網(wǎng)絡體系結構-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）采用分層的結構化技術，共分7層，從低到高為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。OSI參考模型的每一層都定義了所實現(xiàn)的功能，完成某特定的通信任務，并只與相鄰的上層和下層進行數(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現(xiàn)的一系列功能，以保證數(shù)據(jù)包能從源結點傳輸?shù)侥康慕Y點。下面簡單介紹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體系結構中最重要的、最基礎的一層。物理層并不是指物理設備或物理媒體，而是有關物理設備通過物理媒體進行互連的描述和規(guī)定。物理層協(xié)議定義了接口的機械特性、電氣特性、功能特性、規(guī)程特性等4個基本特性。
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)通信的機械或電氣特性有關。
2．數(shù)據(jù)鏈路層(Da
數(shù)據(jù)鏈路層是OSI模型的第二層，負責通過物理層從一臺計算機到另一臺計算機無差錯地傳輸數(shù)據(jù)幀，允許網(wǎng)絡層通過網(wǎng)絡連接進行虛擬無差錯地傳輸。
通常，數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后，等待接收方的確認。接收方數(shù)據(jù)鏈路層檢測幀傳輸過程中產(chǎn)生的任何問題。沒有經(jīng)過確認的幀和損壞的幀都要進行重傳。
3．網(wǎng)絡層(Network Layer)
網(wǎng)絡層是OSI模型的第3層，負責信息尋址和將邏輯地址與名字轉換為物理地址。
在網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)傳送的單位是包。網(wǎng)絡層的任務就是要選擇合適的路徑和轉發(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)絡中兩結點之間達到的路徑可能有很多，應通過哪條路徑才能將數(shù)據(jù)從源設備傳送到所要通信的目的設備，在尋找最快捷花費最低的路徑時，必須考慮網(wǎng)絡擁塞程度、服務質量、線路的花費和線路有效性等諸多因素?？偟膩碚f，網(wǎng)絡層負責選擇最佳路徑。
網(wǎng)絡層處于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，它負責向傳輸層提供服務，同時負責將網(wǎng)絡地址翻譯成對應的物理地址。網(wǎng)絡層協(xié)議還能協(xié)調(diào)發(fā)送、傳輸以及接收設備的能力不平衡的問題，如網(wǎng)絡層對數(shù)據(jù)進行分段和重組，以使得數(shù)據(jù)的長度能夠滿足該網(wǎng)絡下層數(shù)據(jù)鏈路層所支持的最大的數(shù)據(jù)幀（MTU）的長度。
另外，網(wǎng)絡層還需要考慮采用不同的網(wǎng)絡層協(xié)議的網(wǎng)絡之間的互聯(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)的兩臺設備間數(shù)據(jù)包可靠、順序、無錯地傳輸。在傳輸層，數(shù)據(jù)傳送的單位是段。傳輸層負責處理端對端通信，所謂端對端是指從一個終端（主機）到另一個終端（主機），中間可以有一個或多個交換結點。
傳輸層向高層用戶提供端到端的可靠的透明傳輸服務，為不同進程間的數(shù)據(jù)交換提供可靠的傳送手段。在傳輸層一個很重要的工作是數(shù)據(jù)的分段和重組，即把一個上層數(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)進行分段后分別交給網(wǎng)絡層進行獨立傳輸，從而實現(xiàn)在傳輸層的流量控制，提高網(wǎng)絡資源的利用率。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，并驗證所有的分組是否都已被收到。
5．會話層(Session Layer)
會話層是利用傳輸層提供的端到端的服務，向表示層或會話用戶提供會話服務。會話層的主要功能是在兩個結點間建立、維護和釋放面向用戶的連接，并對會話進行管理和控制，保證會話數(shù)據(jù)可靠傳送。
在會話層和傳輸層都提到了連接，那么會話連接和傳輸連接到底有什么區(qū)別呢？會話連接和傳輸連接之間有三種關系：一對一關系，即一個會話連接對應一個傳輸連接；一對多關系，一個會話連接對應多個傳輸連接；多對一關系，多個會話連接對應一個傳輸關系。
會話過程中，會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，則會話層在對話管理中要做的工作就很少；如果采用半雙工通信，會話層則通過一個數(shù)據(jù)令牌來協(xié)調(diào)會話，保證每次只有一個用戶能夠傳輸數(shù)據(jù)。
會話層提供了同步服務，通過在數(shù)據(jù)流中定義檢查點(Checkpoint)來把會話分割成明顯的會話單元。當網(wǎng)絡故障出現(xiàn)時，從最后一個檢查點開始重傳數(shù)據(jù)。
常見的會話層協(xié)議有：結構化查詢語言（SQL）、遠程進程呼叫（RPC）、X-windows 系統(tǒng)、AppleTalk 會話協(xié)議、數(shù)字網(wǎng)絡結構會話控制協(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責數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸時不出錯。但數(shù)據(jù)的傳輸沒有出錯，并不代表數(shù)據(jù)所表示的信息不會出錯。表示層專門負責有關網(wǎng)絡中計算機信息表示方式的問題。表示層負責在不同的數(shù)據(jù)格式之間進行轉換操作，以實現(xiàn)不同計算機系統(tǒng)間的信息交換。
除了編碼外，還包括數(shù)組、浮點數(shù)、記錄、圖像、聲音等多種數(shù)據(jù)結構，表示層用抽象的方式來定義交換中使用的數(shù)據(jù)結構，并且在計算機內(nèi)部表示法和網(wǎng)絡的標準表示法之間進行轉換。
表示層還負責數(shù)據(jù)的加密，以在數(shù)據(jù)的傳輸過程對其進行保護。數(shù)據(jù)在發(fā)送端被加密，在接收端解密。使用加密密鑰來對數(shù)據(jù)進行加密和解密。
表示層還負責文件的壓縮，通過算法來壓縮文件的大小，降低傳輸費用。
7．應用層(Application Layer)
應用層是OSI參考模型中最靠近用戶的一層，它直接與用戶和應用程序打交道，負責對軟件提供接口以使程序能使用網(wǎng)絡。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，而只是為OSI模型以外的應用程序提供服務，如電子表格程序和文字處理程序。包括為相互通信的應用程序或進程之間建立連接、進行同步，建立關于錯誤糾正和控制數(shù)據(jù)完整性過程的協(xié)商等。應用層還包含大量的應用協(xié)議，如虛擬終端協(xié)議（Telnet）、簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）、簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP）、域名服務系統(tǒng)（DNS）和超文本傳輸協(xié)議（HTTP）等。
2.2.3 OSI的層次間關系
在同一臺計算機的層間交互過程與在同一層上不同計算機之間的相互通信過程是相互關聯(lián)的。
l 每一層向其協(xié)議規(guī)范中的上層提供服務。
l 每層都與其他計算機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)分組從源主機傳送到目的主機，源主機OSI模型的每一層要與目標主機的每一層進行通信，如圖2.3中所示。用Peer-to-peer communications（對等實體間通信）表示源主機與目的主機對等層間的通信。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)絡通信中，通過傳輸該層的PDU到對方的同一層（對等層），以實現(xiàn)通信。例如會話層通過傳送SPDU和對端的會話層進行通信。從邏輯上講，對等層間的通信，是兩個設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。下層通過服務訪問點（SAP）為上一層提供服務。兩個設備建立對等層的通信連接，即在各個對等層間建立邏輯信道，對等層使用功能相同的協(xié)議實現(xiàn)對話，如主機A的第二層不能和對方的第三層通信。同時，同一層之間的不同協(xié)議也不能通信，如主機A的E-Mail應用程序不能和對方的Telnet應用程序通信。
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，進一步來學習層次間是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞的。如圖2.4所示簡單示意了兩個實現(xiàn)OSI七層功能的網(wǎng)絡設備之間是如何進行通信的。任務從主機A的應用層開始，按規(guī)定的格式逐層封裝數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)包達到物理層，然后通過網(wǎng)絡傳輸線路到主機B。主機B的物理層獲取數(shù)據(jù)，向上層發(fā)送數(shù)據(jù)，直到到達主機B的應用層。
封裝（Encapsulation）是指網(wǎng)絡結點將要傳送的數(shù)據(jù)用特定的協(xié)議頭打包來傳送數(shù)據(jù)，有時候也可能在數(shù)據(jù)尾部加上報文。OSI七層模型的每一層都對數(shù)據(jù)進行封裝，以保證數(shù)據(jù)能夠正確無誤的到達目的地，并被終端主機理解及處理。下面來看一下數(shù)據(jù)從主機A到主機B的封裝過程。
首先，主機的應用層信息轉化為能夠在網(wǎng)絡中傳播的數(shù)據(jù)，能夠被對端應用程序識別；然后數(shù)據(jù)在表示層加上表示層報頭，協(xié)商數(shù)據(jù)格式，是否加密，轉化成對端能夠理解的數(shù)據(jù)格式；數(shù)據(jù)在會話層加上會話層報頭；依此類推，傳輸層加上傳輸層報頭，這時數(shù)據(jù)稱為段（Segment），網(wǎng)絡層加上網(wǎng)絡層報頭，稱為數(shù)據(jù)包（Packet），數(shù)據(jù)鏈路層加上數(shù)據(jù)鏈路層報頭稱為幀（Frame）；在物理層數(shù)據(jù)轉化為比特流，傳送到交換機，通過交換機將數(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)絡層數(shù)據(jù)包頭信息查找去往主機B的路徑，然后封裝數(shù)據(jù)發(fā)向主機B。主機B從物理層到應用層，依次解封裝，剝?nèi)ジ鲗臃庋b報頭，提取出發(fā)送主機發(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. 同一臺計算機之間相鄰層的通信
OSI模型描述了在不同計算機上應用程序的信息是如何通過網(wǎng)絡介質傳送的。對于一個給定的系統(tǒng)的各層，當要發(fā)送的信息逐層向下傳送時，信息越往低層就越不同于人類的語言，而是計算機能夠理解的“1”和“0”。
為了向相鄰的高層提供服務，每一層必須知道兩層之間定義的標準接口。為了使N層獲得服務，這些接口定義N＋1層應須向N層提供哪些信息，以及N層應向N＋1層提供何種返回信息。
如圖2.7所示是OSI類型通信的一個例子。主機A發(fā)送信息給主機B。主機A的應用層與主機B的應用層通信，主機A的應用層再與主機A的表示層通信，主機A的表示層再與主機A的會話層通信，等等，直到到達主機A的物理層。物理層把信息放到網(wǎng)絡物理介質上并把信息從網(wǎng)絡物理介質上送走。信息在網(wǎng)絡物理介質上傳送并被主機B接收后，會以相反的方向向上通過主機B的各層（先是物理層，然后是數(shù)據(jù)鏈路層，等等），直到最終到達主機B的應用層。
數(shù)據(jù)是由主機A中的一些應用程序生成的。例如用戶輸入一條e-mail消息。每層生成一個頭部及所傳數(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。要完成這些服務，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)絡層在其包頭中加入正確的網(wǎng)絡層目的地址，以使包能被傳送到其他計算機上。
從各層的觀點來看，在該層包頭之后的比特被認為是數(shù)據(jù)。例如，第4層認為第5層、第6層和第7層的包頭與原始的用戶數(shù)據(jù)一起是一個大的數(shù)據(jù)字段。
在應用程序生成數(shù)據(jù)之后，實現(xiàn)每層功能的軟、硬件完成各自的工作，加入適當?shù)陌^和包尾。為實現(xiàn)在物理媒體上傳輸，物理層能夠實現(xiàn)媒體發(fā)送信號，如圖2.7中步驟2。
當接收時（步驟3），主機B啟動其上的相鄰層協(xié)議進行通信，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，并將接收的二進制數(shù)據(jù)放到緩存中。在將接收到的信號解碼成比特流后，通知數(shù)據(jù)鏈路層已經(jīng)收到一個幀。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）檢查幀尾的幀校驗序列（FCS），判斷傳輸過程中是否有錯誤發(fā)生（差錯控制）。如果有錯誤發(fā)生，丟棄此幀。檢查數(shù)據(jù)鏈路層的地址，使主機B決定是否需要進一步處理這些數(shù)據(jù)。如果這個地址是主機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現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸。
步驟C：檢查網(wǎng)絡層（第3層）的目的地址。如果該地址是主機B的地址（邏輯地址），處理過程將會繼續(xù)進行，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層實現(xiàn)了端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務。
步驟D：如果傳輸層（第4層）選擇了差錯恢復，標識這段數(shù)據(jù)的計數(shù)器與確認信息（差錯恢復）一起在第4層的包頭中進行編碼。在差錯恢復和對輸入數(shù)據(jù)進行重新排序后，將這些數(shù)據(jù)傳遞給會話層。
步驟E：會話層（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識字段意味著是一個不連續(xù)數(shù)據(jù)鏈的中間流而不是結束流。在會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 并維護數(shù)據(jù)的格式。例如，如果數(shù)據(jù)是二進制數(shù)據(jù)而不是字符數(shù)據(jù)，包頭會指明這一點。接收方并不會用主機B中缺省的ASCII字符集轉換這些數(shù)據(jù)。通常，此類包頭只包括在初始流中，而不包含在每個被傳輸?shù)牧鳎〝?shù)據(jù)格式）中。在完成了數(shù)據(jù)格式的轉換后，將數(shù)據(jù)傳遞給應用層的軟件。
步驟G：應用層（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)。這個包頭指明了主機A與主機B已協(xié)商好的應用程序所使用的運行參數(shù)，該包頭用于交換所有參數(shù)值。因此，通常只在應用程序初始化時才發(fā)送和接收這個包頭。例如，在文件傳輸時，會相互傳遞所傳輸文件的長度和文件格式（應用參數(shù)）。
4. 不同計算機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A的應用層與主機B的應用層通信。同樣，主機A的傳輸層、會話層和表示層也與主機B的對等層進行通信。
OSI參考模型的分層禁止了不同主機間的對等層之間的直接通信。因此，主機A的每一層必須依靠主機A相鄰層提供的服務來與主機B的對應層通信。假定主機A的第4層必須與主機B的第4層通信。那么，主機A的第4層就必須使用主機A的第3層提供的服務。第4層叫服務用戶，第3層叫服務提供者。第3層通過一個服務接入點（SAP）給第4層提供服務。這些服務接入點使得第4層能要求第3層提供服務。
