網(wǎng)絡(luò)模型之OSI模型介紹

1.0 介紹

網(wǎng)絡(luò)就是把兩個(gè)或更多的設(shè)備連接在一起，這樣數(shù)據(jù)/信息就可以雙向流動(dòng)。當(dāng)設(shè)備來自同一制造商時(shí)，由于它們遵循同一套規(guī)則、規(guī)范和指導(dǎo)方針，因此很容易將它們相互連接起來。來自不同制造商的兩臺(tái)設(shè)備之間的通信通常會(huì)面臨硬件和軟件不兼容的問題。這樣的系統(tǒng)被稱為封閉或?qū)Ｓ邢到y(tǒng)，而對(duì)于開放系統(tǒng)，來自不同制造商的兩個(gè)設(shè)備之間的通信沒有任何問題。這樣的開放系統(tǒng)被稱為可互操作的。

因此，對(duì)于這樣一個(gè)開放的系統(tǒng)，規(guī)范和指南對(duì)連接到網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備都是開放的。開放系統(tǒng)中的協(xié)議集允許任何兩個(gè)不同的系統(tǒng)相互通信。

所有的網(wǎng)絡(luò)，無論是標(biāo)準(zhǔn)的、專有的還是開放的，都是遵守ISO/IEC 7498-1:1994(信息技術(shù)開放系統(tǒng)互連)標(biāo)準(zhǔn)的基本模型。這是1986年首次推出的。這個(gè)模型可以應(yīng)用于所有通信系統(tǒng) — 從個(gè)人電腦到衛(wèi)星系統(tǒng)。

2.0 三層模型

在引入7層開放系統(tǒng)互連(OSI)模型之前,概念化了一個(gè)三層模型,涉及一個(gè)應(yīng)用層、一個(gè)傳輸層和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)訪問層。

在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序需要兩個(gè)層次來正確地到達(dá)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)。首先,計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用程序必須有自己的單獨(dú)地址,稱為服務(wù)接入點(diǎn)(SAP),這將使傳輸層能夠支持計(jì)算機(jī)中的多個(gè)應(yīng)用程序。同樣,每個(gè)連接到網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)都必須有一個(gè)獨(dú)特的地址。這使得網(wǎng)絡(luò)能夠在正確的目標(biāo)計(jì)算機(jī)上發(fā)送數(shù)據(jù)。

應(yīng)用程序?qū)油ㄟ^專門用于這些應(yīng)用程序的軟件支持不同的應(yīng)用程序。如下圖所示，是一個(gè)涉及四臺(tái)計(jì)算機(jī)的三層模型。網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的軟件來支持應(yīng)用程序、傳輸和網(wǎng)絡(luò)層。

傳輸層幫助在一臺(tái)計(jì)算機(jī)與另一臺(tái)計(jì)算機(jī)之間可靠地交換數(shù)據(jù)。它確保在確切的目標(biāo)應(yīng)用程序中交付數(shù)據(jù)。傳輸層上存在的控制信息確保了正確的數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)絡(luò)訪問層或簡單地說，網(wǎng)絡(luò)層有助于在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間交換數(shù)據(jù)。這一層提供數(shù)據(jù)最終要傳送到的目標(biāo)計(jì)算機(jī)的地址。網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行正確路由，以使其到達(dá)目的地。這意味著其他兩層不關(guān)心網(wǎng)絡(luò)層中固有的控制軟件的細(xì)節(jié)。同樣，網(wǎng)絡(luò)層也不知道最終將數(shù)據(jù)傳遞到目標(biāo)計(jì)算機(jī)的服務(wù)接入點(diǎn)。在這一層使用不同的軟件，這取決于網(wǎng)絡(luò)的類型，電路交換，分組交換，局域網(wǎng)(Lan)等。

上圖，說明了應(yīng)用數(shù)據(jù)如何通過在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層添加控制信息(稱為頭部)來傳遞。一層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol data unit, PDU)是該層的控制信息(也稱為頭部)與其上層的全部數(shù)據(jù)塊的組合。傳輸PDU中的頭部信息包括:目標(biāo)SAP、序列號(hào)和錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。在目標(biāo)SAP的幫助下，接收計(jì)算機(jī)可以將接收到的數(shù)據(jù)定向到正確的應(yīng)用程序文件。在傳輸時(shí)，PDU發(fā)送一系列相同的數(shù)據(jù),序列號(hào)是必不可少的。它有助于重新安排接收到的信息以正確的順序接收數(shù)據(jù)。最后,傳輸PDU包含一個(gè)代碼，用于檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)是否正確。接收方可以采取相應(yīng)的行動(dòng)。同樣，網(wǎng)絡(luò)層PDU將包含一個(gè)目標(biāo)計(jì)算機(jī)地址和一些額外的信息。網(wǎng)絡(luò)層 PDU，借助它的頭部，將接收到的數(shù)據(jù)引導(dǎo)到目的計(jì)算機(jī)。

3.0 OSI模型

OSI參考模型為系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了一個(gè)共同的基礎(chǔ)。該模型涵蓋了ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)所設(shè)想的網(wǎng)絡(luò)通信的所有方面。ISO是一個(gè)組織而不是一個(gè)模型，而OSI參考模型不是一個(gè)協(xié)議或一組規(guī)則，但它是一個(gè)形成定義協(xié)議基礎(chǔ)的總體框架。OSI有一個(gè)分層的體系結(jié)構(gòu)，方便了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，允許所有類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信。它由七個(gè)層組成，如下圖所示。

這七層被分為三個(gè)子組。第1、2和3層稱為網(wǎng)絡(luò)支持層，而第5、6和7層稱為用戶支持層。位于中間的層，即第4層，連接兩個(gè)子組。應(yīng)用層提供使用HTTP、FTP的用戶接口。表示層負(fù)責(zé)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)并處理加密。會(huì)話層將不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)分開并負(fù)責(zé)同步。傳輸層提供面向連接(TCP)和無連接(UDP)端到端發(fā)送數(shù)據(jù)段和錯(cuò)誤修正。網(wǎng)絡(luò)層提供邏輯尋址，指導(dǎo)路由器通過最短路徑路由數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地。數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為幀，執(zhí)行錯(cuò)誤檢測(cè)并提供使用MAC地址(802.2和HDLC)。物理層按指定的時(shí)間向物理介質(zhì)提供位電平(EIA/TIA-232 V.35)。

在開發(fā)模型時(shí)，將類似類型的網(wǎng)絡(luò)功能組合在一起，放在特定的層中。這樣，不同的層被賦予了不同的功能，形成了一種全面而又靈活的體系結(jié)構(gòu)。由于每一層的功能是獨(dú)立且定義良好的，因此可以獨(dú)立和同時(shí)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，從而加快標(biāo)準(zhǔn)化過程。同樣，由于各層之間是相互獨(dú)立的，因此一層中標(biāo)準(zhǔn)的任何更改都不會(huì)影響另一層中的現(xiàn)有軟件。

源數(shù)據(jù)以包的形式封裝，從上層開始，向下移動(dòng)到后續(xù)的層，在每層以頭的形式添加控制信息，并在數(shù)據(jù)鏈路層添加尾。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)第1層，即物理層時(shí)，它通過一個(gè)物理通信鏈路發(fā)送，該鏈路經(jīng)過中間的節(jié)點(diǎn)最終到達(dá)目的站。

如下圖所示，在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上返回?cái)?shù)據(jù)的過程是通過反轉(zhuǎn)在源節(jié)點(diǎn)端所遵循的順序來完成的。

下圖顯示了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，頭文件和尾文件被放置在每一層的適當(dāng)位置。

3.1. 物理層

下圖，顯示了將數(shù)據(jù)從物理層傳輸?shù)轿锢斫橘|(zhì)的機(jī)制。物理層接收來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)。它處理接口和介質(zhì)的物理和電氣規(guī)格，以及物理設(shè)備和接口為進(jìn)行傳輸必須執(zhí)行的功能和過程。

與物理層相關(guān)的特征有:

• 它將比特轉(zhuǎn)換為信號(hào)，即如何對(duì)0和1進(jìn)行編碼，以便在物理介質(zhì)上傳輸。
• 它定義了數(shù)據(jù)速率或傳輸速率。
• 物理層的職責(zé)是同步發(fā)射器和接收器的時(shí)鐘。
• 它定義了物理拓?fù)洹ＴO(shè)備是如何連接的，即網(wǎng)狀或星形或環(huán)形或混合。
• 線路配置，即設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)配置由物理層負(fù)責(zé)。
• 它與傳輸模式有關(guān)，即單工、半雙工或全雙工。
• 它定義了設(shè)備和傳輸介質(zhì)之間接口的特征。
• 它為不同類型的硬件提供了必要的規(guī)范，如電纜、連接器和接收器、網(wǎng)絡(luò)接口卡(nic)、集線器等。

3.2. 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層如下圖所示。

與數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)的特征有:

• 它將從網(wǎng)絡(luò)層接收到的整個(gè)消息劃分為更小的可管理的數(shù)據(jù)單元——稱為幀。
• 它將幀從一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)(跳到跳)。
• 當(dāng)發(fā)送方產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的速率高于接收方吸收數(shù)據(jù)的速率時(shí)，它施加一種流控制機(jī)制。
• 該層有一個(gè)錯(cuò)誤控制機(jī)制，它可以檢測(cè)和重傳損壞或丟失的幀。它還可以通過在每一幀添加結(jié)尾來識(shí)別重復(fù)幀。

數(shù)據(jù)鏈路層被細(xì)分為上層的邏輯鏈路控制層(LLC)和下層的媒介訪問控制層(MAC)。LLC負(fù)責(zé)流程和錯(cuò)誤控制。LLC確保了協(xié)議IP可以在任何類型的物理技術(shù)中發(fā)揮作用。多點(diǎn)訪問由MAC解決，也就是說，MAC充當(dāng)中介。用于實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的技術(shù)有:用于以太網(wǎng)的帶有沖突檢測(cè)(CSMA/CD)的載波感知多路訪問和用于令牌環(huán)系統(tǒng)的令牌。

數(shù)據(jù)鏈路層為一個(gè)需要分布到不同系統(tǒng)的幀添加報(bào)頭。然后，報(bào)頭包含發(fā)送方和接收方地址， 這就是所謂的物理稱呼。

3.3. 網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)層的流動(dòng)機(jī)理，如下圖所示 ：

網(wǎng)絡(luò)層的職責(zé)包括:

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)跨多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息包從源到目的地的傳遞。

如果駐留在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信息包要被發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層在每個(gè)信息包中添加發(fā)送方和接收方的邏輯(網(wǎng)絡(luò))地址。

這些地址由網(wǎng)絡(luò)管理員分配給本地設(shè)備。這是由一個(gè)稱為動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)的特殊服務(wù)器動(dòng)態(tài)分配的。

多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過路由器和交換機(jī)連接形成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層確定將包路由到最終目的地的最佳路徑。

3.4. 傳輸層

傳輸層如下圖所示：

傳輸層的職責(zé)如下:

• 它確保了整個(gè)消息的進(jìn)程到進(jìn)程的傳遞。
• 網(wǎng)絡(luò)層獨(dú)立處理每個(gè)數(shù)據(jù)包，而傳輸層整體處理整個(gè)消息，并確保所有數(shù)據(jù)包都是有序的。
• 傳輸層可以是無連接的，也可以是面向連接的。在面向連接的傳輸中，接收設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)包后向源發(fā)送確認(rèn)信息。但對(duì)于無連接傳輸就不是這樣了，因此，前者是一種較慢的傳輸方法，后者相對(duì)較快。
• 一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行幾個(gè)進(jìn)程。傳輸層頭為每個(gè)這樣的進(jìn)程分配一個(gè)端口地址。
• 傳輸層將消息劃分為多個(gè)段，每個(gè)段包含一個(gè)序列號(hào)。序列號(hào)允許在接收端組裝消息。它還可以識(shí)別和替換在傳輸中丟失的數(shù)據(jù)包。
• 傳輸層的流量控制是端到端的，而不是單一的鏈路。
• 傳輸層的錯(cuò)誤控制是進(jìn)程對(duì)進(jìn)程的，而不是跨單個(gè)鏈路的。
• 傳輸層協(xié)議包括傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)。前者是面向連接的，后者是無連接的。

3.5. 會(huì)話層

下圖，顯示了會(huì)話層的操作。

它充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)話控制器。它的工作包括建立、維護(hù)、同步并最終終止相互通信的設(shè)備之間的交互。如果會(huì)話被破壞，它會(huì)嘗試檢索會(huì)話。

會(huì)話層執(zhí)行的職責(zé)包括:

對(duì)話控制，包括確定兩個(gè)設(shè)備中哪一個(gè)要在它們之間通信數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享可以是單工、半雙工或全雙工。

會(huì)話層在數(shù)據(jù)流中添加檢查點(diǎn)(也稱為同步點(diǎn))。對(duì)于大量的數(shù)據(jù)，它在兩者之間以預(yù)定的間隔添加檢查點(diǎn)，以確保正確地接收和確認(rèn)每個(gè)連續(xù)檢查點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)。向數(shù)據(jù)流中添加檢查點(diǎn)和標(biāo)記的過程稱為對(duì)話分離。

3.6. 表示層

數(shù)據(jù)消息的語法和語義由表示層負(fù)責(zé)。下圖，顯示了表示層的操作。

其職責(zé)包括:

• 表示層確保不同計(jì)算機(jī)編碼的不同數(shù)據(jù)是可互操作的。
• 在發(fā)送方和接收方之間交換的敏感信息必須遠(yuǎn)離可能的竊聽者。數(shù)據(jù)加密的方式是對(duì)數(shù)據(jù)偷獵者隱藏信息。解密是為了將消息在接收者處轉(zhuǎn)換回其原始形式。
• 數(shù)據(jù)壓縮是一種減少數(shù)據(jù)流中包含的比特?cái)?shù)，而不丟失重要信息的方法。
• 表示層格式包括:文本(ASCII, EBCDIC, RTF), 圖片(JPG, TIF, GIF)，音頻(MP3, WAV)，電影(MPEG, AVI, MOV)等。

3.7. 應(yīng)用程序?qū)?/p>

下圖，顯示了應(yīng)用層的運(yùn)行情況，

其主要特征如下:

• 它提供用戶接口，并支持各種服務(wù)，如電子郵件、文件傳輸和訪問萬維網(wǎng)。
• 它允許用戶從遠(yuǎn)程位置定位數(shù)據(jù)，檢索數(shù)據(jù)，并在用戶所在的地方使用數(shù)據(jù)。
• 用戶可以登錄到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)并使用其資源。