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簡介

1.分層模型

1.1 分層的思想

1.2 OSI參考模型與TCP/IP協(xié)議簇

1.OSI 參考模型

2.TCP/IP 參考模型

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簡介

????????本章大家將學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)參考模型的概念，對干參考模型的講解將會貫穿網(wǎng)絡(luò)課程的始終，因為它是理解網(wǎng)絡(luò)這個全新世界的關(guān)鍵所在，如果將網(wǎng)絡(luò)工程師的技能比作一門絕世武功，那么對于網(wǎng)絡(luò)參考模型的理解就是內(nèi)功心法。本章的主要內(nèi)容有三個部分:各層的名稱，功能，數(shù)據(jù)在各層之間的傳輸過程，TCP/P協(xié)議簇，由于大家初次接觸網(wǎng)絡(luò)參考模型，因此本章內(nèi)容講解得比較淺顯，對于TCP/IP協(xié)議只達(dá)到簡介的層面，并非本章的重點。而本章最核心的內(nèi)容是第2.2節(jié)，即數(shù)據(jù)在各層之間的傳輸過程，據(jù)此也可以對各層功能有更好的理解。

1.分層模型

????????我們對這個世界的認(rèn)識往往只是冰山一角，大部分的“真相”都掩藏在海平面以下，網(wǎng)絡(luò)世界
更是如此。平時在家里訪問各種網(wǎng)頁或聊QQ 時，我們的操作無外乎雙擊圖標(biāo)，打幾個字而已，但
對于計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)設(shè)備來說，這是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，就好像郵寄一份禮物給遠(yuǎn)方的朋友
我們需要做的只是將這份禮物交給郵局并注明正確的地址，如果不出意外，這位友人將在一兩周后
收到，但是這份禮物中間經(jīng)歷了哪些復(fù)雜的過程，傳遞禮物的雙方就不得而知了。對于網(wǎng)絡(luò)的最終
用戶，了解到這個層次已經(jīng)足夠了，但如果想成為一名網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人員，就必須對這個過程了如指掌，這樣才能分析排查網(wǎng)絡(luò)的常見故障。

1.1 分層的思想

????????下面將開始研究網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼嬲倪^程，但是這個過程非常復(fù)雜，因此應(yīng)首先建立分層模型分層模型是一種用于開發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計方法。而分層思想本質(zhì)上講就是把節(jié)點間通信這個復(fù)雜問
題分成若干相對簡單的問題逐一解決，而每個問題對應(yīng)一層，每一層實現(xiàn)一定的功能，相互協(xié)作即
可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信這個復(fù)雜任務(wù)。
????????讓我們試想一下，早上時間比較緊張的時候，沖一杯牛奶是一種不錯的早餐方案，作為最終用戶，我們并沒有感受到喝一杯牛奶有多難，因為我們只是把奶粉從超市買回家，用水沖開而已，但奶粉的生產(chǎn)者將面臨一系列復(fù)雜的問題，例如，如何選擇物美價廉的奶源，如何將牛奶運(yùn)送到奶粉廠且保證牛奶不變質(zhì)，奶粉的整個生產(chǎn)工藝(包括檢驗)，如何包裝能更吸引客戶，如何與各大超市洽談，如何與物流公司溝通等。作為一名奶粉廠的管理者，應(yīng)該如何應(yīng)對這么復(fù)雜的事情呢?最好的方法就是用分層的思想，將整個生產(chǎn)銷售流程分成幾個不同的管理模塊，每個模塊由專門的負(fù)責(zé)人管理協(xié)調(diào)，干是奶粉廠就會出現(xiàn)各個部門，原料采購部 奶源加工車間奶粉生產(chǎn)車間奶粉包裝車間，銷售部門等，如圖所示，

????????這樣奶粉加工生產(chǎn)的整個過程一下就變得很清晰了，更重要的是，如果出現(xiàn)各種問題，如奶粉質(zhì)量問題，管理者可以很快確定問題的原因，從而有針對性地解決問題。這些部門有著各自相對獨立的職責(zé)，又是彼此相關(guān)聯(lián)的，處于流程前端的部門為后續(xù)部門服務(wù)，后續(xù)部門也需要在前端部門的基礎(chǔ)上實現(xiàn)其功能。例如，原料采購部為奶源加工車間服務(wù)，因為只有優(yōu)質(zhì)的奶源才能保證加工的半成品的質(zhì)量，奶源加工車間的工作又是在原料采購部的基礎(chǔ)上完成的。一旦在最后的成品中發(fā)現(xiàn)細(xì)菌超標(biāo)，可以很容易確定是奶源加工車間出了問題。
????????現(xiàn)在讓我們從現(xiàn)實世界回到網(wǎng)絡(luò)世界，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通信也體現(xiàn)了這種思想，賦予每一層一定的功能，相鄰層之間通過接口來通信，下層為上層提供服務(wù)，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，很容易確定問題是由哪一層的功能沒有實現(xiàn)而導(dǎo)致的，將故障產(chǎn)生的原因聚焦于一點，有助于更加清晰明了地分析問題，解決問題，另外，對于還處于學(xué)習(xí)階段的我們，首先將網(wǎng)絡(luò)最終的通信目標(biāo)分解成各個子層的目標(biāo)，然后逐一研究每一層的功能是如何實現(xiàn)的，這種思想有助于將復(fù)雜問題簡單化，清晰化。

1.2 OSI參考模型與TCP/IP協(xié)議簇

????????在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中常用的分層模型有兩種:OSI參考模型與 TCP/IP參考模型，下面將分別介紹這兩
種模型。

1.OSI 參考模型

????????通過之前的例子，大家應(yīng)該可以理解分層模型對于網(wǎng)絡(luò)管理而言，就像是企業(yè)組織架構(gòu)對于企業(yè)管理一樣具有至關(guān)重要的地位。由于各個計算機(jī)廠商都采用私有的網(wǎng)絡(luò)模型，因此給通信帶來了諸多麻煩，ISO于1984年頒布了OSI參考模型OSI參考模型是一個開放式體系結(jié)構(gòu)，它規(guī)定將絡(luò)
分為七層，從下往上依次是物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，會話層，表示層和應(yīng)用層，如
圖所示，

1)物理層
????????物理層(PhysicalLayer)的主要功能是完成相鄰節(jié)點之間原始比特流的傳輸。物理層協(xié)議關(guān)心的典型問題是使用什么樣的物理信號來表示數(shù)據(jù)1和0一位持續(xù)的時間有多長，數(shù)據(jù)傳輸是否可同時在兩個方向上進(jìn)行，最初的連接如何建立及完成通信后連接如何終止，物理接口(插頭和插座)有多少針及各針的用處。物理層的設(shè)計要涉及物理層接口的機(jī)械、電氣，功能和過程特性，以及物理層接口連接的傳輸介質(zhì)等問題。另外，物理層的設(shè)計還涉及通信工程領(lǐng)域內(nèi)的一些問題。
2)數(shù)據(jù)鏈路層
????????數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)負(fù)責(zé)將上層數(shù)據(jù)封裝成固定格式的幀，在數(shù)據(jù)幀內(nèi)封裝發(fā)送和接收端的數(shù)據(jù)鏈路層地址(在以太網(wǎng)中為MAC地址，MAC地址是用來標(biāo)識網(wǎng)卡的物理地址;在廣城網(wǎng)中點到多點的連接情況下，可以是一個鏈路的標(biāo)識)，并且為了防止在數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生誤碼，要在幀尾部加上校驗信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時，可以重傳數(shù)據(jù)幀。
3)網(wǎng)絡(luò)層
????????網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer)的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)從源端到目的端的傳輸，在網(wǎng)絡(luò)層，使用邏輯地址來標(biāo)識一個點，將上層數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，在包的頭部封裝了源和目的端的邏輯地址。網(wǎng)絡(luò)層
根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的邏輯地址選擇最佳的路徑，將數(shù)據(jù)送達(dá)目的端。
4)傳輸層
????????傳輸層(TransportLayer)的主要功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)上用戶進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)送達(dá)目的端的主機(jī)，而這個數(shù)據(jù)需要什么用戶進(jìn)程去外理，就需要傳輸層幫忙了。
????????例如，用QQ發(fā)送消息，網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將消息轉(zhuǎn)發(fā)到接收人的主機(jī)，而接收人應(yīng)該
用QQ程序來接收還是用IE瀏覽器來接收，就是在傳輸層進(jìn)行標(biāo)識。
????????傳輸層要決定對會話層用戶(最終的網(wǎng)絡(luò)用戶)提供什么樣的服務(wù)，因此，我們經(jīng)常把1~3層的協(xié)議稱為點到點的協(xié)議，而把4~7層的協(xié)議稱為端到端的協(xié)議。
????????由于絕大多數(shù)主機(jī)都支持多進(jìn)程操作，因此機(jī)器上會同時有多個程序訪問網(wǎng)絡(luò)，這就意味著將有多條連接進(jìn)出于這臺主機(jī)，因此需要以某種方式區(qū)別報文屬于哪條連接。識別這些連接的信息可以放在傳輸層的報文頭中，除了將幾個報文流多路復(fù)用到一條通道上，傳輸層還必須管理跨網(wǎng)連接的建立和拆除，這就需要某種命名機(jī)制，使機(jī)器內(nèi)的進(jìn)程能夠說明它希望交談的對象。
5)會話層
????????會話層(SessionLayer)允許不同機(jī)器上的用戶之間建立會話關(guān)系。會話層允許進(jìn)行類似傳輸層
的普通數(shù)據(jù)傳送，在某些場合還提供了一些有用的增強(qiáng)型服務(wù);允許用戶利用一次會話在遠(yuǎn)端的分
時系統(tǒng)上登錄，或在兩臺機(jī)器間傳遞文件。
????????會話層提供的服務(wù)之一是管理對話控制。會話層允許信息同時雙向傳輸，或任意一個時刻只能單向傳輸，如果屬于后者，則類似于物理信道上的半雙工模式，會話層將記錄此時該輪到哪一方。
????????一種與對話控制有關(guān)的服務(wù)是今牌管理(TokenManaqement)。有些協(xié)議會保證雙方不能同時進(jìn)行同樣的操作，這一點很重要。為管理這些活動，會話層提供了令牌，令牌可以在會話雙方之間移動，只有持有令牌的一方可以執(zhí)行某種關(guān)鍵性操作。另一種會話層服務(wù)是同步的，如果在平均每小時出現(xiàn)一次大故障的網(wǎng)絡(luò)上，兩臺機(jī)器間要進(jìn)行一次兩小時的文件傳輸，會出現(xiàn)什么樣的問題呢?每一次傳輸中途失敗后，都不得不重新傳送這個文件，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)再次出現(xiàn)大故障時，可能又會半途而廢。
????????為解決這個問題，會話層提供了一種方法，即在數(shù)據(jù)中插入同步點。當(dāng)每次網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后，僅需重傳最后一個同步點以后的數(shù)據(jù)。
6)表示層
????????表示層(PresentationLayer)用于完成某些特定功能，對這些功能人們常常希望找到普遍的解決
方法，而不必由每個用戶自己來實現(xiàn)，值得一提的是，表示層以下各層只關(guān)心從源端機(jī)到目標(biāo)機(jī)可
靠地傳送比特，而表示層關(guān)心的是所傳送信息的語法和語義。表示層服務(wù)的一個典型例子是用一種
大家一致選定的標(biāo)準(zhǔn)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。大多數(shù)用戶程序之間并非交換隨機(jī)比特，而是交換諸如
人名，日期，貨幣數(shù)量和發(fā)票之類的信息，這些對象是用字符串，整型數(shù)，浮點數(shù)的形式，以及由
幾種簡單類型組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示的。
????????在網(wǎng)絡(luò)上，計算機(jī)可能采用不同的數(shù)據(jù)表示法，所以在數(shù)據(jù)傳輸時需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。例如，在不同的機(jī)器上常用不同的代碼來表示字符串(ASCI碼和EBCDIC)整型數(shù)(二進(jìn)制反碼或補(bǔ)
碼)及機(jī)器字的不同字節(jié)順序等。為了讓采用不同數(shù)據(jù)表示法的計算機(jī)之間能夠相互通信并交換數(shù)
據(jù)，我們在通信過程中使用抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如抽象語法表示ASN.1)來表示所傳送的數(shù)據(jù)，而在
機(jī)器內(nèi)部仍然采用各自的標(biāo)準(zhǔn)編碼，管理這些抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在發(fā)送方將機(jī)器的內(nèi)部編碼轉(zhuǎn)換為
適合網(wǎng)上傳輸?shù)膫魉驼Z法及在接收方做相反的轉(zhuǎn)換等工作都是由表示層來完成的。
????????另外，表示層還涉及數(shù)據(jù)壓縮和解壓，數(shù)據(jù)加密和解密等工作。

7)應(yīng)用層
????????聯(lián)網(wǎng)的目的在于支持運(yùn)行于不同計算機(jī)上的進(jìn)程之間的通信，而這些進(jìn)程則是為用戶完成不同任務(wù)而設(shè)計的。應(yīng)用是多方面的，不受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制。應(yīng)用層(ApplicationLayer)包含大量人們
普遍需要的協(xié)議，顯然，對于需要通信的不同應(yīng)用來說，應(yīng)用層的協(xié)議都是必需的，例如PC(Personal Computer，個人計算機(jī))用戶利用仿真終端軟件通過網(wǎng)絡(luò)使用該遠(yuǎn)程主機(jī)的資源。這個仿真終端程序使用虛擬終端協(xié)議將鍵盤輸入的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)的操作系統(tǒng)，并接收顯示干屏幕的數(shù)據(jù)。
????????又如，當(dāng)用戶想要獲得遠(yuǎn)程計算機(jī)上的一個文件副本時，他要向本機(jī)的文件傳輸軟件發(fā)出請求，這個軟件與遠(yuǎn)程計算機(jī)上的文件傳輸進(jìn)程通過文件傳輸協(xié)議進(jìn)行通信，這個協(xié)議主要處理文件名。用戶許可狀態(tài)和其他請求細(xì)節(jié)的通信。遠(yuǎn)程計算機(jī)上的文件傳輸進(jìn)程使用其他進(jìn)程來傳輸文件內(nèi)容。

????????由于每個應(yīng)用有不同的要求，因此應(yīng)用層的協(xié)議集在OS參考模刑中并沒有定義但是 有此確定的應(yīng)用層協(xié)議，包括虛擬終端、文件傳輸和電子郵件等都可作為標(biāo)準(zhǔn)化的候選。

2.TCP/IP 參考模型

????????另外一個著名的模型是TCP/IP模型。TCP/IP是傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(Transmission Control
Protocol/InternetProtocol)的簡稱，早期的TCP/P模型是一個四層結(jié)構(gòu)，從下往上依次是網(wǎng)絡(luò)接口層，互聯(lián)網(wǎng)層、傳輸層和應(yīng)用層。在后來的使用過程中，借鑒OSI的七層參考模型，將網(wǎng)絡(luò)接口層劃分為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，形成了一個新的五層結(jié)構(gòu)。TCP/IP是一系列協(xié)議的集合，所以嚴(yán)格的稱呼應(yīng)該是TCP/P協(xié)議簇。
????????TCP/IP協(xié)議簇的前四層與OSI參考模型的前四層相對應(yīng)，其功能也非常類似，而應(yīng)用層則與OSI參考模型的最高三層相對應(yīng)，如圖所示。

?????????值得注意的是，OSl參考模型沒有考慮任何一組特定的協(xié)議，因此OSI更具有通用性;而TCP/IP參考模型與TCP/P協(xié)議簇吻合得很好，雖然該模型不適用于其他任何協(xié)議棧，但如今的網(wǎng)絡(luò)多以TCP/IP協(xié)議簇作為基礎(chǔ)，這使得在分層設(shè)計上沒有過多考慮協(xié)議的OSI分層理念，所以沒有廣泛地應(yīng)用于實際工作中，相反，人們更多地應(yīng)用TCP/IP分層模型在實際工作中分析問題，解決問題。
????????TCP/IP五層模型應(yīng)用得更廣泛，因此本書及以后的內(nèi)容在討論問題時一律采用五層模型，下面是該模型對應(yīng)的一些常見協(xié)議，如圖所示，

?1)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層
????????在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，TCP/IP并沒有定義任何特定的協(xié)議，它支持所有標(biāo)準(zhǔn)的，專用的協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)可以是局域網(wǎng)(如廣泛使用的以太網(wǎng))、城域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。所以，TCP/IP實際上只有三個層次。
2)網(wǎng)絡(luò)層
????????在網(wǎng)絡(luò)層，TCP/IP定義了P(InternetProtocol，網(wǎng)際協(xié)議)，而P又由四個支撐協(xié)議成:ARP(地
址解析協(xié)議)、RARP(逆地址解析協(xié)議)、ICMP(網(wǎng)際控制報文協(xié)議)和IGMP(網(wǎng)際組管理協(xié)議)。
3)傳輸層
????????傳統(tǒng)上，TCP/IP有兩個傳輸層協(xié)議:TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)。TCP協(xié)議傳輸更加穩(wěn)定可靠，UDP協(xié)議傳輸效率更高。
4)應(yīng)層
????????在應(yīng)用層，TCP/IP定義了許多協(xié)議，如HTTP(超文本傳輸協(xié)議)，FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP
(簡單郵件傳輸協(xié)議)DNS(域名系統(tǒng))等。
????????上述這些協(xié)議將在后續(xù)課程中具體講解，這里大家只要明確協(xié)議與各層的對應(yīng)關(guān)系即可，當(dāng)我們研究具體協(xié)議的應(yīng)用時，結(jié)合該協(xié)議所在層的功能來理解和分析問題將事半功倍。\

未完待續(xù)