一、网络协议
在计算机网络系统中，为了保证通信双方能正确而自动地进行数据通信，针对通信过程的各种情况，制定了一整套约定——网络系统的通信协议。网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分。
1、协议的定义
简单地说，协议是指通信双方必须遵循的、控制信息交换的规则的集合，是一套语义和语法规则，用来规定有关功能部件在通信过程中的操作，它定义了数据发送和接收工作中必经的过程。协议规定了网络中使用的格式、定时方式、顺序和检错。
2、协议的组成
一般说，一个网络协议主要由语法、语义和同步三个要素组成。
语法指数据与控制信息的结构或格式，确定通信时采用的数据格式，编码及信号电平等。
语义由通信过程的说明构成，它规定了需要发出何种控制信息完成何种动作以及做出何种应答，对发布请求、执行动作、以及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息。
同步是对事件实现顺序的详细说明，指出事件的顺序以及速度匹配。
3、协议的特点
现代计算机网络采用高度结构化的设计和实现技术，是用分层或协议分层来组织的。每一层和相邻层有接口，较低层通过接口向它的上一层提供服务，但这一服务的实现细节对上层是屏蔽的。较高层又是在较低层提供的低级服务的基础上实现更高级的服务。
网络系统体系结构是有层次的，通信协议也被分为多个层次，在每个层次内又可分成若干子层次，协议各层次有高低之分。
只有通信协议有效，才能实现系统内各种资源共享。如果通信协议不可靠就会造成通信混乱和中断。
在设计和选择协议时，不仅要考虑网络系统的拓扑结构、信息的传输量、所采用的传输技术、数据存取方式，还要考虑到其效率、价格和适应性等问题。
二、开放式系统互连参考模型OSI
在计算机网络产生之初，每个计算机厂商都有一套自己的网络体系结构的概念，它们之间互不相容。为此，国际标准化组织（ISO）在1979年建立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统互联的体系结构(Open Systems Interconnection)简称OSI，ISO/IEC 是 国际化标准组织和国际电工委员会的英文缩写，它是致力于国际标准的、自愿和非盈利的专门机构。"开放"这个词表示：只要遵循OSI标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循OSI标准的其他任何系统进行连接。这个分委员提出了开放系统互联，即OSI参考模型，它定义了连接异种计算机的标准框架。OSI是Open Systems Interconnection的简称，其中文译名为“开放式系统互联”。开放系统互连七层模型的定义和功能是网络技术入门者的敲门砖，也是分析、评判各种网络技术的依据。OSI模型为一种分层结构，通过这种结构，使得网络中不同计算机间相互交换信息的方式标准化。
开发系统互联OSI参考模型是在1984年由国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization ）发布的，现在已被公认为计算机互联通信的基本体系结构模型，该模型是设计和描述网络通信的基本框架，描述了信息如何从一台计算机的应用层软件通过网络媒体传输到另一台计算机的应用层软件中。该模型应用Z多的就是描述网络环境。生产厂商根据OSI模型的标准设计自己的产品。它描述了网络硬件和软件如何以层的方式协同工作进行网络通信。
1、 OSI的分层结构
OSI参考模型定义了不同计算机互连标准的框架结构，得到了国际上的承认，被认为是新一代网络的结构。OSI参考模型的系统结构是层次式结构，由七层组成，它从高层到低层依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层等，各个层次包含了不同的网络活动和设备，以及相应的技术接口，此外，各个层次还拥有独立的称之为协议的标准。各层间相对独立，并且下一层为上一层提供服务。通过分层可以把复杂的通信过程分成了多个独立的、比较容易解决的子问题。
开放式系统互连模型的Z大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来：服务说明某一层为上一层提供一些什么功能，接口说明上一层如何使用下层的服务，而协议涉及如何实现本层的服务；这样各层之间具有很强的独立性，互连网络中各实体采用什么样的协议是没有限制的，只要向上提供相同的服务并且不改变相邻层的接口就可以了。网络七层的划分也是为了使网络的不同功能模块（不同层次）分担起不同的职责，从而带来如下好处：
减轻问题的复杂程度，一旦网络发生故障，可迅速定位故障所处层次，便于查找和纠错；
在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层的不同网络设备能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协议可放在多种低层协议上运行；
l 便于研究和教学。
2、各层的主要功能
物理层(Physical Layer)
OSI模型的Z低层是物理层，也是OSI分层结构体系中Z重要、Z基础的一层，它是建立在通信介质基础上的，它直接面向传输介质，实现设备之间的物理接口，为数据链路层提供一个传输原始比特流的物理连接。。通过通信介质实现二进制比特流的传输，负责从一台计算机向另一台计算机传输比特流（0和1）。物理层定义了数据编码和流同步，确保发送方与接收方之间的正确传输；定义了比特流的持续时间以及比特流是如何转换为可在通信介质上传输的电或光信号；定义了线缆如何接到网卡上。我们知道，要传递信息就要利用一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆等，但具体的物理媒体并不在OSI的7层之内，有人把物理媒体当作第0层，物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接，并为建立、维持和拆除物理连接规定了它们的机械、电气、功能和过 程特性。在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，单位是比特。
物理层的机械特性：物理连接时所采用的连接器的几何尺寸、插针和插孔数量及排列顺序等。
物理层的电气特性：在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电压的高低、阻抗的匹配、传输速率和距离的限制。
物理层的功能特性：物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义
物理层的规程特性：利用信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，即各信号线的工作规则和先后顺序。
在物理层中，为用户设备提供入网连接点的设备被称为数据通信设备 （DCE）;拥有的数据设备被称为数据终端设备 （DTE）;
数 据 链 路 层(Data Link Layer)
数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错的传送以帧为单位的数据，负责建立、维持和释放数据链路的连接，向网络层提供可靠透明的数据传输服务组帧。数据帧是存放数据的有组织的逻辑结构，每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息，含有源站点和目的站点的物理地址。通常，数据链路层发送一个数据帧后，等待接收方的确认。接收方数据链路层检测数据帧传输过程中产生的任何问题。没有经过确认的帧和损坏的帧都要进行重传。在传送数据时，如果接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发该帧。
网 络 层(Network Layer)
网络层，负责信息寻址和将逻辑地址和名字转换为物理地址，决定从源到目的计算机之间的路由，根据物理情况、服务的优先级和其他因素等，确定数据应该经过的通道；管理物理通信问题，如报文交换、路由和数据竞争控制等。在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点， 确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息- -源站点和目的站点地址的网络地址。
传 输 层(Transport Layer)
传输层是整个协议层次的核心。它根据通信子网的特性Z佳的利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为两个端系统（也就是源站和目的站）的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，提供数据流控制和错误处理，以及与报文传输和接收有关的故障处理，负责可靠地传输数据，确保报文无差错、有序、不丢失、无重复地传输。传输层对信息重新打包，将长的信息分成几个报文，并把小的信息合并成一个报文，从而使得报文在网络上有效的传输。在接收端，传输层对信息解包，重新组装信息，通常还要发送、接收、确认信息。
会 话 层(Session Layer)
对话层也可以称为会晤层。在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。会话层，允许不同计算机上的两个应用程序建立、使用和结束会话连接，协调数据发送方、发送时间和数据包的大小等。会话层也执行名字识别以及安全性等功能，允许两个应用程序跨网络通信。会话层通过在数据流上放置检测点来保护用户任务之间的同步。这样，如果网络出现故障，只有Z近检测点之后的数据才需要重传。
表 示 层(Presentation Layer)
表示层在会话层和应用层之间，这一层主要解决拥护信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。负责协议转换、翻译数据、加密数据、改变或转换字符集以及扩展图形命令；负责数据压缩以便减少网上数据的传输量。它为异种机通信提供一种公共语言，确定计算机之间交换数据的格式，可称其为网络转换器。在发送计算机方，表示层将应用层发送下来的数据转换成可辨认的中间格式；在接收计算机方，表示层将数据的中间格式转换成应用层可以理解的格式。这种类型的服务之所以需要，是因为不同的计算机体系结构使用的数据表示法不同。对于用户数据来说，可以从两个侧面来分析：一个是数据含义被称为语义同，另一个是数据的表示形式，称做语法，像文字，图形，声音，文种，压缩，加密等都属于语法范畴。例如：ASCⅡ，EBCDIC，JPEG，GIF，PICT，MIDI，MPEG等。表示层上还运行重定向器（Redirector）工具，对网络资源的I/O操作重定向到服务器上。
应 用 层(Application Layer)
应用层，即OSI模型的Z高层，是应用程序访问网络服务的窗口，应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务。该层服务直接支持用户的应用程序，如文件传输、数据库访问和电子邮件等。应用层处理一般的网络访问、流量控制和错误恢复。在OSI的七个层次中，应用层是Z复杂的，所包含的应用层协议也Z多，有些还正在研究和开发之中。
3、OSI模型系统间的通信
OSI参考模型的各层使用不同格式的控制信息，以便与其它计算机系统的对等层进行通信，这个控制信息由对等OSI层之间交换的特殊请求和指令组成。控制信息一般采用数据头或数据尾的形式。数据头附加在上层传输下来的数据之前；数据尾附加在上层传输下来的数据之后。一个OSI层并不一定必须附加一个数据头或数据尾到上层的数据中。此外，在一个OSI层信息中，信息单元的数据部分还包括所有从上层传送下来的数据头，数据尾和数据，这就是众所周知的“封装（Encapsulation）”。
信息交换发生在对等OSI层之间，源系统中的每一层把控制信息附加到数据中，而目的系统的每一层则对接收到的信息进行分析，并从数据中移除控制信息。例如系统A 的数据从应用层软件发往系统B，数据首先被传输到系统A的应用层，然后由系统A的应用层将系统B应用层所需的控制信息附加在实际传输的数据之前，封装后的信息单元（数据头和数据）被传输到表示层，表示层再将包含有系统B表示层所需的控制信息附加到数据头中，随着每层附加包含系统B同层所需要的控制信息的数据头（或数据尾），信息单元长度不断变化，整个信息单元在物理层被传输给网络介质， 并通过介质发送到系统B。 系统B 的物理层接收到信息单元后，将它传送到数据链路层，然后系统B的数据链路层读取附加的控制信息，移去数据头，并把信息单元的余留部分传送到网络层。每一层都读取并移去该层的数据头，然后将信息单元的余留部分传送到上一层，在应用层执行完这些步骤之后，系统A中的数据就以非常精确的格式传送到系统B的应用软件中了。
三、OSI参考模型与TCP/IP协议的比较研究
使网络中的两台计算机系统通信需要一致的协议，同时不通主机、不同厂商的网络互联需要统一的标准。国际标准化组织（ISO）早在20多年前就提出了开放系统互联（OSI）参考模型。OSI模型提出后的20多年来，有关网络协议设计的思想已经有了很大发展，许多现代的网络协议（例如本文将要介绍的TCP/IP协议）也不完全符合OSI模型，但是OSI的概念与思想仍然被保留了下来。
1、OSI参考模型
OSI/RM只给出了计算机网络的一些原则性说明，并不是一个具体的网络。它将整个网络的功能划分成七个层次（如图1所示）。层与层之间的联系是通过各层之间的接口来进行的，上层通过接口向下层提出服务请求，而下层通过接口向上层提供服务。两个用户计算机通过网络进行通信时，除物理层之外，其余各对等层之间均不存在直接的通信关系，而是通过各对等层之间的通信协议来进行通信（用虚线连接），只有两物理层之间通过传输介质进行真正的数据通信。
2、TCP/IP协议分层
网络接口层 这是TCP/IP协议的Z低一层，包括有多种逻辑链路控制和媒体访问协议。网络接口层的功能是接收IP数据报并通过特定的网络进行传输，或从网络上接收物理帧，抽取出IP数据报并转交给网际层。
网际网层（IP层） 该层包括以下协议：IP（网际协议）、ICMP（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）、ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）、RARP（Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议）。该层负责相同或不同网络中计算机之间的通信，主要处理数据报和路由。在IP层中，ARP协议用于将IP地址转换成物理地址，RARP协议用于将物理地址转换成IP地址，ICMP协议用于报告差错和传送控制信息。IP协议在TCP/IP协议组中处于核心地位。
传输层 该层提供TCP（传输控制协议）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）两个协议，它们都建立在IP协议的基础上，其中TCP提供可靠的面向连接服务，UDP提供简单的无连接服务。传输层提供端到端，即应用程序之间的通信，主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。
应用层 TCP/IP协议的应用层相当于OSI模型的会话层、表示层和应用层，它向用户提供一组常用的应用层协议，其中包括：Telnet、SMTP、DNS等。此外，在应用层中还包含有用户应用程序，它们均是建立在TCP/IP协议组之上的专用程序。
3、OSI参考模型与TCP/IP协议的比较
OSI参考模型与TCP/IP协议作为两个为了完成相同任务的协议体系结构，因此二者有比较紧密的关系，下面我们从以下几个方面逐一比较它们之间的联系与区别。
l 分层结构
OSI参考模型与TCP/IP协议都采用了分层结构，都是基于独立的协议栈的概念。OSI参考模型有7层，而TCP/IP协议只有4层，即TCP/IP协议没有了表示层和会话层，并且把数据链路层和物理层合并为网络接口层。不过，二者的分层之间有一定的对应关系，
l 标准的特色
OSI参考模型的标准Z早是由ISO和CCITT（ITU的前身）制定的，有浓厚的通信背景，因此也打上了深厚的通信系统的特色，比如对服务质量（QoS）、差错率的保证，只考虑了面向连接的服务。并且是先定义一套功能完整的构架，再根据该构架来发展相应的协议与系统。
TCP/IP协议产生于对Internet网络的研究与实践中，是应实际需求而产生的，再由IAB、IETF等组织标准化，而并不是之前定义一个严谨的框架。而且TCP/IPZ早是在UNIX系统中实现的，考虑了计算机网络的特点，比较适合计算机实现和使用。
l 连接服务
OSI的网络层基本与TCP/IP的网际层对应，二者的功能基本相似，但是寻址方式有较大的区别。
OSI的地址空间为不固定的可变长，由选定的地址命名方式决定，Z长可达160byte，可以容纳非常大的网络，因而具有较大的成长空间。根据OSI的规定，网络上每个系统至多可以有256个通信地址。
TCP/IP网络的地址空间为固定的4byte（在目前常用的IPV4中是这样，在IPV6中将扩展到16byte）。网络上的每一个系统至少有一个唯yi的地址与之对应。
l 传输服务
OSI与TCP/IP的传输层都对不同的业务采取不同的传输策略。OSI定义了五个不同层次的服务：TP1，TP2，TP3，TP4，TP5。TCP/IP定义了TCP和UPD两种协议，分别具有面向连接和面向无连接的性质。其中TCP与OSI中的TP4，UDP与OSI中的TP0在构架和功能上大体相同，只是内部细节有一些差异。
l 应用范围
OSI由于体系比较复杂，而且设计先于实现，有许多设计过于理想，不太方便计算机软件实现，因而完全实现OSI参考模型的系统并不多，应用的范围有限。而TCP/IP协议Z早在计算机系统中实现，在UNIX、Windows平台中都有稳定的实现，并且提供了简单方便的编程接口（API），可以在其上开发出丰富的应用程序，因此得到了广泛的应用。TCP/IP协议已成为目前网际互联事实上的国际标准和工业标准。
4、OSI参考模型与TCP/IP协议的发展趋势
从以上的比较可以看出，OSI参考模型和TCP/IP协议大致相似，也各具特色。虽然TCP/IP在目前的应用中占了统治地位，在下一代网络（NGN）中也有强大的发展潜力，甚至有人提出了“Everything is IP”的预言。但是OSI作为一个完整、严谨的体系结构，也有它的生存空间，它的设计思想在许多系统中得以借鉴，同时随着它的逐步改进，必将得到更广泛的应用。
TCP/IP目前面临的主要问题有地址空间问题、QoS问题、安全问题等。地址问题有望随着IPV6的引入而得到解决，QoS、安全保证也正在研究，并取得了不少的成果。因此，TCP/IP在一段时期内还将保持它强大的生命力。OSI的确定在于太理想化，不易适应变化与实现。因此，它在这些方面做出适当的调整，也将会迎来自己的发展机会。
尽管OSI模型在各种场合得到了广泛的应用，但由于其建立时间过早，各种网络的发展不断突破了OSI参考模型，特别是互联网的发展，对OSI模型是一个巨大的挑战。OSI参考模型的教训是：首先，引入时间过晚，建立标准时TCP/IP已在大学使用，而后来又被广泛使用；其次，在技术上不能完全适应网络发展现状，如会晤层在大多数应用中很少使用，表述层几乎是空的，实际上英国给ISO的建议只有5层，而不是7层。相反数据链路层和网络层内容过多，有时不得不分成子层，每一子层赋予不同的功能。OSI的另一个问题是有些功能在不同的层一再出现，如编址、流量控制、纠错等等。有些功能放在那里很难达成一致意见，如安全性、加密及网络管理层很难达成一致而干脆未包括在内。同时OSI完全忽略了无连接业务的相应的协议，而这在LAN和演播室局域网中得到了广泛的应用，只是后来才加以补充。另一个严重问题是OSI主要考虑通信，而计算机世界有相当多的不同点。Z后在OSI的实现和政策上都有一些问题。
可以看到，其中不存在会晤层和表述层，主要面向连接的网络层也被以包交接为基础的无连接互联网络层代替，称为互联网层，数据链路层和物理层也大大简化为主机到网络层（Host-To-Network），除了指出主机必须使用能发送IP包的协议外并不规定什么。在互联网层中定义了包结构和相应的协议，称为互联网协议（IP：Internet Protocol），主要作用是将IP包送到相应的地址。TCP/IP传送层的作用类似于OSI传送层的作用，是使源和目标设备相互对话。TCP/IP定义了两种端到端协议，diyi种是传输控制协议（TCP：Transmission Control Protocol），是可靠的面向连接的协议，能确保拜特流无误码从源设备传送到互联网中的其他设备。它将输入拜特流分割成较小的信息并将其每一个都放入互联网层，在接收端，接收TCP重组所接收的信息还原成原拜特流。TCP还进行流量控制，确保较高速的发送端不会使较低速的接收设备过载。第二种协议是用户数据报协议（UDP：User Datagram Protocol），是一个非确保的无连接协议，用于那些不需要TCP顺序和流量控制的应用，广泛用于单项数据传输、服务器用户类型的应答应用。在这些应用中，即时传送比精确传送更重要，典型的应用就是语言和视频传输。 在传送层上面是应用层，包括了所有终端协议。早期的包括虚拟终端（TELNET），文件传送（FTP）和电子邮件（SMTP），虚拟终端协议允许用户登录道远端设备并在那里工作。以后加入的有域名服务（DNS：Domain Name Service）、网络新闻传送协议（NNTP：Network News Transport Protocol） 和超文本传输协议(HTTP: Hyper Text Transport Protocol)。域名服务将主机名字与网络地址相匹配；网络新闻传送协议用于在网上到处发送新闻；超文本传输协议用来传输网页。
TCP/IP也不是对什么情况下都适合的，它没有象OSI模型那样有明确定义的“服务”、“接口”和“协议”，因此软件工程师在设计时，在规范和实现之间有较大的距离，也很少有使用新技术设计新网络的指导意见。TCP/IP也很难用来描述不同需要的其他协议，其中的主机到网络层也很难说是一层，不能区分物理层和数据链路层，而它们是完全不同的。另一个问题是由于TCP/IP应用的广泛，经常会有一个大学的学生设计一些新的功能，并无偿提供使用，其中有一些被广泛扩散，但由于考虑不是很全面，而很难替代，如虚拟终端协议TELNET原是为每秒10个字符设计的远端打字终端，与图形用户接口和鼠标无关，但25年后的今天，他仍然使用。与OSI的另一个区别是，OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，而TCP/IP在网络层只支持无连接通信，而在传送层可以支持两种通信。
