3.4.1 OSI參考模型

1.OSI參考模型概述

開放系統互連參考模型（OSI/RM）是一個開放式計算機網絡的層次結構模型。“開放”表示任何兩個遵守了參考模型及相關標準的系統都可以進行互連。這個模型定義了異種計算機標準間的互連。之所以提出這樣一個參考模型，是由于在1974年IBM公司提出了世界上第一個系統網絡體系結構（SystemNetworkArchitecture,SNA）之后，各廠商紛紛提出自己的網絡體系結構。為了避免各種網絡體系結構之間在互連、互操作和可移植性方面可能出現的問題，ISO在1978年提出了OSI/RM.此標準在1983年成為正式的國際標準。遵循這個標準的系統可以和其他任何遵守該標準的系統進行通信。因此稱其為“開放”系統互連參考模型。

OSI參考模型僅僅提出了對于系統的體系結構（Architecture）、服務定義（ServiceDefinition）和協議規格說明（ProtocolSpecification）的描述，并沒有提出任何具體協議，也沒有給出任何具體的實現方法。因此實現這樣一個參考模型時，還需要對具體的協議和實現協議的具體辦法進行研究。這是一個非常龐雜的任務，到目前為止，世界上還沒有任何一個廠商或者組織真正實現了這個參考模型。事實上，這個參考模型具有雙重意義，它為人們研究相關的協議提供了一個很好的參考，但是從另外一個意義上講，過分關注這個模型可能會使人們的研究走入困境。也正因為如此，人們提到網絡體系結構時都要說到七層模型，但實際中使用的標準卻不是這個七層模型，而是TCP/IP參考模型。

OSI參考模型對系統體系結構、服務定義和協議規范三個方面進行了定義。它定義了一個七層模型，用以進行進程間的通信，并作為一個框架來協調各層標準的制定：OSI的服務定義描述了各層所提供的服務，以及層與層之間的抽象接口和交互用的服務原語：OSI各層的協議規范精確地定義了應當發送何種控制信息以及應該通過何種過程對此控制信息進行解釋。

（1）七層結構。OSI/RM將系統分成了七層，從下到上分別為物理層（PhysicalLayer,PH）、數據鏈路層（DataLinkLayer,DL）、網絡層（NetworkLayer,N）、傳輸層（TransportLayer,T）、會話層（SessionLayer.S）、表示層（PresentationLayer,P）和應用層（ApplicationLayer,A），如圖3-2所示。

（2）數據傳遞過程。分層模型是對系統功能進行的抽象劃分，那么，系統中兩臺主機之間的信息又是如何通過這些分層結構進行流通的呢？在介紹每層的具體功能之前，先介紹分層模型中數據的傳遞過程。

①OSI中使用的數據單元。在OSI參考模型中用到的數據單元有如下幾種。

服務數據單元（ServiceDataUnit,SDU）：指第iV層中等待傳送和處理的數據單元。

協議數據單元（ProtocolDataUnit,PDU）：指同等層水平方向上傳送的數據單元。

接口數據單元（InterfaceDataUnit,IDU）：指在相鄰層接口之間傳送的數據單元，它是由SDU和一些控制信息組成的。

②數據傳遞過程。如圖3-3所示，數據在發送端從上到下逐層傳遞，在傳遞過程中，每層都要加上適當的控制信息（頭部），即圖中的AH、PH、SH、TH、NH、DH及DT（數據鏈路層加的尾部）。到物理層轉換成為由“0”、“I”組成的比特流，然后轉換為電信號在物理介質上傳輸至接收端。在接收端逐層向上傳遞時，過程正好相反，要逐層剝去發送端相應層加上的頭部控制信息。對任意一層來說，都不會收到其下各層的控制信息，而其上各層的控制信息對它來說只是透明的數據，所以它只需將本層的控制信息剝離出來，并按照信息指示進行相應的協議操作即可。

2.各層功能概述

（1）物理層。物理層是數據終端設備（DTE,希望通過網絡進行互連的設備，即入網設備，包括計算機、終端等）和數據電路終端設備（DCE,網絡中含有的通信設備，即網內設備，包括通信處理機等）之間的接口。物理層定義了建立、維護和拆除物理鏈路所需的機械、電氣、功能和規程特性。其目的是在物理介質上傳輸原始的數據比特流。

機械特性：接口部件的尺寸、規格、插腳數和分布等。

電氣特性：接口部件的信號電平、阻抗、傳輸速率等。

功能特性：接口部件信號線（數據線、控制線、定時線等）的用途。

規程特性：接口部件的信號線建立、維持、釋放物理連接和傳輸比特流的時序。

物理層要實現實體之間的按位傳輸，保證按位傳輸的正確性，并向數據鏈路層提供透明的比特流傳輸。但物理層僅僅負責將比特流從一臺計算機傳輸到另一臺計算機，并不關心這些比特的含義。

物理介質可以選擇光纖、同軸電纜、雙絞線、紅外線等。介質的選擇主要取決于用戶需要以多快的速率將數據傳輸多遠。

（2）數據鏈路層，物理層的目的是提供可靠的比特流傳輸，不考慮這些比特之間的聯系，以及所傳輸數據的結構。因而在物理層中無法解決數據傳輸過程中發生的異常情況、差錯控制和恢復以及信息格式等問題。數據鏈路層是建立在物理層基礎上的，通過使用物理層提供的服務，建立通信聯系，將比特流組織成名為幀的協議數據單元進行傳輸。幀中除了包含上層傳遞來的數據之外，還包括一些地址、控制以及校驗碼信息。兩個系統中的數據鏈路層通過這些控制信息，實現停止等待協議和窗口等流景控制機制和差錯處理機制，對物理設備的傳輸速率進行匹配，在比特流傳輸的基礎上實現相鄰節點間的可靠數據傳輸。

IEEE將數據鏈路層進一步劃分成了兩個子層（參見第4章）：介質訪問控制（MAC）子層和邏輯鏈路控制（LLC）子層？這兩個子層分擔了數據鏈路層的功能。其中，LLC子層與網絡層相鄰，是MAC子層的上一層。LLC子層具有差錯控制、流量控制等功能，負責實現數據幀的可靠傳輸。MAC子層主要負責實現共享信道的動態分配，控制和管理信道的使用，保證多個用戶能向共享信道發送數據，并能從共享信道中識別并正確接收到發送給自己的數據。

（3）網絡層。數據鏈路層只實現了相鄰節點間的可靠通信，而源節點和目的節點之間的信息通道往往是由很多中間節點構成的網絡，在這種復雜網絡中使用適當的路由選擇算法為數據選路，建立邏輯鏈路進行分組傳輸，以實現網絡互連則是網絡層的功能。另外，為了避免通信子網中出現過多的分組而造成網絡阻塞，還要對流入的分組數量進行控制。當分組要跨越多個通信子網才能到達目的地時，還要解決網際互連的問題。

對路由選擇算法的基本要求是正確、簡單、健壯、穩定和公平。擁塞控制首先是要通過選擇適當的路由算法，防止大量信息堆積在一條鏈路上，延誤信息的傳遞：同時如果信息堆積過多，還要考慮通過丟棄部分分組等方式減少信息的擁塞量。

物理層、數據鏈路層和網絡層是七層協議的基礎層次，也是目前最為成熟的三個層次。無論是在廣域網還是局域網上，都是以這幾個層次為基礎的。它們主要是面向數據通信的，因此基于這三層通信協議構成的網絡通常被稱為通信網絡或通信子網。

（4）傳輸層。在網絡層，可能產生整包的數據差錯，無法保證端到端傳輸的可靠性。傳輸層則通過對數據單元錯誤、數據單元次序以及流量控制等問題的處理為用戶提供了可靠的端到端服務。傳輸層處于分層結構體系高低層之間，是高低層之間的接口，是非常關鍵的一層。

為了實現可靠的端到端數據傳輸，傳輸層主要采用了以下技術手段。

分流技術：利用多條網絡連接來支持一條信道的數據傳輸，提高數據傳輸速率，使得具有低吞吐量、低速率和高傳輸延遲的網絡能夠滿足高速數據的傳輸要求。

復用技術：將多條信道上的數據匯集到一條網絡連接上傳輸，使得具有高吞吐量、高速率和低傳輸延遲、高費用的網絡能夠支持用戶的低傳輸成本要求。

差錯檢測與恢復：使差錯率較高的網絡能夠滿足用戶對高可靠性數據傳輸的要求。

流量控制：對連續傳輸的咖議數據單元個數進行限制，避免網絡擁塞。

（5）會話層。會話層是進程一進程間的通信協議，主要功能是組織和同步不同主機上各種進程間的通信。會話層負責在兩個會話層實體之間進行對話連接的建立和拆除。為了建立會話，該層執行了名稱及用戶權限識別功能。

（6）表示層。表示層在網絡需要的格式和計算機可處理的格式之間進行數據翻譯。表示層執行協議轉換、數據翻譯、壓縮與加密、字符轉換以及圖形命令的解釋功能。

應用層。應用層包含利用網絡服務的應用程序進程以及應用程序接口（API）。應用層提供的服務包括文件服務、數據庫服務、電子郵件及其他網絡軟件服務。

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