网络的参考模型

Posted 2020-11-02

（一）OSI参考模型：
分为七层，即：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。每一层均有自己的一套功能集，并与紧邻的上层和下层交互作用。在顶层，应用层与用户使用的软件进行交互。
OSI七层每一层的作用：

（1）物理层
物理层是OSI参考模型的最低层或第一层，该层包括物理联网媒介，如电缆连线连接器。物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。在你的桌面PC上插入网络接口卡，你就建立了计算机连网的基础。换言之，你提供了一个物理层。尽管物理层不提供纠错服务，但它能够设定数据传输速率并检测数据出错率。网络物理问题，如电线断开，将影响物理层。同样地，如果你没有将网络接口卡在计算机的电路板中插得足够深，计算机也将在物理层出现网络问题。
IEEE已制定物理层协议的标准，特别IEEE802规定了以太网和令牌环网应如何处理数据。术语“第一层协议”和“物理层协议”，均是指描述电信号如何被放大及通过电线传输的标准。 [2]

（2）数据链路层
数据链路层是OSI参考模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。它的主要功能是将从网络层接收到的数据分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始数据，或称“有效荷载”，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。
数据链路层的功能独立于网络和它的节点和所采用的物理层类型，由于它们要对帧解码并使用帧信息将数据发送到正确的接收方，所以它们是工作在数据链路层的。

（3）网络层
网络层，即OSI参考模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点A到另一个网络中节点B的最佳路径。
由于网络层处理路由，而路由器因为即连接网络各段，并智能指导数据传送，属于网络层。在网络中，“路由”是基于编址方案、使用模式以及可达性来指导数据的发送。网络层协议还能补偿数据发送、传输以及接受的设备能力的不平衡性。为完成这一任务，网络层对数据包进行分段和重组。分段即是指当数据从一个能处理较大数据单元的网络段传送到位能处理较小数据单元的网络段是，网络层减小数据单元的大小的过程。

（4）传输层
传输层主要负责确保数据可靠、顺序、无错地从A点到传输到B点。因为如果没有传输层，数据将不能接受发给验证或解释，所以，传输层常被认为是OSI参考模型中最重要的一层。传输协议同时进行流量控制或是基于接收方可接受数据的快慢程度规定适当的发送速率。
除此之外，传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割，例如，以太网无法接受1500字节的数据包。发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片，同时对每一数据片安排一系列好，以便数据到达接收方节点的传输层时，能以正确的顺序重组。该过程即被称为排序。

（5）会话层
会话层负责在网络中的两节点之间建立和维持通信。术语“会话”指在两个实体之间建立数据交换的连接；常用于表示终端与主机之间的通信。所谓终端时指将几乎不具有自己的处理能力或硬盘容量，而只依靠主机提供应用程序和数据处理服务的一点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。

（6）表示层
表示层如同应用程序和网络之间的翻译官，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。表示层管理数据的解密与加密，表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。

（7）应用层
OSI参考模型的顶端也即第七层是应用层。应用层负责对软件提供接口以使程序能适应网络服务。术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特别应用程序。应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理。

（二）TCP/IP协议簇
TCP/IP 和 ISO/OSI

TCP IP模型与OSI模型的对比

    ISO/OSI模型，即开放式通信系统互联参考模型（Open System Interconnection Reference Model），是国际标准化组织（ISO）提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架，简称OSI。

    TCP/IP协议模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议，通过20多年的发展已日渐成熟，并被广泛应用于局域网和广域网中，目前已成为事实上的国际标准。TCP/IP协议簇是一组不同层次上的多个协议的组合，通常被认为是一个四层协议系统，与OSI的七层模型相对应。

二、 TCP/IP分层模型

(1). 链路层

    也称作数据链路层或网络接口层（在第一个图中为网络接口层和硬件层），通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议）是某些网络接口（如以太网和令牌环网）使用的特殊协议，用来转换IP层和网络接口层使用的地址。

(2). 网络层

    也称作互联网层（在第一个图中为网际层），处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。

    IP是一种网络层协议，提供的是一种不可靠的服务，它只是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点，但是并不提供任何可靠性保证。同时被TCP和UDP使用。TCP和UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互联网中进行传输。

    ICMP是IP协议的附属协议。IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。

    IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。

(3). 传输层

    主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。

    TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。为了提供可靠的服务，TCP采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。

    UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元（例如，发送方指定的一定字节数的信息）。UDP协议任何必需的可靠性必须由应用层来提供。

(4). 应用层

    应用层负责处理特定的应用程序细节。

三、 数据的封装与分用

    当应用程序用TCP传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息（有时还要增加尾部信息），该过程如图所示。

    TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段（TCP segment）；UDP数据与TCP数据基本一致。唯一的不同是UDP传给IP的信息单元称作U D P数据报（UDP datagram），而且UDP的首部长为8字节。IP传给网络接口层的数据单元称作IP数据报(IP datagram)。通过以太网传输的比特流称作帧(Frame )。

   当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用（Demultiplexing）。协议是通过目的端口号、源I P地址和源端口号进行解包的。