1.4 计算机网络的体系结构
1.4.1 网络协议与网络体系结构
网络协议对计算机网络来说是不可缺少的。网络必须要有协议支持，以此约束和协调相互的通信过程。对一个功能完备的计算机网络来说，还需要制订一整套的协议，构成一个协议集。那么，对于数量繁多、结构复杂的网络协议集来说，最好的组织方式就是采用层次结构，即把若干网络协议分成几层，每层针对一个或多个网络功能的实现。我们把网络协议的这种层次结构模型定义为计算机网络体系结构。实际上，计算机网络体系结构是从逻辑的、抽象的角度对计算机网络的功能和组织结构所做的规定与说明。
层次结构的计算机网络的优点如下。
（1）各层之间相互独立。高层不需要知道低层是如何实现的，而仅需知道该层通过层间的接口所提供的服务。
（2）灵活性好。当任何一层发生变化时，只要接口保持不变，那么在这层以上或以下的各层均不受影响，各层都可以采用最合适的技术来实现。另外，当某层所提供的服务不再被需要时，可将这层取消。
（3）易于实现和维护。由于整个系统已被分解为若干易于处理的部分，这种结构就使得一个庞大复杂系统的实现和维护变得容易控制。
（4）有利于促进标准化。由于每一层的功能及所提供的服务都已有了精确的说明，因此易于实现标准化。
世界上第一个网络体系结构是由IBM公司于1974年提出的，称为系统网络体系结构（SNA）。
1.4.2 OSI/RM网络体系结构
层次化的网络体系结构在20世纪70年代后期得到了普及和推广，各计算机生产厂商纷纷推出了自己的网络体系结构，这些网络结构普遍是以自己公司的产品为对象的，其共同之处在于它们都采用了分层技术，但层次的划分、功能的分配与采用的技术术语各不相同，不具备与其他公司网络结构的兼容性。随着网络技术的不断发展，各种计算机系统的联网和各种计算机网络的互联已成为迫切需要人们解决的课题，强烈需要有一个国际标准来规范网络体系结构。在这种形势下，开放系统互连参考模型应运而生。
这里提到的开放系统是指，一个系统在和其他系统进行通信时，如果能够遵守标准化的信息交换协议，就称其为开放系统。
开放系统互连参考模型（OSI/RM）是在两大国际标准化组织ISO和CCITT（ITU-T）的共同努力下制定的。它们根据层次化模型的设计原则，将整个网络功能划分为七个层次，划分的原则是：
（1）网络中相同的节点都具有相同的层次，相同的层次具有相同的功能。
（2）同一节点内相邻层之间通过确定的接口进行交互通信。
（3）网络中不同节点的同等层之间采用相同的协议，实现对等层之间的交互操作。
OSI参考模型的结构形式如图1.5所示。
图1.5 OSI参考模型的结构形式及数据传输过程
由图可知，以客户机为代表的每个端节点（开放系统）的功能分为七层，而以网络交换机为代表的中继节点（中继开放系统）的功能只有三层。
OSI/RM各层实现的主要功能如下。
（1）物理层。物理层是组成计算机网络的基础。所有的网络通信设备、主机等均需采用物理层协议实现连接。定义物理层协议是为了使所有厂家生产的计算机系统和通信设备都能够从接口上兼容，并使这些接口的定义独立于厂家生产的设备。
（2）数据链路层。数据链路层的作用就是组织每条数据链路上的数据传输，提供高可靠性无差错的数据传输。为此，需要对数据链路上的数据传输过程进行管理和控制，消除传输中的差错。
（3）网络层。主要用于实现对通信子网的管理和控制，解决数据分组跨通信子网进行传输的问题；负责在通信子网内找到一条有效的路径，以便按此路径传输数据，同时还要实施拥塞控制。
（4）传输层。无论两个客户端之间经过多少个中间节点，都可以实现端-端（主机-主机）间的透明数据传输服务。对高层用户来说，可以起到一个屏蔽的作用，使高层用户的同等实体在通信过程中不受下层通信技术细节的影响，而不必考虑具体的通信子网。采用统一的传输层原语书写的高层软件可运行于任何子网中。
（5）会话层。组织和同步不同主机上各种进程间的通信（会话），在两个相互通信的进程（实体）之间，建立、组织、协调其交互会话过程，如确定是采用全双工方式还是半双工方式，发生意外从何处开始恢复等。
（6）表示层。用于处理两个应用实体之间数据交换的语法问题，解决数据交换中存在的数据格式不一致及数据表示方法不同等问题，此外，诸如数据压缩/解压缩、加密/解密等也是表示层提供的典型服务。
（7）应用层。为应用实体提供一致的访问OSI环境的手段；提供各种网络应用和服务，满足用户的各种不同需要；提供用户所需要的信息交换和远程操作服务（如文件传递、电子邮件等）。
根据各层的功能分配可知，OSI/RM由上到下对通信的各个方面都做出了规定，而且各层负责的职权范围是清晰而明确的。
1.4.3 对开放系统互连参考模型的说明
（1）建立OSI/RM的目的是为系统互连提供一个共同的基础。它的提出并不是对某一个或某几个商业产品的抽象，也不是对现有计算机网络体系结构的集合，而是在博采众长的基础上，反映系统互联技术未来发展的产物。该参考模拟提供的是概念性、功能性的结构，而不是互连结构的设施和协议技术细节的精确定义和描述。因此，它不能作为具体实现的规范说明，也就是说，OSI/RM及其有关标准都只是技术规范，而不是工业规范。
（2）OSI/TC97/SC16在研究制定OSI/RM的过程中，采用了“自顶向下”、“逐步求精”的方法，从约束最少、抽象化程度最高的描述开始细化。OSI的抽象化分为三级：体系结构、服务定义、协议规范，即OSI必须建立在某种网络体系结构的基础上，而整个网络体系结构包含一系列的服务，每个服务又是通过某一个或某几个协议的执行来实现的。这样，OSI/RM便有了足够的灵活性以适应未来技术的发展和用户需求的扩大。
（3）OSI/RM的基本构造技术就是“分层”，它是利用层次结构把开放系统的信息交换问题分解为一系列比较易于控制的软硬件模块层，对于每一层，ISO/TC97/SC16都至少制订两个标准：服务定义和协议规范。前者给出了该层提供的服务的准确定义；后者详细描述了该层协议的动作和各有关规程，以保证服务的提供。每一层在信息交换的任务中都负责一件独立的工作，完成特定的功能。
数据传输过程如图1.6所示。
图1.6 OSI参考模型中的数据传输过程
从图中可以看出，当应用进程A（APA）的数据传送到应用层时，应用层加上本层的控制信息后，组织成应用层的服务数据单元，然后传输到表示层。表示层接收到这一服务数据单元后，加上本层的控制信息，组成表示层的服务数据单元，再传送到会话层。会话层同样添加自己的控制信息后将所形成的服务数据单元传送到传输层，传输层加上本层的控制信息后，就构成了传输层的服务数据单元，称之为报文（Message）。传输层之下是网络层，网络层数据单位为报文分组或包（Packet）。网络层的分组传输到数据链路层之后，再加上数据链路层的控制信息，就构成了帧（Frame）。帧传送到物理层后，即以比特流的方式通过传输介质传输出去。当比特流到达目标节点后，再从物理层开始依次上传，每层都对对端各层的控制信息进行处理，拆包后将用户数据上交高层，直到对端的应用进程B（APB）。
发送端将发送的信息一层一层地打包，接收端对接收到的信息一层一层地拆包，并同时进行检测处理。