OSI参考模型的认识

1、计算机网络基础 OSIOSI参考模型的认识参考模型的认识主讲人：徐光达学习目标学习目标n 什么是OSI模型？n OSI参考模型又是如何工作的？每层的功能又是什么？计算机网络体系结构计算机网络体系结构n网络的体系结构n 计算机网络的各层以及其协议的结合，称为网络的体系结构。换言之，计算机网络的体系结构即是对计算机网络及其部件所应该完成的功能的精确定义。即计算机网络应设置哪几层，每层应提供哪些功能的精确定义,至于功能如何实现，则不属于网络体系结构讨论的范围。换句话说，网络体系结构只是从功能上描述计算机网络的结构，不涉及每层硬件和软件的组成，也不涉及这些硬件或软件的实现问题。OSIOSI参考模型参考

2、模型n 70年代以来，国外一些主要计算机生产厂家先后推出了各自的网络体系结构，但都属于专用的。为使不同计算机厂家的计算机能够互相通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，有必要建立一个国际范围的网络体系结构标准。国际标准化组织ISO于1981年正式推荐了一个网络系统结构开放系统互连模型(Open System Interconnection reference model )OSI/RM,简称OSI。由于这个标准模型的建立，使得各种计算机网络向它靠拢，大大推动了网络通信的发展。n “开放”这个词表示：只要遵循OSI标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循OSI标准的其他任何系统进行连接。

3、计算机网络的分层模型计算机网络的分层模型n 一个功能完善的计算机网络需要制定一套复杂的协议集合，对于这种协议集合，最好的组织方式是层次结构模型。这样分层的好处在于：每一层都实现相对的独立功能，因而可以将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。 计算机网络的分层模型计算机网络的分层模型n 在网络互连中，有两个标准可以考虑：合法的和事实的。合法的意味着用权力或法律建立。事实的意味着用实际的事实建立。尽管没有得到官方或法律上的承认，但TCP/IP为网络协议创建了一个事实标准，尽管它在得到广泛接受之前并没有成为标准。OSI参考模型是一个合法的标准。国际标准化组织( ISO )创建

4、了OSI模型，并在1984年发布，为供应商提供一个网络模型，这样它们的产品可以在网络上协调工作。计算机网络协议计算机网络协议n网络协议定义：n 即网络中（包括互联网）传递、管理信息的一些规范。如同人与人之间相互交流是需要遵循一定的规矩一样，计算机之间的相互通信需要共同遵守一定的规则，这些规则就称为网络协议。n网络协议三个要素：n语法：即数据与控制信息的结构或格式。n语义：即需要发出何种控制信息、完成何种协议以及做出何种应答。n同步：即事件实现顺序的详细说明。n解决通信的解决通信的异质性异质性(heterogeneity)(heterogeneity)问题问题：q语言层解决不同种语言的相互翻译问

5、题(汉-日)q媒介层解决信息传递: 语音(电话)/文字(传真)分层模型的优点分层模型的优点n高层屏蔽低层细节问题高层屏蔽低层细节问题q概念层只关心会话内容, 不关心语种和会话方式q语言层只关心语种, 不关心会话内容和方式q媒介层只关心信息的传递, 不关心信息的内容分层模型的优点分层模型的优点n设计实现设计实现q每个层次向上一层次提供服务q每个层次向下一层次请求服务q上层是为下层指引方向的，下次为上层提供更好的服务。分层模型的优点分层模型的优点p降低协议设计的复杂性：n各层相对独立，各层不必关心其它层的具体实现，只需知道上下层接口；p标准化接口：n任何一层发生修改，只要接口关系不变，其它层均不受

6、影响；分层模型的优点分层模型的优点p模块化结构：n结构分层，各层都可独立实现；便于网络模型的设计；p保证技术的互操作性：n各层向下单向依赖，易于实现和维护p最重要的一点是不同厂商生产设备时有一个共同操作的标准，使不同产商设备互相兼容。分层模型的优点分层模型的优点OSIOSI模型概述模型概述n 传输层传输层数据链路层数据链路层网络层网络层物理层物理层会话层会话层表示层表示层应用层应用层应用层（高层）高层的功能为处理高层的功能为处理用户接口、数据格用户接口、数据格式及应用访问。主式及应用访问。主要由操作系统实现要由操作系统实现数据流层数据流层（低层）（低层） 定义了数据如何在网定义了数据如何在网络

7、传输介质之间传送，络传输介质之间传送，及数据如何通过网线和及数据如何通过网线和网络设备传输到期望的网络设备传输到期望的终端终端n OSI参考模型的第4层及其以上各层为高层协议，实现资源子网的功能，其中的实体为进程。实现端到端的通信。下3层协议实现通信子网的功能，其中的实体为网络互联设备和网络通信介质，实现点到点的通信。 OSIOSI模型概述模型概述通信子网和资源子网 通信子网：由所有通信线路、网络互连设备和相应通信协议软件组成，承担 不同主机之间数据传输的任务； 资源子网：网络中所有的主机、通信协议和各种应用系统。 路由器仅有低3层协议，包含在通信子网中；主机有7层协议，但属于资源子 网范围

8、。路由器 主机 网络系统通信线路 通信子网 资源子网L7L6L5L4L3L2L1L3L2L1L7L6L5L4L3L2L1L3L2L1L3L2L1按各网络单元功能分割7 76 65 54 43 32 21 17 76 65 54 43 32 21 13 32 21 13 32 21 1OSI环境环境网络环境网络环境数据通数据通信网信网计算机计算机A计算机计算机B实系统环境实系统环境 应用层物理层 数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层 数据链路层网络层传输层会话层表示层发送进程接收进程物理层 数据链路层网络层主机A主机B 路由器路由器物理层 数据链路层网络层通信子网物理介质物理介质物理通

9、信 物理通信：是通信进行的真实路径，从发送主机的上层逐层向下传递， 经通信介质和通信子网送达目标主机，然后在目标主机中逐层向上传递。 物理通信是由主机和网络设备中的逐层通信及通信子网中的逐点通信组 合而成，因此物理通信具有间接通信属性。网络通信子系统 应用层物理层 数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层 数据链路层网络层传输层会话层表示层发送进程接收进程应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议物理层 数据链路层网络层主机A主机B 路由器路由器物理层 数据链路层网络层通信子网物理介质物理介质逻辑通信网络层协议2链路层协议2物理层协议2 逻辑通信：位于不同主机和网络设备中同层通信实体间的对

10、话，对话遵 循某一特定协议，且每层协议各不相同； 传输层及以上层不同主机通信实体间的逻辑通信是直接点对点的通信， 下3层中主机与路由器和路由器与路由器之间的通信也是直接通信，且同 层通信协议不尽相同。网络层协议1网络层协议3链路层协议1链路层协议3物理层协议1物理层协议3L7数据L7数据 H6L6数据H5L5数据H4L4数据H3L3数据H2T201010101011111100101010o1o2o3o4o5o6o7L7数据L7数据 H6L6数据H5L5数据H4L4数据H3L3数据H2T201010101011111100101010o1o2o3o4o5o6o7传输媒体传输媒体信息的流动过程信

11、息的流动过程 对等层通信在分层模型中，对等是一个很重要的概念，因为只有对等层才能相互通信，一方在某层上的协议是什么，对方在同一层次上也必须是什么协议。 两个网络在物理层就相同，使用中继器就可以连起来；如果两个网络物理层不同，链路层相同，使用桥接器可以连起来；如果两个网络物理层、链路层都不同，而网络层相同，使用路由器可以互连；如果两个网络协议完全不同，使用协议转换器（网关）可以互连。n OSI参考模型的分层禁止了不同主机间的对等层之间的直接通信。因此主机A的每一层必须依靠主机A相邻层提供的服务来与主机B的对应层通信。n 假设主机A的第四层必须与主机B的第四层通信，那么主机A的第四层就必须使用主机

12、A的第三层所提供的服务。第三层通过一个服务接入点（SAP）给第四层提供服务，这些服务接入点使得第四层能要求第三层提供服务主机B的第四层怎么知道主机A第四层想要什么呢？数据封装和解封装数据封装和解封装p 数据封装：数据封装： OSI模型的每一层用其自己的协议与目的设备的相同层进行通信。为了交换信息，每层都使用协议数据单元（PDU）。PDU包括控制信息和用户数据。比如，帧是一个除上层控制信息和数据外还包含了数据链路层控制信息的PDU。将将控制信息控制信息添加到一个添加到一个PDUPDU的过程称作封装。的过程称作封装。当一个层收到PDU时，它为该PDU添加一个头和尾，并将封装后的PDU传送到下一层。

13、添加到PDU上的控制信息将被远端设备的相同层所解读。 数据封装数据封装PPDU传输层传输层 数据链路层数据链路层物理层物理层 网络层网络层 上层数据上层数据上层数据上层数据传输层控制信息传输层控制信息数据数据网络层控制信息网络层控制信息数据数据逻辑链路子层控制信息逻辑链路子层控制信息0101110101001000010数据数据表示层表示层应用层应用层会话层会话层段段包包比特比特帧帧FCSFCS介质访问控制子层控制信息介质访问控制子层控制信息SPDUAPDU数据封装和解封装数据封装和解封装n数据解封装：数据解封装：n 当一个远端设备收到一串比特数据时，它将它们传送给数据链路层进行帧操作。当数据

14、链路层收到一个帧时，它完成以下工作：读出同层源设备提供的控制信息，从帧中剥离控制信息，将帧传给上一层，同时执行在帧的控制域给出的指令。这样，将控制信息从将控制信息从PDUPDU剥离的过程就称剥离的过程就称作解封装作解封装。数据解封装数据解封装上层数据上层数据逻辑链路控制子层控制信息逻辑链路控制子层控制信息+网络层控制信网络层控制信息息+传输层控制信息传输层控制信息+上层数据上层数据媒体访问控制子层控制信息媒体访问控制子层控制信息网络层控制信息网络层控制信息+传输层控制信传输层控制信息息+上层数据上层数据逻辑链路子层控制信息逻辑链路子层控制信息传输层控制信息传输层控制信息+上层数据上层数据网络层

15、控制信息网络层控制信息上层数据上层数据传输层控制信息传输层控制信息0101110101001000010传输层传输层 数据链路层数据链路层物理层物理层 网络层网络层 表示层表示层应用层应用层会话层会话层数据封装和解封装数据封装和解封装多层通信示例：国际外交中国教师德国教师翻译翻译秘书秘书消息“你 好”“HALLO”“HELLO”“HELLO”传真传真 2/3接口 1/2接口 2/3接口 1/2接口P3P1P2对交谈内容的共识用英语对话使用 传真通信多层通信示例多层通信示例计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成

16、为应用层 PDU5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体计算机1向计算机2发送数据 n应用层(ap

17、plication layer) 5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机 2计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2A

18、P1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H

19、4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机1向计算机2发送数据 H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据计算机1向计算机2发送数据 H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应

20、 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层计算机1向计算机2发送数据 H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层计算机1向计算机2发送数据 应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程计算机1向计算机2发送数据 5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数

21、据！计算机1向计算机2发送数据 1 1、物理层、物理层 物理层是OSI参考模型的最低层，与传输媒体直接相连，主要作用是建立、保持和断开物理连接，以确保二进制比特流的正确传输。1 1、物理层、物理层特性特性机械特征：机械特征：p 规定线缆与网络接口卡的连接头的形状、几何尺寸、引脚线数、引线排列方式、锁定装置等一系列外形特征。电气特征：电气特征：p 规定了在传输过程中多少伏特的电压代表“1”，多少伏特代表“0”。功能特征：功能特征：p 规定了连接双方每个连接线的作用：用于传输数据的数据线、用于传输控制信息的控制线、用于协调通信的定时线、用于接地的地线。规程特征：规程特征：p 具体规定了通信双方的通

22、信步骤。物理层主要功能示意图物理层主要功能示意图 L2数据10010110101物理层L2数据10010110101物理层从数据链路层到数据链路层传输媒体传输媒体2 2、数据链路层数据链路层 主要负责数据链路的建立、维持和拆除，确保在一段物理链路上数据帧的正确传输，将有差错的物理链路转化成对网络层来说是没有传输错误的数据链路:差错检测和数据流量控制差错检测和数据流量控制。 该层用于建立相邻结点之间的数据传输；它将不可靠的物理信道处理为可靠的通道，使高层不必考虑物理介质的具体特性；该层的数据单元为帧(frame)；IEEE标准将该层又分为介质访问控制层(MAC)和逻辑链路控制层( LLC ) 。

23、o物理层只负责传输无结构的原始比特流，是不可靠的。数据链路层将不可靠的物理连接（数据电路）转换成（对网络层来说）可靠的数据链路。为实现转换：n首先，必须将物理层的无结构原始比特流划分成一定长度的结构数据单元帧（frame） n其次，对帧进行差错控制（error control），实现检错/纠错功能。n最后，通过合适的流量控制（flow control）协议保证收发双方的传输同步，为网络层提供透明可靠的服务。 2 2、数据链路层数据链路层2 2、数据链路层数据链路层L3数据L3数据 L2数据L2数据T2T2H2H2到物理层从物理层从网络层到网络层数据链路层数据链路层帧帧数据链路层数据封装示意图

24、媒介访问控制方法n介质访问控制确定共享介质环境（冲突域）中的计算机哪一台可以发送数据的协议。n介质访问控制有两大类q非确定性MAC协议： 使用先来先服务（FCFS）的方式。带冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)就是非确定性MAC技术。q确定性MAC协议 使用“轮流”的形式。令牌环（Token Ring）采用了这种形式。冲突域p 冲突冲突: : 在同一个网络上，当两个bits同时在介质中传输时，数据就会发生碰撞，造成损坏，这叫做冲突冲突。p 冲突域冲突域: : 一组连接到同一物理媒介的集合，如果两个设备同时访问媒介，信息将发生冲突，那么这组设备就在同一个冲突域。所有第一层的互连设备都

25、是冲突域的一部分。解决冲突的方法p 方案一方案一: : 检测冲突，采用竞争的方法或轮流通讯的方法p 方案二方案二: : 使用设备把网络分段（Segmentation）以减少冲突；如：网桥、交换机或路由器。广播域n广播广播: : 一次发送给所有设备的数据包。n广播域广播域: : 广播域就是能够同时收到某个广播的一组设备的集合。减小广播的有效办法是使用路由器来隔离广播。3 3、网络层、网络层n网络层主要作用是将从高层传送下来的数据分组打包，再进行必要的路由选择、流量控制、差错控制、顺序检测等处理，使数据正确无误地传送到目的端。q将网络逻辑地址转换成物理机器地址： IP=MAC。q决定服务质量(如消

26、息的优先权)， 从发送者到接收者之间存在多条线路径时,还需要进行路由选择： 路由选择。q当数据包的大小比数据链路层允许的最大数据帧还要大时,网络层将其分成多个数据段，在接收端负责将多个数据段组合数据包：包的拆分和重组。L4数据L4数据 L3数据L3数据H3H3到数据链路层从传输层到传输层网络层网络层分组从数据链路层分组网络层数据封装示意图网络层数据封装示意图 3 3、网络层、网络层4 4、传输层传输层 传输层的主要作用是为利用通信子网进行通信的两个主机，提供可靠的、透明的端-端多路数据传输服务。 本层提供了两个实体之间端对端的通信，掩盖了通信网服务的差别。传输层向高层用户屏蔽了通信子网的细节。

27、该层的数据单元是段（Segment)，该层通常提供两种服务：面向连接的服务和面向无连接的服务。主要协议包括Internet的TCP、UDP，Novell的SPX等。p传输层的功能传输层的功能: :n端对端通信：端对端通信： 传输层用于网络内两实体间建立端到端的通信信道用于传输信息或报文分组。传输层不关心路径选择。n传输层服务：传输层服务： 传输层提供端点间的可靠、透明数据传输、执行端点间的差错检测和恢复、顺序控制流量控制，管理多路复用。4 4、传输层、传输层H4H4H4H4H4H4L4数据L4数据L4数据L5数据L5数据L4数据L4数据L4数据 到网络层 从网络层 从会话层 到会话层传输层传输

28、层传输层数据封装及功能示意图传输层数据封装及功能示意图 4 4、传输层、传输层5 5、会话层、会话层n管理不同主机上各进程间的对话。该层使应用进程之间能够建立、维护会话的连接；会话层可以通知进程之间实现同步通信：q管理和控制会话连接q会话连接同步q数据交换q会话交互管理q异常报告会话层会话层传送报文传送报文为通信的两个进为通信的两个进程建立会话连接，程建立会话连接，进行交换进行交换会话管理会话管理令牌管理令牌管理同步管理同步管理5 5、会话层、会话层L6数据H5L5数据到传输层从传输层从表示层到表示层会话层L6数据H5L5数据会话层会话层数据封装及功能示意图会话层数据封装及功能示意图 6 6、表示层、表示层n为上下层之间提供对数据或信息的语法和语义的转换。该层完成某些特定的功能，它提供了一种公共语言，可以使不同类型的计算机相互通信、相互理解；该层还能够提供数据压缩、解压缩的服务，以及加密解密的服务：q转换信息的格式和编码q数据压缩和数据加密、解密q表示层连接管理机制q为应用层提供表示连接服务原语表示层表示层