网络模型之OSI模型介绍-电子发烧友网

1.0 介绍

网络就是把两个或更多的设备连接在一起，这样数据/信息就可以双向流动。当设备来自同一制造商时，由于它们遵循同一套规则、规范和指导方针，因此很容易将它们相互连接起来。来自不同制造商的两台设备之间的通信通常会面临硬件和软件不兼容的问题。这样的系统被称为封闭或专有系统，而对于开放系统，来自不同制造商的两个设备之间的通信没有任何问题。这样的开放系统被称为可互操作的。

因此，对于这样一个开放的系统，规范和指南对连接到网络的所有设备都是开放的。开放系统中的协议集允许任何两个不同的系统相互通信。

所有的网络，无论是标准的、专有的还是开放的，都是遵守ISO/IEC 7498-1:1994(信息技术开放系统互连)标准的基本模型。这是1986年首次推出的。这个模型可以应用于所有通信系统 — 从个人电脑到卫星系统。

2.0 三层模型

在引入7层开放系统互连(OSI)模型之前,概念化了一个三层模型,涉及一个应用层、一个传输层和一个网络访问层。

在计算机中的应用程序需要两个层次来正确地到达另一台计算机。首先,计算机中的应用程序必须有自己的单独地址,称为服务接入点(SAP),这将使传输层能够支持计算机中的多个应用程序。同样,每个连接到网络的计算机都必须有一个独特的地址。这使得网络能够在正确的目标计算机上发送数据。

应用程序层通过专门用于这些应用程序的软件支持不同的应用程序。如下图所示，是一个涉及四台计算机的三层模型。网络中的每台计算机都有自己的软件来支持应用程序、传输和网络层。

传输层帮助在一台计算机与另一台计算机之间可靠地交换数据。它确保在确切的目标应用程序中交付数据。传输层上存在的控制信息确保了正确的数据传输。

网络访问层或简单地说，网络层有助于在计算机和网络之间交换数据。这一层提供数据最终要传送到的目标计算机的地址。网络负责对网络上的数据流量进行正确路由，以使其到达目的地。这意味着其他两层不关心网络层中固有的控制软件的细节。同样，网络层也不知道最终将数据传递到目标计算机的服务接入点。在这一层使用不同的软件，这取决于网络的类型，电路交换，分组交换，局域网(Lan)等。

上图，说明了应用数据如何通过在传输层和网络层添加控制信息(称为头部)来传递。一层的协议数据单元(Protocol data unit, PDU)是该层的控制信息(也称为头部)与其上层的全部数据块的组合。传输PDU中的头部信息包括:目标SAP、序列号和错误检测机制。在目标SAP的帮助下，接收计算机可以将接收到的数据定向到正确的应用程序文件。在传输时，PDU发送一系列相同的数据,序列号是必不可少的。它有助于重新安排接收到的信息以正确的顺序接收数据。最后,传输PDU包含一个代码，用于检测接收到的数据是否正确。接收方可以采取相应的行动。同样，网络层PDU将包含一个目标计算机地址和一些额外的信息。网络层 PDU，借助它的头部，将接收到的数据引导到目的计算机。

3.0 OSI模型

OSI参考模型为系统互连标准的制定提供了一个共同的基础。该模型涵盖了ISO(国际标准化组织)所设想的网络通信的所有方面。ISO是一个组织而不是一个模型，而OSI参考模型不是一个协议或一组规则，但它是一个形成定义协议基础的总体框架。OSI有一个分层的体系结构，方便了网络系统的设计，允许所有类型的计算机系统之间的通信。它由七个层组成，如下图所示。

这七层被分为三个子组。第1、2和3层称为网络支持层，而第5、6和7层称为用户支持层。位于中间的层，即第4层，连接两个子组。应用层提供使用HTTP、FTP的用户接口。表示层负责呈现数据并处理加密。会话层将不同的应用数据分开并负责同步。传输层提供面向连接(TCP)和无连接(UDP)端到端发送数据段和错误修正。网络层提供逻辑寻址，指导路由器通过最短路径路由数据包到达目的地。数据链路层将数据包转换为帧，执行错误检测并提供使用MAC地址(802.2和HDLC)。物理层按指定的时间向物理介质提供位电平(EIA/TIA-232 V.35)。

在开发模型时，将类似类型的网络功能组合在一起，放在特定的层中。这样，不同的层被赋予了不同的功能，形成了一种全面而又灵活的体系结构。由于每一层的功能是独立且定义良好的，因此可以独立和同时开发标准，从而加快标准化过程。同样，由于各层之间是相互独立的，因此一层中标准的任何更改都不会影响另一层中的现有软件。

源数据以包的形式封装，从上层开始，向下移动到后续的层，在每层以头的形式添加控制信息，并在数据链路层添加尾。当数据包到达第1层，即物理层时，它通过一个物理通信链路发送，该链路经过中间的节点最终到达目的站。

如下图所示，在目标节点上返回数据的过程是通过反转在源节点端所遵循的顺序来完成的。

下图显示了两台计算机之间的数据交换，头文件和尾文件被放置在每一层的适当位置。

3.1. 物理层

下图，显示了将数据从物理层传输到物理介质的机制。物理层接收来自数据链路层的数据。它处理接口和介质的物理和电气规格，以及物理设备和接口为进行传输必须执行的功能和过程。

与物理层相关的特征有:

它将比特转换为信号，即如何对0和1进行编码，以便在物理介质上传输。
它定义了数据速率或传输速率。
物理层的职责是同步发射器和接收器的时钟。
它定义了物理拓扑。设备是如何连接的，即网状或星形或环形或混合。
线路配置，即设备的点对点或多点配置由物理层负责。
它与传输模式有关，即单工、半双工或全双工。
它定义了设备和传输介质之间接口的特征。
它为不同类型的硬件提供了必要的规范，如电缆、连接器和接收器、网络接口卡(nic)、集线器等。

3.2. 数据链路层

数据链路层如下图所示。

与数据链路层相关的特征有:

它将从网络层接收到的整个消息划分为更小的可管理的数据单元——称为帧。
它将帧从一个节点移动到另一个节点(跳到跳)。
当发送方产生的数据的速率高于接收方吸收数据的速率时，它施加一种流控制机制。
该层有一个错误控制机制，它可以检测和重传损坏或丢失的帧。它还可以通过在每一帧添加结尾来识别重复帧。

数据链路层被细分为上层的逻辑链路控制层(LLC)和下层的媒介访问控制层(MAC)。LLC负责流程和错误控制。LLC确保了协议IP可以在任何类型的物理技术中发挥作用。多点访问由MAC解决，也就是说，MAC充当中介。用于实现上述目标的技术有:用于以太网的带有冲突检测(CSMA/CD)的载波感知多路访问和用于令牌环系统的令牌。

数据链路层为一个需要分布到不同系统的帧添加报头。然后，报头包含发送方和接收方地址，这就是所谓的物理称呼。

3.3. 网络层

数据在网络层的流动机理，如下图所示：

网络层的职责包括:

网络层负责跨多个网络的信息包从源到目的地的传递。

如果驻留在一个网络中的信息包要被发送到另一个网络，网络层在每个信息包中添加发送方和接收方的逻辑(网络)地址。

这些地址由网络管理员分配给本地设备。这是由一个称为动态主机配置协议(DHCP)的特殊服务器动态分配的。

多个网络通过路由器和交换机连接形成一个大的网络。网络层确定将包路由到最终目的地的最佳路径。

3.4. 传输层

传输层如下图所示：

传输层的职责如下:

它确保了整个消息的进程到进程的传递。
网络层独立处理每个数据包，而传输层整体处理整个消息，并确保所有数据包都是有序的。
传输层可以是无连接的，也可以是面向连接的。在面向连接的传输中，接收设备在接收到数据包后向源发送确认信息。但对于无连接传输就不是这样了，因此，前者是一种较慢的传输方法，后者相对较快。
一台计算机可以同时运行几个进程。传输层头为每个这样的进程分配一个端口地址。
传输层将消息划分为多个段，每个段包含一个序列号。序列号允许在接收端组装消息。它还可以识别和替换在传输中丢失的数据包。
传输层的流量控制是端到端的，而不是单一的链路。
传输层的错误控制是进程对进程的，而不是跨单个链路的。
传输层协议包括传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。前者是面向连接的，后者是无连接的。

3.5. 会话层

下图，显示了会话层的操作。

它充当网络的对话控制器。它的工作包括建立、维护、同步并最终终止相互通信的设备之间的交互。如果会话被破坏，它会尝试检索会话。

会话层执行的职责包括:

对话控制，包括确定两个设备中哪一个要在它们之间通信数据。数据共享可以是单工、半双工或全双工。

会话层在数据流中添加检查点(也称为同步点)。对于大量的数据，它在两者之间以预定的间隔添加检查点，以确保正确地接收和确认每个连续检查点之前的数据。向数据流中添加检查点和标记的过程称为对话分离。

3.6. 表示层

数据消息的语法和语义由表示层负责。下图，显示了表示层的操作。

其职责包括:

表示层确保不同计算机编码的不同数据是可互操作的。
在发送方和接收方之间交换的敏感信息必须远离可能的窃听者。数据加密的方式是对数据偷猎者隐藏信息。解密是为了将消息在接收者处转换回其原始形式。
数据压缩是一种减少数据流中包含的比特数，而不丢失重要信息的方法。
表示层格式包括:文本(ASCII, EBCDIC, RTF), 图片(JPG, TIF, GIF)，音频(MP3, WAV)，电影(MPEG, AVI, MOV)等。

3.7. 应用程序层

下图，显示了应用层的运行情况，