学习笔记之TCP/IP协议分层与OSI參考模型

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， 终于提出了作为通信协议设计指标的OSI參考模型。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，使得那些比較复杂的网络协议更加简单化。

在这一模型中，每一个分层都接收由它下一层所提供的特定服务，而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參考模型的建议是比較理想化的。它希望实现从第一层到第七层的全部模块，并将它们组合起来实现网络 通信。分层能够将每一个分层独立使用，即使系统中某些分层发生变化，也不会波及整个系统。因此，能够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，更易于单独实现每一个分层的协议，并界定各个分层的详细责任和义务。这些都属于分层的长处。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一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，我们仅仅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。我们具体分析一下这张图。

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。想象一下假设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。事实上在这个图中，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事实上是利用电话机之间通过音频转化声音的接口实现了对话。

     通常人们会认为拿起电话与人通话，事实上就好像是直接在跟对方对话，然而假设细致分析，在整个过程中实际上是电话机在做中介，这是不可否认的。假设A的电话 机所传出的电子信号并未能转换成与C的电话机同样频率的声音，那会怎样？这就如 同A的电话机与C的电话机的协议互不同样。C听到声音后可能会认为自己不是在跟 A而是在跟其它人说话。频率若是相去甚远，C更有可能会认为自己听到的不是汉语。

那么假设我们假定语言层同样而改变了通信设备层，情况会怎样？比如，将 电话机改为无线电。通信设备层假设改用无线电，那么就得学会使用无线电的方 法。因为语言层仍然在使用汉语协议，因此使用者能够全然和以往打电话时一样 正常通话（上图左下部分）。

那么，假设通信设备层使用电话机，而语言层改为英语的话情况又会怎样？ 非常显然，电话机本身不会受限于使用者使用的语言。因此，这样的情况与使用汉语 通话时全然一样，依旧能够实现通话（上图右下部分）。

到此为止，读者可能会认为这些都是再简单只是的、理所当然的事。在此仅举出简单的样例，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參考模型

  前面仅仅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參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參考模型对通信中必要的功能做了非常好的归纳。网络project师在讨论协议 相关问题时也常常以osi參考模型的分层为原型。对于计算机网络的刚開始学习的人，学 习osi參考模型能够说是通往成功的第一步。只是，osi參考模型终究是一个“模型”，它也仅仅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具体的定义。它对学习和设计协议仅仅能起 到一个引导的作用。因此，若想要了解协议的很多其它细节，还是有必要參考每一个协
议本身的详细规范。很多通信协议，都相应了 OSI參考模型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參考模型中各个分层的作用

    在此，下面图为例简单说明OSI參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。包含文件传输、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 为上层可以处理的格式。因此它主要负责数据格式的转换。

详细来说，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），以及数据的切割等数据 传输相关的管理。

• 传输层

起着可靠传输的作用。仅仅在通信两方节点上进行处理，而无需在路由器上 处理。

• 网络层

将传输数据到目标地址。目标地址能够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。比如与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。