计算机网络ISO/OSI参考模型

计算机网络ISO/OSI参考模型本文详细介绍了 OSI 参考模型的 7 层结构及其功能 以及 TCP IP 模型的 4 层结构 着重比较了两者的异同 强调了 OSI 模型的理论性和 TCP IP 模型的实用性

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一、OSI参考模型

国际标准化组织 (ISO) 提出的网络体系结构模型称为开放系统互连参考模型(OSRM).通常简称为OSI参考模型。OSI参考模型有7层,自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层传输层、会话层、表示层、应用层 。低三层统称通信子网 , 是为联网而附加的通信设备,完成数据的传输功能;高三层统称资源子网,相当于计算机系统,完成数据的处理等功能。传输层承上启下。

计算机网络ISO/OSI参考模型

(1)物理层

物理层的传输单位是比特,功能是在物理介质上为数据端设备透明地传输原始比特流。物理层主要定义数据终端设备(DTE)数据通信设备(DCE)的物理与逻辑连接方法。

物理层接口标准很多,如EIA-232C、ELA/TIARS-449、CCITT的X21等。

1)通信链路与通信结点的连接需要一些电路接口,物理层规定了这些接口的一些参数,如机械形状和尺寸、交换电路的数量和排列等,例如笔记本电脑上的网线接口。

2)物理层规定了通信链路上所传输的信号的意义和电气特征。例如,若规定信号X代表数字0,则当结点传输0时就发出信号,而当结点接收到信号时就知道收到的是0。

注意,传输信息所用的一些物理介质(如双绞线、光缆、无线信道等)并不在物理层协议之内,而在物理层协议下面。因此,有人将物理介质当作第0层。

(2)数据链路层

数据链路层的传输单位是帧。两台主机之间的数据传输总是在一段一段的链路上传送的,这就需要使用专门的链路层协议。数据链路层将网络层交来的DP分组封装成帧,并且可靠地传输到相邻结点的网络层。主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能,将物理层提供的可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路,使之对网络层表现为一条无差错的链路。

因为外界噪声的干扰,所以原始的物理连接在传输比特流时可能发生错误。如图1.11所示,结点A想向结点B传输数字0,于是发出信号X;但在传输过程中受到干扰,信号X变成了信号Y,而信号Y又刚好代表1,结点B接收到信号Y时,误以为结点A传送了数字1,从而发生差错。数据链路层协议应能检测出这些差错,然后将收到的错误信息丢弃。

在两个相邻结点之间传送数据时,结点A的发送速率可能比结点B的接收速率快,若不加以控制,则结点B就会丢弃很多来不及接收的正确数据,造成传输线路效率下降。流量控制可以协调两个结点的速率,使结点A的发送速率刚好是结点B的接收速率。

广播式网络在数据链路层还要处理新的问题,即如何控制对共享信道的访问。数据链路层的一个特殊子层–介质访问子层就是专门处理这个问题的。

典型的数据链路层协议有SDLC、HDLC、PPP、STP 和帧中继等。

(3)网络层

网络层的传输单位是数据报。它关心的是通信子网的运行控制,主要任务是将网络层的协议数据单元(分组)从源结点传输到目的结点,为分组交换网上的不同主机提供通信服务。关键问题是对分组进行路由选择,并实现流量控制、拥塞控制、差错控制和网际互连等功能。

注意,无论是在哪一层传送的数据单元,都可以笼统地用“分组”来表示。

互联网是由大量异构网络通过路由器相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议(IP)和许多种路由选择协议,因此互联网的网络层也称网际层IP层

网络层的协议有IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、RIP 和OSPF等。

(4)传输层

传输层也称运输层,负责主机中两个进程之间的通信,功能是为端到端连接提供可靠的传输服务,即为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。

数据链路层提供的是点到点通信传输层提供的是端到端通信,两者不同。

通俗地说,点到点可理解为主机和主机之间的通信,一个是指一个硬件地址或IP地址,网络中参与通信的主机是通过硬件地址或I地址来标识的;端到端通信是指运行在不同主机内的两个进程之间的通信,一个进程一个端口来标识,所以称为端到端通信。

通过传输层的屏蔽,高层用户看不到通信子网的交替和变化。因为一台主机可同时运行多个进程,所以传输层具有复用和分用的功能。复用是指多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务,分用是指传输层将收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

传输层的协议有 TCP、UDP。

(5)会话层

会话层允许不同主机上的各个进程之间进行会话。这种服务主要为表示层实体或用户进程建立连接,并在连接上有序地传输数据,这就是会话,也称建立同步(SYN)。会话层负责管理主机间的会话进程,包括建立、管理和终止进程间的会话。会话层包含一种称为检查点的机制来维持可靠会话,使通信会话在通信失效时从检查点继续恢复通信,即断点下载的原理。

(6)表示层

表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同机器采用的编码和表示方法不同,为了使不同表示方法的数据和信息之间能够互相交换,表示层采用抽象的标准方法定义数据结构,并采用标准的编码形式。此外,数据压缩、加密和解密也是表示层的功能。

(7)应用层

应用层是OSI参考模型的最高层,是用户与网络的接口。应用层为特定类型的网络应用提供访问OSI参考模型环境的手段。用户的实际应用多种多样,这就要求应用层采用不同的应用协议来解决不同类型的应用要求,因此应用层是最复杂的一层,使用的协议也最多。典型的协议有用于文件传送的 FTP、用于电子邮件的 SMTP、用于万维网的 HTTP 等。

二、 TCP/IP 模型

TCP/IP模型从低到高依次为网络接口层(对应OSI参考模型的物理层和数据链路层)、网际层传输层应用层(对应 OSI参考模型的会话层)表示房和应用层)。TCPIP 因为得到广泛应用而成为事实上的国际标准

计算机网络ISO/OSI参考模型

(1)网络接口层

网络接口层的功能类似于 OSI参考模型的物理层和数据链路层。它表示与物理网络的接口,但实际上TCP/IP本身并未真正描述这一部分,只是指出主机必须使用某种协议与网络连接,便在其上传输IP分组。具体的物理网络既可是各种类型的局域网,如以太网、令牌环网、令牌总线网等,又可是诸如电话网、SDH、X.25、帧中继和 ATM 等公共数据网络。网络接口层的作用是从主机或结点接收IP分组,并将它们发送到指定的物理网络上

(2)网际层

网际层( 主机 – 主机 )是TCP/IP体系结构的关键部分,功能上它与OSI参考模型的网络层非常相似。网际层将分组发往任何网络,并为其独立地选择合适的路由,但不保证各个分组有序地到达,各个分组的有序和可靠交付由高层负责。网际层定义了标准的分组格式和协议,( 即IP )。

(3)传输层

传输层( 应用 – 应用或进程 – 进程 )的功能同样与OSI参考模型中的传输层类似,即使得发送端和目的端主机上的对等实体进行会话。传输层主要使用以下两种协议:

1)  传输控制协议 (Transmission ControlProtocol, TCP )。)它是面向连接的,传输数据之前必须先建立连接,能够提供可靠的交付。数据传输的单位是报文段。
2)  用户数据报协议 (User Datagram Protocol, UDP )。)它是无连接的,不保证提供可靠的交付,只能提供“尽最大努力交付”。数据传输的单位是用户数据报。

(4)应用层

应用层 ( 用户 – 用户 ) 包含所有的高层协议,如虚拟终端协议(Temet)、文件传输协议(FTP)、域名解析服务(DNS)、电子邮件协议(SMTP)和超文本传输协议(HTTP)。

IP , 是互联网中的核心协议 ; TCP/IP 可为各式各样的应用提供服务 ( 所谓 everything over IP ),TCP/IP 还允许IP在由各种网络构成的互联网上运行 ( 所谓IP over everything )。因此,互联网才会发展到今天的规模。

三、 TCP/IP 模型与 OSI参考模型的比较

(1)相同点:

首先,二者都采取分层的体系结构,且分层的功能也大体相似。
其次,二者都是基于独立的协议栈的概念。
最后,二者都可解决异构网络的互连,实现不同厂家生产的计算机之间的通信。

(2)不同点:

第一,OSI参考模型的最大贡献是精确定义了三个主要概念 : 服务、协议和接口,这与现代的面向对象程序设计思想非常吻合。而TCP/IP模型在这三个概念上有明确区分。

第二,OSL参考模型是7层模型,而TCP/IP模型是4层结构。TCP/IP模型将OSI参考模型的表示层和会话层的功能合并到了应用层,还将数据链路层和物理层合并为网络接口层。

第三,OSI参考模型有模型,后有协议规范,通用性良好,适合描述各种网络。CPP模型正好相反,即有协议栈,后建立模型,因此不适合任何其他的非TCP/IP网络。

第四,OSI参考模型在网络层支持无连接和面向连接的通信,但在传输层仅面向有连接通信。而TCP/IP 模型认为可性端到端的问题 , 因此它在网际层仅有一种无连接的通信模式,但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

OSI参考模型和TCPP 模型都不是完美的,对二者的批评都很多。OSI参考模型的设计者从-开始就试图建立一个全世界的计算机网络都要遵循的统一标准。从技术角度看,他们追求一种完美的理想状态,导致基于OSI参考模型的软件效率极低。OSI参考模型缺乏市场与商业动力,结构复杂,运行效率低,这是它未能达到预期目标的重要原因。

学习计算机网络时,我们往往采取折中的办法,即综合OSI参考模型和TCP/IP 模型的优点,采用一种5层协议的体系结构。

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