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课前思考 OSI高层协议分成三层的原因何在？各层分别完成什么样的功能？ 学习目标 1. 掌握高三层协议的基本模型和各自功能 2. 掌握高三层协议 学习指南 结合OSI模型分层的概念，理清高三层相互关系及各自的实现细节,并结合TCP/IP的功能来理解OSI的高层功能。 难重点 1. 会话层、表示层和应用层的功能和模型 2. 抽象语法表示法ASN.1 3. 应用层模型及ASE概念,会话层,会话层功能 会话层位于OSI参考模型的第五层，它是面向信息处理的OSI高层和面向数据通信的OSI低层的接口。会话协议的最主要目的是提供一个面向用户的连接服务，会话层给合作的会话用户间的对话和活动提供组织和同步所必须的手段，对数据传送提供控制和管理。虽然运输层能负责端到端的可靠通信服务，但仍不能满足许多应用的需求，会话层的设立可以做到为运输层“增值”的功能，以便提供一个面向应用的完善的服务。 具体说来会话层有以下的功能： 会话管理：连接建立、数据传送、连接释放。 令牌管理：管理和协商数据传送、同步及对话连接的释放时必需的发送权（即Token），设定半双工及全双工的数据传送模式。 同步管理：在连续的数据传送过程中插入同步点，当出错时，可以从双方认为合适的同步点开始重新传送。 活动管理：将报文流分成活动（activity）逻辑单元，对用户应用的交互活动过程进行结构化管理，即每一个活动独立于其前、后到达的活动。 异常情况的处理：在会话期间报告来自下面网络的异常情况，保证在会话连接释放之前所有的数据单元都被应用进程所接收。,会话层模型,会话层模型如图所示。 组成成分如下： 会话服务用户(SSU,Session Service User) 会话实体(SE,Session Entity) 会话连接(SC,Session Connection) 会话协议(SP,Session Protocol) 会话服务访问点(SSAP,Session Service Access Point),会话层模型,会话服务,几个基本概念 (1) 令牌（Token） 令牌是会话连接的属性，表示会话连接用户使用会话服务的权力。其特点是： 拥有令牌的用户才可使用与该属性相关的服务； 令牌在一个时间点上只分配给一个用户。保证用户调用某种服务时的独占性，防止可能出现的竞争和冲突。 令牌共有四种，分类如下： 数据令牌（data token）： 在半双工连接中，持有数据令牌的用户才能发送数据，而全双工连接中用不着数据令牌； 次同步令牌（synchronize-minor token）： 用于管理对话单元中次同步点的设置，次同步点的概念在后面说明； 主同步/活动令牌（major/activity token）： 用于管理主同步点的设置和一次活动的开始和结束； 连接释放令牌（release token）： 持有该令牌的用户才有权释放连接。,(2) 同步与对话单元 同步是在发生了错误或不符合协议的事件的情况下，使会话实体返回到一个已知状态的过程。这个已知状态就是一个同步点。 同步点可分为两类： 主（major）同步点： 将一次会话活动划分为若干个对话单元，用来标志一个对话单元的开始与结束，两个次同步点之间可设立若干个次同步点； 次（minor）同步点： 将对话单元内容分页，其页间分割点即为次同步点。 当一次会话出现问题时，将会话的状态复位到前面的同步点，从那里再继续进行。每个同步点有一个序号.次同步点可不要求确认，主同步点需要确认，主同步点前后的数据要严格区分。主同步点必须被确认，在发生错误时，会话状态仅仅可以回复到前一个主同步点，而次同步点不需要确认，可以回退到一个或多个次同步点重新发送数据。,(3) 活动（activity） 活动用于区别数据传送的不同逻辑工作段。每次活动可以看成一次独立的数据传送，或者可看成会话服务用户间传送数据中的一个特定阶段。对应用层来说，一个活动相当于一次应用协议数据单元APDU的交换。活动包含的信息可以是双向的，而一个对话单元只能是单向的。 其特点是： 1）一个活动由一个或多个对话单元组成。 2）每个会话连接上，每个时刻只允许有一个活动；在一个会话连接期间，可存在几个相继的活动，一个活动也可以持续多个会话连接。通过主同步/活动令牌来控制。 3）可以中断一个活动，并在同一个或后继会话连接上恢复该活动。一个活动可以跨越几个会话连接，在某个连接上的活动被中断后，经过一段时间后，如果在同一会话连接上被恢复，则该活动只是在同一连接上，如果在另外一次会话连接上被恢复，则跨越了多个连接。,会话服务原语,会话服务由3个阶段构成，依次是会话连接阶段、数据传送阶段和会话释放阶段，共有21组原语。,数据传送阶段 该阶段要在会话连接的两个会话用户之间传送会话服务数据单元SSDU。 “U-异常报告“的形成原因： 1）用户接收能力受到破坏 2）本地用户差错 3）次序错 4）要求数据令牌 5）不可恢复的规程差错 6）非特定的差错 “P-异常报告“和“U-异常报告“的可能处理： 1）重新同步 2）废弃 3）活动中断或活动丢弃 4）出让数据令牌,数据传送阶段服务原语,会话释放阶段,会话释放阶段服务原语,服务原语时序 会话服务原语的三种时序关系： 服务用户发起的请求和指示； 服务用户发起的请求、指示、响应和确认； 服务提供者发起的指示。,会话服务质量（QoS）,会话服务质量描述与会话服务提供者属性有关的会话连接特征。 会话QoS只与会话服务提供者有关，与会话用户行为无关。会话用户行为对会话QoS无影响。,会话协议,会话协议是会话实体间的通信规则，会话层协议规范是ISO8327，是面向连接的会话层协议。CCITT（现在的ITU）也参与了会话层协议规范的研制，对应ISO8327提出了CCITT x.225建议。 SPDU格式 其中SI为SPDU类型标识符，共有36种不同的SPDU，LI是它后面参数字段的长度，参数字段由参数标识单元（PI单元）和参数组标识单元（PGI）组成，其中PGI单元的组成又分两种情况。,表示层及其协议,表示层中主要解决的就是信息以什么样的表现形式(数据表现)传送给对方。不关心处理的用户数据有什么样的意义，只考虑用什么样的传送形式传送这一问题，也就是说表示层的功能并不是信息的具体表达，而是处理信息表示中所遇到的问题，考虑如何将不同信息的表达形式转换成公共的信息传送形式。 众所周知，计算机网络中的应用层程序常使用不同的信息表示标准，即采用不同的数据类型和结构。如果不解决这种差异，各系统之间彼此就不能理解对方数据的含义，也就无法通信。OSI参考模型的下五层协议虽然确保了通信信息可靠、准确、有序、同步的传送，但并未确保信息表示的正确性，为此OSI设立表示层来解决这一问题。 OSI模型中，信息的表示涉及两个方面：语法和语义。 语义： 数据的内容与意义，由应用层的各应用协议处理。表示层不关心数据具体的语义，只有应用实体才能知道数据的意义。例如，文件的记录组成，作业的执行方法，终端的画面控制等与意义内容有关的方面。 语法： 数据的表示形式，由表示层处理。它解决异种计算机系统之间的信息表示形式的差异。例如，文字、图形、声音的表示，数据压缩，数据加密等与表示形式有关的方面。语义和语法的关系可以举一个例子来说明：FLOWER，语义上是花的意思，语法上我们将它看成是字符串。,抽象语法:应用层和表示层交换数据的表现形式，是对数据格式的描述 传送语法：在表示层实体间传送的公共语法表示，对同层实体间通信的用户信息的表示 表示上下文:抽象语法和传送语法的对应关系。 语法变换：根据表示上下文控制要求进行对应的抽象语法和传送语法间的转换 表示上下文的控制：是由表示实体提供给应用实体关于表示上下文的定义、选择、何删除的手段,表示层模型,表示层模型,表示服务,表示层服务用户和表示服务提供者（即表示实体）在表示服务访问点上PSAP上相互作用，通过使用表示服务原语，表示层服务用户和表示服务提供者相互交换信息。表示层服务原语大多数与会话层中的相同，事实上这些原语中的多数是由会话层实现的，也就是说由会话层执行，表示层实现传递。 表示层提供一种公共的信息表示方法。表示层的服务规范是ISO8822。表示层向应用层提供语法变换和上下文控制服务。为了把用抽象语法表示的表示层用户数据变换为传送数据，定义了用作服务的抽象语法标记法ASN.1规定了抽象语法与传送语法对应关系的表示上下文及其控制。按功能对表示层服务分类如下： （1）表示连接建立的功能（Facility）： （2）表示连接释放的功能： （3）表示连接管理功能： （4）信息传送的功能： （5）会话控制功能：,抽象语法表示法ASN.1及基本编码规则,表示层和应用层，数据具有不同的复杂数据结构（即不同的抽象语法），需要一个统一的抽象语法描述方法。例如：同一数据结构用C和PASCAL的表示是不一样的。 ASN.1（Abstract Syntax Notation One）可灵活的定义各种数据结构。它包括一些基本类型和结构类型，它允许用户自己定义更复杂的数据结构。 ASN.1基本数据类型 ASN.1的基本数据类型包括5类：布尔类型、整数类型、位串类型、字节串类型和空类型。,布尔类型 布尔类型“BOOLEAN“只有“TRUE“和“FALSE“两个取值。 整数类型 整数类型“INTEGER“就是通常意义上的整数。 位串类型 位串类型“BIT STRING“是由0、1组成的串，其长度不受限制。 字节串类型 字节串类型“OCTET STRING“是由8位位组（OCTET）组成的串，其长度不受限制。它就是通常意义上的字符串。 空类型 空类型“NULL“表示某个元素不存在或不取任何值。,ASN.1结构数据类型 ASN.1结构数据类型包括7类： 顺序类型 单一顺序类型 集合类型 单一集合类型 任选类型 任一类型 标签类型,（1）顺序类型（SEQUENCE） 由一个或多个元素类型组成的有序列表，元素类型可为任何其它类型。它类似于PASCAL的记录。如果出现OPTIONAL或DEFAULT关键字，对应类型的值可省略。 例： ValidSequence := SEQUENCE a INTEGER DEFAULT 3, s BOOLEAN OPTIONAL, n INTEGER, Value ValidSequence := a 5, s TRUE, n 20 （2）单一顺序类型（SEQUENCE OF） 由一个或多个同一类型元素组成的有序列表，元素类型可为任何其他类型。它可被视为SEQUENCE类型的特例。它类似于PASCAL的数组。 例： Words := SEQUENCE OF VisibleString buildWords Words := “applications“,“elements“,“protocols“,（3）集合类型（SET） 由0个或多个元素类型组成的无序集合。组成的元素必须是可区分的。 例： TypeSet := SET a BOOLEAN, s INTEGER, n BIT STRING valSet TypeSet : = a TRUE, N 1001B, s 520 （4）单一集合类型（SET OF） 由0个或多个同一类型元素组成的无序集合。 例： Words := SET OF VisibleString buildWords Words := “entities“,“protocols“,“pdu“,（5）任选类型（CHOICE） CHOICE类型包含一个可供选择的类型列表，他的每个值都是该组成元素的一个值。它可用于描述在不同环境下可能有不同类型的、所有可能性都事先已知的数据结构。 例： TimeOfDay := CHOICE actual-value UTCTime, not-available NULL unixEpoch TimeOfDay := actual-value “700101000000Z“ unknowTime TimeOfDay := not-available NULL （6）任一类型（ANY） ANY类型表示在定义时未具体指明类型的数据结构。 例： AlgorithmIdentifier := SEQUENCE algorithm OBJECT IDENTIFIER, parameters ANY OPTIONAL ,（7）标签类型（TAG） 由“标签类型“加“标签号码“表示。作为数据类型前缀，用于区分取值类型相同的类型。 例： Abstract-Syntax-Name := APPLICATION 0 OBJECT IDENTIFIER ASN.1定义了4种标签： 通用类（Universal Class） 仅由ASN.1定义，分配给基本类型或结构类型。 UNIVERSAL 1 BOOLEAN UNIVERSAL 2 INTEGER UNIVERSAL 17 SET and SET OF 应用类（Application Class） 用户可自由分配，但同时只能分配给一种类型。 私用类（Private Class） 应用标准不使用这种标签。 上下文专用类（Context Specific Class） 用户可自由分配，利用上下文关系对它进行解释。,ASN.1复杂数据类型 ASN.1可利用嵌套、递归的方法定义复杂的数据结构。,例如： PersonnelRecord := SET name Name, title IA5String number INTEGER, dateOfHire Date, (雇用日期) nameOfSpouse Name, (配偶姓名) children SEQUENCE OF ChildInformation ChildInformation :=SET name Name, dateOfBirth Date Name :=SEQUENCE givenName IA5String, initial IA5String, familyName IA5String Date :=IA5String,ASN.1基本编码规则,ASN.1基本编码规则（BER，Basic Encoding Rules）完成抽象语法表示与传送语法间的变换。ASN.1采用TLV方法进行编码。该方法把各种数据表示成Type、Length、Value三个字段，每个字段由字节组成。,（1）Type字段用于表示标签（Tag）， D8，D7：标签类型 Class D8 D7 Universal 0 0 Application 0 1 Context-specific 1 0 Private 1 1 D6：数据类型标志 0表示基本数据类型，1表示结构数据类型。 D5，D1或更多位：标签号码 号码小于31时，用D5到D1； 号码大于等于31时，用更多位表示，这时D5D1全为1，标签号码由后面扩展字节表示，扩展字节的最高位（D8）均为1，只有最后一个字节的最高位（D8）为0，表示扩展字段结束，这些字节的剩余7位拼接起来就是标签号码值。以标签PRIVATE 42为例子。42的二进制表示是101010，多于五位，因此要用两个八位组编码。编码后的标签的二进制格式为11111111 00101010。 （2）Length字段表示内容字段（value）的长度 长度小于127时，Length字段占一个字节；长度大于127时，第1个字节的最高位（D8）为1，其余7位为Length字段本身的长度，后续字节为内容字段（value）的长度。长度不确定时，第1个字节的最高位（D8）为1，其余位全0，内容字段使用内容结束标志（2个全0字节）。 （3）内容字段（value） 如BOOLEAN类型的FALSE为0，TRUE为非0；INTEGER类型的只用补码表示。,表示层的其他功能,加密和解密 压缩与解压,应用层,应用层是OSI/RM中最高的一个功能层，它是开放系统互连环境（OSI环境）与本地系统的操作系统和应用系统直接接口的一个层次。在功能上，应用层为本地系统的应用进程（AP）访问OSI环境提供手段，也是唯一直接给应用进程提供各种应用服务的层次。应用层向应用进程提供的服务是OSI的所有层直接或间接提供服务的总和。,应用层模型,应用层由应用进程（AP,Application Process）和应用实体（AE,Application Entity）组成。,(1) 应用进程（AP） 一个应用进程包括用户开发的应用软件以及通信软件。在计算机分层协议网络中，应用进程总有一部分在OSI环境之外，另一部分在OSI环境之内。在ISO/OSI标准中，把前者仍称为应用进程，而把后者称为用户元素UE。有时候将AP称“应用进程“，而将“APUE“称“广义应用进程“。 (2) 应用实体（AE） 应用实体由一个用户元素（UE，User Element）和一组应用服务元素（ASE，Application Service Element）组成，应用服务元素可以以分为两类，一类是公共应用服务元素（CASE），另一类是特定应用服务元素（SASE）。由于在CASE和SASE之间很难有十分清楚的区分界限，因此正式公布的OSI标准中只使用应用服务元素ASE这一名称，相当于CASE。 在应用层模型中，虽然应用进程和应用实体各画出1个，但它们之间并不一定是一一对应关系，一个完成多功能的应用进程往往需要包括多个不同类型的实体AE。于是，一个应用进程可对应一个或多个应用实体，而一个应用实体可包含一个或多个应用服务元案。 (3) 用户元素（UE） 因为UE是广义应用进程的一部分，也是应用实体的一部分，那么UE无非是AP与应用实体间的接口。用户元素是应用服务元素的用户。是应用进程AP在应用实体内部为完成其通信目的需要使用那些应用服务元素的处理单元，是应用进程的代表。对应用进程来说，用户元素具有发送接收能力；对应用服务元素来说，用户元素也具有发送和接收能力。应用进程通过UE与应用实体进行通信。 (4) 应用服务元素（ASE） 公共应用服务元素（CASE）是用户元素和特定应用服务元素公共使用的那部分服务元素，因此，公共应用服务元素提供给各种特定应用服务元素和用户元素都是通用的服务，这些服务与应用的性质无关。 特定应用服务元素（SASE）提供满足特定应用的特殊需求的能力。例如，文件传送、访问和管理、远程数据库访问、作业传送、银行事务等。因此，特定应用服务元素专门对特定应用提供服务，它与特定应用的性质和业务内容密切相关，是特有的。,公共应用服务元素CASE,公共应用服务元素(CASE)提供了应用层中最基本的服务，它为网络中应用进程间的通信、分布式提交系统的实现等提供了基本的控制机制。 CASE有四个组成元素： 联系控制服务元素(ACSE) 可靠传送服务元素(RTSE) 远程操作服务元素(ROSE) 委托、并行和恢复(CCR),特定应用服务元素SASE,根据应用服务的性质不同，可将特定应用服务元素（SASE）再分为两类， 一类是应用-特定应用服务元素（A-SASE）， 另一类是用户-特定应用服务元素（U-SASE）。 A-SASE是应用实体为支持应用进程间的信息传送处理所需要的那部分特定应用服务元素，如文件传送、访问和管理、远程数据库访问、虚拟终端等，它们是作为应用实体的通用SASE来研究的，而U-SASE是只对特定应用领域才有的功能，例如航空订票系统、银行数据系统等,一些通用的A-SASE包括：虚拟终端，作业传送与操作、文件传送、访问和管理，远程数据库访问，图形核心系统，开放系统互连管理，操作系统命令响应语言，信息通信和报文处理系统。 处于CASE上层的元素即为SASE。下面列举常见的SASE： MHS 报文处理系统（Message Handling System） FTAM 文件传送、访问和管理（File Transfer Access and Management） VT 虚拟终端（Virtual Terminal） JTM 作业传送和操作（Job Transfer and Management） RDA 远程数据库访问（Remote Database Access） EDI 电子数据交换（Electronic Data Interchange） DSP 目录服务协议（Directory Service Protocol） TP 事务处理（Transaction Processing）,MHS：报文处理系统,MHS的概述 报文处理系统（MHS）是OSI参考模型应用层所支持的一种应用，它可以利用分组交换网作为运载工具，传递包括文本、话音、图象、二进制数据等多种类型的报文，从而为用户提供电子邮件服务。 MHS的标准化工作始于80年代初。1984年ITU-T（原CCITT）首先制定了有关报文处理系统（MHS）的一系列建议，即X.400系列建议，成为第一个国际标准。国际标准化组织ISO于80年代也提出了相应的标准，称为面向报文的文本互换系统（MOTIS），即ISO 10021。这一标准与X.400完全兼容且有所扩充。1988年ITU-T又推出了修订版的X.400建议，新增加了安全机制，并且大量使用OSI目录服务（X.500建议）。我们以下的讨论以1988年修订版X.400建议为基础。,MHS的目的是在通信用户间作为交换信息的一种媒体，它具有以下特性： （1）MHS的报文格式由信封和内容组成。信封实际上就是整个报文的首部，其中包含报文的目的地址、投递方法和优先级等控制信息。内容包括信头和信体两部分。参照一般信函的结构，信头部分包含收件人（To）、发件人（From）、抄送（Cc）、日期、主题（Subject）等项内容，以便归档存储。信体部分是用户传送的任意形式的信息。报文的传递过程按信封的控制信息实现，传递的内容原则上是透明传送。由于MHS报文的信封和内容为层次结构，故可以处理多媒体信息。 （2）MHS的报文传递以存储-转发方式为基础，提供了同一报文向多目的地址同时传递的同报投递、投递保留、投递优先级等多种转发业务。 （3）个人之间的通信是MHS的主要通信方式。MHS的用户不仅是人类用户，而且也包括计算机进程。虽然目前来说个人之间的信函传递是MHS传递的主要报文，这相当于电子邮件业务，但是，由于计算机进程亦可作为MHS的用户，因此，利用计算机处理商品说明书、商品货单和付款单等商业或金融事务处理，也是MHS的重要应用。这就是所谓的电子数据互换EDI。,MHS的功能模型与工作过程,图中给出了MHS的系统结构，也称为X.400的功能模型。 MHS由以下4个元素组成： 报文传输系统（MTS，Message Transfer System） 用户代理（UA :User Agent） 报文存储（MS: Message Store） 访问单元（AU:Access Unit）,MHS用户通过用户代理（UA）访问MHS系统，UA是用户与MHS系统之间的接口，亦是开放系统中的一个应用进程。UA代表用户与报文传输系统（MTS）通信，另外，UA还为用户整理报文提供必要的编辑功能，并具有报文存储、归档功能。UA与用户存在着一一对应的关系，即每一个用户对应于且仅对应于一个用户代理UA。 接入单元（AU）是MHS与其他通信系统的接口，用来使其他信息通信手段（如传真、智能用户电报等，称为间接用户）也能通过MHS系统进行通信。,使用以上的系统结构，MHS的报文流程如下： （1）发信人利用发信UA的编辑功能产生报文； （2）指定收信人，由发信UA准备发送报文； （3）发信UA将准备好的报文提交给本地MTA，或经由MS交给MTA； （4）MTS将报文以存储转发方式从发信MTA传递到收信MTA； （5）收信MTA将报文投递给收信UA，或提交给与收信UA连接的MS再由收信UA从MS中取出； （6）报文到达收信UA后，存储在收信人的个人邮箱中，供收信人读出报文。 显而易见，MHS系统模型仅仅是日常邮政通信系统的电子化，这是很吸引人的，因为人们对于邮政通信这一种第三方传递的模型已经非常熟悉了。而且，MHS可以传送多种类型的信息，因此，MHS系统具有广泛的应用价值。,MHS服务,MHS服务分成四类： 报文传递服务 个人间报文通信服务 报文存储服务 物体投递服务 服务总共达90多种。从用户的角度来看，可使用MHS提供的两类服务，即报文传输服务和个人间报文通信服务。,报文传递服务（MT服务）,主要的报文传递服务是提交和投递。发信人的UA将报文提交给MTS，而MTS将该报文投递给收信人的UA。提交时，UA将一个包含投递信息的提交信封与报文内容一起交给MTS。投递时，MTS将投递信封与报文内容一起传递给UA。 为了投递报文，MTS必须具有传递服务。报文从本地MTA开始发出，向下传递到另一个MTA，直至到达目的地MTA。报文在传递过程中被装在一个“传递信封“内，该传递信封向MTS提供投递信息和跟踪信息。传递信封中包含的主要信息列于下表中。,根据UA提交报文时的说明，当报文投递完成时，MTS将向源发UA返回一个投递报告。同样，若报文无法投递，则返回一个无法投递报告。 这里需要说明的是关于信息转换的问题。报文有几种可能的形式，如ASC码电文、模拟传真、数字传真、数字话音、可视图文、用户电报，以及MHS以外的一些其他的系统。如果收信人不能直接接收某一种类型的报文，MTA就试图在投递之前进行必要的类型转换，但并不是所有的转换都是可行的。例如，目前将数字话音的报文转换为ASC码的报文是很难的事。,个人间报文通信服务（IPM服务）,IPM服务是由IPM-AU直接向用户提供的服务，它规定了由IPM用户互换的报文格式，报文包含一个信头和一个或多个信体部分。 个人间报文的信头部分包含如下一些信息，如报文标识符、发信人的MHS地址（From:）、主收信人（To:）、抄送收信人（Cc:）、主题和回信地址，等等。 IPM服务定义了一些信体部分，例如ASCII电文、传真、用