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开放系统互联参考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI/RM)是由国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)于1984年制定的国际标准。“开放”的含义表示只要遵循OSI标准,一个系统就可以和位于世界上任何地方也遵循同一标准的其他任何系统进行通信。ISO提出OSI参考模型的目的,就是要使在各种终端设备之间、计算机之间、网络之间、操作系统之间以及人们之间相互交换信息的过程能够逐步实现标准化。
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开放系统互联(OSI)参考模型
开放系统互联参考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI/RM)是
由国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)于1984年制定的
国际标准。“开放”的含义表示只要遵循OSI标准,一个系统就可以和位于世界上任何地方也遵循同一
标准的其他任何系统进行通信。ISO提出OSI参考模型的目的,就是要使在各种终端设备之间、计算
机之间、网络之间、操作系统之间以及人们之间相互交换信息的过程能够逐步实现标准化。
3.1 网络体系结构概述
建立计算机网络的根本目的就是实现数据通信和资源共享,而通信则是实现所有网络功能的基础
和关键。由于信息的类型不同,作用不同,使用的场合和方式也不同,因此对于通信子网的服务要求
就大不相同,必须采用不同的技术手段来满足这些不同的要求。那么,怎样构建计算机网络的通信功
能,才能实现这些不同系统之间,尤其是异种计算机系统之间的相互通信呢?这就是网络体系结构要
解决的问题。网络体系结构通常采用层次化结构定义计算机网络的协议、功能及提供的服务。
3.1.1 计算机网络分层设计思想
人与人在日常生活中相互交流时,都不知不觉地遵守了一定的约定,几个人聊天会围绕一个共同
的话题,如果某个人对这个话题不了解或是听不懂别人所说的语言,那他便不能参与交流。计算机网
络中计算机与计算机之间的交流,各计算机也必须遵守一些事先约定好的规则,如果网络中某台计算
机不遵守这一规则,则该计算机就不能与其他计算机进行交流,如果用网络术语来说就是不能进行数
据交换。为了使计算机之间能够顺利地进行交流,人们为其制定了相应的规则,设计了计算机网络的
体系结构。
1.分层概念举例
例如,人与人的“通信”可分多个层次,这里简单的分为3个相关的层次:认识层、语言层、传输
层。假设让一讲方言的家庭主妇与一不懂方言的大学教授进行如表3-1所示的“通信”;让一讲南方方
言的家庭主妇与当地的大学教授进行如表3-2所示的“通信”。
表3-1 分层概念举例1
家 庭 主 妇 大 学 教 授 结 果 用网络术语表达结果
第 3 章
计算机网络实用技术
话题 菜价 计算机网络技术 不可理喻 “ ”认识层 协议 不兼容
语言 方言 英语 不知所云 “ ”语言层 协议 不兼容
通信方式 电话 电脑 不可沟通 “ ”传输层 协议 不兼容
表3-2 分层概念举例2
家 庭 主 妇 大 学 教 授 结 果 用网络术语表达结果
话题 股票行情 股票行情 可以交流 “ ”认识层 协议 兼容
语言 方言 方言 可以理解 “ ”语言层 协议 兼容
通信方式 电话 电话 可以沟通 “ ”传输层 协议 兼容
所以,人们为了能够彼此交流思想,需借助一个分层次的通信结构;其次,层次之间不是相互孤
立的,而是密切相关的,上层的功能是建立在下层功能的基础上的,下层为上层提供某些服务,而且
每层还应有一定的规则。网络通信情况同样如此,只是区分更细一些。
2.网络通信的分层设计
网络体系通常采用层次化结构,每一层都建立在其下层之上,每一层的目的是向其上一层提供一
定的服务,并把服务的具体实现细节对上层屏蔽,如图3-1所示。在分层体系结构中,下层通信实体
(服务提供者)为上层实体(服务用户)提供通信的功能。
图3-1 网络分层体系结构
计算机网络体系结构的概念及内容比较抽象,为便于理解,先以两个公司之间进行通信的工作
过程为例进行说明。有甲乙两个公司的两位总经理进行通信;一般大公司都会有一位经理助理,负责
起草公函、与贸易伙伴进行沟通的事务性工作;由于公司较大,业务繁忙,经理助理下边又有秘书负
责打字、传真、接听电话等一般性工作。这样,每个公司都形成了3个层次的机构。
甲方经理要与乙方经理进行通信,于是他让自己的经理助理起草一份文件,这位经理助理根据总
经理的意图,按照业界的惯例写了一份正式公函,然后把它交给秘书让其发送出去。秘书拿到公函,
按照公司通讯录查到乙公司的传真号码,整理好后发给了乙公司。乙公司的秘书接到传真后将有用的
公函部分呈交给本公司的经理助理,而经理助理经过分析后,将关键内容汇报给经理,乙公司经理阅
读信函的内容。当然乙公司经理只关心甲公司经理发来的信函的内容,而对信函的公文格式以及最初
收到的信函是通过传真、电子邮件还是邮寄来的并不关心。 这里,甲乙公司可以看作是网络节点,
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第 3 章 开放系统互联(OSI)参考模型
而经理、经理助理和秘书是一个个通信的实体。处于相同层次的不同节点的实体叫做对等实体,而协
议实际上是对等实体之间的通信规则的约定。比如两个公司的秘书之间就有收发传真和普通信函的协
议,经理助理之间都遵照标准公函的协议,经理之间,必须采用双方都理解的语言、文体和格式,这
样在对方收到信函后才能看懂内容。
网络采用层次化结构的优点有如下几点。
(1)各层之间相互独立。高层不必关心低层的实现细节,只要知道低层所提供的服务以及本层
向上层所提供的服务即可,能真正做到各司其职。由于每一层只实现一种相对独立的功能,因而可将
一个复杂地问题分解为若干个较容易处理的小问题。
(2)系统的灵活性好。某个层次实现细节的变化,只要保持它和上、下层的接口不变,则不会
对其他层产生影响。
(3)易于实现标准化。每层的功能及其所提供的服务都有了明确的说明,就像一个被标准化的
部件,只要符合要求就可以拿来使用。
3.1.2 网络体系结构的基本概念
1.网络体系结构的概念
网络体系结构是为了完成网络中计算机间的通信合作,将计算机互联的功能划分成有明确定义的
层次,规定同层次实体通信的协议及相邻层之间的接口服务。将这些同层实体通信协议及相邻层接口
统称为网络体系结构。
2.网络协议
网络传送是个很复杂的过程,为了实现计算机之间可靠的数据交换,许多工作需要协调(如发送
信号的数据格式,通信协议与出错处理,信号编码与电平参数,传输速度匹配等)。
假定一个与网络相连的设备正向另一个与网络相连的设备发送数据,由于各个厂家有其各自的实
现方法,这些设备可能不完全兼容,则它们相互之间不可能进行识别和通信。解决方法之一是在同一
个网络中全部使用某一厂家的专有技术和设备,但在网络互联的今天已不可行。另一种方法就是制定
一套实现互联的规范(标准),即所谓“协议”,该标准允许每个厂家以不同的方式完成互联产品的开
发、设计与制造,当按同一协议制造的设备连入同一网络时,它们就完全兼容,仿佛是由同一厂家生
产的一样,这就是网络中使用协议的原因。
通过通信设备和线路连接起来的计算机要做到有条不紊地交换数据,必须具有同样地语言,交流
什么、怎样交流及何时交流都必须遵循事先的约定或都能接受的一组规则,这些为进行网络中的数据
交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议。
网络协议有3个组成要素:语法、语义和同步。语法,即数据与控制信息的结构和形式;语义,
即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种应答;同步,即事件实现顺序的详细说明。
语义规定通信双方彼此“讲什么”(含义),语法规定“如何讲”(格式),同步规定了信息交流的
次序(顺序)。
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计算机网络实用技术
3.2 OSI参考模型
在20世纪70年代,计算机网络发展很快,相继出现了十多种网络体系结构,而这些网络体系结
构所构成的网络之间无法实现互联。为了在更大范围内共享网络资源和相互通信,人们迫切需要一个
共同的可以参考的标准,使得不同厂家的软硬件资源和设备都能够互联。为此,国际标准化组织ISO
于1977年成立了信息技术委员会TC97,专门进行网络体系结构标准化的工作。在综合了已有的计
算机网络体系结构的基础上,于1984年制定了著名的开放式系统互联参考模型,简称OSI。OSI已
被作为国际标准的网络体系结构。
3.2.1 OSI 参考模型的概念
国际标准化组织ISO是一个全球性的非政府组织,是国际标准化领域中一个十分重要的组织。
ISO成立于1946年,当时来自25个国家的代表在伦敦召开会议,决定成立一个新的国际组织,以促
进国际间的合作和工业标准的统一。于是,ISO这一新组织于1947年2月23日正式成立,总部设在
瑞士的日内瓦。
开放式系统互联参考模型将网络通信过程划分为7个相互独立的功能组(层次),并为每个层次
制定一个标准框架。上面3层(应用层、表示层、会话层)与应用问题有关,而下面4层(传输层、
网络层、数据链路层、物理层)则主要处理网络控制和数据传输/接收问题。OSI参考模型如图3-2所
示。
图3-2 OSI参考模型
计算机网络体系结构模型将计算机网络划分为7个层次,自下而上分别称为:物理层、数据链路
层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。用数字排序自下而上分别为第1层、第2层、……
第7层。应用层由OSI环境下的应用实体组成,其下面较低的层提供有关应用实体协同操作的服务。
开放系统互联参考模型的特点有以下几点。
(1)每层的对应实体之间都通过各自的协议进行通信。
(2)各个计算机系统都有相同的层次结构。
(3)不同系统的相应层次具有相同的功能。
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第 3 章 开放系统互联(OSI)参考模型
(4)同一系统的各层次之间通过接口联系。
(5)相邻的两层之间,下层为上层提供服务,上层使用下层提供的服务。
3.2.2 物理层
1.物理层概述
物理层是OSI参考模型的最低层,也是最基础的一层,它并不是指连接计算机的具体的物理设备
或具体的传输媒体,它向下是物理设备之间的接口,直接与传输介质相连接,使二进制数据流通过该
接口从一台设备传给相邻的另一台设备,向上为数据链路层提供数据流传输服务。
物理层主要考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流。由于传输媒体
又可以叫做物理媒体,因此容易使人误以为传输媒体就是物理层的东西。但实际上具体的传输媒体不
在物理层内,而是在它的下面,如双绞线、同轴电缆、光缆等,不属于物理层,物理层直接面向实际
承担数据传输任务的物理媒体。为什么物理层不包括具体的连接计算机的物理设备和传输媒体呢?这
是因为现有计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类非常繁多,而通信手段也有许多不同方式,物
理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异,使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异,这样就
可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务,而不需要考虑具体的传输媒体是什么。
大家知道,计算机网络中传输的是由“0”和“1”构成的二进制数据,但是在实际的电路中,铜缆
(指双绞线等铜质电缆)网线中传递的是脉冲电流,这就是物理层传输的东西。通俗地讲,这一层主
要负责实际的信号传输。物理层的数据传输单位为比特(bit),即一个二进制位(“ 0”或“1”)。实
际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体,物理层是在物理媒体之上的、为数据链路层提供一个
传输比特流的物理连接。
物理层上的协议有时也称为接口。物理层协议主要规定物理信道的建立、保持及释放的特性,这
些特性包括机械的、电气的、功能的和规程的4个方面特性。这些特性保证物理层能通过物理信道在
相邻网络节点之间正确接收、发送比特流,即保证能将比特流送上物理信道,并且能在另一端取下它
物理层只关心比特流如何传输,而不关心比特流中各比特具有什么含义,而且对传输差错也不做任何
控制,就像投递员只管投递信件,但并不关心信件中是什么内容一样。
OSI参考模型对物理层所作的定义为:在物理信道实体之间合理地通过中间系统,为比特传输所
需的物理连接的建立、保持和释放提供机械的、电气的、功能的和规程的手段。比特流传输可以采用
异步传输,也可以采用同步传输来完成。
在 这 里 引 入 两 个 名 词 :D T E( D a t a Te r m i n a l E q u i p m e n t) 和 D C E( D a t a C i r c u i t -
terminating Equipment)。DTE叫做数据终端设备,是具有一定的数据处理能力以及发送和接收
数据能力的设备,是数据的源或目的。DTE具有根据协议控制数据通信的功能,但大多数的数据处理
设备的数据传输能力是很有限的。直接将相隔很远的两个数据处理设备连接起来,是不现实的,必须
在数据处理设备和传输线路之间加上一个中间设备,这个中间设备就是数据终接设备。DCE的作用
就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能,并且负责建立、保持和释放物理信道的连接。
DTE与DCE之间的接口如图3-3所示。
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