浅谈OSI模型的结构及功能

计算机网络自从20世纪60年代问世以来，得到了飞速的发展。国际上各大厂商为了在数据通信网络领域占据主导地位，顺应信息化潮流，纷纷推出了各自的网络架构体系和标准，例如IBM公司的SNA，Novell IPX/SPX 协议，Apple公司的Apple Talk协议，DEC公司的DECnet以及广泛流行的TCP/IP协议。同时，各大厂商的共同努力促进了网络技术的快速发展和网络设备种类的迅速增长。

由于多种协议的并存，同时也使网络变得越来越复杂，而且，厂商之间的网络设备大部分都不能兼容，很难进行通信。为了解决网络之间的兼容性问题，帮助各个厂商生产出可兼容的网络设备，国际标准化组织ISO与1984年提出了OSI RM （Open System Interconnection Reference Model，开放系统互连参考模型）。OSI 参考模型很快成为计算机网络通信的基础模型。因此，在设计OSI参考模型时，主要遵循了以下几点原则：

1.各个层之间有清晰的边界，便于理解；

2.每层实现特定功能；

3.层次的划分有利于国际标准协议的制定；

4 层的数目应该足够多，以避免个层功能的重复；

OSI参考模型主要划分为七层：

1.物理层（physical Layer）

2.数据链路层（Data Link Layer）

3.网络层（Network Layer）

4.传输层（Transport Layer）

5.会话层（Session Layer）

6.表示层（Presentation Layer）

7.应用层（Application Layer）

下图是OSI七层模型示意图

OSI模型的划分也是为了使网络的不同功能模块（不同层次）分担起不同的职责，具有以下优点：

1.简化了相关的网络操作

2.在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层的不同网络设备能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协议可放在多种低层协议上运行；

3.减轻问题的复杂程度，一旦网络发生故障，可迅速定位故障所处层次，便于查找和纠错；

4.防止一个区域网络的变化影响另一个区域的网络，因此，每一个区域的网络都能单独快速升级。

5.能有效刺激网络技术革新，因为每次更新都可以在小范围内进行，不需对整个网络动大手术；

6.便于研究和教学。

下面主要介绍OSI模型各层的定义和功能：

物理层

Physical Layer，是OSI参考模型的最低层或第一层。该层包括物理连网媒介，如电缆连线连接器。物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。在你的PC上插入网络接口卡，你就建立了计算机连网的基础。换言之，你提供了一个物理层。尽管物理层不提供纠错服务，但它能够设定数据传输速率并监测数据出错率。网络物理问题，如电线断开，将影响物理层。

Xerox公司制定的以太网和IEEE802.3标准定义了以太网物理层常用的线缆标准。其中常用的接口线标准有：10Base-T 100Base-T 100Base-TX/FX 1000Base-T 1000Base-SX/LX

物理层常用的设备有中继器，集线器，路由器，终端主机等，数据信号传输介质主要有同轴电缆，双绞线，光纤，无线等。

数据链路层

Datalink Layer，OSI参考模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。[3]它的主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。为了保证传输，从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始数据，还包括发送方和接收方的物理地址以及检错和控制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。 如果在传送数据时，接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧。

数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制子层（LLC，Logic Link Control），介质访问控制子层（MAC，Media Access Control）

逻辑链路控制子层提供面向连接与面向无连接的网络服务环境的需要。该层用于管理通过单一链路连接的两个系统间的通讯，它允许多个高层网络协议共享一条链路。

LLC子层位于网络层和MAC子层之间，是上层和下层的管理层，负责流量控制，同步等。LLC子层通过SSAP和DSAP负责底层协议与网络层协议的通信。

MAC子层负责把物理层的0，1 比特流组建成帧，并且通过帧尾部的CRC字段进行错误检测。总之，MAC子层定义了网络对共享介质的访问。

数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等

网络层

Network Layer，OSI参考模型的第三层。[4]其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。

网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点A 到另一个网络中节点B 的最佳路径。由于网络层处理，并智能指导数据传送，路由器连接网络各段，所以路由器属于网络层。在网络中，"路由"是基于编址方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。

网络层负责在源机器和目标机器之间建立它们所使用的路由。这一层本身没有任何错误检测和修正机制，因此，网络层必须依赖于端端之间的由DLL提供的可靠传输服务。

网络层用于本地LAN网段之上的计算机系统建立通信，它之所以可以这样做，是因为它有自己的路由地址结构，这种结构与第二层机器地址是分开的、独立的。这种协议称为路由或可路由协议。路由协议包括IP、Novell公司的IPX以及AppleTalk协议。

网络层是可选的，它只用于当两个计算机系统处于不同的由路由器分割开的网段这种情况，或者当通信应用要求某种网络层或传输层提供的服务、特性或者能力时。例如，当两台主机处于同一个LAN网段的直接相连这种情况，它们之间的通信只使用LAN的通信机制就可以了（即OSI 参考模型的一二层）。

网络层的一些主要标准如下：

ISO.DIS8208：称为"DTE用的X.25分组级协议"

ISO.DIS8348：称为"CO 网络服务定义"（面向连接）

ISO.DIS8349：称为"CL 网络服务定义"（面向无连接）

ISO.DIS8473：称为"CL 网络协议"

ISO.DIS8348：称为"网络层寻址"

除上述标准外，还有许多标准。这些标准都只是解决网络层的部分功能，所以往往需要在网络层中同时使用几个标准才能完成整个网络层的功能.由于面对的网络不同，网络层将会采用不同的标准组合.

传输层

Transport Layer，位于OSI参考模型第四层，最终目标是向用户一般指应用层的进程，提供可靠的服务。传输层主要定义了主机应该程序间端到端的连通性，它包含以下四项基本功能：

1.将应用层发往网络层的数据分段或将网络层发往应用层的数据段合并。

2.建立端到端的连接，主要是建立逻辑连接以传送数据流。

3.将数据段从一台主机发往另外一台主机。在传输过程中通过计算校验和以及通过流控制的方式保证数据的正确性，流控制可以避免缓冲区溢出。

4.部分传输层协议保证数据传输正确性。主要是在数据传输过程中确保同一数据不多次传送也不丢失。同时还要保证数据包的接受顺序与发送顺序一致。

传输层协议主要有TCP/IP协议栈的TCP协议和UDP协议，IPX/SPX协议栈的SPX协议等。其中，TCP协议和SPX协议为应用程序提供可靠的，面向连接的服务；UDP协议提供不可靠的，无连接服务。

会话层

Session Layer，是OSI模型的第五层，通过执行多种机制在应用程序间建立，维持和终止对话。会话层机制包括计费，话路控制，会话参数协商等。你可能常常听到有人把会话层称作网络通信的"交通警察"。当通过拨号向你的ISP（因特网服务提供商）请求连接到因特网时，ISP 服务器上的会话层向你与你的 PC 客户机上的会话层进行协商连接。若你的电话线偶然从墙上插孔脱落时，你终端机上的会话层将检测到连接中断并重新发起连接。会话层通过决定节点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限。

为给两个对等会话服务用户建立一个会话连接，应该做以下几点工作：

1.将会话地址映射为运输地址。

2.选择需要的运输服务质量参数（QOS）。

3.对会话参数进行协商。

4.识别各个会话连接

5.传送有限的透明用户数据

6.数据传输阶段

这个阶段是在两个会话用户之间实现有组织的，同步的数据传输.用户数据单元为SSDU，而协议数据单元为SPDU.会话用户之间的数据传送过程是将SSDU转变成SPDU进行的.

7 连接释放

连接释放是通过"有序释放"，"废弃"，"有限量透明用户数据传送"等功能单元来释放会话连接的.会话层标准为了使会话连接建立阶段能进行功能协商，也为了便于其它国际标准参考和引用，定义了12种功能单元.各个系统可根据自身情况和需要，以核心功能服务单元为基础，选配其他功能单元组成合理的会话服务子集.会话层的主要标准有"DIS8236：会话服务定义"和"DIS8237：会话协议规范".

表示层

Presentation Layer，表示层保证源端数据能够被目的端表示层理解和识别，对应用程序透明。表示层提供数据格式转换服务，数据加密，数据表示标准等服务。表示层确定了数据传输时数据的组织方式。

应用层

Application Layer，OSI参考模型中的最高层，即第七层。应用层也称为应用实体（AE），是模型中最接近用户的一层，应该层支持应用程序，它由若干个特定应用服务元素（SASE）和一个或多个公共应用服务元素（CASE）组成。每个SASE提供特定的应用服务，例如文件运输访问和管理（FTAM）、电子文电处理（MHS）、虚拟终端协议（VAP）等。CASE提供一组公共的应用服务，例如联系控制服务元素（ACSE）、可靠运输服务元素（RTSE）和远程操作服务元素（ROSE）等。主要负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。术语"应用层"并不是指运行在网络上的某个特别应用程序 ，应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理。

以下是几种常用的应用层协议

1.FTP：文件传输协议，File Transfer Protocol.是用于文件传输的Internet标准。FTP提供可靠的面向连接服务，适合与远距离，可靠性较差线路上的文件传输。

2.TFTP：简单文件传输协议，Trivial File Transfer Protocol.也是用于文件传输，但TFTP使用UDP提供服务，被认为是不可靠的，无连接的。TFTP通常用于可靠的局域网内部的文件传输。

3.SMPT：简单邮件传输协议，Simple Mail Transfer Protocol.支持文本邮件的Internet传输。

4.POP3：Post Office Protocol，是一个流行的Internet邮件标准。

5.SNMP：简单网络管理协议，Simple Network Management Protocol.负责网络设备监控和维护，支持安全管理，性能管理等。

6.TELNET：是客户机使用的与远端服务器建立连接的标准终端仿真协议。

7.Ping：是一个诊断网络设备是否正确连接的有效工具。

8.Tracert命令：和Ping命令类似，Tracert命令可以显示数据包经过的每一台网络设备信息，是一个很好的诊断命令。

9.HTTP：支持WWW和内部网信息交互，支持包括视频在内的多种文件类型。是当今最流行的Internet标准。

10.DNS：Domain Name System 域名系统。把网络节点的易于记忆的名字转化为网络地址。

11.WINS：Windows internet Name server 命名服务器，此服务可以将NetBIOS名称注册并解析为网络上使用的IP地址。

12.BootP：Bootstrap Protocol 引导协议。是使用传输层UDP协议动态获得IP地址的协议。

在OSI参考模型中，计算机传送信息的问题分为7个较小且更容易管理和解决的小问题。每一个小问题都由模型中的一层来解决。之所以划分为7个小问题，是因为它们之中的任何一个都囊括了问题的本身，不需要额外太多的信息就能解决。

尽管TCP/IP体系结构与OSI参考模型在层次划分及使用的协议上有很大的区别，但它们在设计中都采取了层次结构的思想。无论是OSI模型还是TCP/IP体系结构都不是完美的，对二者的评论和批评都很多。

最后，人民希望普遍希望网络标准化，但是OSI迟迟没有成熟的产品。因此，OSI模型与协议没有想专家们所预想的那样风靡世界。而TCP/IP体系结构与协议在Internet中经受了几十年的风风雨雨，得到了IBM，Microsoft，Novell及Oracle等大型网络公司的支持，成为计算机网络中的主要标准体系。