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1、第3章 OSI参考模型体系,3.1 OSI参考模型概述3.2 物理层3.3 数据链路层3.4 网络层3.5 传输层3.6 会话层、表示层和应用层3.7 扩展读物,本章要点,在本章中，介绍了理解OSI参考模型必备的一些重要概念、OSI模型的体系结构、各层的功能及各层对应的协议，描述了基于OSI模型的系统之间数据传输过程。具体内容包括。（1）OSI参考模型概述。要理解OSI参考模型，首先必须熟悉有关协议分层、实体、接口、服务和数据单元等概念。本节首先介绍了这些重要的概念，接着介绍了OSI参考模型体系结构、各层的功能。（2）第26节分别介绍物理层、数据链路层、网络层、传输层及高3层包括的协议，各层协
2、议之间关系、各层之间的通信原理及其层间编址等内容。,学习目标,理解网络体系结构中的分层、协议、接口和服务等概念的划分和定义熟悉OSI模型网络体系结构描述OSI模型各层之间的关系熟悉OSI参考模型各层的功能了解OSI模型各层所使用的协议标准描述基于OSI模型的系统间的数据传输过程,重要术语,国际标准化组织（ISO）：International Standard Organization开放式系统互联参考模型（OSI）：Open System Interconnect Reference Model 网络体系结构：Network Architecture 层：Layern层实体：Layer n E
3、ntityn层协议：Layer n Protocol应用层：Application Layer表示层：Presentation Layer会话层：Session Layer传输层：Transport Layer网络层：Network Layer数据链路层：Data Link Layer物理层：Physical Layer服务接入点（SAP）：Service Access Point服务数据单元（SDU）：Service Data Unit 协议数据单元（PAU）：Protocol Data Unit,3.1 OSI参考模型概述,3.1.1 OSI参考模型的产生3.1.2 OSI参考模型的体系结
4、构3.1.3 OSI模型中的重要概念3.1.4 OSI模型中的数据封装过程,3.1.1 OSI参考模型的产生,1977年，国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）技术委员会TC97充分认识到制定用于开放系统互联参考模型的重要性，于是成立了新的专业委员会S16，专门研究和制定一种开放的、公开的、标准化了的网络结构模型，希望用它来实现计算机网络之间相互连接和通信。在1983年形成正式文件，这就是著名的ISO 7498国际标准，称为开放系统互联参考模型，记为OSI/RM（Open System Interconnection/Referenc
5、e Model），有时也称为OSI。OSI参考模型中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的也遵循同一标准的其他任何系统通信；而“系统”表示在现实世界中能够进行信息处理或信息传送的自治整体，它可以是一台或多台计算机，以及和这些计算机相关的软件、外部设备、终端、信息传输手段等的集合。,3.1.2 OSI参考模型的体系结构,提供网络服务功能的计算机网络系统是非常复杂的，根据分而治之的原则，OSI参考模型将整个通信过程划分为7个层次，划分层次的原则如下。（1）根据功能需要进行分层，每层应当实现定义明确的功能。（2）每一层功能的选择应当有助于制定国际标准化协议。（3）层次
6、界面的选择应尽量减少跨过接口的信息量。（4）层次功能的定义和接口的划分应使得各层彼此独立，从而在接口保持不变的条件下，某一层的改变不会影响其他层。（5）层次的数量应适当，过少会使过多功能集中在同一层，使协议变得复杂；但过多又会使整个网络体系结构过于庞大，通信处理速度下降。,3.1.2 OSI参考模型的体系结构,根据以上原则划分的OSI参考模型的逻辑结构如图所示。低3层是依懒于网络的，涉及到将两台通信计算机连接在一起所使用的数据通信网的相关协议。高3层是面向应用的，涉及到允许两个终端用户应用进程交互作用的协议，通常是由本地操作系统提供的一套服务。中间的传输层为面向应用的高3层屏蔽了与具体网络有关
7、的低3层的详细操作，即传输层是建立在低3层提供的服务之上，为面向应用的高层提供与网络无关的信息交换服务。OSI参考模型的层次式体系结构从高到低（第7层第1层）依次为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。OSI模型定义了每一层的功能，每一层与它上面和下面的一层进行通信和协同工作的方式，定义了对等层之间的通信规则。,3.1.3 OSI模型中的重要概念,1实体与对等实体每一层中，用于实现该层功能的活动元素被称为实体（Entity），实体既可以是软件实体（如一个进程、电子邮件系统、应用程序等）也可以是硬件实体（如终端、智能输入/输出芯片等）。软件实体可以嵌入在本地操作系统中，或者
8、用户应用程序中。不同机器上位于同一层次、完成相同功能的实体被称为对等实体（Peer Entity）。2对等层和对等协议不同主机之间的相同层次被称为对等层（Peer）。对等层之间存在协议关系。即对等实体之间互相通信需要遵守一定的规则，如通信的内容、通信的方式等。这种对等实体之间交换数据或通信时必须遵守的规则称为对等层协议（Peer Protocol）。3服务与接口在OSI分层结构模型中，每一层实体为相邻的上一层实体提供的通信功能称为服务。在OSI模型中，各层之间的接口都有统一的规则。N层的服务访问点SAP（Service Access Point）是N层实体提供服务给N+1层的地方，SAP可以理
9、解为上下层实体之间的逻辑传输通道。每一层的SAP都有一个唯一标明它的地址。一个N层可能存在多个SAP。,3.1.3 OSI模型中的重要概念,4数据单元（1）服务数据单元（2）议数据单元（3）接口数据单元5服务类型在计算机网络协议的层次结构中，层与层之间具有服务与被服务的单向依赖关系，下层向上层提供服务，而上层调用下层的服务。因此可称任意相邻两层的下层为服务提供者，上层为服务用户。下层为上层提供的服务可分为两类：面向连接服务（Connection Oriented Service）和无连接服务（Connectionless Service）。（1）面向连接服务：两个N层实体在数据交换前，必须先建
10、立连接。即首先初始化状态信息。并且为N+1层实体的信息传输建立一个通道。在数据传输阶段，通过这些状态信息，第N层实体可以跟踪在它们之间的PDU交换及它们与更高层的SDU交换。当数据交换结束后，应释放这个连接。即去除状态信息，释放建立连接时所分配的资源。（2）无连接服务：两个N层实体通信前，不需要先建立一个连接，即不需要事先进行预定保留状态信息。同一个用户到相同目的地的信息块都独立发送，接收端无需返回确认信息。如果信息在传输中丢失，就不再重发。不可靠的无连接的服务通常被称为数据报服务。,3.1.3 OSI模型中的重要概念,6服务原语服务是通过一组服务原语（Primitive）来描述的，这些原语供
11、用户和其他实体访问服务，通知服务提供者采取某些行动或报告某个对等实体的活动。服务原语被分为如下4类。请求（Request）：由服务用户发往服务提供者，请求它完成某项工作。指示（Indication）：由服务提供者发往服务用户，指示发生了某些事件。响应（Response）：由服务用户发往服务提供者，对前面发生的指示的响应。证实（Confirmation）：由服务提供者发往服务用户，对前面发生的请求的证实。,3.1.4 OSI模型中的数据封装过程,在OSI参考模型中，当一台主机需要传送用户的数据（DATA）时，数据首先通过应用层的接口进入应用层。在应用层，用户的数据被加上应用层的报头（AH），形成
12、应用层协议数据单元，然后通过应用层与表示层的接口数据单元，递交到表示层。,3.2 物理层,物理层（Physical Layer）位于OSI参考模型的底层，是构成计算机网络的基础。所有通信设备、主机都需要用物理线路相互连接。物理层建立在通信介质之上，是系统与通信介质的物理接口。因此物理层是整个开放系统的基础。物理层的数据传输单位称为比特（bit）。物理层的主要功能在于提供数据终端设备（简称DTE，如计算机）和数据通信设备（简称DCE，如Modem）之间的二进制数据传输的物理连接，将数据信息以二进制串形式从一个实体经物理信道传输到另一实体，从而向数据链路层提供透明的比特流传输服务。也就是说，该层的
13、目的是确保当发送实体发送1信号时，接收实体能收到1信号，而不是0信号；发送实体发送0信号时，接收实体能收到0信号，而非1信号。具体功能包括通信线路的建立、保持和断开物理连接3个过程。,3.2 物理层,1机械特性机械特性指数据终端设备和数据通信设备之间接口互连时的连接方式，包括可插接连接器的尺寸，插头的针和孔的数量与排列状况，信号线数目和排列方式、连接器的形状等。2电气特性电器特性指数据终端设备和数据通信设备接口线的电气连接方式，即规定了导线的电气连接方式、信号电平（如规定了多大电压表示0，多少电压表示1）、信号波形和参数、同步方式等。3功能特性功能特性指数据终端设备和数据通信设备间每一条接口线
14、的功能分配和确切定义。包括每条信号线的用途，如发送数据线、接收数据线、信号地线和时钟线等。4规程特性规程特性定义了如何使用这些接口线。即完成物理连接的建立、维护、信息交换和拆除连接时，数据终端设备和数据通信设备在各线路上的动作规则和动作序列。规程特性与信息的传输方式（如单工、半双工和全双工）有关，不同的传输方式其规程特性也不同。,3.3 数据链路层,3.3.1 数据链路层概述3.3.2 数据链路层协议,3.3.1 数据链路层概述,数据链路层（Data Link Layer）的目的就是屏蔽传输媒体的不可靠因素，使高层协议不必考虑物理介质的可靠性；加强物理层传输原始二进制数据流的功能，使之对网络层
15、呈现一条无差错的线路。1组装成帧由于物理层不保证所传输的原始比特流的正确性，原始比特流正确性的检测交给了数据链路层处理。为了使传输中发生差错后只将包含错误的有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合成以帧为单位传输。每个帧除了要传输的数据外，还包括校验码（如第2章中介绍的奇/偶检验码、检验和、CRC等），以使接收方能发现传输中的差错。发送方以帧为单位发送比特流，接收方按帧检验并接收比特流，并将检验正确的数据部分交给网络层处理。,3.3.1 数据链路层概述,帧的组织结构必须设计成使接收方能够明确地从物理层收到的比特流中区分出帧的起始与终止处。（1）字符计数法在帧头使用一个字段来标明帧内字符数。如第
16、一个字段为5时，则表示本帧有5个字符。这种成帧法可能因计数字段的差错（如5变成7）造成无法纠正的错误，目前已经很少采用。（2）带字符填充的首尾标志法每一帧以ASCII字符序列DLE STX开头，以DLE ETX结束。（3）带位填充的首尾标志法每个帧使用一个特殊的二进制串01111110作为开始和结束标志。（4）物理层编码违例法在物理层采用特定的比特编码方法时采用，适用于物理介质的编码策略中采用冗余技术的网络。局域网IEEE 802标准中就采用了这种方法。,3.3.1 数据链路层概述,2差错控制数据链路层负责在相邻节点间的链路上无差错地传送信息帧。为了控制差错，一般采用自动请求重发方法（Auto
17、matic Repeat Request，ARQ）。ARQ方法有多种实现方案（有兴趣的读者可以阅读扩展读物）。其中最基本的两种方案是空闲重发请求（Idle Repeat Request，Idle RQ）和连续重发请求（Continuous Repeat Request，Continuous RQ）。其中连续重发请求又包含Go-back-N和选择重发。,3.3.1 数据链路层概述,3流量控制当发送方发送数据的速率高于接收方处理数据的速率时，某些数据虽然可以到达接收方，但却可能因为接收缓冲区溢出而丢失，流量控制可以防止这种情况发会。数据链路层中发送方与接收方通过滑动窗口协议来处理相邻节点之间的流量
18、控制。4链路管理链路管理主要完成数据链路层连接的建立、维持和释放，实现面向连接的服务。,3.3.2 数据链路层协议,数据链路层协议可以分为两类，一类是针对广域网的数据链路层协议，质访问控制子层（在第4章中有介绍）。在广域网中也有多种协议，目前广泛使用的有ISO的高级数据链路控制规程（High-Level Data Link Control，HDLC）协议，Internet中的点到点协议（Point-to-Point Protocol，PPP）等。这里主要介绍HDLC协议。有兴趣的读者可以参考扩展读物。1HDLC协议特点HDLC协议是面向比特的数据链路控制协议的典型，具有如下特点。（1）协议不依
19、赖于任何一种字符编码集。（2）数据报文可透明地传输。（3）用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现。（4）全双工通信，不必等待确认便可连续发送数据，有较高的数据链路传输效率。（5）所有帧均采用CRC校验，对信息帧进行编号，可防止漏收或重传，传输可靠性高。（6）传输控制功能与处理功能分离，具有较大灵活性和较完善的控制功能。,3.3.2 数据链路层协议,20比特插入法在所有面向比特的数据链路控制协议中，不论是数据还是单独的控制信息，均以帧为单位传送，并采用统一的帧格式。每个帧前和帧后都有一标志码01111110，用做帧的起始、终止及帧的同步指示。因标志码不允许在帧的内部出现。为保证标志码的唯
20、一性但又兼顾帧内数据的透明性，可以采用“0比特插入法”来解决。发送端监视除标志码以外的所有字段，当发现有连续5个1出现时，便在其后添插一个0，然后继续发后继的比特流。在接收端，同样监除起始标志码以外的所有字段。当连续发现5个1出现后，若其后是一个比特0则自动删除它，以恢复原来的比特流；若发现连续6个1，则可能是插入的0发生差错变成了1，也可能是收到了帧的终止标志码。后两种情况，可以进一步通过帧中的帧检验序列来加以区分。,3.3.2 数据链路层协议,3HDLC协议中的主站、从站和组合站概念HDLC协议是通用的数据链路控制协议。当开始建立数据链路时，允许选用特定的链路操作方式，即某站点选择以主站方
21、式操作，还是以从站方式操作，或者是二者兼备。主站在链路上用于控制目的站，负责对数据流进行组织，并对链路上的差错实施恢复。主站发往从站的帧称为命令帧；其他受主站控制的站称为从站，由从站返回主站的帧称为响应帧。那些兼备主站和从站功能的站称为组合站。,3.3.2 数据链路层协议,4HDLC协议中常用的3种操作方式（1）正常响应方式（Normal Responses Mode）是一种非平衡数据链路操作方式。适用于面向终端的点到点或一点与多点的链路。主站负责启动传输过程、管理整个链路、负责对超时、重发及各类恢复操作的控制。从站只有收到主站某个命令帧后，才能作为响应向主站传输信息。（2）异步响应方式（As
22、ynchronous Responses Mode）是一种非平衡数据链路操作方式。从站启动传输过程、控制超时和重发。从站主动发送给主站的一个或一组帧中可包含有信息、控制为目的而发的帧。（3）异步平衡方式（Asynchronous Balanced Mode）是一种允许任何节点来启动传输的操作方式。任何站都能启动传输操作，每个站既可作为主站又可作为从站，每个站都是组合站。任何站都可以发送或接收命令，也可以给出应答，并且各站对差错恢复过程都负有相同的责任。,3.3.2 数据链路层协议,5HDLC协议的帧格式HDLC协议的帧由标志字段（F）、地址字段（A）、控制字段（C）、信息字段（I）、帧校验序列
23、字段（FCS）等组成，其格式见图。每个帧包含控制信息和数据信息。控制字段C有3种类型，相应的HDLC协议也有3种类型的帧，分别为信息帧I，监控帧S及无编号帧U。（1）信息帧：信息帧用于传送有效信息或数据，通常简称I帧。（2）监控帧：监控帧用于差错控制和流量控制，通常简称S帧。（3）无编号帧：用于提供对链路的建立、拆除及多种控制功能，通常简称U帧。,3.4 网络层,网络层（Network Layer）是在利用数据链路层提供的两个相邻节点间传输数据帧的基础上，将高层用户的数据报文组成数据包（Packet）。数据包中封装了网络层包头，其中含有源站点和目的站点的网络地址，确保数据链路层能将源端发出的报
24、文送到目的端节点上。网络层的数据包从源端点到目的端点可能要经过多个链路层相邻节点，因此，可以说网络层提供端到端传输的最低层。网络层的主要功能包括:1寻址2路由选择3拥塞控制,3.5 传输层,传输层（Transport Layer）位于OSI模型的第4层，负责端到端的通信，既是7层模型中负责数据通信的最高层，又是面向网络通信的低3层和面向信息处理的高3层之间的中间层。传输层是7层模型中最重要、最关键的一层，是唯一负责总体数据传输和控制的一层。传输层要达到两个主要目的：提供可靠的端到端的通信和向会话层提供独立于网络的传输服务。传输层的基本功能是从会话层接收数据，如果接收的报文过大，则需将报文划分成
25、较小的数据段（Segment），再传送给网络层，同时要保证各段信息的正确性。在接收端需要将接收的较小报文按照发送顺序拼接成报文，正确地交给接收端的会话层。,3.5 传输层,1传输层服务传输层实体通过网络服务与对等的传输实体通信，并向传输层用户（可以是应用层进程，也可以是会话层实体）提供传输服务。传输层提供的服务所包括的内容有：服务类型、服务等级、数据运输、用户接口、连接管理、快速数据运输、状态报告、安全保密等。2服务质量服务质量（Quality of Service，QoS）是指在传输连接点之间看到的某些传输连接的特征，反映了传输质量及服务的可用性。3传输层协议等级传输层协议实现的难易程度还与
26、网络层提供的服务直接相关。如果网络层服务质量高，则传输层协议容易实现。ISO定义了5种类型的传输层协议。（1）0类协议（TP0）是最简单的，该类仅包括连接建立、数据传输和错误报告等功能。没有多路复用、流量控制和拆除连接等功能。（2）1类协议（TP1）基本错误恢复级。在TP0的基础上增加了基本差错恢复功能，流量控制、加速数据传输、连接拆除等功能，但无多路复用功能。（3）2类协议（TP2）具有多路复用功能，包括TP1的功能，但没有错误检测和恢复功能。（4）3类协议（TP3）具有差错恢复功能和多路复用功能，集中1、2级功能。（5）4类协议（TP4）最复杂，它可以在网络的任务较重时保证高可靠性的数据传
27、输。,3.6 会话层、表示层和应用层,3.6.1 会话层概述3.6.2 表示层概述3.6.3 应用层概述,3.6.1 会话层概述,会话层（Session Layer）的主要功能是在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传输。会话是指提供建立连接并有序传输数据的一种方法。会话可以使一个远程终端登录到远程计算机、进行文件传输或进行其他的应用。但会话层的会话连接和传输层的传输连接是有区别的。会话连接和传输连接之间有3种关系。（1）一对一关系，即一个会话连接对应一个传输连接。（2）一对多关系，一个会话连接对应多个传输连接。（3）多对一关系，多个会话连接对应一
28、个传输关系。,3.6.2 表示层概述,表示层以下的各层只关心可靠地传输比特流，而表示层关心的是传输信息的语法和语义。表示层专门负责有关网络中计算机信息表示方式的问题。包括转换、加密和压缩。每台计算机可能有它自己的表示数据的内部方法，例如，有些用ASCII码，有些用EBCDIC码，互相交换信息时，需要有协议来保证不同的计算机可以彼此理解。表示层的主要功能如下。（1）语法转换：将抽象语法转换成传送语法，并在对方实现相反的转换。涉及的内容有代码转换、字符转换、数据格式的修改，以及对数据结构操作的适应、数据压缩、加密等。（2）语法协商：根据应用层的要求协商选用合适的上下文，即确定传送语法并传送。（3）
29、连接管理：包括利用会话层服务建立表示连接，管理在这个连接之上的数据传输和同步控制，以及正常地或异常地终止这个连接。,3.6.3 应用层概述,应用层是OSI参考模型中最靠近用户的一层，负责为用户的应用程序提供网络服务。与OSI参考模型其他层不同的是，它不为任何其他OSI层提供服务，而只是为OSI模型以外的应用程序提供服务，如电子表格程序和文字处理程序。包括为相互通信的应用程序或进程之间建立连接、进行同步，建立关于错误纠正和控制数据完整性过程的协商等。应用层提供的协议有：文件传输协议、电子邮件协议、作业传输协议、多媒体协议等。在OSI参考模型中应用层协议最多、最复杂。,3.7 扩展读物,1 谢希仁计算机网络4版北京：电子工业出版社，20032 陈向阳，等计算机网络与通信北京：清华大学出版社，20053 IOS国际组织网站，4 陕西师范大学网络精品课程，5 中国IT实验室，http:/6 Wiki网络大典，http:/7 点到点协议PPP（中国IT实验室），8 中山大学网络课程网站，,
