开放系统互连参考模型

开放系统互连参考模型计算机网络技术与应用 旅行插座 回顾：ISOl国际标准化组织(International Organization for Standardization)简称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，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。l ISO的组织机构包括全体大会、主要官员、成员团体、通信成员、捐助成员、政策发展委员会、理事会、ISO中央秘书处、特别咨询组、技术管理局、标样委员会、技术咨询组、技术委员会等。 OSI参考模型l计算机网络的发展经历了单机系统、多机系统等发展阶段。l IBM公司在20世纪70年代推出了自己公司内部的“SNA系统网络体系结构”以后，世界上很多的公司纷纷效仿，建立起自己公司内部的网络体系结构，如Digital公司的DNA、宝来机器公司的BNA以及Honeywell公司的DSA等，这些体系结构的出现大大加快了计算机网络的发展。但是同时也带来相应的问题，由于各个公司的体系结构的着眼点是各公司内部的网络连接，没有统一的标准，因此各公司之间的网络很难连接起来。 开放系统l为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，国际标准化组织ISO对当时的各类计算机网络体系进行了研究，并于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，称为开放系统互连参考模型，即OSI/RM，也称为ISO/OSI。 OSI/RM简介l OSI并不是一个具体的网络，他只给出了一些原则性的说明，规定了开放系统的层次结构所提供的服务。l OSI协议将网络通信过程划分为七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。上面三层（应用层、表示层、会话层）与应用问题有关，而下面四层（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开 放 系 统 互 连 参 考 模 型 信息流动 OSI模型的特点l 每层的对应实体之间都通过各自的协议进行通信；l 各个计算机系统都有相同的层次结构；l 不同系统的相应层次具有相同的功能；l 同一系统的各层次之间通过接口联系；l 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。 开放系统参考模型物理层链路层网络层传输层会话层表示层 应用层 OSI层应用层层功能介绍例子应用层（第七层）一个同其他计算通讯的应用便实现了OSI应用层的原理。应用层给应用提供通讯服务。FTP，WWW浏览器，Telnet，NFS，SMTP gateways，SNMP，X.400，FTAM 例子l例如一个没有通讯功能的字处理程序当然不会去编写通讯代码，程序员也不必关心OSI第七层。然而，如果增加一个传输文件的选项，程序员就不得不实现OSI第七层（或者其他协议中等价的层）文件传输服务。 OSI层表示层表示层（第六层）表示层的主要作用是定义了数据格式，例如，ASCII文本，EBCDIC文本，binary，BCD和JPEG。加密也被OSI定义为一个表示层服务。TIFF，GIF，JPEG，PICT，ASCII，EBCDIC，encryption，MPEG，MIDI，HTML 例子l FTP允许你选择binary和ASCII两种传输方式。如果是binary方式，发送端就不会改变文件的内容。如果是ASCII方式，发送端就会先把内容从发送端的字符集转换成标准的ASCII码再发送。接受端再从ASCII码转换为本地的字符集。 OSI层对话层对话层（第五层）对话层定义了如何开始，控制，结束对话。对话层确认对话的顺序，确保每一个步骤按顺序进行。RPC，SQL，NFS，NetBios names，AppleTalk ASP，DECnet SCP 例子l从ATM提款机提款时，需要插卡、输入密码、输入提款金额、提取现金。每一步都需要上一步确认。 OSI层传输层传输层（第四层）第四层包括协议的选择提供和不提供出错处理。记录进来的数据流，如果包在传输过程中被分片还要进行包的重组。TCP，UDP，SPX 例子l TCP提供了一个4200字节的数据段给IP进行投递。如果某种媒体不能传输4200个字节的包，那么IP将对数据进行分片。这样，接收端的TCP也许就会接收到3个不同的1400字节的段。并且，接收段可能按照和发送不同的顺序接收，所以它需要记录接收的段，并将它们重组为4200字节的段。然后将数据送给上一层。 OSI层网络层网络层（第四层）网络层提供了端到端的包传递。网络层定义了逻辑地址，所以任何端点都可以被唯一的标识。它也定义了路由如何工作和如何学习。网络层还定义了如何对数据报分片来适应较小的最大传输单元。IP，IPX，AppleTalk DDP 例子l对于一个运行IP的Cisco路由器来说，它会检查包的目的IP，将这个IP同路由表进行比较，如果输出界面需要一个比较小的包的话，还需要对包进行分片，然后将包送入队列等待发送。 OSI层数据链路层数据链路层（第二层）数据链路层规范主要关心数据如何在一种特定连接或媒体上传输。Frame Relay, HDLC, PPP, IEEE 802.3/802.2, FDDI, ATM, IEEE 802.5/802.2 OSI层物理层物理层（第一层）物理层定义了物理媒体的特性。连接器，针，针的使用，电气参数，编码和光的调制等都是物理层规范的一部分。EIA/TIA-232, EIA/TIA-499, V.35, V.24, RJ45, Ethernet, 802.3, 802.5, FDDI, NRZI, NRZ, B8ZS 例子l RJ45定义了连接器的形状和电缆芯/针的数量。Ethernet和802.3定义了1，2，3，6芯/针的使用。所以一根给Ethernet使用的带有RJ45连接器的5类电缆，同时应用了Ethernet和802.3物理层规范。 物理层 物理层l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。l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。l物理层传输数据有基本单位是比特，也称为位。 物理层的主要功能l物理层是OSI的第一层，处于最底层，因此也是开放系统的基础。l物理层是为数据端设备提供传送数据的通路。l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。l传输数据物理层为数据端提供传送数据的通路。l形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。 l第一要保证数据能顺利通过，二是要提供足够的带宽。l完成物理层的一些管理工作 通信接口与传输媒体的物理特性l物理接口标准定义了物理层与物理传输介质之间的边界与接口，物理接口的四个特性是：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。 机械特性l物理层的机械特性规定了物理连接时所使用可接插连接器的形状和尺寸，连接器中引脚的数量与排列情况。如EIA标准RS-232C规定的D型25针接口，ITU-T X.21标准规定的15针接口等。 电气特性l电气特性规定了在物理信道上传输比特流时信号电平的大小、数据的编码方式、阻抗匹配、传输速率和传输距离限制等。如：在使用RS-232C接口且传输距离不大于15m时，最大传输速率为19.2Kbps。 功能特性l物理层的功能特性定义了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为：数据线、控制线、定时线和地线。 规程特性l物理层的规程特性规定了信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。 四 、 RS232D接 口 标 准 RS232D是 美 国 电 子 工 业 协 会 制 定 的 物 理 接 口标 准 ， 也 是 目 前 数 据 通 信 与 网 络 中 应 用 最 为 广泛 的 一 种 标 准 。 它 的 前 身 是 EIA在 1969年 制 定的 RS-232C标 准 ， 经 1987年 1月 修 改 后 ， 定 名 为EIA-232D， 由 于 相 差 不 大 ， 人 们 常 简 称 它 们 为“ RS-232标 准 ” 。 母 头 公 头 主 要 特 性 机 械 方 面 的 技 术 指 标 是 ： RS-232D规 定 使 用 一 个 25根 插 针 的 标 准 连 接 器 ， 该 连 接 器 宽 （ 47.04+.13）mm（ 螺 丝 中 心 间 的 距 离 ） ， 每 个 插 座 有 25针 插 头 ，上 面 一 排 针 （ 从 左 到 右 ） 分 别 编 号 为 1 13， 下 面一 排 针 （ 从 左 到 右 ） 编 号 为 14 25等 。电 气 特 性 方 面 RS-232D采 用 负 逻 辑 ， 即 逻 辑 0用 5 15V表 示 ， 逻 辑 1用 -5 -15V表 示 ， 允 许 的 最大 数 据 传 输 率 为 20Kbps， 最 长 可 驱 动 电 缆 15m。在 功 能 特 性 方 面 ， RS-232D定 义 了 连 接 器 中 20条 连接 线 的 功 能 。 针 号 功 能 信 号 功 能 /传 输 方 向 1 保 护 性 接 地 地 线 2 发 送 数 据 数 据 /DTE DCE 3 接 收 数 据 数 据 /DTE DCE 4 请 求 发 送 控 制 信 号 / DTE DCE 5 清 除 发 送 控 制 信 号 / DTE DCE 6 数 据 设 备 准 备 好 控 制 信 号 / DTE DCE 7 信 号 地 地 线 8 载 波 检 测 控 制 信 号 / DTE DCE 20 数 据 终 端 准 备 好 控 制 信 号 / DTE DCE 常 用 连 接 线 的 功 能 数据链路层l数据链路层是OSI模型的第二层，它把物理层的原始数据打包成帧，并负责帧在计算机之间无差错的传递。并负责帧在计算机之间无差错的传递。l帧是存放数据的、逻辑的、结构化的包。l建立数据链路层的主要目的是将一条原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路。l数据链路层的作用：在不太可靠的物理链路上，通过数据链路层协议实现可靠的数据传输。 数据链路层的主要功能a.链路管理链路的建立、维持、释放b.帧同步接收方能够从收到的比特流中准确区分一帧的开始结束。c.流量控制等待发送方法、预约缓冲区法、滑动窗口控制法、许可证和限制管道容量法d.差错控制常采用ARQ。e.透明传输控制信息和数据信息区别f.寻址源节点和目的节点地址：物理地址。 数据链路层协议l数据链路层的协议主要分为两类：面向字符型和面向比特型。l面向字符十个控制字符。l面向字符是指在链路上所传送的数据及控制信息必须是由规定的字符集中的字符所组成。面向字符型的数据链路控制协议传输效率比较低。 流量控制Congestion Avoidance Flow ControlSender Receiver123 Stopgo4 5 流量控制Windowing Flow Control 123ACK=24ACK=45 6Win=3 面向比特型高级数据链路协议HDLCl随着通信量的增加及计算机网络应用范围的不断扩大，面向字符的链路控制协议使用率越来越低，在20世纪60年代末人们提出了面向比特的数据链路控制协议，代表协议为HDLC。l HDLC定义了3种站结构、2种链路结构以及3种数据响应模式。 3种站结构 l主站：负责控制链路的操作和运行。l次站：次站在主站的控制下进行工作，对链路无控制权，次站间不能直接通信。l组合站：主站与次站的复合站。 2种链路结构： l不平衡链路结构：是由一个主站与一个以上的次站构成，既可以用于点到点链路，也可用于多点链路，主站控制次站并实现链路管理。l平衡链路结构：由组合站构成，只用于点到点的链路。 3种响应方式：l正常响应方式：用于不平衡链路结构，次站只有在得到主站允许之后才能向主站传送数据；l异步平衡方式：用于平衡链路结构，任何一个组合站不必事先得到对方许可就可以开始传输过程；l异步响应方式：用于不平衡链路结构，允许次站在事先不得到主站的允许下开始传输数据，主站仍然负责控制和链路管理。l数据链路层对等实体间的的通信一般要经过数据链路的建立、数据传输和数据链路的释放三个阶段。 HDLC帧格式 l数据链路层的数据传输是以帧为单位。l F标志字段：帧的首尾均有一个由固定比特序列组成的帧标志字段，用来标志一帧的开始和结束。l A地址字段：在非平衡结构中，帧地址字段总是写入次站地址；在平衡结构中，帧地址字段填入应答站地址。l C控制字段：是HDLC帧的关键字段，用以标识帧的类型和功能，使对方站能够执行特定的操作。l Info信息字段：可以是任意比特序列的组合，用于存放要传输的数据信息。 l FCS帧校验字段：FCS字段为帧校验序列，HDLC采用CRC循环冗余编码进行校验。 例子l对于一个运行IP的Cisco路由器来说，它会检查包的目的IP，将这个IP同路由表进行比较，如果输出界面需要一个比较小的包的话，还需要对包进行分片，然后将包送入队列等待发送。 网络层l网络层（通信子网层），是通信子网与网络高层的界面，主要负责控制通信子网的操作，实现数据从网络上的任一节点准确无误的传输到目的节点。l设置网络的主要目的就是要为报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的主机提供服务。l而不需要关心网络的拓扑结构和使用的通信介质。 网络层的主要功能 网络层相传输层提供数据报和虚电路的两种类型的接口，网络层的任务就是实现这两种任务。l路径选择l流量控制l数据的传输与中继l清除子网的质量差异 路径选择路由l网络层主要功能之一l好的路由算法：1.算法必须是正确的2.算法能够适应结点或链路引起的变化。3.算法能够适应流量的变化4.算法应具有稳定性5.算法应该是公平的6.算法应该尽可能简单 路由逻辑F.R.10.1.1.1PC1目标地址在另外一组；发送到最近的路由器。Eth. IP Packet R1HDLC IP Packet 168.10.0.0R2我的路由显示那一组需要从串口连接出去。168.11.0.0FR IP Packet我的路由显示那一组需要从帧中继连接出去。 路由逻辑（续）F.R. 168.11.0.0PC2 168.1.1.1 192.1.1.0直接发送到目标FR IP PacketTR IP Packet 流量控制数据链路层也有l防止网络过载而引起的吞吐量下降和延时增加l避免死锁l在相互竞争的各用户之间公平的分配资源 网络服务l网络层所提供的服务有两大类，即面向连接的网络服务和无连接的网络服务，这两种服务的具体实现就是虚电路服务和数据报服务 。l 虚电路服务l虚电路服务的数据传输过程分为三个阶段：建立连接阶段、数据传输阶段和拆除连接阶段。l 数据报服务l数据报服务一般仅由数据报交换网来提供。当发送端要发送数据时，网络层给该数据附加上地址、序号等信息，作为分组发送给网络节点，目的端接收到的分组可能不是按发送顺序到达的，也可能有分组丢失。这种方式没有建立、释放及确认等额外开销，在传输的信息不太长时非常适用。 虚电路与数据报的对比项目类型数据报子网虚电路子网端到端的连接不要必须有目的站地址每个分组都有目的站的全地址仅在建立连接阶段使用分组的顺序到达目的站可能不按发送顺序总是按发送顺序到达目的站差错控制由主机负责由通信子网负责流量控制由主机负责由通信子网负责 传输层l传输层是用户的资源子网与通信子网的界面和桥梁，下面三层属于通信子网，面向数据通信，上面三层属于资源子网，面向数据处理，传输层是OSI协议中最重要的一层。 传输层的地位与作用l传输层是为了可靠地把信息送给对方而进行搬运、输送，通常被解释成“补充各种通信子网的质量差异，保证在相互通信的两处终端进程之间进行透明数据传输的层”，是OSI/RM的整个协议层次的核心。l传输层在七层模型中起到了对高层屏蔽低层，对低层屏蔽高层的作用。 先来看通信子网分类l通信子网按照服务质量的不同，分为A、B、C三种类型：l A型：网络连接具有可接受的残留差错率和可接受的失效通知率；l B型：网络连接具有可接受的残留差错率和不可接受的失效通知率；l C型：网络连接具有不可接受的残留差错率；l质量由高到低 按照通信子网质量传输层协议分5类l五类传输协议都是面向服务的。l 0简单l 1差错控制l 2复用、流量控制l 3差错控制和复用l 4差错检测、控制和复用l复杂由低到高 传输层协议与网络搭配 传输层提供哪些服务呢？寻址：建立连接：流量控制：崩溃恢复：多路复用： 高层简介 会话层 l会话层是利用传输层提供的端到端的服务向表示层或会话层用户提供会话服务。l主要功能有：提供远程会话地址、会话建立后的管理和提供把报文分组重新组成报文的功能。l提供的服务：会话连接的建立与拆除、与会话管理有关的服务、隔离、出错和恢复控制。l RPC，SQL，NFS，NetBios names，AppleTalk ASP，DECnet SCP 例子l从ATM提款机提款时，需要插卡、输入密码、输入提款金额、提取现金。每一步都需要上一步确认。 表示层l表示层处理的是OSI系统之间用户信息的表示问题，它主要涉及到被传输的信息的内容和表示形式等。l主要功能有：语法转换、传送语法的选择等l提供的服务有：数据转换和格式转换、语法的选择、数据加密与解密和文本压缩。l表示层的主要作用是定义了数据格式，TIFF，GIF，JPEG，PICT，ASCII，EBCDIC，encryption，MPEG，MIDI，HTML 例子l FTP允许你选择binary和ASCII两种传输方式。如果是binary方式，发送端就不会改变文件的内容。如果是ASCII方式，发送端就会先把内容从发送端的字符集转换成标准的ASCII码再发送。接受端再从ASCII码转换为本地的字符集。 应用层l应用层是OSI/RM的最高层，它是计算机网络与最终用户间的接口，它包含了系统管理员管理网络服务所涉及的所有的问题和基本功能。l常用的网络服务包括文件服务、电子邮件（E-mail）服务、打印服务、集成通信服务、目录服务、网络管理服务、安全服务、多协议路由与路由互连服务、分布式数据库服务以及虚拟终端服务等。FTP，WWW浏览器，Telnet，NFS，SMTP gateways，SNMP，X.400，FTAM 例子l例如一个没有通讯功能的字处理程序当然不会去编写通讯代码，程序员也不必关心OSI第七层。然而，如果增加一个传输文件的选项，程序员就不得不实现OSI第七层（或者其他协议中等价的层）文件传输服务。 ISO/OSI归纳l应用层 与用户进程的接口，即相当于做什么？l表示层 数据格式的转换，即相当于对方看起来像什么？l会话层 会话的管理与数据传输的同步，即相当于该谁讲话和从何处讲？l传输层 从端到端经网络透明地传输报文，即相当于对方在何处？l网络层 分组传送、路由选择和流量控制，即相当于走哪条路？l数据链路层 在数据链路上无差错地传送帧，即相当于每一步该怎样走？ l物理层 将比特流送到物理媒体上传送，相当于对上一层的每一步怎样利用物理媒体？ 实例分析A BDE C1 25 3 467PC1 PC2PC3PC4Group-1.local-M Group-7.local-M Group-4.local-MGroup-6.local-MS0:Group-2.local-AE0:Group-1.local-A E0:Group-2.local-BS0:Group-2.local-BS0:Group-5.local-DE0:Group-6.local-D E0:Group-7.local-ES0:Group-7.local-EE0:Group-3.local-CS0:Group-4.local-C 实例分析任务一l建立路由器A的路由表Group Outgoing Interface Next RouterGroup-1Group-2Group-3Group-4Group-5Group-6 Group-7 实例分析任务二l PC1向PC2发送一个包。l有那两种方式能让PC1知道应该向Router A发送？l列出向PC2发送时经过的路由器中必须的路由。l在包经过每一个路由器时头尾的变化。l PC2向PC1发送时所经过的路由器的路由表。 实例分析任务三l PC1向PC3发送一个包。l在包经过每一个路由器时头尾的变化。 任务一AnswerGroup Outgoing Interface Next RouterGroup-1 Ethernet 0 N/AGroup-2 Serial 0 N/AGroup-3 Serial 0 Group-2.local-BGroup-4 Serial 0 Group-2.local-BGroup-5 Serial 1 N/AGroup-6 Serial 1 Group-5.local-D Group-7 Serial 1 Group-5.local-E