通信工程师考试互联网技术OSI参考模型

3.4.1 OSI参考模型

1.OSI参考模型概述

开放系统互连参考模型（OSI/RM）是一个开放式计算机网络的层次结构模型。“开放”表示任何两个遵守了参考模型及相关标准的系统都可以进行互连。这个模型定义了异种计算机标准间的互连。之所以提出这样一个参考模型，是由于在1974年IBM公司提出了世界上第一个系统网络体系结构（SystemNetworkArchitecture,SNA）之后，各厂商纷纷提出自己的网络体系结构。为了避免各种网络体系结构之间在互连、互操作和可移植性方面可能出现的问题，ISO在1978年提出了OSI/RM.此标准在1983年成为正式的国际标准。遵循这个标准的系统可以和其他任何遵守该标准的系统进行通信。因此称其为“开放”系统互连参考模型。

OSI参考模型仅仅提出了对于系统的体系结构（Architecture）、服务定义（ServiceDefinition）和协议规格说明（ProtocolSpecification）的描述，并没有提出任何具体协议，也没有给出任何具体的实现方法。因此实现这样一个参考模型时，还需要对具体的协议和实现协议的具体办法进行研究。这是一个非常庞杂的任务，到目前为止，世界上还没有任何一个厂商或者组织真正实现了这个参考模型。事实上，这个参考模型具有双重意义，它为人们研究相关的协议提供了一个很好的参考，但是从另外一个意义上讲，过分关注这个模型可能会使人们的研究走入困境。也正因为如此，人们提到网络体系结构时都要说到七层模型，但实际中使用的标准却不是这个七层模型，而是TCP/IP参考模型。

OSI参考模型对系统体系结构、服务定义和协议规范三个方面进行了定义。它定义了一个七层模型，用以进行进程间的通信，并作为一个框架来协调各层标准的制定：OSI的服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语：OSI各层的协议规范精确地定义了应当发送何种控制信息以及应该通过何种过程对此控制信息进行解释。

（1）七层结构。OSI/RM将系统分成了七层，从下到上分别为物理层（PhysicalLayer,PH）、数据链路层（DataLinkLayer,DL）、网络层（NetworkLayer,N）、传输层（TransportLayer,T）、会话层（SessionLayer.S）、表示层（PresentationLayer,P）和应用层（ApplicationLayer,A），如图3-2所示。

（2）数据传递过程。分层模型是对系统功能进行的抽象划分，那么，系统中两台主机之间的信息又是如何通过这些分层结构进行流通的呢？在介绍每层的具体功能之前，先介绍分层模型中数据的传递过程。

①OSI中使用的数据单元。在OSI参考模型中用到的数据单元有如下几种。

服务数据单元（ServiceDataUnit,SDU）：指第iV层中等待传送和处理的数据单元。

协议数据单元（ProtocolDataUnit,PDU）：指同等层水平方向上传送的数据单元。

接口数据单元（InterfaceDataUnit,IDU）：指在相邻层接口之间传送的数据单元，它是由SDU和一些控制信息组成的。

②数据传递过程。如图3-3所示，数据在发送端从上到下逐层传递，在传递过程中，每层都要加上适当的控制信息（头部），即图中的AH、PH、SH、TH、NH、DH及DT（数据链路层加的尾部）。到物理层转换成为由“0”、“I”组成的比特流，然后转换为电信号在物理介质上传输至接收端。在接收端逐层向上传递时，过程正好相反，要逐层剥去发送端相应层加上的头部控制信息。对任意一层来说，都不会收到其下各层的控制信息，而其上各层的控制信息对它来说只是透明的数据，所以它只需将本层的控制信息剥离出来，并按照信息指示进行相应的协议操作即可。

2.各层功能概述

（1）物理层。物理层是数据终端设备（DTE,希望通过网络进行互连的设备，即入网设备，包括计算机、终端等）和数据电路终端设备（DCE,网络中含有的通信设备，即网内设备，包括通信处理机等）之间的接口。物理层定义了建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性。其目的是在物理介质上传输原始的数据比特流。

机械特性：接口部件的尺寸、规格、插脚数和分布等。

电气特性：接口部件的信号电平、阻抗、传输速率等。

功能特性：接口部件信号线（数据线、控制线、定时线等）的用途。

规程特性：接口部件的信号线建立、维持、释放物理连接和传输比特流的时序。

物理层要实现实体之间的按位传输，保证按位传输的正确性，并向数据链路层提供透明的比特流传输。但物理层仅仅负责将比特流从一台计算机传输到另一台计算机，并不关心这些比特的含义。

物理介质可以选择光纤、同轴电缆、双绞线、红外线等。介质的选择主要取决于用户需要以多快的速率将数据传输多远。

（2）数据链路层，物理层的目的是提供可靠的比特流传输，不考虑这些比特之间的联系，以及所传输数据的结构。因而在物理层中无法解决数据传输过程中发生的异常情况、差错控制和恢复以及信息格式等问题。数据链路层是建立在物理层基础上的，通过使用物理层提供的服务，建立通信联系，将比特流组织成名为帧的协议数据单元进行传输。帧中除了包含上层传递来的数据之外，还包括一些地址、控制以及校验码信息。两个系统中的数据链路层通过这些控制信息，实现停止等待协议和窗口等流景控制机制和差错处理机制，对物理设备的传输速率进行匹配，在比特流传输的基础上实现相邻节点间的可靠数据传输。

IEEE将数据链路层进一步划分成了两个子层（参见第4章）：介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层？这两个子层分担了数据链路层的功能。其中，LLC子层与网络层相邻，是MAC子层的上一层。LLC子层具有差错控制、流量控制等功能，负责实现数据帧的可靠传输。MAC子层主要负责实现共享信道的动态分配，控制和管理信道的使用，保证多个用户能向共享信道发送数据，并能从共享信道中识别并正确接收到发送给自己的数据。

（3）网络层。数据链路层只实现了相邻节点间的可靠通信，而源节点和目的节点之间的信息通道往往是由很多中间节点构成的网络，在这种复杂网络中使用适当的路由选择算法为数据选路，建立逻辑链路进行分组传输，以实现网络互连则是网络层的功能。另外，为了避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，还要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。

对路由选择算法的基本要求是正确、简单、健壮、稳定和公平。拥塞控制首先是要通过选择适当的路由算法，防止大量信息堆积在一条链路上，延误信息的传递：同时如果信息堆积过多，还要考虑通过丢弃部分分组等方式减少信息的拥塞量。

物理层、数据链路层和网络层是七层协议的基础层次，也是目前最为成熟的三个层次。无论是在广域网还是局域网上，都是以这几个层次为基础的。它们主要是面向数据通信的，因此基于这三层通信协议构成的网络通常被称为通信网络或通信子网。

（4）传输层。在网络层，可能产生整包的数据差错，无法保证端到端传输的可靠性。传输层则通过对数据单元错误、数据单元次序以及流量控制等问题的处理为用户提供了可靠的端到端服务。传输层处于分层结构体系高低层之间，是高低层之间的接口，是非常关键的一层。

为了实现可靠的端到端数据传输，传输层主要采用了以下技术手段。

分流技术：利用多条网络连接来支持一条信道的数据传输，提高数据传输速率，使得具有低吞吐量、低速率和高传输延迟的网络能够满足高速数据的传输要求。

复用技术：将多条信道上的数据汇集到一条网络连接上传输，使得具有高吞吐量、高速率和低传输延迟、高费用的网络能够支持用户的低传输成本要求。

差错检测与恢复：使差错率较高的网络能够满足用户对高可靠性数据传输的要求。

流量控制：对连续传输的咖议数据单元个数进行限制，避免网络拥塞。

（5）会话层。会话层是进程一进程间的通信协议，主要功能是组织和同步不同主机上各种进程间的通信。会话层负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。为了建立会话，该层执行了名称及用户权限识别功能。

（6）表示层。表示层在网络需要的格式和计算机可处理的格式之间进行数据翻译。表示层执行协议转换、数据翻译、压缩与加密、字符转换以及图形命令的解释功能。

应用层。应用层包含利用网络服务的应用程序进程以及应用程序接口（API）。应用层提供的服务包括文件服务、数据库服务、电子邮件及其他网络软件服务。

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