• 为什么设计分层网络模型？
• 两个模型各有多少层？
• 模型中每一层的作用和顺序关系？
• 两个模型的差异点和共同点？

常见的计算机网络体系结构

为了让世界各地的计算机互连，在 1977 年，成立了国际化组织研究该问题。在 20 世纪 90 年代初期，该组织就推出了“开放系统互连参考模型”，简称 OSI 体系结构，作为该问题的解决方案。

OSI 体系结构

该模型是一个 7 层体系结构，从下往上依次是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。

OSI 模型是国际化组织推出的国际标准，但当时因特网的网络体系结构 TCP/IP 体系结构，已抢先在全世界覆盖了相当大的范围。

TCP/IP 体系结构

该模型是一个 4 层体系结构，从下往上依次是网络接口层、网际层、运输层和应用层。

在过去，制定标准的组织中，往往以专家和学者为主。但现在，许多商业公司也加入了制定标准的队伍中。TCP/IP 体系结构是事实上的国际标准，它占领了市场，而 OSI 体系结构是法律上的国际标准。
由于 TCP/IP 体系结构为了兼容不同的网络接口进行互连，例如 WIFI 接入或以太网接入，因此它的网络接口层并没有规定什么具体的内容，然而这对于学习计算机网络的完整体系而言，就会缺少一部分内容，所以在学习计算机网络体系结构时，往往使用 OSI 体系结构和 TCP/IP 体系结构的一种综合体系结构：原理体系结构。

原理体系结构

该模型是一个 5 层体系结构，从下往上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

计算机网络体系结构分层的必要性

先来看最简单的情况，两台计算机如何连接起来？连接起来要解决 3 个问题，如下。

• 采用怎样的传输介质？例如网线
• 采用怎样的物理接口？例如电脑上的水晶头接口
• 使用怎样的信号表示比特 0 和 1 ？例如方波信号

这些问题可以归类到第 1 层，物理层。
实用的计算机网络，往往由多台计算机组成，例如主机 A、B、C、D、E，通过总线互连，构成了一个总线型网络。

假设我们解决了物理层的问题，也就是说主机间可以发送信号传输比特 0 或 1 了，现在我们要从主机 A 传输信号到主机 C，但是，表示数据的信号会通过总线传播到总线上的每一个主机，那么问题来了，主机 C 如何知道该数据是发送给自己的，自己要接收处理？而主机 B、D、E 如何知道该数据并不是发送给自己的，自己应该如何拒绝？这就引出了如何标识网络中各主机的问题，也就是编址问题。我们的计算机网卡上，存在一个 Mac 地址，这就解决了编址问题，通过发送地址和目标地址，就可以知道数据是谁发给谁的了。
现在又出现了一个问题，如何从信号所表示的一连串比特流中区分出数据和地址？也就是数据格式问题，又成为分组问题。
还有一个问题，假设主机 B 和 主机 D 同时向总线发送数据，这必然会发生信号碰撞，如何协调主机争用总线？总线型网络现在已经淘汰，现在常用的是使用以太网交换机，将多台主机互连，形成交换式以太网。通过交换机解决主机争用总线的问题。

我们将下面提到的 3 个问题：

• 如何标识网络中的各主机？
• 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出数据和地址？
• 如何协调各主机争用总线？

归类到第 2 层，数据链路层。
我们可以发现，只要解决了物理层和数据链路层的问题，我们就可以数据在一个网络上传输了，但是，我们每天使用的因特网，是由非常多的网络组成的，仅解决物理层和数据链路层的问题，还是不能正常工作。来看下面的例子，这是一个由 4 个网络组成的小型互联网，我们可以把它看做因特网中很小的一部分。

在之前的例子中，仅有一个网络，我们不需要对网络进行标识，在本例中，我们有着多个网络和多个主机，换句话说，我们面临了一个新的问题，网络和主机的编址问题，相信你一定听过 IP 地址，例如现在，192.168.1.1、192.168.1.2 和 192.168.1.254 是网络 N1 中各设备的 IP 地址。

该 IP 地址的前三个十进制数，用来标识网络，第四个十进制数，用来标识主机，在本例中，用 192.168.1 标识网络，该网络上的笔记本电脑、服务器和路由器接口的前三个十进制数，都应该是 192.168.1 ，因为它们都在网络 N1 上，而第四个十进制数分别为 1、2 和 254，各不相同，用来标识它们自己。网络 N2、N3 和 N4 同理。
我们再来看另一个问题，源主机与目的主机之间的传输路径往往不止一条，分组从源主机到目的主机可走不同路径，这样就引出了路由器如何转发分组，如何进行路由选择的问题。

我们将下面的问题：

• 如何标识各网络以及网络中的各主机？
• 路由器如何转发分组？
• 路由器如何进行路由选择？

归类到第 3 层，网络层。
至此，我们解决了物理层、数据链路层和网络层各自的问题，不过，这对于计算机网络应用而言仍然不够，假如我们的笔记本中运行着两个与网络通信相关的应用进程，浏览器进程和 QQ 进程，某个时刻，笔记本收到了来自主机的分组，应该交给哪个进程处理呢？也就是如何解决进程之间基于网络的通信问题。

另外，出现传输错误时，如何处理？例如路由器繁忙，出现了丢包。
我们将如下问题：

• 如何解决进程之间基于网络的通信问题？
• 出现传输错误时，如何处理？

归类到第 4 层，传输层。

解决了物理层、数据链路层、网络层和传输层各自的问题的基础上，我们只需要按协议标准编写相应的应用程序，通过应用进程间的交互，来完成特定的网络应用即可，例如，支持万维网应用的 HTTP 协议、支持电子邮件的 SMTP 协议和支持文件传输的 FTP 协议。
我们将通过应用进程间交互完成特定的网络应用，归类到应用层。
至此，我们已经了解了计算机体系结构中各层要解决的问题，这些问题分别划归到了物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。如下。

• 物理层：解决使用何种信号来传输比特的问题
• 数据链路层：解决分组在一个网络上传输的问题
• 网络层：解决分组在多个网络上传输的问题
• 运输层：解决进程之间基于网络通信的问题
• 应用层：解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题