OSI與TCP／IP網(wǎng)絡(luò)模型分析

王 田

（天津市教委職業(yè)技術(shù)教育中心，天津 300122）

一、網(wǎng)絡(luò)參考模型的起源

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的雛形起源于美國(guó)國(guó)防部的ARPA NET。ARPA是英文Advanced Research Projects Agency的縮寫(xiě)，代表美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署。ARPA NET由國(guó)防部創(chuàng)建，主要目的是最初用來(lái)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的不同方式，當(dāng)然僅限于軍事用途。但隨著加入ARPA NET的研究組織的不斷增加，APRA NET的研究方向發(fā)生了改變，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署將APRA NET分離成軍事專用的MILNET和研究用途的ARPANET。隨后APRA NET實(shí)現(xiàn)了從NCP向TCP／IP的轉(zhuǎn)換，也奠定了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)必須遵循TCP／IP。從APRA NET研究的初衷可以看出TCP／IP是由計(jì)算機(jī)技術(shù)作為研究的出發(fā)點(diǎn)，是由眾多APRA NET研究機(jī)構(gòu)從實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。

在ARPA NET研究組織研究使用TCP／IP的同時(shí)，其他公司也相繼提出自己的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，如：Digital公司的DNA，IBM公司的SNA。多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)并存，其結(jié)果是不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系的網(wǎng)絡(luò)只能與同種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，這大大降低了網(wǎng)絡(luò)的使用效率。為了促進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，解決不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系兼容性問(wèn)題，ISO（International Standard Organized，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織），在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了不基于具體機(jī)型、操作系統(tǒng)或公司的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，著名的ISO／IEC7498標(biāo)準(zhǔn)，即OSI（Open System Interconnection，開(kāi)放系統(tǒng)互連）。

二、OSI模型分析

OSI參考模型是網(wǎng)絡(luò)通信的主要模型。OSI模型注重“開(kāi)放”的標(biāo)準(zhǔn)，世界上任何一個(gè)系統(tǒng)只要遵循同一標(biāo)準(zhǔn)就能和其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。在OSI標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中，將整體龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為若干容易處理的小系統(tǒng)，這就是分層體系結(jié)構(gòu)方法。OSI參考模型可以直觀觀察每一層網(wǎng)絡(luò)功能，并可以利用它理解網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^(guò)程。OSI參考模型并不是提供了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方法，而是只規(guī)范了一些概念。在OSI的范圍內(nèi)，只有各種協(xié)議是可以被實(shí)現(xiàn)的，而各種產(chǎn)品只有和OSI的協(xié)議一致時(shí)才能互聯(lián)。所以說(shuō)，OSI參考模型并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而是一個(gè)在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所使用的概念性框架。

1．OSI參考模型的結(jié)構(gòu)

OSI是分層的體系結(jié)構(gòu)，每一層是一個(gè)模塊，用于完成某種功能，并具有自己的通信協(xié)議。ISO將整個(gè)OSI劃分成七個(gè)層次，劃分層次依據(jù)以下五個(gè)原則：

（1）網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)具有相同的層次；

（2）網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)同等層次功能相同；

（3）同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層通過(guò)接口通信；

（4）同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)底層向高層提供服務(wù)；

（5）網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)同層通過(guò)協(xié)議通信。

OSI劃分的七個(gè)層次由高到低依次為：Application（應(yīng)用層）、Presentation（表示層）、Session（會(huì)話層）、Transport（傳輸層）、Network（網(wǎng)絡(luò)層）、Data Link（數(shù)據(jù)鏈路層）和Physical（物理層）。其中應(yīng)用層、表示層和會(huì)話層可以視為應(yīng)用層，而剩余層則可視為數(shù)據(jù)流動(dòng)層。

2．OSI參考模型七層功能

第一層 The Physical Layer（物理層）

物理層是參考模型中的最底層，主要定義了系統(tǒng)的電氣、機(jī)械、過(guò)程和功能標(biāo)準(zhǔn)。如：電壓、物理數(shù)據(jù)速率、最大傳輸距離、物理聯(lián)接器和其他的類(lèi)似特性。物理層的主要功能是利用傳輸介質(zhì)為T(mén)he Data Link Layer（數(shù)據(jù)鏈路層）提供物理聯(lián)接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的物理傳輸工作。物理層傳輸?shù)幕締挝皇潜忍亓?，?和1，也就是最基本的電信號(hào)或光信號(hào)，是最基本的物理傳輸特征。

第二層 The Data Link Layer（數(shù)據(jù)鏈路層）

數(shù)據(jù)鏈路層是在通信實(shí)體間建立數(shù)據(jù)鏈路聯(lián)接，傳輸?shù)幕締挝粸椤皫?，并為T(mén)he Network Layer（網(wǎng)絡(luò)層）提供差錯(cuò)控制和流量控制服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層由MAC（介質(zhì)訪問(wèn)控制子層）和LLC（邏輯鏈路控制子層）組成。

介質(zhì)訪問(wèn)控制子層的主要任務(wù)是規(guī)定如何在物理線路上傳輸幀。

邏輯鏈路控制子層對(duì)在同一條網(wǎng)絡(luò)鏈路上的設(shè)備之間的通信進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)鏈路控制子層主要負(fù)責(zé)邏輯上識(shí)別不同協(xié)議類(lèi)型，并對(duì)其進(jìn)行封裝。也就是說(shuō)數(shù)據(jù)鏈路控制子層會(huì)接受網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)、分組的數(shù)據(jù)報(bào)并且添加更多的控制信息，從而把這個(gè)分組傳送到它的目標(biāo)設(shè)備。

第三層 The Network Layer（網(wǎng)絡(luò)層）

網(wǎng)絡(luò)層主要為數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間傳輸創(chuàng)建邏輯鏈路，通過(guò)路由選擇算法為分組選擇最佳路徑，從而實(shí)現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等功能。網(wǎng)絡(luò)層是以路由器為最高節(jié)點(diǎn)俯瞰網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵層，它負(fù)責(zé)把分組從源網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥繕?biāo)網(wǎng)絡(luò)的路由選擇工作?；ヂ?lián)網(wǎng)是由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成在一起的一個(gè)集合，正是借助了網(wǎng)絡(luò)層的路由路徑選擇功能，才能使得多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)接得以暢通，信息得以共享。

網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)有面向聯(lián)接和面向無(wú)聯(lián)接的服務(wù)兩種。

面向聯(lián)接的服務(wù)是可靠的聯(lián)接服務(wù)，是數(shù)據(jù)在交換之前必須先建立聯(lián)接，然后傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)束后終止之前建立聯(lián)接的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層以虛電路服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)面向聯(lián)接的服務(wù)。

面向無(wú)聯(lián)接的服務(wù)是一種不可靠的服務(wù)，不能防止報(bào)文的丟失、重發(fā)或失序。面向無(wú)聯(lián)接的服務(wù)優(yōu)點(diǎn)在于其服務(wù)方式靈活方便，并且非常迅速。網(wǎng)絡(luò)層以數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)面向無(wú)聯(lián)接的服務(wù)。

第四層 The Transport Layer（傳輸層）

傳輸層是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中高低層之間銜接的一個(gè)接口層。傳輸層不僅僅是一個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)層，而是整個(gè)分析體系協(xié)議的核心。

傳輸層主要為用戶提供End－to－End（端到端）服務(wù)，處理數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)包次序等傳輸問(wèn)題。傳輸層是計(jì)算機(jī)通信體系結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵一層，它向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)的通信細(xì)節(jié)，使用戶完全不用考慮物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層工作的詳細(xì)情況。傳輸層使用網(wǎng)絡(luò)層提供的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接服務(wù)，依據(jù)系統(tǒng)需求可以選擇數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用面向聯(lián)接的服務(wù)或是面向無(wú)聯(lián)接的服務(wù)。

第五層 The Session Layer（會(huì)話層）

會(huì)話層的主要功能是負(fù)責(zé)維護(hù)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸聯(lián)接，確保點(diǎn)到點(diǎn)傳輸不中斷，以及管理數(shù)據(jù)交換等功能。

會(huì)話層在應(yīng)用進(jìn)程中建立、管理和終止會(huì)話。會(huì)話層還可以通過(guò)對(duì)話控制來(lái)決定使用何種通信方式，全雙工通信或半雙工通信。會(huì)話層通過(guò)自身協(xié)議對(duì)請(qǐng)求與應(yīng)答進(jìn)行協(xié)調(diào)。我們?nèi)粘Ｊ褂玫降膮f(xié)議有：遠(yuǎn)程進(jìn)程呼叫（RPC）、X－windows系統(tǒng)、AppleTalk會(huì)話協(xié)議和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)話控制協(xié)議（DNA SCP）。

第六層 The Presentation Layer（表示層）

表示層為在應(yīng)用過(guò)程之間傳送的信息提供表示方法的服務(wù)。

表示層以下各層主要完成的是從源端到目的端可靠地的數(shù)據(jù)傳送，而表示層更關(guān)心的是所傳送數(shù)據(jù)的語(yǔ)法和語(yǔ)義。

表示層的主要功能是處理在兩個(gè)通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式，主要包括數(shù)據(jù)格式變化、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與解壓等。在網(wǎng)絡(luò)帶寬一定的前提下數(shù)據(jù)壓縮的越小其傳輸速率就越快，所以表示層的數(shù)據(jù)壓縮與解壓被視為掌握網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的關(guān)鍵因素。表示層提供的數(shù)據(jù)加密服務(wù)是重要的網(wǎng)絡(luò)安全要素，其確保了數(shù)據(jù)的安全傳輸，也是各種安全服務(wù)最為重視的關(guān)鍵。

表示層為應(yīng)用層所提供的服務(wù)包括：語(yǔ)法轉(zhuǎn)換、語(yǔ)法選擇和聯(lián)接管理。

第七層 The Application Layer（應(yīng)用層）

應(yīng)用層是OSI模型中的最高層，是直接面向用戶的一層，用戶的通信內(nèi)容要由應(yīng)用進(jìn)程解決，這就要求應(yīng)用層采用不同的應(yīng)用協(xié)議來(lái)解決不同類(lèi)型的應(yīng)用要求，并且保證這些不同類(lèi)型的應(yīng)用所采用的低層通信協(xié)議是一致的。

應(yīng)用層中包含了若干獨(dú)立的用戶通用服務(wù)協(xié)議模塊，為網(wǎng)絡(luò)用戶之間的通信提供專用的程序服務(wù)。需要注意的是應(yīng)用層并不是應(yīng)用程序，而是為應(yīng)用程序提供服務(wù)。

三、TCP／IP模型分析

TCP／IP模型是由美國(guó)國(guó)防部創(chuàng)建的。TCP／IP的設(shè)計(jì)背景是美國(guó)國(guó)防部需要一個(gè)在任何時(shí)候、任何條件下都可以生存的網(wǎng)絡(luò)。這要求網(wǎng)絡(luò)中不僅交叉著各種聯(lián)接方式：線纜、微波、光纖或是衛(wèi)星線路，而且還要有很好的兼容性和相對(duì)獨(dú)立性。正是這種苛刻的要求促使了TCP／IP模型的產(chǎn)生，并成為現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用使TCP／IP得到了足夠迅速的發(fā)展，這不僅僅是由于它是美國(guó)軍方指定使用的協(xié)議，而是TCP／IP能夠適應(yīng)世界范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信需求。TCP／IP實(shí)際上是由一組協(xié)議所組成的，是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)所使用的最流行的網(wǎng)絡(luò)“標(biāo)準(zhǔn)”，雖然它并不是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但由于它所構(gòu)成的系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)實(shí)踐出的、日臻成熟而大量應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的，故而它早已成為實(shí)際上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

TCP／IP是Transmission Control Protocol／Internet Protocol（傳輸控制協(xié)議／互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）的縮寫(xiě)，它由四層組成，從低到高依次分為：網(wǎng)絡(luò)接入層、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

第一層 網(wǎng)絡(luò)接入層

網(wǎng)絡(luò)接入層是參考模型的最底層，他負(fù)責(zé)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包，承擔(dān)各計(jì)算機(jī)之間信息的實(shí)際傳遞工作。網(wǎng)絡(luò)接入層的主要功能和 OSI模型中的The Physical Layer（物理層）和The Data Link Layer（數(shù)據(jù)鏈路層）基本一致。

第二層 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)的最佳路徑選擇和分組交換?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)層的管理協(xié)議是IP（Internet Protocol）。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層為傳輸層提供了填充報(bào)頭、選擇發(fā)送路徑，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁繐砣刂品?wù)。

第三層 傳輸層

傳輸層主要提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、流量控制等功能。其傳輸協(xié)議可分為兩種：TCP（Transmission Control Protocol）和 UDP（User Datagram Protocol）。

TCP是一種面向聯(lián)接的協(xié)議，可以提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)流傳送、可靠性、有效流量控制、全雙工操作和多路復(fù)用。通俗說(shuō)，它是事先為所發(fā)送的數(shù)據(jù)建立并連接好通道，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，最后撤銷(xiāo)通道；UDP是一種面向無(wú)聯(lián)接的協(xié)議，UDP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生丟失、亂序和出錯(cuò)等現(xiàn)象，但其有傳輸靈活，速度快的優(yōu)勢(shì)。

TCP對(duì)應(yīng)的是可靠性要求高的應(yīng)用，而UDP對(duì)應(yīng)的則是可靠性要求低、傳輸經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用。TCP支持的應(yīng)用協(xié)議主要有：Telnet、FTP、SMTP等；UDP支持的應(yīng)用協(xié)議主要有：NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）、SNMP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）、DNS（主域名稱系統(tǒng)）、TFTP（通用文件傳輸協(xié)議）等。

第四層 應(yīng)用層

TCP／IP將所有與應(yīng)用有關(guān)的內(nèi)容都?xì)w為一層，并保證為下一層適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分組、打包。應(yīng)用層也被稱為處理層（Process Layer）。所以據(jù)此可知，TCP／IP的設(shè)計(jì)者認(rèn)為高層協(xié)議應(yīng)該包括會(huì)話和表示的細(xì)節(jié)，并簡(jiǎn)單創(chuàng)建了應(yīng)用層來(lái)處理高層協(xié)議、有關(guān)表達(dá)、編碼和對(duì)話控制。

四、OSI與TCP／IP對(duì)比分析

首先OSI與TCP／IP模型都使用分層的概念。在一些層次的定義上也極為相似，但二者在層次的劃分與使用上有著很大的區(qū)別。OSI參考模型的設(shè)計(jì)照顧到各個(gè)方面的因素，使OSI模型變得大而全，缺乏靈活性，效率低。OSI參考模型將“服務(wù)”和“協(xié)議”定義結(jié)合起來(lái)的設(shè)計(jì)方法，使得整個(gè)參考模型非常復(fù)雜，很難在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。但OSI模型的很多研究結(jié)果、方法，以及提過(guò)的概念對(duì)今后的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展具有很高的指導(dǎo)意義。

OSI模型的分層更偏重網(wǎng)絡(luò)通信的下四層規(guī)范制定，主要是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的標(biāo)準(zhǔn)、功能和規(guī)范的制定；忽略了會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)修訂，尤其是會(huì)話層、表示層的內(nèi)容幾乎為空。這表現(xiàn)在OSI模型的數(shù)據(jù)安全性、加密和網(wǎng)絡(luò)管理等方面的缺失。

OSI模型的源于是ISO／IEC7498標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是ISO在CCITT（國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)）的幫助下制定了，CCITT是國(guó)際電信聯(lián)盟的常設(shè)機(jī)構(gòu)之一，現(xiàn)改組為國(guó)際電信聯(lián)盟的電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)。CCITT與ISO，雖然工作領(lǐng)域不同，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷推進(jìn)，通信與信息處理之間的界限開(kāi)始變得比較模糊，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)也成了CCITT和ISO共同關(guān)心的領(lǐng)域。所以O(shè)SI模型設(shè)計(jì)大多被通信思想所支配，很多設(shè)計(jì)不適用于計(jì)算機(jī)與軟件的工作方式。很多OSI模型的“原語(yǔ)”使用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程很容易實(shí)現(xiàn)，而嚴(yán)格按照層次模型編程則很難實(shí)現(xiàn)。

TCP／IP模型雖然采用了分層的概念，也得到了廣泛的應(yīng)用，但其各層沒(méi)有準(zhǔn)確的服務(wù)、接口以及承擔(dān)服務(wù)的規(guī)范和定義，而是通過(guò)簡(jiǎn)單應(yīng)用功能作為劃分原則。一個(gè)好的模型構(gòu)成應(yīng)該將功能和現(xiàn)實(shí)方法加以區(qū)分，并應(yīng)對(duì)以后的研究開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義，而TCP／IP參考模型只適用于其TCP／IP協(xié)議族，而對(duì)于使用新技術(shù)基本沒(méi)有指導(dǎo)意義。

［1］吳功宜，吳英．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2001．

［2］石志國(guó)，薛為民，江俐．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全教程［M］．北京：清華大學(xué)出版社；北京交通大學(xué)出版社，2004．