI 参考模型

  前面只是将协议简单地分为了两层进行了举例说明。然而，实际的分组通信协议 会相当复杂。 OSI 参考模型将这样一个复杂的协议整理并分为了易于理解的 7 个分层。

     osi参考模型对通信中必要的功能做了很好的归纳。网络工程师在讨论协议 相关问题时也经常以osi参考模型的分层为原型。对于计算机网络的初学者，学 习osi参考模型可以说是通往成功的第一步。不过，osi参考模型终究是一个“模型”，它也只是对各层的作用做了一系列 粗略的界定，并没有对协议和接口进行详细的定义。它对学习和设计协议只能起 到一个引导的作用。因此，若想要了解协议的更多细节，还是有必要参考每个协 议本身的具体规范。许多通信协议，都对应了 OSI参考模型7个分层中的某层。通过这一点，可 以大致了解该协议在整个通信功能中的位置和作用。

4. OSI 参考模型中各个分层的作用

    在此，以下图为 例简单说明 OSI 参考模型中各个分层的主要作用。

• 应用层

为应用程序提供服务并规定应用程序中通信相关的细节。包括文件传输、电 子邮件、远程登录（虚拟终端）等协议。

• 表示层

将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式，或将来自下一层的数据转换 为上层能够处理的格式。因此它主要负责数据格式的转换。
具体来说，就是将设备固有的数据格式转换为网络标准传输格式。不同设备 对同一比特流解释的结果可能会不同。因此，使它们保持一致是这一层的主要 作用。

• 会话层

负责建立和断开通信连接（数据流动的逻辑通路），以及数据的分割等数据 传输相关的管理。

• 传输层

起着可靠传输的作用。只在通信双方节点上进行处理，而无需在路由器上 处理。

• 网络层

将数据传输到目标地址。目标地址可以是多个网络通过路由器连接而成的某 一个地址。因此这一层主要负责寻址和路由选择。

• 数据链路层 

负责物理层面上互连的、节点之间的通信传输。例如与1个以太网相连的2 个节点之间的通信。
将0、1序列划分为具有意义的数据帧传送给对端（数据帧的生成与接收）。

• 物理层

负责0、1比特流（0、1序列）与电压的髙低、光的闪灭之间的互换。