计算机网络是一个非常复杂的系统。连接在网络上的两台计算机要互相传送文件或交互信息，除了在这两台计算机之间必须有一条传送数据的链路外，至少还需完成以下一些工作：

（1）发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活（Activate）。所谓激活就是要发出一些指令（信令），保证要传送的计算机数据能够在这条通路上正确地发送和接收。

（2）告诉网络如何识别将要接收数据的计算机。

（3）发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据。

（4）查明对方接收计算机中的文件管理程序是否已做好文件接收和文件存储的准备工作。

（5）如果计算机文件格式不兼容，则至少其中一台计算机应具有格式转换功能。

（6）对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失数据和网络中某个结点交换机故障等，应当有可靠的保障措施，保证对方计算机最终能够收到正确的文件。

由此可见，相互通信的两台计算机系统必须高度协调一致才行。为设计这样复杂的计算机网络，早在最初的Arpanet设计时就采用分层处理方法。“分层”处理可将一个复杂问题转化为若干较小的局部问题，这些较小的局部问题就可较容易研究和处理了。

分层处理的特点：各层分工明确、各司其职、不包罗万象、便于处理和容易维护。

两个实体要想成功地进行通信和有条不紊地交换数据，它们必须具有同样的语言。交流什么，怎样交流及何时交流，那么，通信实体之间都要遵守事先约定好的一些规则和标准。

这些规则、标准和约定的集合称为通信协议。协议的关键成分是

（1）语法（Syntax），包括数据格式、编码和信号电平等。

（2）语义（Semantics），包括用于协调和差错处理、流量控制等控制信息。

（3）定时（Timing），包括同步和时序。

网络体系结构（Architecture）是指网络的各功能层及其协议的集合。网络的体系结构是抽象的，它的功能需要用硬件和软件来实现。

1974年，美国IBM公司宣布研制成功了系统网络体系结构（System Network Architecture，SNA）。随着全球经济的快速发展，使用不同网络体系结构的用户要求能够互相交换信息。为使不同体系结构的数据通信网都能互连，1979年国际标准化组织（ISO）成立了一个专门研究机构。不久，这个机构提出了一个解决各种计算机在世界范围内互联成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI-RM），简称OSI。“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。OSI-RM是个抽象的概念。1983年形成了正式文件，即ISO7498国际标准，也就是所谓的七层协议的体系结构。

20世纪90年代初，虽然整套的OSI国际标准已全部制订出来了，但由于因特网已抢先在全世界覆盖了相当大的范围。与此同时，市场上几乎很少找到符合OSI标准的商用产品。于是OSI因缺少执行的软、硬件产品而无法推广应用。

从OSI失败的原因可得出这样的结论：能够占领市场的就是标准。现在得到最广泛应用的不是法律上承认的国际标准OSI，而是占领市场的非国际标准TCP/IP。

1.OSI开放系统互连参考模型简介

网络体系结构的每一层功能及其所提供的服务都有非常精确的说明。层数如果设置得太少，就会使每一层的协议太复杂。但是层次设置得太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。通常每一层需要实现的功能往往是下面的一种或多种：

（1）差错控制。使网络对口端的相应层次的通信更加可靠。

（2）流量控制。使发送端的发送速率能适应接收端的接收速率。

（3）分段和重装。将发送端要发送的数据块划分为更小的单位，便于接收端还原。

（4）复用和分用。发送端几个高层复用一条低层的连接，在接收端再进行复用。

（5）建立连接和释放。在数据交换之前，先交换一些控制信息，以建立一条逻辑连接。数据传送结束时，将逻辑连接释放（断开）。

OSI采用七层协议的网络体系结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图3-29所示。各层中，每层的目的都是为上边的层提供服务的。各层之间是独立的。每一层并不需要知道它的下面一层是如何实现服务功能的，而只需知道该层通过层间接口（界面）所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能，所以可将一个难以处理的复杂问题分解为若干较容易处理的更小一些的问题。此外，它的灵活性好，任何一层发生技术上的改变时，只要层间接口关系保持不变，它的上、下层均不会受到影响。

下面将对这些层的服务功能进行说明。

（1）物理层。物理层（physical layer）是OSI分层结构中的最低层，是开放系统与物理介质（传输链路）的接口。它是开放系统互连的基础，可分为永久连接或动态交换连接、双工传输或半双工传输和同步传输或异步传输。物理层的任务是透明地传送比特流，在它的下面是传送信息的物理介质，如双绞线、同轴电缆或光缆等。

“透明”是一个专用术语。它表示某一个实际存在的事物，看起来好像不存在一样。“透明地传送比特流”表示经实际电路传送的比特流没有发生任何变化，因此这个实际电路对比特流来说是“透明”的。这样，任意组合的比特流都可以在这个电路上传送。至于比特流中的哪几个比特代表什么意思，则不是物理层所要管的。

物理层应向上面的数据链路层提供的服务有：数据电路标识、物理连接及其端点、服务数据单元、排序、故障状态通知和服务质量参数。

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图3-29 OSI开放系统互连参考模型

物理层协议的处理功能有：激活和拆除物理连接、传输物理服务数据单元和完成物理层的管理工作。

（2）数据链路层。数据链路层（Datalink layer）的任务是在网络相邻两个结点之间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。在传送数据时，如果接收结点检测到收到的数据中有差错时，马上通知发送方重发这一帧，直到这一帧正确无误地到达接收结点为止。每一帧的控制信息包括同步信息、地址信息、差错控制和流量控制信息等。

数据链路层向网络层提供的功能有：建立、维护和释放数据链路，数据服务单元的透明传送，数据传送的流量控制，差错指示和服务质量管理。

（3）网络层。网络层（Network layer）的任务是选择合适的路由，按照地址找到目的主机，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。给传输层提供如下服务功能：网络地址服务、网络连接及端点标识、差错通知、保证接收顺序、流量控制、网络层差错处理、接收确认和释放网络连接等。

（4）传输层。传输层（Transport layer）又称运输层，它的任务是负责两个正在运行程序（称为进程）的主机之间的通信。具有承上启下的作用。它给OSI高层提供高可靠、低费用的透明数据传输，并保证低层的服务质量能满足高层的要求。

（5）会话层。会话层（Session layer）不参与具体的数据传输，它的任务是对数据传输进行管理。如建立会议（通信）、使用和拆除、会话管理、确定是双工工作还是半双工工作和异常报告等。

（6）表示层。表示层（Presentation layer）的任务是给用户提供执行会话服务的方式。即把交换的数据从某个抽象的语法变换为适合于OSI内部使用的传送语法（Transfer syntax）。

（7）应用层。应用层（Application layer）是体系结构中的最高层，它直接为用户的应用过程（正在运行的程序）提供服务，完成一系列业务处理需要的服务功能，因此应用层的协议量是很多的。

OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但它的概念清楚、理论较完整，是局域网、互联网等网络体系结构的基础。

2.TCP/IP的体系结构

应用最广泛的Internet互联网采用的是4个层次构成的TCP/IP体系结构。TCP（Transmission Control Protocol）表示传输控制协议，IP（Internet Protocol）表示网络协议。4个层次结构包括应用层、TCP运输层、IP网际层和网络接口层。

（1）应用层。应用层是TCP/IP体系结构的最高层。用户可以调用应用程序访问TCP/IP互联网提供的多种服务。应用程序将按要求的数据格式传送给运输层。

（2）运输层。运输层（传输层）的任务是提供应用层之间的通信，即端到端的通信。运输层的管理信息流提供可靠的传输服务，确保数据无差错地按序到达目的地。

（3）IP网际层。IP网际层的任务是处理两个通信终端之间的通信。它接收来自运输层的请求，将带有目的地址的分组发送出去；将分组封装到数据包中，填入数据报头，用路由算法决定是直接把数据传送至目的主机，还是传送给路由器，然后把数据报送至相应的网络。IP运输层还要处理接收到的数据报，检验其正确性，并决定是由本地接收，还是路由至相应的目的站。

（4）网络接口层。网络接口层又称数据链路层，这是TCP/IP体系结构的最低层，负责收发IP数据报。图3-30是TCP/IP分层工作的原理图。图3-31是使用路由器的TCP/IP分层工作的原理图。

图中的报文使用了两种不同的网络帧，一个是从主机A到路由器R，另一个是从路由器R到主机B。主机A发出的帧和路由器R接收到的帧相同，但可不同于路由器R和主机B之间帧的传送。

图3-30 TCP/IP分层工作的原理图

图3-31 使用路由器的TCP/IP分层工作的原理图

3.OSI与TCP/IP体系结构的比较

图3-32画出了TCP/IP与OSI两种体系结构的对比。在OSI参考模型中把应用层再划分为三个层次，它们分别为：应用层、表示层和会话层。在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是不相同的。例如：

（1）TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互联问题，并将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部分。ISO和CCITT（国际电话电报咨询委员会）最初只考虑到使用一种标准的公用数据网将各种不同的系统互连在一起。

（2）TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重。所谓面向连接服务是指具有建立连接、数据传输和释放（拆除）三个阶段的服务。无连接服务是指两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，它的下一层资源将在数据传输时动态地进行分配。此外，两个通信实体不必同时处于激活状态，发送端进行发送时，它才被激活；接收端进行接收时，它也才需被激活。也就是说，发送与接收两个通信实体不必同时激活。因此，无连接服务的优点是灵活方便和迅速。但是无连接服务不能防止报文丢失和重复发送，适用于传送少量零星的报文。

图3-32 TCP/IP与OSI体系结构的比较

（3）TCP/IP有较好的网络管理功能。

（4）TCP/IP模型的不足之处是没有将“服务”、“协议”和“接口”等概念很清楚地区分，会给采用新技术设计的新型网络带来一些麻烦。