1 分層網(wǎng)絡(luò)模型 1.1 為什么是分層模型 數(shù)據(jù)是由用戶借助應(yīng)用程序產(chǎn)生。我們要與家人和朋友語音通話、視頻通話， 我們要發(fā)送產(chǎn)品資料、方案、合同草稿給商業(yè)伙伴，不管是音頻流、視頻流還是? 文本、圖片，通過計算機(jī)處理和傳輸前都要先轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。單純的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 是不會自己跑到家人、朋友和商業(yè)伙伴那里的，需要對它進(jìn)行封裝，添加一些標(biāo) 識信息和控制信息。標(biāo)識信息用來標(biāo)記數(shù)據(jù)的類型、接收者與發(fā)送者，以及傳送 方式等。通信雙方需要建立通信會話，基于通信會話才能收發(fā)數(shù)據(jù)，封裝的控制 信息就是給會話協(xié)議建立通信會話用的。被封裝后的數(shù)據(jù)形成一個個的數(shù)據(jù)報 （Segment）、數(shù)據(jù)包（Packet）、數(shù)據(jù)幀（Frame）等。 我們把對數(shù)據(jù)標(biāo)識封裝 和會話的控制的方法或規(guī)則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，于是就形成了協(xié)議（Protocol）。 負(fù)責(zé)數(shù) 據(jù)標(biāo)識封裝的協(xié)議叫做標(biāo)識協(xié)議或封裝協(xié)議，負(fù)責(zé)會話控制的協(xié)議被叫做信令協(xié) 議。因為應(yīng)用的種類實(shí)在太多，不同的應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也不一樣，所以對應(yīng)的標(biāo) 識和控制的方法也就不同，這就需要定義各種各樣的協(xié)議與之相對應(yīng)：有區(qū)分不 同應(yīng)用的協(xié)議，有標(biāo)識不同數(shù)據(jù)類型的協(xié)議，有建立、維護(hù)、拆除會話的協(xié)議， 有標(biāo)識接收者和發(fā)送者的協(xié)議，有針對不同通信介質(zhì)提供相應(yīng)的介質(zhì)訪問控制方 式的協(xié)議，有將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編解碼的協(xié)議，有定義數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)屬性和介質(zhì)接 口形式的協(xié)議。 數(shù)據(jù)通信整個過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，人類處理復(fù)雜系統(tǒng)工程的辦法就是 分而治之，具體來說就是模塊化加分層協(xié)作。將信息通信這個復(fù)雜的系統(tǒng)工程劃 分成不同的功能層，再在功能層中劃分出不同的功能模塊，每一個模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 工程中的一部分功能，然后將所有的功能模塊聯(lián)系在一起，就完成了整個系統(tǒng)工 程的功能。這就是分層思想的根源，其最根本目的是為了復(fù)雜系統(tǒng)工程的實(shí)現(xiàn)。 1.2 分層帶來的好處 當(dāng)然，它讓數(shù)據(jù)通信這個復(fù)雜的系統(tǒng)工程得以實(shí)現(xiàn)。同時，分層以后，不同的 組織完成其中的一部分功能就可以了，簡化了實(shí)現(xiàn)難度。因為有各個組織的協(xié)同， 就需要建立標(biāo)準(zhǔn)化體系，而標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，又推進(jìn)了數(shù)據(jù)通信工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展。 2 OSI 與 TCP/IP 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，我們經(jīng)常把它叫做數(shù)通。數(shù)通網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是基于 兩大網(wǎng)絡(luò)模型來構(gòu)建的，我們最熟悉的可能是由 ISO（International Organization for Standardization，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）制定的 OSI（Open System Interconnection， 開放系統(tǒng)互聯(lián)）模型，是一個推薦模型（Reference Model），有時也會被寫做 OSI/RM 或 ISO-OSI/RM，而 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）模型則是事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，除少量個別 協(xié)議遵從 OSI 外，整個互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)框架都是以 TCP/IP 協(xié)議為思想基礎(chǔ)搭建起來的， 也就是說整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的大廈都是由這兩大模型為基礎(chǔ)構(gòu)建起來的。 我個人更愿意把 TCP/IP，Transmission Control Protocol/Internet Protocol 翻譯成 傳輸控制與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。 通過對兩大網(wǎng)絡(luò)模型的介紹，為讀者提供一個高屋建瓴地視角，對整個網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)有個全局的認(rèn)識，并為進(jìn)一步地學(xué)習(xí)和掌握網(wǎng)絡(luò)知識，分析、定位、解決網(wǎng)絡(luò) 問題打下基礎(chǔ)。 本文以 OSI 模型為框架，介紹每一層的功能，數(shù)據(jù)在本層的表現(xiàn)形式，工作在 本層的設(shè)備和典型協(xié)議等。在本節(jié)中并沒有對某個特定的協(xié)議做過多講解或論述， 僅做初步了解就夠了，有關(guān)協(xié)議的更多內(nèi)容可以查閱下一篇文章，如果某個協(xié) 議或涉及到的技術(shù)在生產(chǎn)中應(yīng)用比較普遍，后面會有專門的篇幅詳細(xì)介紹。 2.1 OSI 模型 ??????????????????????????????????????????????????????????? 圖 01-01 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型 ISO（International Organization for Standardization，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）制定的 OSI（Open System Interconnection，開放系統(tǒng)互聯(lián)）模型，是一個參考模型 （Reference Model），有時也會被寫做 OSI/RM 或 ISO-OSI/RM，它是我們學(xué)習(xí)計 算網(wǎng)絡(luò)必須要了解的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)模型。此模型深入人心，流行甚廣，不可不 知。

網(wǎng)絡(luò)層2.2 TCP/IP 模型

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???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖 01-02 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型 TCP/IP 在層次劃分上更加簡單，只有四層，由 IETF 提出并維護(hù)，它將 OSI 模 型的應(yīng)用層、表示層、會話層合并，稱之為應(yīng)用層，提供應(yīng)用服務(wù)；將數(shù)據(jù)鏈路 層和物理層合并，稱之為網(wǎng)絡(luò)接入層，并將網(wǎng)絡(luò)接入層拆分成兩個子層（Sub Layer），分別是 LLC（Logic Link Control，邏輯鏈路控制）子層和 MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）子層，提供網(wǎng)絡(luò)接入的功能。我們常說的 MAC 地址（MAC Address）就屬于 MAC 子層（MAC Sub Layer）。此模型是計算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)的實(shí)事標(biāo)準(zhǔn)，不可不知。

數(shù)據(jù)流層2.3 OSI 與 TCP/IP 對比

圖 01-04 OSI 與 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型對比 雖然有對應(yīng)關(guān)系，甚至是相同的名字，但是兩者定義的內(nèi)容并不完全相同。

圖 01-03 改進(jìn)的五層模型

在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境和工程實(shí)現(xiàn)中，工程技術(shù)人員在討論和交流時實(shí)際上使用的 網(wǎng)絡(luò)模型是 OSI 與 TCP/IP 融合后的一種改進(jìn)模型。改進(jìn)模型同時包含 TCP/IP 模 型的應(yīng)用層、傳輸層、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層和 OSI 模型的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。改進(jìn)后形 成五層模型，分別是應(yīng)用層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。 2.5 實(shí)事上的標(biāo)準(zhǔn) 對于當(dāng)前一統(tǒng)天下的以太網(wǎng)絡(luò)（802.3）和無線網(wǎng)絡(luò)（802.11），我們很難將其 單獨(dú)歸入 OSI 模型的數(shù)據(jù)鏈路層或物理層，因為它同時包含了數(shù)據(jù)鏈路層和物理 層定義的內(nèi)容和功能，它屬于 TCP/IP 模型的網(wǎng)絡(luò)接入層。 我們在談及 OSI 模型的表示層和會話層時，基本沒有什么比較耳熟能詳?shù)膮f(xié)議、 標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)，這是因為 OSI 模型的應(yīng)用層、表示層、會話層實(shí)際上對應(yīng)到了 TCP/IP 的應(yīng)用層。TCP/IP 模型基于 OSI 模型進(jìn)行優(yōu)化，并對各層不斷地更新和迭 代，以適應(yīng)層出不窮的應(yīng)用所提出的新要求，而 OSI 模型在后期的更新上做得并不好，以至于自己定的標(biāo)準(zhǔn)，被別人不斷迭代優(yōu)化后成為實(shí)事標(biāo)準(zhǔn)。如同人要不 斷學(xué)習(xí)并自我迭代才不會被淘汰一樣。 盡管如此，我們在討論網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型時，習(xí)慣上還是使用 OSI 七層模型來論述。 雖然 TCP/IP 模型是實(shí)事上的標(biāo)準(zhǔn)，但是 OSI/RM 早已深入人心，我選擇遵從大多 數(shù)人的習(xí)慣。盡管有迎合甚至討好世眾之嫌，但不代表我沒有進(jìn)行獨(dú)立思考。如 果有可能，若干年后，我會考慮以 TCP/IP 模型為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行論述。也許你 說：啰啰嗦嗦這么多廢話，而我們只需要一個能指出皇帝新裝的孩子。好吧，可 能是我還不夠純粹，讓我繼續(xù)再粹煉上幾年！從更深層次來說，各種模型不過都 是不同的解釋方式，而伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的改進(jìn)，對應(yīng)的解釋方式也會隨之而變。 3 OSI 各層簡介 3.1 物理層 Physical Layer 定義了機(jī)械的、電氣的、規(guī)程的、功能性的標(biāo)準(zhǔn)。 數(shù)據(jù)形式是二進(jìn)制流（Bit Flowing）。 本層設(shè)備有中繼器（Repeater）集線器（Hub）等。 物理層是網(wǎng)絡(luò)存在的物理條件。這一層主要定義了通信介質(zhì)及性質(zhì)，接口形式 和光電信號等。IEEE 802.3 協(xié)議簇所定義的以太網(wǎng)是這一層最重要的協(xié)議，已形 成對 LAN 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)事壟斷。 3.2 數(shù)據(jù)鏈路層 Data Link Layer 定義了幀結(jié)構(gòu)和物理流控。 數(shù)據(jù)形式是幀（Frame）。 本層設(shè)備有網(wǎng)橋（Bridge）和交換機(jī)（Switch）。 在 IEEE 802 中又被分為較上層的 LLC（Logic Link Control，邏輯鏈路控制）子層和較下層的 MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）子層。 根據(jù)不同的通信介質(zhì)及其組網(wǎng)拓?fù)?#xff0c;規(guī)定介質(zhì)的訪問控制方式?？梢院唵胃爬? 為通信介質(zhì)、組網(wǎng)拓?fù)?、介質(zhì)的訪問控制方式。 IEEE 802.3 是定義有線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議簇，有線網(wǎng)絡(luò)使用 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，帶沖突檢測的載波偵聽多 路訪問）邏輯鏈路控制。IEEE 802.11 是定義無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議簇，無線網(wǎng)絡(luò)使用 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，帶沖突 避免的載波偵聽多路訪問）。有線網(wǎng)絡(luò)可以通過監(jiān)聽線路電壓或電流的方式監(jiān)聽 載波是否空閑，而無線網(wǎng)絡(luò)的載波是否空閑卻無法通過載波偵聽之外的方式實(shí)現(xiàn)， 只能通過沖突避免的方式來實(shí)現(xiàn)線路分時共享。 以太網(wǎng)在二層局域網(wǎng)上擁有絕對優(yōu)勢地位。二層比較知名的封裝還有 PPP（Point to Point Protocol，點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議）和 HDLC（High Data Link Control，高級數(shù)據(jù)鏈路封裝）等，多用于廣域網(wǎng)，但地位也受了以太網(wǎng)與傳送網(wǎng) 相結(jié)合的挑戰(zhàn)。 3.3 網(wǎng)絡(luò)層 Network layer 定義了數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，編址，尋址，路由計算等。 數(shù)據(jù)形式是包（Packet）。 工作在網(wǎng)層的設(shè)備是路由器和三層交換機(jī)等，但是我們一般統(tǒng)稱這為路由器。 主要的功能是計算并提供路由。 比較典型的提供路計算的協(xié)議有：RIP（Routing Information Protocol，路 由信息協(xié)議）,OSPF（Open Shortest Path First，開放最短路徑優(yōu)先）,IS IS（Intermediate System to Intermediate System，中間系統(tǒng)到中間系 統(tǒng)）,IGRP（Interior Gateway Routing Protocol，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié) 議）,BGP（Border Gateway Protocol，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）等。帶有工具性質(zhì)的協(xié)議ICMP（Internet Control Message Protocol，互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議）和提供單播 IP 地址到下一跳 MAC（Media access control）地址映射關(guān)系的 ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）協(xié)議，是這一層另外兩個非常重要的協(xié)議。 RIP 和 BGP 本質(zhì)上是應(yīng)用層協(xié)議，RIP 使用 UDP 520，BGP 使用 TCP 179。Integrated IS-IS 是本質(zhì)上是鏈路層協(xié)議，通過 802.3 的格式直接封裝在數(shù) 據(jù)幀中。但是因為以上三個協(xié)議都提供路由計算和選擇，所以我們?nèi)匀话阉鼈儦w 為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。 其實(shí)這一層最重要的協(xié)議是 IP（Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議），它提供 數(shù)據(jù)包的封裝和主機(jī)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識，只有被封裝和標(biāo)識的數(shù)據(jù)才可以被轉(zhuǎn)發(fā)。 3.4 傳輸層 Transport Layer 管理網(wǎng)絡(luò)層連接，提供了可靠的包傳遞機(jī)制。 數(shù)據(jù)形式是分段或叫分片（Segment）。 傳輸層最重要的兩個協(xié)議是 TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控 制協(xié)議）和 UDP（ User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。TCP 設(shè)計之初是 為了高可靠性傳輸，這就需要有比較復(fù)雜的協(xié)議報頭封裝，因此協(xié)議開銷比較大， 在沒有添加任何選項的情況下，報頭大小通常是 20Byte，傳輸效率相對較低。 UDP 設(shè)計之初是為高效傳輸，放棄了比較復(fù)雜的控制，協(xié)議報頭封裝比較簡單， 只有 8Byte，但是可靠性低。另外一個在傳輸層值得被關(guān)注的協(xié)議是 SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制傳輸協(xié)議），它也是一 個面向連接的協(xié)議，支持多宿主和多流，并且安全性更高，將來有望得到更多的 應(yīng)用和發(fā)展。 3.5 會話層 Session Layer 會話的建立或拆除等。 RPC（Remote Procedure Call，遠(yuǎn)程過程調(diào)用）是這一層比較典型的一個協(xié)議。這一層在工業(yè)應(yīng)用中并沒有得到很好的發(fā)展，它的很多功能被應(yīng)用層和傳輸層替 代了。當(dāng)然你也可以說是被 TCP/IP 替代了。 3.6 表示層 Presentation Layer 定義數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和傳輸格式，編解碼，壓縮解壓縮，加解密等。 與會話層一樣的一個非常難堪的存在。它基本上是被應(yīng)用層替代。我個人認(rèn)識 會話層和表示層在設(shè)計之初考慮不足夠周全，對工作任務(wù)分解不合理導(dǎo)致。 其實(shí)數(shù)據(jù)格式原計劃是放在這層來實(shí)現(xiàn)。但是數(shù)據(jù)是應(yīng)用程序產(chǎn)生的，應(yīng)用層 就順便定義了數(shù)據(jù)的格式。很顯然由我產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由你來定義格式顯然是不合理 的，不利于合作和實(shí)現(xiàn)。 3.7 應(yīng)用層 Application Layer 提供接口給終端用戶應(yīng)用，為面向網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序提供服務(wù)。 各種各樣的應(yīng)用需求使得應(yīng)用層的協(xié)議相比其它層要豐富得多，工作在應(yīng)用層 的協(xié)議是七層模型中最多的，各種應(yīng)用呈百花齊放之態(tài)。其中最值得一提的是 HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議），無人能出其右。當(dāng)然 比較重要和常見的還有 DHCP（ Dynamic Host Configuration Protocol，動態(tài)主 機(jī)配置協(xié)議）、DNS（Domain Name System，域名系統(tǒng)）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，簡單郵件傳輸協(xié)議）、POP3（Post Office Protocol，郵局 協(xié)議版本 3），IMAP（Internet Message Access Protocol 4，互聯(lián)網(wǎng)消息訪問 協(xié)議版本4）等

總結(jié)

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