OSI参考模型-计算机网络原理基础教程

2023-11-29 理论教育版权反馈

【摘要】：OSI参考模型的提出是为了解决在网络发展初期由于体系结构的差异所导致的网络产品中存在的严重的兼容性问题。OSI参考模型中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循该标准的其他任何系统进行通信。图1.30OSI参考模型的体系结构在OSI参考模型中，将数据从当前层传送到下—层是通过命令方式来实现的，这里的命令被称为原语，而被传送的信息则称为协议数据单元。

开放式系统互连参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model，简称为OSI参考模型）是由国际标准化组织ISO（International Standards Organization）所提出来的一种用于互连协议的网络框架模型。

国际标准化组织（International Standards Organization，ISO）与国际电报与电话咨询委员会（Consultative Committee on International Telegraph and Telephone，CCITT）是在计算机网络标准制定方面起很大作用的两大国际组织。

OSI参考模型的提出是为了解决在网络发展初期由于体系结构的差异所导致的网络产品中存在的严重的兼容性问题。当时，由于计算机网络中存在着众多的体系结构，例如，IBM公司的SNA网络（采用七层体系结构）和DEC公司的DNA网络（采用三层体系结构）等，这些体系结构上的差异使得网络产品出现了严重的兼容性问题，影响了网络的快速发展。

OSI参考模型中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循该标准的其他任何系统进行通信。在OSI标准的制定过程中，采用的是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题的方法，即分层的体系结构方法。在OSI参考模型中，划分层次的主要原则是：

（1）网络中的各个节点应具有相同的层次结构；

（2）不同节点中的同等层应具有相同的功能；

（3）同一节点内相邻层之间应通过接口进行通信；

（4）每一层可使用其下层提供的服务，并向其上层提供服务；

（5）不同节点的同等层之间应通过协议来实现对等层之间的通信。

OSI参看模型是分层体系结构的一个实例，每一层是一个模块，用于执行某种主要功能，并具有自己的一套通信指令格式（称为协议）。按照协议相互通信的两个实体必须位于相同层中，而在不同系统中同一层的实体称为对等实体（Peer Entities）。

如图1.30所示，根据分而治之的原则，OSI参考模型将整个通信功能划分为七个层次，由低到高分别为：物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）。其中，第1～4层被认为是低层，这些层与数据移动密切相关；第5～7层是高层，包含应用程序级的数据。每一层负责一项具体的工作，然后把数据传送到下一层。

图1.30　OSI参考模型的体系结构

在OSI参考模型中，将数据从当前层传送到下—层是通过命令方式来实现的，这里的命令被称为原语（Primitive），而被传送的信息则称为协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。在PDU进入下一层之前，当前层会在PDU中加入新的控制信息，这种控制信息称为PCI（Protocol Control Information）。另外，当前层还会在PDU中加入发送给下一层的指令信息，这些指令信息称为接口控制信息（Interface Control Information，ICI）。PDU、PCI与ICI共同组成了一个接口数据单元（Interface Data Unit，IDU）。下层在接收到了IDU之后，就会就从IDU中去掉ICI，这时的数据包被称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）。随着SDU被一层层地向下传送，每一层都要加入自己的信息。

相邻层之间的服务是通过其接口界面上的服务访问点SAP（Service Access Point）进行的，第n层的SAP就是第n+1层可以访问第n层的地方。每个SAP都有一个唯一的地址号码。

OSI参考模型中各层的功能主要如下：

（1）物理层：是OSI参考模型的第一层，处于OSI参考模型的最底层，是整个开放互联系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒介与互连设备，为数据传输提供可靠的环境。物理层协议规定了建立、维持与断开物理信道有关的机械的、电气的、功能的与规程的特性。这些特性确保物理层能够通过物理信道在相邻网络节点之间正确地收、发比特信息，即确保比特流能送上物理信道，并能在另一端获取。物理层仅单纯关心比特流信息的传输，而不涉及比特流中各比特之间的关系（包括信息格式及其含义），对传输差错也不做任何控制。物理层的服务数据单元（SDU）为比特（bit）。

（2）数据链路层：主要功能是在物理层提供的服务基础上，在通信的实体之间建立数据链路连接，传输以“帧”为单位的数据包，并采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。数据链路层使用的是MAC（网络接口卡）地址，数据链路层的服务数据单元（SDU）称为帧（Frame）。

（3）网络层：主要功能是为数据在网络中节点之间的传输创建逻辑链路，通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径，以及实现拥塞控制、网络互连等功能。网络层的服务数据单元（SDU）称为分组/包（Packet）。

（4）传输层：是OSI参考模型中唯一负责总体数据传输与控制的一层，是OSI参考模型中两台计算机经过网络进行数据通信时的第一个端到端（End-to-End）的层次。其主要功能是向用户提供可靠的端到端服务，处理数据包错误、数据包次序，以及其他一些关键传输问题，试图提供一种可以向上层屏蔽传输实现细节的数据传输服务。

（5）会话层：主要目的是负责建立、管理和终止两个节点应用程序之间的会话（Session），并使会话获得同步。除了会话规则之外，会话层还为进行高效的用户传输、服务分类以及会话层、表示层与应用层的差错报告提供条件。(www.chuimin.cn)

（6）表示层：主要目的是确保一个系统应用层发送的信息可以被另一种系统的应用层读取，为此，表示层为不同终端的用户提供了数据和信息的语法表示变换方法，包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能，解决了连接到网络上的不同计算机之间的数据表示的差异问题。例如：可让一台使用EBCDIC字符编码的IBM大型机与一台使用ASCII字符编码的IBM或兼容个人计算机之间进行通信。

（7）应用层：是OSI参考模型的最高层，也是最靠近用户的一层，其主要目的是为用户的应用程序提供网络服务。应用层虽然不为OSI参考模型七层协议中的任何其他层提供服务，但却为在OSI参考模型以外的所有应用程序提供服务。这些应用程序包括：电子数据表格程序、字处理程序、数据库程序，以及网络安全程序等。

由于OSI参考模型是一个理想的模型，因此，一般计算机网络系统只涉及了其中的几层，很少有系统能够具有所有的七层，并完全遵循它的规定。在OSI七层模型中，每一层都提供一个特殊的网络功能。

从网络功能的角度来看：下三层（物理层、数据链路层、网络层）主要提供了数据传输与交换的功能，即以节点到节点之间的通信为主；第四层（传输层）作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分；而上三层（会话层、表示层、应用层）则以提供用户与应用程序之间的信息与数据处理功能为主。

OSI参考模型的通信原理如图1.31所示，其中，第一至三层为串联起来的，而第四至七层是端到端的。

图1.31　OSI参考模型的通信原理

网络上所有通信都是从源节点到目的节点的，在网络上传输的信息被称为数据或数据分组。如果主机A想给另外一台主机B发送数据，数据将首先必须经历一个封装（Encapsulation）的过程。在进行网络传输之前，封装过程会对数据附加上必要的协议信息。因此，当数据从源节点出发并沿着OSI参考模型的各层向下传递时，它就会被增加上数据报头（Headers）、报尾（Trailers）以及其他控制信息。图1.32给出了OSI参考模型中的数据传输过程。

图1.32　OSI参考模型中的数据传输过程

建立OSI参考模型的目的除了创建通信设备之间的物理通道之外，还规划了各层之间的功能，并为标准化组织和生产厂家制定了协议的原则。这些规定使得每一层都具有一定的功能。从理论上讲，在任何一层上符合OSI参考模型标准的产品都可以被其他符合标准的产品所取代。因此，OSI参考模型的基本作用如下：

◆OSI参考模型的分层逻辑体系结构使得人们可以深刻地理解各层协议所应解决的问题，并明确各个协议在网络体系结构中所占据的位置。

◆OSI参考模型的每一层在功能上均与其他层有着明显区别，从而使得网络系统可按功能进行划分，从而使得网络或通信产品不必面面俱到。例如：当某个产品只需完成某一方面的功能时，它可以只考虑并遵循所涉及层的标准。

◆OSI参考模型有助于分析和了解每一种比较复杂的协议。

当然，OSI参考模型的设计之中也存在着一些严重的缺陷，OSI参考模型的主要缺陷如下：

◆层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入。

◆寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，从而降低了系统的效率。

◆数据的安全性、加密与网络管理在OSI参考模型的设计初期被忽略了。

◆OSI参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合计算机与软件的工作方式。

◆严格按照层次模型编程的软件效率很低。