OSI七层模型基础知识及各层常见应用解读.docx
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OSI七层模型基础知识及各层常见应用解读
OSI Open Source Initiative(简称 OSI,有译作 开放源代码促进会 、开
放原始码组织 )是一个旨在推动开源软件发展的非盈利组织。
OSI 参考模型
(OSI/RM)的全称是开放系统互连参考模型(OpenSystemInterconnection
Reference Model,OSI/RM),它是由国际标准化组织 ISO 提出的一个网络系统
互连模型。
它是网络技术的基础,也是分析、评判各种网络技术的依据,它揭
开了网络的神秘面纱,让其有理可依,有据可循。
一、 OSI 参考模型知识要点
图表 1:
OSI 模型基础知识速览
模型把网络通信的工作分为 7 层。
1 至 4 层被认为是低层,这些层与数据
移动密切相关。
5 至 7 层是高层,包含应用程序级的数据。
每一层负责一项具
体的工作,然后把数据传送到下一层。
由低到高具体分为:
物理层、数据链路
层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
第 7 层应用层—直接对应用程序提供服务,应用程序可以变化,但要包括
电子消息传输
第 6 层表示层—格式化数据,以便为应用程序提供通用接口。
这可以包括
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加密服务
第 5 层会话层—在两个节点之间建立端连接。
此服务包括建立连接是以全
双工还是以半双工的方式进行设置,尽管可以在层 4 中处理双工方式
第 4 层传输层—常规数据递送-面向连接或无连接。
包括全双工或半双工、
流控制和错误恢复服务
第 3 层网络层—本层通过寻址来建立两个节点之间的连接,它包括通过互
连网络来路由和中继数据
第 2 层数据链路层—在此层将数据分帧,并处理流控制。
本层指定拓扑结
构并提供硬件寻址
第 1 层物理层—原始比特流的传输
电子信号传输和硬件接口数据发送时,从第七层传到第一层,接受方则相
反。
各层对应的典型设备如下:
应用层 ……………….计算机:
应用程序,如 FTP,SMTP,HTTP
表示层 ……………….计算机:
编码方式,图像编解码、URL 字段传输编码
会话层 ……………….计算机:
建立会话,SESSION 认证、断点续传
传输层 ……………….计算机:
进程和端口
网络层…………………网络:
路由器,防火墙、多层交换机
数据链路层 ………..网络:
网卡,网桥,交换机
物理层…………………网络:
中继器,集线器、网线、HUB
二、 OSI 基础知识
OSI/RM 参考模型的提出
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世界上第一个 网络体系结构 由 IBM 公司提出( 74 年, SNA),以
后其他公司也相继提出自己的网络体系结构如:
Digital 公司的 DNA,美国
国防部的 TCP/IP 等,多种网络体系结构并存,其结果是若采用IBM 的结
构,只能选用 IBM 的产品,只能与同种结构的网络互联。
为了促进 计算机网络 的发展,国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了
一个委员会,在现有网络的基础上,提出了不基于具体机型、操作系统或公
司的网络体系结构,称为 开放系统互联 模型( OSI 参考, open system in
terconnection)
OSI 的设计目的
OSI 模型 的设计目的是成为一个所有销售商都能实现的开放网路模型
,来克服使用众多私有网络模型所带来的困难和低效性。
OSI 是在一个备
受尊敬的国际标准团体的参与下完成的,这个组织就是ISO(国际标准化
组织)。
什么是 OSI,OSI 是 Open System Interconnection 的缩写,意
为开放式 系统 互联参考模型。
在 OSI 出现之前,计算机网络中存在众多的
体系结构,其中以 IBM 公司的 SNA(系统网络体系结构 )和 DEC 公司的 D
NA(Digital Network Architecture)数字网络体系结构最为著名。
为了解决不
同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组织ISO(注意不要与 OSI 搞
混)于 1981 年制定了 开放系统互连参考模型 (Open System Interconne
ction Reference Model,OSI/RM)。
这个模型把 网络 通信的工作分为 7
层,它们由低到高分别是 物理层 (Physical Layer),数据链路层( Data Link
Layer),网络层 (Network Layer),传输层( Transport Layer),会话层( Sessi
on Layer),表示层( Presentation Layer)和应用层( Application Layer)。
第一层到第三层属于 OSI 参考模型 的低三层,负责创建网络通信连接的链
路;第四层到第七层为 OSI 参考模型的高四层,具体负责端到端的数据通
信。
每层完成一定的功能,每层都直接为其上层提供服务,并且所有层次都
互相支持,而网络通信则可以自上而下(在发送端)或者自下而上(在接收
端)双向进行。
当然并不是每一通信都需要经过OSI 的全部七层,有的甚
至只需要双方对应的某一层即可。
物理接口之间的转接,以及中继器 与中
继器之间的连接就只需在物理层中进行即可;而 路由器 与路由器之间的连
接则只需经过网络层以下的三层即可。
总的来说,双方的通信是在对等层次
上进行的,不能在不对称层次上进行通信。
OSI 标准制定过程中采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干
个容易处理的小问题,这就是分层的体系结构办法。
在OSI 中,采用了三
级抽象,既体系结构,服务定义,协议规格说明。
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OSI 划分层次的原则
网络中各结点都有相同的层次
不同结点相同层次具有相同的功能
同一结点相邻层间通过接口通信
每一层可以使用下层提供的服务,并向上层提供服务
不同结点的同等层间通过协议来实现对等层间的通信
OSI/RM 分层结构
对等层实体间通信时信息的流动过程
对等层通信的实质:
对等层实体之间虚拟通信 ;下层向上层提供服务 ;实际通信在最底层完成
在发送方数据由最高层逐渐向下层传递 ,到接收方数据由最低层逐渐向高层
传递 .
协议数据单元 PDU
SI 参考模型中,对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元
(PDU,Protocol Data Unit)。
而传输层及以下各层的 PDU 另外还有各自特定的名称:
传输层 ——数据段( Segment)
网络层 ——分组(数据包)( Packet)
数据链路层 ——数据帧( Frame)
物理层 ——比特( Bit)
三、 OSI 的七层结构
第一层:
物理层( PhysicalLayer)
规定通信设备的机械的、电气的、功能的和过程的特性,用以建立、
维护和拆除物理链路连接。
具体地讲,机械特性规定了网络连接时所需接插
件的规格尺寸、引脚数量和排列情况等;电气特性规定了在物理连接上传输
bit 流时线路上信号电平的大小、阻抗匹配、传输速率距离限制等;功能特性
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是指对各个信号先分配确切的信号含义,即定义了DTE 和 DCE 之间各个
线路的功能;过程特性定义了利用信号线进行bit 流传输的一组操作规程,
是指在物理连接的建立、维护、交换信息时, DTE 和 DCE 双方在各电路
上的动作系列。
在这一层,数据的单位称为比特( bit)。
属于物理层定义的典型规范代表包括:
EIA/TIA RS-232、EIA/TIA R
S-449、V.35、RJ-45 等。
物理层的主要功能 :
为数据端设备提供传送数据的通路 ,数据通路可以是一个物理媒体 ,
也可以是多个物理媒体连接而成 .一次完整的数据传输 ,包括激活物理连接 ,
传送数据 ,终止物理连接 .所谓激活 ,就是不管有多少物理媒体参与 ,都要在通
信的两个数据终端设备间连接起来 ,形成一条通路 .
传输数据 .物理层要形成适合数据传输需要的实体 ,为数据传送服务 .一
是要保证数据能在其上正确通过,二是要提供足够的带宽 (带宽是指每秒钟
内能通过的比特 (BIT)数),以减少信道上的拥塞 .传输数据的方式能满足点到
点,一点到多点 ,串行或并行 ,半双工或全双工,同步或异步传输的需要 .
完成物理层的一些管理工作 .
物理层的主要设备:
中继器、 集线器 。
产品代表:
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TP-LINK TL-HP8MU 集线器
第二层:
数据链路层 (DataLinkLayer)
在物理层提供比特流服务的基础上,建立相邻结点之间的数据链路,
通过差错控制提供数据帧( Frame)在信道上无差错的传输,并进行各电路
上的动作系列。
数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。
该层的作用包括:
物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。
在这一层,数据的单位称为帧( frame)。
数据链路层协议的代表包括:
SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等
。
链路层的主要功能:
链路层是为网络层提供数据传送服务的 ,这种服务要依靠本层具备的功
能来实现。
链路层应具备如下功能 :
链路连接的建立,拆除,分离。
帧定界和帧同步。
链路层的数据传输单元是帧 ,协议不同 ,帧的长短和界
面也有差别,但无论如何必须对帧进行定界。
顺序控制 ,指对帧的收发顺序的控制。
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差错检测和恢复。
还有链路标识 ,流量控制等等 .差错检测多用方阵码校
验和循环码校验来检测信道上数据的误码 ,而帧丢失等用序号检测 .各种错
误的恢复则常靠反馈重发技术来完成。
数据链路层主要设备:
二层 交换机 、网桥
产品代表:
D-Link DES-1024D
第三层 :
网络层 (Network layer)
在计算机 网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链
路,也可能还要经过很多通信子网。
网络层的任务就是选择合适的网间路由
和交换结点, 确保数据及时传送。
网络层将数据链路层提供的帧组成数据
包,包中封装有网络层包头,其中含有逻辑地址信息 - -源站点和目的站点
地址的网络地址。
如果你在谈论一个 IP 地址,那么你是在处理第 3 层的问题,这是 “数
据包 ”问题,而不是第 2 层的 “帧”。
IP 是第 3 层问题的一部分,此外还有一
些路由协议和 地址解析协议 (ARP)。
有关路由的一切事情都在第 3 层处
理。
地址解析和路由是 3 层的重要目的。
网络层还可以实现拥塞控制、网际
互连等功能。
在这一层,数据的单位称为数据包( packet)。
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网络层协议的代表包括:
IP、IPX、RIP、OSPF 等。
网络层主要功能 :
网络层为建立网络连接和为上层提供服务 ,应具备以下主要功能:
路由选择和中继
激活 ,终止网络连接
在一条数据链路上复用多条网络连接 ,多采取分时复用技术
差错检测与恢复
排序 ,流量控制
服务选择
网络管理
网络层标准简介
网络层主要设备:
路由器
产品代表:
TP-LINK TL-R4148
第四层 :
处理信息的 传输层 (Transport layer)
北京时代凌宇科技有限公司(移动应用事业部) 丁爱民第 8 页
第 4 层的数据单元也称作数据包( packets)。
但是,当你谈论 TC
P 等具体的协议时又有特殊的叫法, TCP 的数据单元称为段( segments)
而 UDP 协议的数据单元称为 “数据报 (datagrams)”。
这个层负责获取全
部信息,因此,它必须跟踪数据单元碎片、乱序到达的数据包和其它在传输
过程中可能发生的危险。
第 4 层为上层提供端到端(最终用户到最终用户)
的透明的、可靠的数据传输服务。
所谓透明的传输是指在通信过程中传输层
对上层屏蔽了通信传输系统的具体细节。
传输层协议的代表包括:
TCP、UDP、SPX 等。
传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时 ,第一个端到端的层次,
具有缓冲作用。
当网络层服务质量不能满足要求时,它将服务加以提高,以
满足高层的要求;当网络层服务质量较好时,它只用很少的工作。
传输层还
可进行复用,即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。
传输层也称为运
输层 .传输层只存在于端开放系统中 ,是介于低 3 层通信子网系统和高 3 层
之间的一层 ,但是很重要的一层 .因为它是源端到目的端对数据传送进行控制
从低到高的最后一层 .
有一个既存事实,即世界上各种通信子网在性能上存在着很大差异.例
如电话交换网 ,分组交换网 ,公用数据交换网,局域网等通信子网都可互连 ,
但它们提供的吞吐量 ,传输速率 ,数据延迟通信费用各不相同 .对于会话层来
说,却要求有一性能恒定的界面 .传输层就承担了这一功能 .它采用分流 /合流
,复用 /介复用技术来调节上述通信子网的差异 ,使会话层感受不到 .
此外传输层还要具备差错恢复,流量控制等功能 ,以此对会话层屏蔽通
信子网在这些方面的细节与差异 .传输层面对的数据对象已不是网络地址和
主机地址 ,而是和会话层的界面端口 .上述功能的最终目的是为会话提供可靠
的,无误的数据传输 .传输层的服务一般要经历传输连接建立阶段 ,数据传送
阶段 ,传输连接释放阶段 3 个阶段才算完成一个完整的服务过程 .而在数据
传送阶段又分为一般数据传送和加速数据传送两种。
传输层服务分成5 种
类型 .基本可以满足对传送质量 ,传送速度 ,传送费用的各种不同需要 .
产品代表:
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NETGEAR GS748TS
第五层 :
会话层 (Session layer)
这一层也可以称为会晤层或对话层,在会话层及以上的高层次中,数
据传送的单位不再另外命名,统称为报文。
会话层不参与具体的传输,它提
供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。
如服务
器验证用户登录便是由会话层完成的。
会话层提供的服务可使应用建立和维持会话,并能使会话获得同步。
会
话层使用校验点可使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信。
这种能
力对于传送大的文件极为重要。
会话层 ,表示层 ,应用层构成开放系统的高
3 层,面对应用进程提供分布处理,对话管理 ,信息表示 ,恢复最后的差错等 .
会话层同样要担负应用进程服务要求,而运输层不能完成的那部分工作,给
运输层功能差距以弥补 .主要的功能是对话管理,数据流同步和重新同步。
要完成这些功能 ,需要由大量的服务单元功能组合 ,已经制定的功能单元已有
几十种 .现将会话层主要功能介绍如下 .
为会话实体间建立连接。
为给两个对等会话服务用户建立一个会话连接,
应该做如下几项工作:
将会话地址映射为运输地址
选择需要的运输服务质量参数 (QOS)
对会话参数进行协商
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识别各个会话连接
传送有限的透明用户数据
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 .
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"D
IS8237:
会话协议规范 ".
第六层 :
表示层 (Presentation layer)
这一层主要解决用户信息的语法表示问题。
它将欲交换的数据从适合
于某一用户的抽象语法,转换为适合于 OSI 系统内部使用的传送语法。
即
提供格式化的表示和转换数据服务。
数据的压缩和解压缩,加密和解密等
工作都由表示层负责。
例如图像格式的显示,就是由位于表示层的协议来支
持。
第七层 :
应用层 (Application layer)
应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。
应用层协议的代表包括:
Telnet、FTP、HTTP、SNMP 等。
通过 OSI 层,信息可以从一台计算机的软件应用程序传输到另一台的
应用程序上。
例如,计算机A 上的应用程序要将信息发送到计算机B 的
应用程序,则计算机 A 中的应用程序需要将信息先发送到其应用层(第七
层),然后此层将信息发送到表示层(第六层),表示层将数据转送到会话
层(第五层),如此继续,直至物理层(第一层)。
在物理层,数据被放置
在物理网络媒介中并被发送至计算机B 。
计算机 B 的物理层接收来自物
理媒介的数据,然后将信息向上发送至数据链路层(第二层),数据链路层
再转送给网络层,依次继续直到信息到达计算机B 的应用层。
最后,计算
机 B 的应用层再将信息传送给应用程序接收端,从而完成通信过程。
下面
图示说明了这一过程。
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OSI 的七层运用各种各样的控制信息来和其他计算机系统的对应层进行
通信。
这些控制信息包含特殊的请求和说明,它们在对应的OSI 层间进
行交换。
每一层数据的头和尾是两个携带控制信息的基本形式。
对于从上一层传送下来的数据,附加在前面的控制信息称为头,附加在
后面的控制信息称为尾。
然而,在对来自上一层数据增加协议头和协议尾,
对一个 OSI 层来说并不是必需的。
当数据在各层间传送时,每一层都可以在数据上增加头和尾,而这些数
据已经包含了上一层增加的头和尾。
协议头包含了有关层与层间的通信信息
。
头、尾以及数据是相关联的概念,它们取决于分析信息单元的协议层。
例
如,传输层头包含了只有传输层可以看到的信息,传输层下面的其他层只将
此头作为数据的一部分传递。
对于网络层,一个信息单元由第三层的头和数
据组成。
对于数据链路层,经网络层向下传递的所有信息即第三层头和数据
都被看作是数据。
换句话说,在给定的某一OSI 层,信息单元的数据部分
包含来自于所有上层的头和尾以及数据,这称之为封装。
例如,如果计算机 A 要将应用程序中的某数据发送至计算机B ,数
据首先传送至应用层。
计算机 A 的应用层通过在数据上添加协议头来和
计算机 B 的应用层通信。
所形成的信息单元包含协议头、数据、可能还有
协议尾,被发送至表示层,表示层再添加为计算机B 的表示层所理解的控
制信息的协议头。
信息单元的大小随着每一层协议头和协议尾的添加而增加
,这些协议头和协议尾包含了计算机B 的对应层要使用的控制信息。
在物
理层,整个信息单元通过网络介质传输。
计算机 B 中的物理层收到信息单元并将其传送至数据链路层;然后
B 中的数据链路层读取计算机A 的数据链路层添加的协议头中的控制信息
;然后去除协议头和协议尾,剩余部分被传送至网络层。
每一层执行相同的
动作:
从对应层读取协议头和协议尾,并去除,再将剩余信息发送至上一层
。
应用层执行完这些动作后,数据就被传送至计算机B 中的应用程序,
这些数据和计算机 A 的应用程序所发送的完全相同。
一个 OSI 层与另一层之间的通信是利用第二层提供的服务完成的。
相
邻层提供的服务帮助一OSI 层与另一计算机系统的对应层进行通信。
一个
OSI 模型的特定层通常是与另外三个OSI 层联系:
与之直接相邻的上一
层和下一层,还有目标联网计算机系统的对应层。
例如,计算机A 的数
据链路层应与其网络层,物理层以及计算机B 的数据链路层进行通信。
四、 OSI 分层的优点
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(1)人们可以很容易的讨论和学习协议的规范细节。
(2)层间的标准接口方便了工程模块化。
(3)创建了一个更好的互连环境。
(4)降低了复杂度,使程序更容易修改,产品开发的速度更快。
(5)每层利用紧邻的下层服务,更容易记住个层的功能。
OSI 是一个定义良好的协议规范集,并有许多可选部分完成类似的任务
。
它定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系以及各层所包括的
可能的任务。
是作为一个框架来协调和组织各层所提供的服务。
OSI 参考模型并没有提供一个可以实现的方法,而是描述了一些概念,
用来协调进程间通信标准的制定。
即 OSI 参考模型并不是一个标准,而是
一个在制定标准时所使用的概念性框架。
五、 OSI 模型与 TCP/IP 模型的比较
TCP/IP 模型实际上是 OSI 模型的一个浓缩版本,它只有四个层次:
1.应用层
2.运输层
3.网际层
4.网络接口层
与 OSI 功能相比:
应用层对应着 OSI 的 应用层 表示层 会话层
运输层对应着 OSI 的传输层
网际层对应着 OSI 的网络层
网络接口层对应着 OSI 的数据链路层和物理层
注:
参考材料 《OSI 七层基础知识 》《OSI 七层全解析 》
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