淺議網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)OSI/RM模型與TCP/IP模型的區(qū)別

朱建武 張 瑩

（[1]武漢城市職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程學(xué)院 湖北·武漢 430070；[2]武漢市硚口區(qū)東方紅小學(xué) 湖北·武漢 430000）

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)紛繁復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)，為了更安全更有效率的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和資源共享，除了在計(jì)算機(jī)之間建立傳送數(shù)據(jù)的通路，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分層，分層可以減少網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可管理性。通過(guò)分層，能實(shí)現(xiàn)各層之間相互獨(dú)立，同時(shí)，各層之間具備更好的靈活性，各層在結(jié)構(gòu)上可以分割，各層的協(xié)議和服務(wù)易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)定義和描述了計(jì)算機(jī)和相關(guān)各種通信設(shè)備之間的互聯(lián)互通的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的集合。在20世紀(jì)八十年代初，各個(gè)企業(yè)和計(jì)算機(jī)的廠商都有自己的一套網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和規(guī)范，之間互相并不兼容，為了解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的問(wèn)題，著名的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織即ISO在1979年成立了一個(gè)委員會(huì)來(lái)專門研究一種體系結(jié)構(gòu)用來(lái)規(guī)范網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的集合，這就是OSI/RM,即開放-系統(tǒng)-互連-參考模型。

1 OSI參考模型

將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體分為七個(gè)層次，包括最底層物理層，依次數(shù)據(jù)鏈路層，依次網(wǎng)絡(luò)層，依次傳輸層，依次會(huì)話層，以及表示層，最后是應(yīng)用層共七個(gè)層次。最底層是物理層，最上層應(yīng)用層，上層向下層提出請(qǐng)求，下層向上層提供服務(wù)。

將網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸類比為貿(mào)易商人從武漢運(yùn)送貨物去北京的情景：

（1）必須有一條通往北京的道路。相當(dāng)于是七層的OSI參考模型中的最底層的物理層，作用是“道路”，類比為最底層物理層中的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)媒介和網(wǎng)絡(luò)接口。

（2）對(duì)貨物進(jìn)行包裝。相當(dāng)于是七層的OSI參考模型中的第二層數(shù)據(jù)鏈路層，作用是“打包”，類比為數(shù)據(jù)鏈圖層中把比特流劃分為可以處理的數(shù)據(jù)單元，進(jìn)行幀的裝配、拆解、流量控制和差錯(cuò)校驗(yàn)。

（3）需要一條合適的路徑送貨。相當(dāng)于是七層的OSI參考模型中的第三層網(wǎng)絡(luò)層，作用是“選擇”，類比為網(wǎng)絡(luò)層中確保每一個(gè)分組能夠從源點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)，進(jìn)行路由選擇和流量控制。

（4）運(yùn)輸?shù)穆吠旧鲜欠褚ＷC貨物的安全？貨物不會(huì)遺失？相當(dāng)于是七層OSI參考模型中的第四層傳輸層，作用是“保護(hù)”，類比為傳輸層中向高層提供可靠的進(jìn)程到進(jìn)程的數(shù)據(jù)傳輸，包括報(bào)文交付，差錯(cuò)恢復(fù)等功能。

（5）運(yùn)輸前雙方的溝通是否需要？相當(dāng)于是七層OSI參考模型中的第五層會(huì)話層，作用是“交流”，類比為會(huì)話層中對(duì)話控制：允許2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)話狀態(tài)，建立同步檢查點(diǎn)。

（6）是否需要標(biāo)簽和說(shuō)明？是否需要翻譯人員？相當(dāng)于是七層OSI參考模型中第六層表示層，作用是“標(biāo)簽”，類比為表示層中的轉(zhuǎn)換：字符、數(shù)字按不同的編碼系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為比特流。加密：對(duì)敏感信息進(jìn)行保密。壓縮：傳輸多媒體信息，減少比特?cái)?shù)。

（7）貨物怎樣交易？相當(dāng)于是七層OSI參考模型中最上層應(yīng)用層，作用是“交易”，類比為應(yīng)用層中提供對(duì)應(yīng)用程序和許多服務(wù)的支持。

表1：七層體系結(jié)構(gòu)OSI模型各層的作用

物理層是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)端到端的節(jié)點(diǎn)之間比特流的傳送，傳送過(guò)程透明。數(shù)據(jù)鏈路層是在物理網(wǎng)絡(luò)鏈路中，能提供可靠的端到端的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)層是負(fù)責(zé)把分組數(shù)據(jù)從源點(diǎn)發(fā)送出去，直至交付到終點(diǎn)截止。傳輸層是向網(wǎng)絡(luò)層次中的高層提供可靠的端到端，進(jìn)程到進(jìn)程的數(shù)據(jù)報(bào)的交互，差錯(cuò)恢復(fù)。會(huì)話層的作用是建立會(huì)話、管理會(huì)話和在有需要的時(shí)候終止會(huì)話。表示層的作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的加密和必要的數(shù)據(jù)的壓縮。應(yīng)用層的作用為用戶提供網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)也提供了對(duì)許多協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的支持。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)七層中各層之間存在很多重復(fù)的功能，OSI體系結(jié)構(gòu)不夠簡(jiǎn)潔實(shí)用。

2 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

最早來(lái)源于美國(guó)軍方的ARPAnet，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了更高效更簡(jiǎn)潔的四層的體系結(jié)構(gòu)，即最底層網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層和最上層應(yīng)用層，而且TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的提出要早于OSI模型，所以慢慢OSI模型被TCP/IP體系結(jié)構(gòu)所取代，TCP/IP體系結(jié)構(gòu)成為了事實(shí)上的通用的網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層（數(shù)據(jù)鏈路層，物理層）。負(fù)責(zé)對(duì)硬件的溝通，與七層體系結(jié)構(gòu)OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層（Data link layer）和物理層(Physical layer)相對(duì)應(yīng)，未定義任何特定的協(xié)議。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是決定數(shù)據(jù)如何傳送到目的地。

（3）傳輸層。主要為TCP/UDP協(xié)議。

（4）應(yīng)用層。應(yīng)用層相當(dāng)于OSI會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。

3 OSI模型和TCP/IP模型的比較

從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)來(lái)看，七層的OSI模型比TCP/IP模型要具體的多，在OSI體系結(jié)構(gòu)的七層模型中會(huì)話層和表示層主要的作用是信道的連接與掛斷，數(shù)據(jù)的表示、數(shù)據(jù)加密與解密，目的是保護(hù)用戶之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)出現(xiàn)中斷，但是會(huì)話層和表示層有部分功能在七層中是有重復(fù)的。在四層的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中，最下面的層即最底層是網(wǎng)絡(luò)接口層，相當(dāng)于OSI體系結(jié)構(gòu)的物理層（Physical layer）和數(shù)據(jù)鏈路層（Data link layer），他們的作用是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)端到端，節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)之間比特流的傳送，傳送過(guò)程透明。數(shù)據(jù)鏈路層是通過(guò)物理網(wǎng)絡(luò)鏈路提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。OSI/RM 體系結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為完整，每層的作用相對(duì)來(lái)說(shuō)比較清晰，但存在各層之間重復(fù)的功能，顯得七層體系結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，四層的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)是從ARPANET發(fā)展過(guò)來(lái)的，實(shí)用性非常強(qiáng)，在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用中得到了不斷改進(jìn)和檢驗(yàn)，而且相對(duì)OSI/RM來(lái)說(shuō)TCP/IP模型四層的體系結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)潔。

（1）OSI/RM參考模型的優(yōu)缺點(diǎn)：OSI參考模型概念清楚，層次結(jié)構(gòu)分明，但協(xié)議較為復(fù)雜，各層之間存在重復(fù)的功能，不夠簡(jiǎn)潔，比如流量控制功能和尋址功能在各層中反復(fù)出現(xiàn)，所以O(shè)SI模型沒(méi)有全面普及開來(lái)，形成產(chǎn)品。

①會(huì)話層和表示層中幾乎沒(méi)有內(nèi)容，數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層中的內(nèi)容反而比較多，內(nèi)容顯得不夠均衡。

②七層OSI模型以及各層次定義的服務(wù)和協(xié)議非常復(fù)雜，比較難以實(shí)現(xiàn)；部分功能會(huì)在有些層重復(fù)出現(xiàn)，例如地址編輯、流量控制以及差錯(cuò)控制，加大了體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，大大降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行效率；還有一個(gè)原因是由于TCP/IP協(xié)議因?yàn)榈玫狡毡榈氖褂?，變成了現(xiàn)實(shí)意義上的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，因而OSI體系結(jié)構(gòu)中協(xié)議的出現(xiàn)要比TCP/IP協(xié)議出現(xiàn)的晚，沒(méi)有得到普遍的認(rèn)可。

③ISO組織在設(shè)計(jì)OSI/RM模型的時(shí)候，對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)的情況沒(méi)有做到提前判斷和提前預(yù)計(jì)，造成了模型和協(xié)議規(guī)范不完全匹配的情況出現(xiàn)。

（2）TCP/IP模型在現(xiàn)實(shí)中得到了廣泛的應(yīng)用，TCP/IP模型的優(yōu)點(diǎn)：

①支持開放的各種規(guī)范和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),并且協(xié)議對(duì)用戶免費(fèi),可以在不同的計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。

②獨(dú)立于各種硬件系統(tǒng),可運(yùn)行在廣域網(wǎng)，城域網(wǎng)，局域網(wǎng)。

③支持各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)IP地址進(jìn)行統(tǒng)一指派和分配，在同一個(gè)網(wǎng)段中，IP地址具備唯一性的特征。

④各層協(xié)議的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化。但是存在明顯的缺陷，比如網(wǎng)絡(luò)接口層并不是一個(gè)實(shí)際意義的層，只是一個(gè)接口；沒(méi)有具體區(qū)分服務(wù)、接口、協(xié)議的概念；在TCP/IP模型中沒(méi)有明確區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層和物理層。因此，TCP/IP模型還存在很大的缺陷。

總結(jié)：折中的參考模型方案。

綜合OSI模型和TCP/IP模型的優(yōu)缺點(diǎn)：OSI模型體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且不實(shí)用，但層次結(jié)構(gòu)分明，TCP/IP協(xié)議得到了廣泛的應(yīng)用但體系結(jié)構(gòu)并不完整，在現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，我們采取的是折中的方案，吸取不同體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有五層協(xié)議的西體結(jié)構(gòu)，層次結(jié)構(gòu)分別為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。這五個(gè)層次的體系結(jié)構(gòu)能較好的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的各項(xiàng)功能，成為現(xiàn)在普遍通用的體系結(jié)構(gòu)。

五層的體系結(jié)構(gòu)既簡(jiǎn)潔又能將每層的功能。為了方便描述，有時(shí)把最底下兩層物理層（Physical layer）和數(shù)據(jù)鏈路層（Data link layer）統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)接口層（Network interface layer）。在五層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)分配物理地址，兩個(gè)端到端的相鄰節(jié)點(diǎn)之間傳送比特流時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路層（Data link layer）將網(wǎng)絡(luò)層（Net layer）傳送下來(lái)的因特網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)組裝成幀（Frame），從端到端的兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)鏈路上傳送幀（Frame）。每一幀(Frame)包括傳送的比特流數(shù)據(jù)和相關(guān)的控制信息。物理層包括網(wǎng)卡接口的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，處理數(shù)據(jù)在物理媒介上的傳輸；不同的物理網(wǎng)絡(luò)具有電氣特性，為上層協(xié)議提供一致接口。物理層所傳數(shù)據(jù)單位是比特(Byte)。物理層主要研究在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流的能力。

4 各層對(duì)應(yīng)的工作設(shè)備

物理層：中繼器、集線器。

數(shù)據(jù)鏈路層：網(wǎng)橋或交換機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)層中繼系統(tǒng)：路由器。

網(wǎng)絡(luò)層以上的中繼系統(tǒng)：網(wǎng)關(guān)。