网络体系结构：ISO/OSI和TCP/IP

1.3.3　ISO/OSI体系结构和TCP/IP体系结构

1.ISO/OSI体系结构

为了实现异种计算机互连以满足信息交换、资源共享、分布处理和分布应用的要求，客观需要网络体系结构由封闭式走向开放式，有必要建立一个在国际上共同遵循的网络体系结构。国际标准化组织ISO经过多年努力于1981年正式提出了“开放系统互连参考模型”（International Organization for standardization/Open System Interconnection-Reference Model，ISO/OSI-RM），如图1-21所示。该模型将网络通信按功能划分为7个层次，并定义了各层的功能、层与层之间的关系以及相同层次的两端如何通信等，这是一个计算机互连的国际标准。所谓开放，就是指任何不同的计算机系统，只要遵循OSI标准，就可以与同样遵循这一标准的任何计算机系统通信。

图1-21　ISO/OSI开放系统互连参考模型

OSI参考模型将网络体系结构按功能划分为7个较小的易于管理的层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，各层次相对独立、互不影响。

（1）物理层（Physical Layer），是OSI分层结构体系中的最底层，也是最基础的一层，是实现设备之间的物理接口。物理层定义了数据编码和比特流同步，确保发送方和接收方之间的正确传输；定义了比特流的持续时间以及比特流是如何转化为在通信介质上传输的电和光信号；定义线路如何接到网卡上。例如，定义多少个针脚、每个管脚的功能；定义网线上发送数据采用的技术等。

（2）数据链路层（Data Link Layer），负责通过物理层从一台计算机到另外一台计算机无差错地传输数据帧。电气和电子工程师学会（IEEE）将数据链路层分成逻辑链路控制和介质访问控制两个子层。逻辑链路控制子层管理单一网络链路上设备间的通信，介质访问子层管理访问网络介质的协议。

（3）网络层（Network Layer），也称通信子网层，是通信子网的最高层，也是高层与低层协议之间的接口层。网络层主要提供路由交换及其相关的功能，为高层协议提供面向连接服务和无连接服务。网络层一般都是路由选择协议，但也有其他的协议。

（4）传输层（Transport Layer），又称运输层，其主要任务是向用户提供可靠的端到端服务，透明地传送报文。它向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体系结构中最关键的一层。该层关心的主要问题是建立、维护和中断虚电路，传输差错校验与恢复，信息流量控制机制等。

（5）会话层（Session Layer），允许不同计算机上的两个应用程序建立、使用和结束会话连接。通信会话包括发生在不同网络间的请求服务和应答服务，这些请求和应答通过会话层的协议实现。

（6）表示层（Presentation Layer），确定计算机之间交换数据的格式，可称为网络转换器。在发送计算机方，将应用层发送过来的数据转换成可识别的中间格式；在接收计算机方，表示层把中间格式转换成可以理解的格式。具体而言，表示层负责协议转化、数据加密与解密、数据压缩和数据转换等问题。

（7）应用层（Application Layer），是最接近终端用户的OSI层，它与用户之间是通过软件实现的，这类应用程序超出了OSI模型的范畴。应用层的功能主要有文件传输、数据库访问、电子邮件等。

OSI参考模型定义了不同计算机互连标准的框架结构，得到了国际上的承认。它通过分层结构把复杂的通信过程分成了多个独立的、比较容易解决的子问题。在OSI模型中，下一层为上一层提供服务，而各层内部的工作与相邻层是无关的。

2.TCP/IP体系结构

OSI模型虽然是国际标准，但是至今没有形成工业产品，主要原因是OSI协议过于复杂，协议分层过多，实现起来困难，协议制定的周期过长和缺乏市场竞争力。还有一个最主要的原因就是在制定OSI标准的时候，TCP/IP作为一个互联网协议早已成为一个工业产品，TCP/IP协议已经实现了网络互连，在Internet上得到了广泛的应用。(https://www.xing528.com)

TCP/IP协议又称为TCP/IP模型，是国际互联网Internet的协议簇，也是一种分层的结构，共分为4层，自下而上依次为网络接口层（Network Interface Layer）、互联网层（Internet Layer）、传输层（Transport Layer）和应用层（Application Layer）。其中网络接口层对应于OSI模型的第一层（物理层）和第二层（数据链路层），互联网层对应于OSI模型的第三层（网络层），传输层对应于OSI模型的第四层（传输层），应用层对应于OSI模型的第五层（会话层）、第六层（表示层）和第七层（应用层）。OSI参考模型与TCP/IP模型的对应关系如图1-22所示。

图1-22　OSI参考模型与TCP/IP模型的对应关系

（1）TCP/IP网络接口层。在TCP/IP分层体系结构中，网络接口层是其最底层，负责通过网络发送和接收IP数据报。由于TCP/IP网络接口层完全对应于OSI模型的物理层和数据链路层，因此其协议也与OSI的最低两层协议基本相同。

（2）TCP/IP互联网层，又称网间网层，主要提供源计算机和目的计算机之间点到点的通信。它的主要任务是为所传输的数据选择路由，在一个或多个路由器相连接的网络中将数据传输到目的地。

互联网层最主要的协议是IP协议，其主要功能为：管理IP地址、路由选择和数据包的分片与重组等。

（3）TCP/IP传输层中的TCP协议提供了一种可靠的传输方式，解决了IP协议的不安全因素，为数据包正确、安全地到达目的地提供可靠的保障。传输层的主要协议有TCP协议和UDP协议。

（4）TCP/IP应用层包含了会话层和表示层，包含了所有高层协议，主要提供用户与网络的应用接口以及数据的表示形式。应用层的主要协议有TFTP协议、FTP协议、SMTP协议、TELNET协议、SNMP协议、DNS协议、HTTP协议等。

3.OSI与TCP/IP体系结构的比较

OSI参考模型在计算机网络的发展过程中起到了非常重要的指导作用，作为一种参考模型和完整的网络体系结构，它仍对今后计算机网络技术朝着标准化、规范化方向发展具有指导意义。但是，OSI模型设计者的初衷是让其作为全世界计算机网络都遵循的标准，然而这种情况并没有发生。相反，TCP/IP体系结构逐渐在市场中占据了支配地位。导致这一局面有很多原因，也许最重要的原因是OSI标准的制定周期太长，当TCP/IP协议已经成熟并通过很好的测试时，OSI协议还处在发展阶段；另一个原因是OSI模型的设计过于复杂，层次划分也不完全合理，协议实现复杂且运行效率低。

OSI参考模型中采用了7个层次的体系结构，而TCP/IP体系结构只划分了4个层次。值得注意的是，在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是很不相同的。例如：

（1）TCP/IP一开始就考虑到多种异构网互联问题，并将IP协议作为TCP/IP的重要组成部分。但ISO只考虑到使用一种标准的公用数据网将各种不同的系统连接起来。

（2）TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重，但是ISO在开始只考虑到了面向连接的服务，最后才考虑到面向无连接的服务。

（3）TCP/IP有较好的网络管理功能，而ISO到后来才考虑这个问题。

当然，TCP/IP也有不足之处。例如，TCP/IP没有将“服务”、“协议”、“接口”等概念清楚地区分开。因此在使用一些新技术来设计新的网络时，采用这种模型会遇到一些麻烦。另外，它的通用性也很差，很难用它来描述其他种类的协议栈。还有，TCP/IP的网络接口层严格来说并不是一个层次而仅仅是一个接口，而在这下面的数据链路层和物理层则根本没有，但实际上这两个层次还是很重要的。