网络模型

网络模型：从 OSI 到 TCP/IP 的分层体系

网络模型是计算机网络通信的 “设计蓝图”，通过将复杂的通信过程拆分为分层的功能模块，降低了协议设计的复杂度，实现了不同设备和系统的互联互通。目前主流的网络模型包括OSI 七层模型、TCP/IP 四层模型和五层协议模型，它们虽结构不同，但核心思想一致：分层负责、接口标准化。

OSI/RM 七层模型（理论基石）

OSI（Open Systems Interconnection，开放系统互连）模型由 ISO（国际标准化组织）于 1984 年提出，是网络分层理论的经典框架。它将网络通信分为 7 层，从下到上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。尽管 OSI 模型因过于复杂未被广泛应用，但其分层思想为后续模型奠定了基础。

各层功能与核心特征

层级	名称	核心功能	典型协议 / 设备	数据单位
7	应用层	为用户应用程序提供网络服务（如文件传输、邮件收发）	HTTP、FTP、SMTP、Telnet	数据
6	表示层	处理数据格式转换（如加密 / 解密、压缩 / 解压、编码转换）	JPEG、ASCII、SSL/TLS（部分）	数据
5	会话层	建立、管理和终止进程间的会话连接（如断点续传的会话控制）	RPC、NetBIOS	数据
4	传输层	为端到端进程提供可靠或高效的数据传输（如分段、流量控制、重传）	TCP、UDP	段（TCP）/ 用户数据报（UDP）
3	网络层	负责跨网络的数据包路由和转发（如 IP 寻址、路径选择）	IP、ICMP、ARP、路由协议	分组 / 数据包
2	数据链路层	处理同一链路内的帧传输（如 MAC 寻址、差错校验、冲突处理）	Ethernet、PPP、MAC 协议	帧
1	物理层	传输原始比特流，定义物理介质的电气特性（如电压、接口、传输速率）	双绞线、光纤、集线器（Hub）	比特（bit）

OSI 模型的设计原则

• 功能分离：每一层专注于单一功能（如物理层仅负责比特传输，网络层仅负责路由）。
• 接口标准化：层与层之间通过明确的接口交互，上层无需关心下层的实现细节。
• 分层适度：层数足够多以避免功能混杂，同时避免过多导致复杂度上升。

通信流程

TCP/IP 四层模型（实际应用主流）

TCP/IP 模型源于美国军方的 ARPANET 项目，因互联网的普及而成为实际主导的网络模型。它将 OSI 模型简化为 4 层，注重实用性和协议的兼容性。

各层功能与核心协议

1. 网络接口层（Network Interface Layer）
   • 对应 OSI 的物理层和数据链路层，负责比特流的物理传输和链路帧处理。
   • 包含硬件接口（如网卡）、设备驱动和链路层协议（如 Ethernet、Wi-Fi）。
   • 无统一协议标准，依赖具体的物理介质和链路技术。
2. 网络层（Internet Layer）
   • 核心功能：跨网络路由和 IP 寻址，实现数据包从源主机到目标主机的转发。
   • 核心协议：
     • IP（网际协议）：定义 IP 地址格式和数据包结构，是 TCP/IP 的 “骨架”。
     • ARP（地址解析协议）：将 IP 地址映射为 MAC 地址。
     • ICMP（互联网控制消息协议）：用于网络诊断（如 ping 命令）。
   • 典型设备：路由器（根据 IP 地址选择路由）。
3. 传输层（Transport Layer）
   • 核心功能：为应用程序提供端到端的数据传输服务，屏蔽网络层的路由细节。
   • 核心协议：
     • TCP（传输控制协议）：面向连接、可靠传输（通过序号、确认、重传机制），适用于文件传输、网页加载等。
     • UDP（用户数据报协议）：无连接、不可靠但高效，适用于视频通话、实时游戏等。
   • 数据单位：TCP 称为 “段（Segment）”，UDP 称为 “用户数据报（Datagram）”。
4. 应用层（Application Layer）
   • 集成了 OSI 的会话层、表示层和应用层功能，直接为用户应用提供服务。
   • 常见协议：HTTP（网页传输）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件发送）、DNS（域名解析）等。

五层协议模型（教学简化模型）

五层协议模型是为了便于教学而提出的折中方案，将 TCP/IP 的网络接口层拆分为物理层和数据链路层，既保留了 OSI 的分层清晰性，又贴近 TCP/IP 的实际应用。

各层功能概述

1. 物理层：传输比特流，定义物理介质特性（如电压、接口类型）。
2. 数据链路层：封装 IP 数据包为帧，通过 MAC 地址实现同一链路内的设备通信（如交换机转发）。
3. 网络层：通过 IP 地址和路由协议实现跨网络数据包转发（如路由器）。
4. 传输层：通过 TCP/UDP 为应用程序提供端到端传输服务。
5. 应用层：为用户应用提供具体网络服务（如 HTTP、FTP）。

三种模型的对比与关联

OSI 七层模型	五层协议模型	TCP/IP 四层模型	核心功能共性
应用层	应用层	应用层	为用户应用提供网络服务
表示层	应用层（包含）	应用层（包含）	数据格式处理（加密、编码等）
会话层	应用层（包含）	应用层（包含）	会话管理与连接控制
传输层	传输层	传输层	端到端数据传输（可靠 / 高效）
网络层	网络层	网络层	跨网络路由与 IP 寻址
数据链路层	数据链路层	网络接口层（包含）	链路内帧传输与 MAC 寻址
物理层	物理层	网络接口层（包含）	原始比特流传输与物理介质交互

数据通信的分层封装与解封装流程

无论哪种模型，数据通信都遵循 “分层封装、逆向解封装” 的原则：

1. 发送端封装：
   • 应用层数据依次经过传输层、网络层、数据链路层、物理层，每层都会添加该层的首部（部分层添加尾部）。
   • 示例：HTTP 数据 → 加 TCP 首部（段） → 加 IP 首部（数据包） → 加 MAC 首部和尾部（帧） → 转换为比特流传输。
2. 接收端解封装：
   • 物理层将比特流转换为帧 → 数据链路层剥离 MAC 首部，得到数据包 → 网络层剥离 IP 首部，得到段 → 传输层剥离 TCP/UDP 首部，得到应用层数据 → 提交给应用程序。
3. 核心意义：每层仅处理本层的首部信息，实现 “各司其职”，降低了协议设计的复杂度。