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TCP/IP 協定與 Internet 網路：第一章 TCP/IP 協定簡介 上一頁 下一頁
翻轉工作室：粘添壽
1-4 OSI 參考模型
早期通訊協定的制定，是各廠商依照自己環境需求建構而成，不同廠家之間的電腦網路無法相互連接，我們稱之為『封閉系統』(Closed System)。隨著電腦的普及化，封閉式的通訊協定漸漸失去競爭力，制定國際化的標準協定就有其必要性。在 1978 年『國際標準組織』 (International Standards Organization, ISO) 制定 『開放式系統連結』 (Open System Interconnected, OSI) 通訊協定標準，希望各家廠商依照此標準來製作通訊軟體，使各家廠商電腦得以互相通訊。當時『開放式系統』(Open System)不逕而走，許多廠商開始大量生產 OSI 通訊產品，大家一致認為，OSI 通訊協定必定能整合全世界網路。但好景不長，OSI 所訴求的高品質通訊能力，在當時並沒有特殊的商場需求。簡單的說，它是個美夢，這個美夢要求太過完美，超出當時的需要，也不容易實現它。
一種不受重視的通訊協定正在無形中蠶食著網路市場，它就是 TCP/IP 通訊協定。這種連結性簡單又缺乏保密措施的 TCP/IP 網路，一直都被認為只能應用在專屬網路(如公司、學校、研究機關的網路)上，而且大家認為在公眾網路上使用 TCP/IP 協定，是一件非常危險的事(可靠性和保密性都低)。但是我們提過，Internet 網路是由下而上的發展，客戶總是希望使用連結性高，而且又是免費的通訊軟體(TCP/IP 隨 Unix 系統贈送)，也不知道怎麼地，網頁通訊和電子郵件系統突然在網路市場上大量風行，這些通訊應用基本上都建構在 TCP/IP 通訊協定上，也使 TCP/IP 和 Unix 系統突然之間大量使用在各種用環境裡。下層的應用環境大多使用 TCP/IP 通訊協定，上層的網路架構也就從下層網路連結而成，因此，TCP/IP 架構的 Internet 網路就在這無預警的情況之下，取代了 OSI 網路。各家電腦廠商(如，IBM)也不得不開始轉向生產TCP/IP 通訊產品。但當 Internet 網路愈加廣泛時，應用環境也愈加嚴謹。譬如，電子商務的要求，不但可靠性要高，安全性也要完整，不容任何的疏忽。因此，工業界大量研發各種安全性技術來彌補 Internet 網路的不足，再加入其它功能層次來完成。如此，Internet 網路又漸漸接近於 OSI 網路。唉！因此我們也可以說，不是 OSI 網路不好，而是時機不對。
目前幾乎沒有人再去探討 OSI 通訊協定，但是 OSI 所制定的七個通訊層次，一直都是表現通訊協定的最佳教材，因此，也稱之為『OSI 參考模型』(OSI Reference Model)。也就是說，雖然我們不再談 OSI 通訊協定，但我們可以由 OSI 的基本理念來探討通訊協定在網路中扮演何種角色？它的功能為何？如何來整合各種異質性的電腦？
1-4-1 OSI 協定堆疊
OSI 將通訊協定的功能區分為下列七個層次：(如圖 1-10)
(1) 第一層：『實體層』(Physical Layer)
主要是定義網路系統中實際的連線，如同軸電纜、絞對線、光纖、無線電波等等。其中還包括定義機械、電氣實際傳輸資料的硬體設備規範，像是纜線規格、接頭尺寸、訊號電壓、資料傳輸時序等等。譬如RS-232、RS-499、X.21等等。
(2) 第二層：『資料連結層』(Data-Link Layer)
主要是定義如何將傳輸資料分裝成資料封包格式的規格，檢查資料傳輸錯誤的方法、以及執行資料傳送中的同步化問題、錯誤控制、流量控制和鏈路管理等等。以確保經過實體層的資料的可靠性及整合性。譬如Ethernet、IBM SDLC、FDDI等網路連結技術。
(3) 第三層：『網路層』(Network Layer)
主要是定義電腦之間虛擬電路的建立、維持和終止，封包交換的路徑選擇、壅塞疏通及流量控制等，並確保網路第四層以上的工作和第三層以下的實體之間傳輸、交換的技術是互不相關。另外，網路層的特殊功能是規劃路徑協定中的交換功能，譬如IP(Internet Protocol)。
(4) 第四層：『傳輸層』(Transport Layer)
主要是定義真實的發送端和接收端或是稱為端點對端點(End to End)連線技術。主要的工作是資料傳送及流程控制等等。其中包含資料封包的傳送線路、傳輸錯誤的偵測和復原，以及資料封包的重新排列，確保所有資料片段都能正確無誤地傳送完成，例如 TCP 協定。
(5) 第五層：『交談層』(Session Layer)
定義不同機器上使用者雙方會議的建立、維持和終止的方法。除了建立許多應用程式之間的對談(Dialogue)外，還提供了一些加強型的服務。譬如網路管理、密碼辨識、簽到簽退、網路監控、對談控制、符記管理(Token Management)及同步管理(Synchronization Management)等。
(6) 第六層：『表現層』(Presentation Layer)
主要是定義應用程式和通訊軟體控制程式之間的資料格式及轉譯。譬如資料的壓縮和還原、網路安全、檔案傳送格式的轉換及語言翻譯等等，目前更著重於資料加密和解密的工作。
(7) 第七層：『應用層』(Application Layer)
是OSI模式的最上層，主要定義使用者和通訊軟體之間的介面。最常見的形式就是一般的網路應用程式，功能包括檔案的開啟、關閉、讀取、及複製等。例如電子郵遞系統、資料庫管理系統。
圖 1-10 OSI 參考模式
1-4-2 OSI參考模型範例
如果僅由上面的敘述，要讀者了解通訊協定裡各種層次的功能，這確實有點困難，我們用圖 1-11 的範例來說明較為明確。圖中使用者在 A 電腦(Win-98)上執行 IE(Internet Explore)瀏覽遠端主機(電腦 B)的網頁(Web Server)，它們之間是透過 Internet 網路連接，雙方甚至不知道對方位於何處。我們依照這個範例來說明各個協定層次，在此扮演何種功能。
圖 1-11 WWW網路應用範例
圖 1-12 為各層次通訊軟體所提供之功能，我們必須強調各個層次都有它的專屬功能，而且層次之間的功能互不相衝突與重疊，這才符合通訊協定的堆疊原理。另一方面，我們只列出各個層次所具備之功能，這些功能可以由不同的網路型態來完成，至於使用何種網路型態，必需依照網路架設環境，以及使用需求而定。以下分別依照範例說明各層次之功能：
圖 1-12 TCP/IP 網路各層次連結功能
(A) 實體層連結功能
基本上，實體層是定義網路上的訊號方式、連線線材、或連線接頭規格。但由這範例中，電腦 A 和電腦 B之間經過了許多網路或網路片段，在每一個網路片段中都有其實體層的標準。以電腦 A 而言，它和 node1 之間必需合乎同一規格，至於 node1 和其它端點之間的規範，並不影響電腦 A 的規範。因此，各個網路片段都可能有獨立的實體層規格，但每一端點都必須負責不同訊號方式的轉換。雖然電腦 A 和電腦 B之間有不同的訊號方式，但隨著各端點訊號的轉送，它們之間的通訊還是可以達成的。簡單的說，實體層就像電話系統的接線，它定義電話線插頭、語音在電話上的傳遞方式，雖然它和手機電話有不同的實體連線方式(手機電話是利用無線電波)，但它們之間還是可以通話。
(B) 資料連結層功能
主要定義電腦在網路上如何取得傳輸媒介的方法，以及如何將一串列的訊號發送到網路上。在實體層式定義每一位元如何轉換成電氣訊號，此層是定義如何整合一串訊號成為一個獨立的訊框，再發送到網路，而對方如何辨識一個訊框的起始和結束，並偵測訊號在傳輸當中是否受到外來訊號干擾而發生錯誤。另一方面，電腦網路大多是透過共享傳輸媒介來傳送訊號，電腦之間應採用何種公平競爭的方法，讓各個電腦都有機會取得傳輸媒介的使用權，這些都是資料連結層所必須規範的。如圖 1-12 中，電腦 A 和電腦 B 之間，也許是經過許多網路，譬如，它們之間經過 node1、node2、node4 與 node7 等端點，也許在各個端點之間都是不同的網路，對電腦 A 而言，只要能連結到 node1 端點即可，其它端點之間連結，就讓其他網路去負責，與電腦 A 的網路無關。就好像電話系統，只要客戶拿起話機聽到撥號音，便表示話機與交換機之間也連結成功，至於交換機以後的連結，就讓其他網路去負責。因此，資料連結層的功能稱之為『端點對端點的連結』(Node-to-Node Connection)。
以上是我們為了說明方便，將資料連結層之間以端點(node)表示，一般資料連結層大多是以區段(Segment)來表示。如以實際範例而言，電腦之間也許透過集線器(Hub)或 Ethernet 交換器來互相連接，由電腦到集線器，或經由交換器之間連接稱之為『區段』，多個區段之間的連接功能就是由資料連結層負責。
(C) 網路層功能
網路層的主要工作是路徑選擇，譬如，電腦 A 如何在複雜的網路上找到電腦 B。路徑選擇工作必需網路上每一個端點共同來完成，譬如，當資料封包由電腦 A 送到 node1 時，必需由 node1 判斷應該由哪一路徑才可到達電腦 B，如果 node1 找到往 node2 路徑可以到達，便將封包傳送給 node2。node2 收到封包後，再由它決定哪一路徑可以到達目的(也許 node3 或 node4)。雙方通訊經過網路層服務之後，就能連接到目的地，結果是不論雙方距離多遠，兩部電腦就好像在相鄰的桌上。因此稱之為『工作站對工作站連線』(Station-to-Station Connection)。也好像撥電話一樣，當接通電話之後，無論雙方距離多遠，就好像撥給旁邊的電話一樣。
(D) 傳輸層功能
傳輸層的連接型態就好像電話系統中的分支電話一樣，當撥接通某一支電話時，只找到電話位址而並未連接到所欲通話的對象，也許可再撥接分機號碼(或請他人呼叫)，才可以連結到通訊對象。傳輸層就好像分機號碼，雙方連結到工作站這是網路層的工作，在每一工作站上也許會有許多使用者或應用程式，譬如，Win-98 上(圖 1-12)有 IE、Telnet、ftp 通訊程式，它們都可獨立連結到外部網路，也都使用同一個網路層位址，它們之間分辨就如同一支電話上的分機號碼。因此網路層是負責工作站與工作站之間的連接，而傳輸層是負責工作站內使用者對使用者的連接，又稱之為『程序對程序連線』(End-to-End Connection)。
(E) 表現層功能
當使用者在電話兩端時(也許在分支電話上)，它們之間要對話之前必須決定用什麼語言來對話，這就是表現層所必須定義的。如圖 1-12 中，也許使用者在 IE 瀏覽器上採用商品，當他輸入信用卡號碼時，此時就需利用雙方所認可的加密方式，將信用卡號碼加密，此為表現層所必需負責的工作。
(F) 交談層功能
當傳輸層完成程序間連線之後，表示雙方可以利用此連線來通訊，但非表示雙方隨時在交談之中，交談層負責管理雙方交談的程序，宛如電話系統中，必需決定哪一方可以發話、或雙方可以同時發話等交談次序，如圖 1-13 所示。交談型態可能是一對一模式(一般對話)、一對多模式(三方通訊)或多對多模式(會議電話)，交談層必需負責管理發話的次序和傳遞的順序，因此交談層稱為『對談連線』(Dialogue-to-Dialogue)。在圖 1-12 中，也許使用者在瀏覽器上執行會議電話，交談層就必須負責它們之間對談的連接。
圖 1-13 交談層之對談連線
(G) 應用層功能
簡單的說，應用層是依照某種應用需求而制定的通訊協定，譬如圖 1-13 中，電腦 A 和電腦 B 之間需要瀏覽網頁，它們之間針對此需要而必須用 HTTP 協定來傳遞訊息，這 HTTP 協定就是應用層的通訊協定。客戶端（IE）利用 HTTP 協定向伺服器端（Web Server）要求傳輸網頁。
並非所有網路上的通訊軟體都具備有七層通訊協定，而是視其需要來建構哪些通訊軟體，譬如，早期 Internet 網路並不具有表現層和交談層功能，但隨著環境的需要也漸漸另闢其它層次來負責這些功能。