網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)-OSI參考模型
2.2.1 OSI七層模型
開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）采用分層的結(jié)構(gòu)化技術(shù)，共分7層，從低到高為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。OSI參考模型的每一層都定義了所實(shí)現(xiàn)的功能，完成某特定的通信任務(wù)，并只與相鄰的上層和下層進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。如圖2.2所示。
2.2.2 OSI參考模型各層的功能
OSI參考模型的每一層都有它自己必須實(shí)現(xiàn)的一系列功能，以保證數(shù)據(jù)包能從源結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點(diǎn)。下面簡(jiǎn)單介紹OSI參考模型各層的功能。
1．物理層(Physical Layer)
物理層是OSI參考模型的最低層，也是OSI體系結(jié)構(gòu)中最重要的、最基礎(chǔ)的一層。物理層并不是指物理設(shè)備或物理媒體，而是有關(guān)物理設(shè)備通過物理媒體進(jìn)行互連的描述和規(guī)定。物理層協(xié)議定義了接口的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性、規(guī)程特性等4個(gè)基本特性。
物理層以比特流的方式傳送來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)，而不去理會(huì)數(shù)據(jù)的含義或格式。同樣，它接收數(shù)據(jù)后直接傳給數(shù)據(jù)鏈路層。也就是說，物理層只能看見0和1，它沒有一種機(jī)制用于確定自己所處理的比特流的具體意義，而只與數(shù)據(jù)通信的機(jī)械或電氣特性有關(guān)。
2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層(Da
數(shù)據(jù)鏈路層是OSI模型的第二層，負(fù)責(zé)通過物理層從一臺(tái)計(jì)算機(jī)到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)無差錯(cuò)地傳輸數(shù)據(jù)幀，允許網(wǎng)絡(luò)層通過網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行虛擬無差錯(cuò)地傳輸。
通常，數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，等待接收方的確認(rèn)。接收方數(shù)據(jù)鏈路層檢測(cè)幀傳輸過程中產(chǎn)生的任何問題。沒有經(jīng)過確認(rèn)的幀和損壞的幀都要進(jìn)行重傳。
3．網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)
網(wǎng)絡(luò)層是OSI模型的第3層，負(fù)責(zé)信息尋址和將邏輯地址與名字轉(zhuǎn)換為物理地址。
在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)傳送的單位是包。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)就是要選擇合適的路徑和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，使發(fā)送方的數(shù)據(jù)包能夠正確無誤的按地址尋找到接收方的路徑，并將數(shù)據(jù)包交給接收方。網(wǎng)絡(luò)中兩結(jié)點(diǎn)之間達(dá)到的路徑可能有很多，應(yīng)通過哪條路徑才能將數(shù)據(jù)從源設(shè)備傳送到所要通信的目的設(shè)備，在尋找最快捷花費(fèi)最低的路徑時(shí)，必須考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞程度、服務(wù)質(zhì)量、線路的花費(fèi)和線路有效性等諸多因素?？偟膩碚f，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)選擇最佳路徑。
網(wǎng)絡(luò)層處于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，它負(fù)責(zé)向傳輸層提供服務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議還能協(xié)調(diào)發(fā)送、傳輸以及接收設(shè)備的能力不平衡的問題，如網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段和重組，以使得數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度能夠滿足該網(wǎng)絡(luò)下層數(shù)據(jù)鏈路層所支持的最大的數(shù)據(jù)幀（MTU）的長(zhǎng)度。
另外，網(wǎng)絡(luò)層還需要考慮采用不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)問題，如TCP/IP使用的IP協(xié)議和NOVELL使用的IPX協(xié)議之間的互連。
4．傳輸層(Transport Layer)
傳輸層的功能是保證在不同子網(wǎng)的兩臺(tái)設(shè)備間數(shù)據(jù)包可靠、順序、無錯(cuò)地傳輸。在傳輸層，數(shù)據(jù)傳送的單位是段。傳輸層負(fù)責(zé)處理端對(duì)端通信，所謂端對(duì)端是指從一個(gè)終端（主機(jī)）到另一個(gè)終端（主機(jī)），中間可以有一個(gè)或多個(gè)交換結(jié)點(diǎn)。
傳輸層向高層用戶提供端到端的可靠的透明傳輸服務(wù)，為不同進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換提供可靠的傳送手段。在傳輸層一個(gè)很重要的工作是數(shù)據(jù)的分段和重組，即把一個(gè)上層數(shù)據(jù)分割成更小的邏輯片或物理片。換言之，也就是發(fā)送方在傳輸層把上層交給它的較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段后分別交給網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行獨(dú)立傳輸，從而實(shí)現(xiàn)在傳輸層的流量控制，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。在接收方將收到的分段的數(shù)據(jù)重組，還原成為原先完整的數(shù)據(jù)。
另外，傳輸層的另一主要功能就是將收到的亂序數(shù)據(jù)包重新排序，并驗(yàn)證所有的分組是否都已被收到。
5．會(huì)話層(Session Layer)
會(huì)話層是利用傳輸層提供的端到端的服務(wù)，向表示層或會(huì)話用戶提供會(huì)話服務(wù)。會(huì)話層的主要功能是在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間建立、維護(hù)和釋放面向用戶的連接，并對(duì)會(huì)話進(jìn)行管理和控制，保證會(huì)話數(shù)據(jù)可靠傳送。
在會(huì)話層和傳輸層都提到了連接，那么會(huì)話連接和傳輸連接到底有什么區(qū)別呢？會(huì)話連接和傳輸連接之間有三種關(guān)系：一對(duì)一關(guān)系，即一個(gè)會(huì)話連接對(duì)應(yīng)一個(gè)傳輸連接；一對(duì)多關(guān)系，一個(gè)會(huì)話連接對(duì)應(yīng)多個(gè)傳輸連接；多對(duì)一關(guān)系，多個(gè)會(huì)話連接對(duì)應(yīng)一個(gè)傳輸關(guān)系。
會(huì)話過程中，會(huì)話層需要決定到底使用全雙工通信還是半雙工通信。如果采用全雙工通信，則會(huì)話層在對(duì)話管理中要做的工作就很少；如果采用半雙工通信，會(huì)話層則通過一個(gè)數(shù)據(jù)令牌來協(xié)調(diào)會(huì)話，保證每次只有一個(gè)用戶能夠傳輸數(shù)據(jù)。
會(huì)話層提供了同步服務(wù)，通過在數(shù)據(jù)流中定義檢查點(diǎn)(Checkpoint)來把會(huì)話分割成明顯的會(huì)話單元。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障出現(xiàn)時(shí)，從最后一個(gè)檢查點(diǎn)開始重傳數(shù)據(jù)。
常見的會(huì)話層協(xié)議有：結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）、遠(yuǎn)程進(jìn)程呼叫（RPC）、X-windows 系統(tǒng)、AppleTalk 會(huì)話協(xié)議、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)話控制協(xié)議（DNA SCP）等。
6．表示層(Presentation Layer)
OSI模型中，表示層以下的各層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)不出錯(cuò)。但數(shù)據(jù)的傳輸沒有出錯(cuò)，并不代表數(shù)據(jù)所表示的信息不會(huì)出錯(cuò)。表示層專門負(fù)責(zé)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)信息表示方式的問題。表示層負(fù)責(zé)在不同的數(shù)據(jù)格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，以實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間的信息交換。
除了編碼外，還包括數(shù)組、浮點(diǎn)數(shù)、記錄、圖像、聲音等多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表示層用抽象的方式來定義交換中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且在計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示法和網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)表示法之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
表示層還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的加密，以在數(shù)據(jù)的傳輸過程對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。數(shù)據(jù)在發(fā)送端被加密，在接收端解密。使用加密密鑰來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。
表示層還負(fù)責(zé)文件的壓縮，通過算法來壓縮文件的大小，降低傳輸費(fèi)用。
7．應(yīng)用層(Application Layer)
應(yīng)用層是OSI參考模型中最靠近用戶的一層，它直接與用戶和應(yīng)用程序打交道，負(fù)責(zé)對(duì)軟件提供接口以使程序能使用網(wǎng)絡(luò)。與OSI參考模型的其他層不同的是，它不為任何其他OSI層提供服務(wù)，而只是為OSI模型以外的應(yīng)用程序提供服務(wù)，如電子表格程序和文字處理程序。包括為相互通信的應(yīng)用程序或進(jìn)程之間建立連接、進(jìn)行同步，建立關(guān)于錯(cuò)誤糾正和控制數(shù)據(jù)完整性過程的協(xié)商等。應(yīng)用層還包含大量的應(yīng)用協(xié)議，如虛擬終端協(xié)議（Telnet）、簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）、域名服務(wù)系統(tǒng)（DNS）和超文本傳輸協(xié)議（HTTP）等。
2.2.3 OSI的層次間關(guān)系
在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的層間交互過程與在同一層上不同計(jì)算機(jī)之間的相互通信過程是相互關(guān)聯(lián)的。
l 每一層向其協(xié)議規(guī)范中的上層提供服務(wù)。
l 每層都與其他計(jì)算機(jī)中相同層的軟件和硬件交換一些信息。
1. OSI模型每一層數(shù)據(jù)的名稱
為了使數(shù)據(jù)分組從源主機(jī)傳送到目的主機(jī)，源主機(jī)OSI模型的每一層要與目標(biāo)主機(jī)的每一層進(jìn)行通信，如圖2.3中所示。用Peer-to-peer communications（對(duì)等實(shí)體間通信）表示源主機(jī)與目的主機(jī)對(duì)等層間的通信。在這一過程中，每一層的協(xié)議交換的信息稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU，Protocol Da
在網(wǎng)絡(luò)通信中，通過傳輸該層的PDU到對(duì)方的同一層（對(duì)等層），以實(shí)現(xiàn)通信。例如會(huì)話層通過傳送SPDU和對(duì)端的會(huì)話層進(jìn)行通信。從邏輯上講，對(duì)等層間的通信，是兩個(gè)設(shè)備的同一層直接通信。而物理上，每一層都只與自己相鄰的上下兩層直接通信。下層通過服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）為上一層提供服務(wù)。兩個(gè)設(shè)備建立對(duì)等層的通信連接，即在各個(gè)對(duì)等層間建立邏輯信道，對(duì)等層使用功能相同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)話，如主機(jī)A的第二層不能和對(duì)方的第三層通信。同時(shí)，同一層之間的不同協(xié)議也不能通信，如主機(jī)A的E-Mail應(yīng)用程序不能和對(duì)方的Telnet應(yīng)用程序通信。
2. 數(shù)據(jù)封裝
在了解了OSI層次參考模型的每一層的功能之后，進(jìn)一步來學(xué)習(xí)層次間是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞的。如圖2.4所示簡(jiǎn)單示意了兩個(gè)實(shí)現(xiàn)OSI七層功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間是如何進(jìn)行通信的。任務(wù)從主機(jī)A的應(yīng)用層開始，按規(guī)定的格式逐層封裝數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)包達(dá)到物理層，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸線路到主機(jī)B。主機(jī)B的物理層獲取數(shù)據(jù)，向上層發(fā)送數(shù)據(jù)，直到到達(dá)主機(jī)B的應(yīng)用層。
封裝（Encapsulation）是指網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)將要傳送的數(shù)據(jù)用特定的協(xié)議頭打包來傳送數(shù)據(jù)，有時(shí)候也可能在數(shù)據(jù)尾部加上報(bào)文。OSI七層模型的每一層都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，以保證數(shù)據(jù)能夠正確無誤的到達(dá)目的地，并被終端主機(jī)理解及處理。下面來看一下數(shù)據(jù)從主機(jī)A到主機(jī)B的封裝過程。
首先，主機(jī)的應(yīng)用層信息轉(zhuǎn)化為能夠在網(wǎng)絡(luò)中傳播的數(shù)據(jù)，能夠被對(duì)端應(yīng)用程序識(shí)別；然后數(shù)據(jù)在表示層加上表示層報(bào)頭，協(xié)商數(shù)據(jù)格式，是否加密，轉(zhuǎn)化成對(duì)端能夠理解的數(shù)據(jù)格式；數(shù)據(jù)在會(huì)話層加上會(huì)話層報(bào)頭；依此類推，傳輸層加上傳輸層報(bào)頭，這時(shí)數(shù)據(jù)稱為段（Segment），網(wǎng)絡(luò)層加上網(wǎng)絡(luò)層報(bào)頭，稱為數(shù)據(jù)包（Packet），數(shù)據(jù)鏈路層加上數(shù)據(jù)鏈路層報(bào)頭稱為幀（Frame）；在物理層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為比特流，傳送到交換機(jī)，通過交換機(jī)將數(shù)據(jù)幀發(fā)向路由器；同理，路由器也逐層解封裝：剝?nèi)?shù)據(jù)鏈路層幀頭部，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包頭信息查找去往主機(jī)B的路徑，然后封裝數(shù)據(jù)發(fā)向主機(jī)B。主機(jī)B從物理層到應(yīng)用層，依次解封裝，剝?nèi)ジ鲗臃庋b報(bào)頭，提取出發(fā)送主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。圖2.5示意了數(shù)據(jù)封裝的過程，圖2.6示意了數(shù)據(jù)解封裝的過程。
3. 同一臺(tái)計(jì)算機(jī)之間相鄰層的通信
OSI模型描述了在不同計(jì)算機(jī)上應(yīng)用程序的信息是如何通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳送的。對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)的各層，當(dāng)要發(fā)送的信息逐層向下傳送時(shí)，信息越往低層就越不同于人類的語言，而是計(jì)算機(jī)能夠理解的“1”和“0”。
為了向相鄰的高層提供服務(wù)，每一層必須知道兩層之間定義的標(biāo)準(zhǔn)接口。為了使N層獲得服務(wù)，這些接口定義N＋1層應(yīng)須向N層提供哪些信息，以及N層應(yīng)向N＋1層提供何種返回信息。
如圖2.7所示是OSI類型通信的一個(gè)例子。主機(jī)A發(fā)送信息給主機(jī)B。主機(jī)A的應(yīng)用層與主機(jī)B的應(yīng)用層通信，主機(jī)A的應(yīng)用層再與主機(jī)A的表示層通信，主機(jī)A的表示層再與主機(jī)A的會(huì)話層通信，等等，直到到達(dá)主機(jī)A的物理層。物理層把信息放到網(wǎng)絡(luò)物理介質(zhì)上并把信息從網(wǎng)絡(luò)物理介質(zhì)上送走。信息在網(wǎng)絡(luò)物理介質(zhì)上傳送并被主機(jī)B接收后，會(huì)以相反的方向向上通過主機(jī)B的各層（先是物理層，然后是數(shù)據(jù)鏈路層，等等），直到最終到達(dá)主機(jī)B的應(yīng)用層。
數(shù)據(jù)是由主機(jī)A中的一些應(yīng)用程序生成的。例如用戶輸入一條e-mail消息。每層生成一個(gè)頭部及所傳數(shù)據(jù)一并傳到下一層（圖2.7中步驟1的箭頭，表示數(shù)據(jù)在不同層的傳遞過程）。將數(shù)據(jù)傳到下一層意味著下一層需要為上一層提供某種服務(wù)。要完成這些服務(wù)，下一層需要在包頭或包尾中加入一些信息。例如，傳輸層發(fā)送其數(shù)據(jù)和包頭；網(wǎng)絡(luò)層在其包頭中加入正確的網(wǎng)絡(luò)層目的地址，以使包能被傳送到其他計(jì)算機(jī)上。
從各層的觀點(diǎn)來看，在該層包頭之后的比特被認(rèn)為是數(shù)據(jù)。例如，第4層認(rèn)為第5層、第6層和第7層的包頭與原始的用戶數(shù)據(jù)一起是一個(gè)大的數(shù)據(jù)字段。
在應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)之后，實(shí)現(xiàn)每層功能的軟、硬件完成各自的工作，加入適當(dāng)?shù)陌^和包尾。為實(shí)現(xiàn)在物理媒體上傳輸，物理層能夠?qū)崿F(xiàn)媒體發(fā)送信號(hào)，如圖2.7中步驟2。
當(dāng)接收時(shí)（步驟3），主機(jī)B啟動(dòng)其上的相鄰層協(xié)議進(jìn)行通信，如圖2.7中的步驟4 ，指明了接收數(shù)據(jù)在協(xié)議棧中逐層向上遞交處理的過程。具體步驟如下：
步驟A：物理層（第1層）保證比特的同步，并將接收的二進(jìn)制數(shù)據(jù)放到緩存中。在將接收到的信號(hào)解碼成比特流后，通知數(shù)據(jù)鏈路層已經(jīng)收到一個(gè)幀。因此，第1層在媒體上已經(jīng)提供了傳遞的比特流。
步驟B：數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）檢查幀尾的幀校驗(yàn)序列（FCS），判斷傳輸過程中是否有錯(cuò)誤發(fā)生（差錯(cuò)控制）。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，丟棄此幀。檢查數(shù)據(jù)鏈路層的地址，使主機(jī)B決定是否需要進(jìn)一步處理這些數(shù)據(jù)。如果這個(gè)地址是主機(jī)B的地址，那么將在第2層的包頭和尾之間的數(shù)據(jù)傳遞給第3層的軟件。從而，數(shù)據(jù)鏈路層通過該鏈路實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸。
步驟C：檢查網(wǎng)絡(luò)層（第3層）的目的地址。如果該地址是主機(jī)B的地址（邏輯地址），處理過程將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，將在第3層包頭之后的數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層（第4層）的軟件。從而，第3層實(shí)現(xiàn)了端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
步驟D：如果傳輸層（第4層）選擇了差錯(cuò)恢復(fù)，標(biāo)識(shí)這段數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)器與確認(rèn)信息（差錯(cuò)恢復(fù)）一起在第4層的包頭中進(jìn)行編碼。在差錯(cuò)恢復(fù)和對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序后，將這些數(shù)據(jù)傳遞給會(huì)話層。
步驟E：會(huì)話層（第5層）可以用來保證一系列消息的完整性。如果沒有完成后續(xù)的通信，收到的數(shù)據(jù)可能沒有任何意義。第5層的包頭中包含有標(biāo)識(shí)字段意味著是一個(gè)不連續(xù)數(shù)據(jù)鏈的中間流而不是結(jié)束流。在會(huì)話層保證所有的流都完成后，將在第5層包頭之后的數(shù)據(jù)傳遞給第6層的軟件。
步驟F：表示層（第6層）定義 并維護(hù)數(shù)據(jù)的格式。例如，如果數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)而不是字符數(shù)據(jù)，包頭會(huì)指明這一點(diǎn)。接收方并不會(huì)用主機(jī)B中缺省的ASCII字符集轉(zhuǎn)換這些數(shù)據(jù)。通常，此類包頭只包括在初始流中，而不包含在每個(gè)被傳輸?shù)牧鳎〝?shù)據(jù)格式）中。在完成了數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用層的軟件。
步驟G：應(yīng)用層（第7層）處理最后的包頭，然后檢查真正的終端用戶數(shù)據(jù)。這個(gè)包頭指明了主機(jī)A與主機(jī)B已協(xié)商好的應(yīng)用程序所使用的運(yùn)行參數(shù)，該包頭用于交換所有參數(shù)值。因此，通常只在應(yīng)用程序初始化時(shí)才發(fā)送和接收這個(gè)包頭。例如，在文件傳輸時(shí)，會(huì)相互傳遞所傳輸文件的長(zhǎng)度和文件格式（應(yīng)用參數(shù)）。
4. 不同計(jì)算機(jī)上同等層之間的通信
如圖2.3所示提供了同等層之間通信的概念模型。主機(jī)A的應(yīng)用層與主機(jī)B的應(yīng)用層通信。同樣，主機(jī)A的傳輸層、會(huì)話層和表示層也與主機(jī)B的對(duì)等層進(jìn)行通信。
OSI參考模型的分層禁止了不同主機(jī)間的對(duì)等層之間的直接通信。因此，主機(jī)A的每一層必須依靠主機(jī)A相鄰層提供的服務(wù)來與主機(jī)B的對(duì)應(yīng)層通信。假定主機(jī)A的第4層必須與主機(jī)B的第4層通信。那么，主機(jī)A的第4層就必須使用主機(jī)A的第3層提供的服務(wù)。第4層叫服務(wù)用戶，第3層叫服務(wù)提供者。第3層通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）給第4層提供服務(wù)。這些服務(wù)接入點(diǎn)使得第4層能要求第3層提供服務(wù)。
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