2、OSI、TCP/IP参考模型及标准化等

1、引言

两个重要的网络体系结构：OSI参考模型和TCP/IP参考模型。
OSI模型：相关协议没有被任何人所用，该模型本身极具意义，它对讨论网络体系结构中每一层的功能很有帮助。TCP/IP协议模型：本身没有多大用处，协议却广泛流传。

2、OSI参考模型

• 简述：该模型基于国际标准化组织（ISO）的提案，作为各层协议迈向国际标准化的第一步。该模型称为ISO的开放系统互连（OSI，Open System Interconnection）参考模型。OSI模型7层，拥有一些基本原则：（1）应该在需要一个不同抽象体的地方创建一层（2）每一层都应该执行一个明确定义的功能（3）每一层的功能的选择应该向定义国际标准化协议的目标看齐（4）层与层边界的选择应该使跨越接口的信息流最小（5）层数应该足够多，保证不同的功能不会被混杂在同一层中，但同时层数又不能太多，以免体系结构变得过于庞大。1~3层是链式连接的，4~7层是端到端的。
• 物理层：关注在一条通信信道上传输原始比特。设计问题必须确保当一方发送了比特1时，另一方收到的也是比特1，而不是0。物理层的典型问题包括：用什么电子信号表示0和1，一个比特持续多少纳秒，传输是否可以在两个方向上同时进行，初始连接如何建立，当双方结束之后如何撤销连接，网络连接器有多少针以及每一针的用途是什么。
• 数据链路层：主要任务是将一个原始的传输设施变成一条没有漏检传输错误的线路。发送方将输入的数据拆分成数据帧，然后顺序发送这些数据帧。一个数据帧通常为几百个或者几千个字节长。如果服务是可靠的，接收方必须传回确认帧。数据链路层必须采用流量调节机制来避免一个快速发送方用数据淹没一个慢速接收方。广播式网络的数据链路层必须解决如何控制对共享信道的访问问题。数据链路层的一个特殊子层——介质访问控制子层处理这个问题。
• 网络层：主要任务是控制子网的运行。关键问题是如何将数据包从源端路由到接收方。路由可以建立在静态表的基础上，表相当于网络内部的布线；常见情况是路由可以自动更新，以此避免故障。路由可以在每次会话看是时就确定下来，比如登录到一台远程机器上；路由可以是高度动态的，针对每一个数据包都重新确定路径。网络层需要解决的问题包括网络拥塞、延迟、传输时间、抖动、异构网络的通信等。广播式网络中，路由问题比较简单，网络层比较单薄，甚至不存在。
• 传输层：基本任务是接收来自上一层的数据，在必要时间把数据分割成小的单元，然后传递给网络层，并确保到达另一端。传输层还决定了向会话层，因而是实际的最终网络用户提供哪种类型的服务。
• 会话层：允许不同机器上的用户建立会话。会话提供各种服务，包括对话控制（记录该由谁传递数据）、令牌管理（禁止双方同时执行同一个关键操作）、同步功能（在一个长传输过程中设置一些断点，以便在系统崩溃之后还能恢复到崩溃前的状态继续运行）
• 表示层：表示层关注所传递信息的语法和语义。
• 应用层：包含了用户通常需要使用的各种各样的协议。一个得到广泛使用的协议是超文本传输协议（HTTP，HyperText Transfer Protocol）。（另：HTTPS全称：Hyper Text Transfer Protocol over Secure Socket Layer，是以安全为目标的HTTP通道，简单讲是HTTP的安全版。即HTTP下加入SSL层，HTTPS的安全基础是SSL，因此加密的详细内容就需要SSL。）它是万维网的基础。当浏览器需要一个web页面时，它通过HTTP将所要页面的名字发送给服务器，然后服务器将页面发回给浏览器。

3、TCP/IP参考模型

• 链路层（网络接口层）：该层描述了链路必须完成什么功能才能满足无连接的互联网络层的需求，比如串行接口和经典以太网链路。这不是一个真正意义上的层，而是主机与传输线路之间的一个接口。
• 互联网层（Internet层）：将整个网络体系结构贯穿在一起的关键层。大致对应于OSI模型的网络层。该层任务是允许主机将数据包注入到任何网络，并让这些数据包独立地到达接收方。对于数据包的到达顺序与发送顺序不一致的问题，将由高层重新排序。互联网层定义了官方的数据包格式和协议，该协议称为因特网协议（IP，Internet Protocol），与之相伴的还有一个辅助协议，称为因特网控制报文协议（ICMP，Internet Control Message Protocol）。互联网层的任务是将IP分组投递到它们该去的地方。该层还应解决路由与拥塞问题。
• 传输层：犹如OSI的传输层一样，设计目标是允许源主机和目标主机上的对等体进行对话。此层有两个协议：第一个是传输控制协议（TCP，Transport Control Protocol），它是一个可靠的、面向连接的协议，允许从一台机器发出的字节流正确无误地交付到互联网上的另一台机器。它把输入的字节流分割成离散的报文，并把每个报文传递到互联网层。在目标机器，接收TCP进程吧收到的报文重新装配到输入流中。TCP还负责处理流量控制，以便确保一个快递的发送方不会因发送太多的报文而淹没掉一个处理能力跟不上的慢速接收方。第二个协议是用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol），它是一个不可靠的、无连接的协议，适用于那些不想要TCP的有序性或流量控制功能，而宁可自己提供这些功能的应用程序。UDP被广泛用于那些一次性的基于客户机—服务器类型的“请求—应答”查询应用，以及那些交付比精确交付更重要的应用，比如语音或者视频。
• 应用层：TCP/IP模型没有会话层和表示层，应用层简单包含了所需的任何会话和表示功能。此层包含了所有的高层协议。高层协议包括虚拟终端协议（TELNET）、文件传输协议（FTP）、电子邮件协议（SMTP）、将主机名映射到它们网络地址的域名系统（DNS，Domain Name System）、获取万维网页面的HTTP、以及用于传送诸如语音或者电影等实时媒体的RTP等。
• 本书使用的模型为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层

4、关于两种模型的比较和评判

4.1相同点

• 以协议栈概念为基础，协议栈中的协议栈彼此独立。
• 各层功能相似。
• 传输层之上各层都是传输服务的用户，并且面向对象。

4.2区别

• OSI核心概念：服务、接口、协议。或许区别三者是OSI模型最大贡献。服务定义该层是做什么的，接口告诉上层如何访问本层，规定了相关参数，结果是什么。协议是用于完成本层任务的具体方法。而TCP/IP模型最初没有区别。
• OSI模型产生于协议之前，这个事实使得它不会偏向任何一组协议，更具通用性，但设计者对于每一层应该设置的功能没有好的主意。而TCP/IP先有协议，其模型只是已有协议的一个描述，因此协议与模型高度吻合。
• 层数不同。OSI七层，TCP/IP四层。
• OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信，但传输层只支持面向连接的通信。TCP/IP模型在网络层支持无连接通信，传输层支持两种通信模式，这样可以给用户一个选择机会，这对于简单的“应答—通信”协议很重要。

4.3评判

• OSI模型及其协议没有统治网络世界的原因可能是：糟糕时机、糟糕技术、糟糕实现、糟糕政策。
• TCP/IP模型：没有区分三个概念；模型不通用，例如使用它描述蓝牙；链路层实质是一个接口（网络层和数据链路层之间）；没有区分物理层和数据链路层；某些自主形成的协议已成障碍，比如TELNET最初是为每秒10个字符的机械电传打字终端设计的，它无法识别图形用户界面和鼠标。

5、网络实例

5.1因特网

• 因特网是大量不同网络的集合，这些网络使用公共的协议，提供特定的公共服务。
• APANET：起源于美苏冷战；加州Berkeley分校的研究人员用一种新的编程接口重写了TCP/IP，这个编程接口就是随着Berkeley Unix 4.2BSD一起发布的著名套接字；网络规模的增长催生了域名系统（DNS）的诞生。
• NSFNET：美国国家科学基金会（NSF）决定设计一个APANET的继任网络（NSFNET），对所有大学研究组开发；网络运营商出现。
• Internet体系结构：Intenet服务提供商简称为ISP，用户从ISP购买联网服务。Internet接入有多种类型。☆其一：使用电话线（即拨号上网）；电话公司就是ISP；DSL是数字用户线（digital subscriber line）的简称，它重复使用电话线传输数据；计算机与DSL调制解调器连接，该设备将发送方数据包转换成模拟信号，接收端之前会有一个数字用户线接入复用器将模拟信号转换为数据包。☆其二：通过有线电视系统发送信号；使用有线电视没有使用的信道来发送信号。家庭端的设备被称为线缆调制解调器，在有线电视电缆头端的设备被称为线缆调制解调终端系统。拨号速率被限制为56kb/s，以高于拨号速率接入Internet就被称为宽带。宽带是指更快网络所用的更宽的带宽，而不是特定的速度。其三：无线接入（以3G移动电话网络为例）。ISP存点：客户数据包进入ISP网络使用其服务的位置。ISP网络的体系结构由互联路由器的长距离传输线路组成，互联路由器位于不同城市的ISP存点，它们被称为骨干网。ISP有很多，为了交换流量，ISP将它们的网络连接到Internet交换点（IXP）。基本上，一个IXP就是一间放满了路由器的房间。IXP是否对等取决于ISP之间的业务关系，一个小型ISP可能会给大型ISP一定中转费用以便获得Internet连通服务，而对等的ISP可能不需要支付费用。

5.2第三代移动电话网络

• 高级移动电话系统（AMPS）是第一代系统；第二代移动电话系统从模拟传输切换到以数字形式传输语音通话，而且提供短信服务，全球移动通信系统（GSM）属于2G系统。第三代或3G系统能提供数字语音和宽带数字数据服务。通用移动通信系统（UMTS）也称宽带码分多址，是最主要的3G系统。
• 1G2G3G的稀缺资源是无线电频谱。频谱的稀缺导致了蜂窝网络的设计，在一个蜂窝内，为用户分配互不干扰的信道，而且分配的信道对相邻信道也不能干扰太大，这样使得频率重用，增加网络容量。当用户移动到另一个蜂窝网络覆盖范围时，数据流必须路由到新蜂窝基站。当信号质量下降时可能请求移交，在一些基于码分多址技术的蜂窝网络中，在断开旧基站之前就连接到新基站，用户在一瞬间与两个基站连接，这种移交方式称为软切换，否则是硬切换。
• 当有入境呼叫（来电）时，通过归属服务器（HSS）找到用户，HSS知道每个用户的位置及其他用于身份验证和授权的个人信息资料。
• 从2G的GSM系统开始，移动电话被分为手机和SIM卡（可移动芯片），这是用户识别模块的简称，它们提供安全的基础。SIM卡提供了加密密钥对传输通话进行加密。

5.3无线局域网：802.11

• 802.11运行在无需授权的频段上；802.11网络由客户机和接入点组成。接入点通常安装在建筑物内，有时也被称为基站，接入点连接到有线网络上，所有客户机通信要经过接入点。客户机也可以与位于无线电范围的其他客户机交谈，这种方式称为自组织网络。
• 在所使用的802.11频率上，无线电信号可能被固态物体反射出去，使得一个传输的多个回波可能沿着不同的路径到达接收器。回波可能相互抵消或者互为因果，造成接收的信号出现大幅波动，这种现象被称为多径衰落。克服多径衰落的方法是路径的多样性。
• 802.11还必须处理多个传输同时进行发生而导致的冲突问题，因为同时传输可能会干扰信号的接收。为了解决该问题，802.11采用了载波侦听多路访问。
• 移动客户移动到另一个接入点需要移交工作，解决方案是分布式系统将拥有各自接入点的蜂窝连接在一起，构成一个802.11网络。
• 无线传输是广播性质的，附近的计算机容易接受到并非发送给它们的信息包。802.11标准使用了有线等效保密的方案（WEP），此后被WiFi保护接入方案代替，最初称为WPA，现在更名WPA2。

5.4RFID和传感器网络

• 无线射频技术（RFID）技术可以让日常物品成为计算机网络的一部分。RFID标签像一个邮票大小的贴纸，可贴（嵌入）到某个对象，以此跟踪对象。标签由带有唯一标识符的芯片和一个接受无线电传输的天线组成。当对象进入到特定范围时，RFID读写器可以发现它们携带的标签并询问它们的信息，应用范围包括检查身份、管理供应链、计时比赛以及取代条形码等。
• 操作所需的能量来自于RFID读写器提供的无线电波形式。这项技术称为无源RFID，区别于少见的有源RFID（有电源）。
• 常见形式之一是超高频RFID（货运托盘、驾驶照），RFID读写器在902~928MHz频段发送信号，数米范围内的标签通过变它们反射读写器的方式进行通信，读写器能检测到这些信号。这种操作方式称为后向散射。另一种形式是高频RFID（用于护照、信用卡、删除和非接触式支付系统），因为其物理机制基于感应，因此传输距离短，典型范围时一米之内。还有低频RFID（动物跟踪）。
• RFID读写器必须以某种方式解决读写器范围存在多个标签的问题。解决方案是标签在用自己的标识符响应RFID读写器之前，等待一段随机时间，以便允许阅读器聚焦到单个标签。
• 很难确保RFID的安全性。
• 传感器网络：可以监测物理世界的各个方面，例如火山活动等。传感器节点是一台小型计算机，大约只有一个钥匙环大小，它们具有温度、震动以及其他传感器，节点被放置在监测环境中。它们使用电池，也可以通过震动和太阳能汲取能量。所有节点必须谨慎通信以便将它们的传感信息传递到一个外部数据搜集点，常用策略是各个节点自组织地中继彼此的消息，这种设计称为多跳网络。

6、网络标准化

6.1标准分类
可以分为两大类：事实标准和法定标准。事实标准指已经发生但没有任何正式计划的标准，例如作为web运行基础的HTTP协议，蓝牙。法定标准是指一些正规标准化组织采纳的规则。国际性的标准化权威组织通常可以分为两类：国家政府通过条约建立的和自愿的非条件组织。

6.2电信领域组织
国际电信联盟（ITU）的任务是对国际电信进行标准化。ITU有三个主要部门。ITU-T是电信标准化部门，主要关注电话和数据通信系统。ITU-R是无线电通信部门，主要协调全球无线电频率利益集团之间的竞争使用。ITU-D是发展部门，主要任务是促进信息和通信技术的发展。ITU-T完成了许多事情，例如H.264（也是ISO标准MPEG-4 AVC）被广泛用于视频压缩，X.509公钥证书被用于安全的web浏览和数字签名电子邮件。

6.3国际标准领域

• 国际标准是由国际标准化组织（ISO）制定和发布的，这是一个成立于1946年自愿的、非条约性质的组织，成员包括157个成员国的国家标准组织。ISO为大量学科制定标准，从螺钉螺帽、欲望、女士内衣以及其他人们不认为可以标准化的东西。有关电信标准方面，ISO和ITU-T经常合作（ISO是ITU-T的成员）。ISO有200多个技术委员会（TC），这些委员会按创建的顺序编号，各自负责特定主题。TC1处理螺钉和螺帽事务。JTC1处理信息技术，包括网络、计算机和软件，它时第一个联合技术委员会。每个TC有子委员会（SC），SC细分为工作组（WG）。
• 电气和电子工程师协会（IEEE）有一个标准化组，IEEE的802委员会已经标准化了很多类型的局域网。

6.4Internet标准领域
Internet体系结构委员会（IAB）

7、度量单位

网络传输速度10Mbps的含义是1000000bit/s，速度不是2的幂次方。磁盘中则是使用2的幂次方。