网络分层模型

1.1.4　网络分层模型

随着科学技术的发展，通信的范围越来越大，这就需要更多的通信网络和通信设备间都能够互通互联。为了保证各网络与设备有良好的互通性，降低设计的复杂度，人们引入了分层参考模型。

为了使各种计算机在世界范围内互联成网，国际标准化组织（ISO，International Standards Organization）在1978年提出了一套非常重要的标准框架，即开放系统互联参考模型OSI/RM，（Open System Interconnection Reference Model），简称OSI。这里，“开放”的意思是：只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、遵循同一标准的其他任何通信系统进行通信。

现在，OSI模型已成为通信界，尤其是网络界共同遵守的标准。许多主要的协议（如TCP/IP）和网络（如X.25、FR、ATM、Internet等）均有相应的参考模型标准，这大大提高了导入新技术的方便性及对各种通信网（电话网、X.25、局域网及Internet等）的适应性。

OSI的参考模型具有七个层次，因此也将它称为分层模型，如图1.7所示。

图1.7　OSI的分层模型

OSI各层的主要功能如下：

1）物理层

物理层与通信媒介直接相连，其功能是提供用于建立、保持和断开物理接口的条件，以保证比特流的透明传输。物理层协议主要规定了计算机或终端与通信设备之间的接口标准，它包含接口的物理、电气、功能与规程四个方面的特性。

物理层传送的基本单位是比特，又称位。

2）数据链路层

数据链路层是OSI的第二层，简称链路层。它主要负责数据链路的建立、维持和拆除，并在两个相邻节点的线路上，将网络层送下来的信息（分组）组成帧传送，每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。为了保证数据帧的可靠传输，数据链路层应具有差错控制功能。在传送数据时，若接收节点检测到所接收数据中有差错，就要求发送端重发，直至该帧被正确接收。同时，数据链路层还应具备简单的流量控制功能，以防止接收缓存器容量不够而产生溢出。这样，链路层就把一条有可能出错的实际物理链路转变成让网络层向下看起来好像是一条不出差错的链路，实现了在不可靠的物理链路上进行可靠的数据传输的功能。

数据链路层传输的基本单位是帧。常用的数据链路层协议是ISO推荐使用的高级数据链路控制HDLC（High－level Data Link Control）规程。它是面向比特传输控制规程。

3）网络层

网络层又叫通信子网层，主要用于控制子网的运行。网络层将从高层传送下来的数据打包，再进行必要的路由选择、差错控制、流量控制以及顺序检测等处理，使发送端用户的运输层所传下来的数据能够准确无误地按照地址传送到目的用户的运输层。

网络层的主要任务是路由选择、数据包的分段和重组以及拥塞控制等。

值得指出的是：根据网络类型的不同，网络层可以不存在。例如对于由广播信道所构成的通信子网，由于不存在路由选择问题，故一般不需要网络层。对于一个通信子网来说，第三层即网络层是它的最高层。

网络层所传送的信息的基本单位叫做分组或者包。

4）运输层

运输层位于开放系统互联模型的第四层，它是衔接通信子网（由物理层、数据链路层及网络层构成）和资源子网（包含会话层、表示层及应用层）的桥梁，起到承上启下的作用。运输层对高层用户起到了屏蔽作用，使高层用户的同等实体在交互过程中不会受到下层数据通信技术细节的影响。

运输层的任务就是根据子网的特性最佳地利用网络资源，并根据会话实体的要求，以最低费用和最高可靠性在两个端用户（即发端用户和收端用户）的会话层之间建立一条运输连接，以透明方式传送报文，或者说，运输层为会话层提供了一个可靠的端到端的服务。运输层智能存在于端系统用户中，又称端—端层。

运输层的主要功能是建立、拆除和管理端系统的会话连接。这种连接是会话实体之间的一种逻辑信道。OSI规定运输层提供0～4共五类协议，以适应不同的网络特性，满足会话层提出的服务质量要求。0类是最简单类，适用于可靠型的网络，其协议不存在排序、流量控制和错误检测等方面的处理，只是让信息直接穿过；4类的服务质量最高。为了保证服务质量，运输层对数据进行分段/合段或者分割/拼接等处理，组成运输层报文，并选择合适的服务等级，以适应高低层通信之间的差异；类似地，为了适应低层提供的不同服务质量，有时要进行复用/解复用，合路/分路等处理，同时，也要进行端到端的流量控制。

运输层传送的信息的基本单位是分段报文。

5）会话层

会话层的任务就是提供一种有效的方法，以组织和协商两个表示层进程之间的会话，并管理它们之间的数据交换。会话是指两个用户（表示层进程）之间的连接。会话可允许一个用户进入远程分时系统，或在两个用户计算机之间传送一个文件。会话层的主要功能是依据在应用进程之间约定的原则，按照正确的顺序发/收数据，进行各种形态的对话，其中包括对对方是否有权参加对话的身份核实，确定由哪一方支付通信费用，并且在选择功能方面取得一致，是选全双工还是选半双工通信等。另外，在会话建立后，需要对进程间的对话进行管理和控制，如权标的发放（只有持有权标的一方才可以执行某种关键的操作）和同步的管理（当会话由于某种原因中止时，在数据中插入检验点，会话恢复后仅重传最后一个检验点后的数据）。

在有些计算机网络中，会话层与运输层是合二为一的，其总的功能都是为用户建立一条逻辑信道。

会话层传送的信息的基本单位也叫报文，但它与运输层的报文有本质的不同。

6）表示层

表示层主要解决用户信息的语法表示问题，它为应用层提供服务。表示层对信息格式和编码起转换作用，例如将ASCII码转换成EBCDIC码等，同时将欲交换的数据从用户的抽象语法转换成适合OSI系统内部使用的传送语法。表示层还提供信息压缩的功能，如采用哈夫曼编码对文本进行压缩。此外，对传送的信息进行加密与解密也是表示层的任务之一。

表示层传送的信息也是以报文为单位的。

7）应用层

应用层是OSI体系结构的最高层，它直接面向用户，以满足用户不同的需求，是唯一向应用程序直接提供服务的层。其功能包括：提供网络完整透明性、用户资源的配置、应用管理和系统管理、分布式信息服务及分布式数据库管理等。

应用层传递的是用户数据报文。

上述层次中一～三层的功能属于通信子网的功能，这些功能的实现均体现在交换机内。按照分层模型设计交换机，可以将设备的复杂功能简单化、层次化，使每一个层次在信息交换中都担当一个独立的角色，具有特定的功能。