OSI:設計、描述極端機網絡通信的框架-中文百科頻道

起源

1969年12月，美國國防部高級計劃研究署的分組交換網ARPANET投入運行，從此計算機網絡發展進入新紀元。ARPANET當時僅有4個結點，分别在美國國防部、原子能委員會、麻省理工學院和加利福利亞。這4台計算機之間進行數據通信僅有傳送數據的通路是不夠的，還必須遵守一些事先約定好的規則，由這些規則明确所交換數據的格式及有關同步問題。

ARPANT的實踐經驗表明對于非常複雜的計算機網絡而言，其結構最好是采用層次型的。根據這一特點，國際标準化組織ISO推出了開放系統互聯參考模型（Open System Interconnect Reference Model，ISO‘OSI RM）。在該模型中層與層之間進行對等通信，且這種通信隻是邏輯上的，真正的通信都是在最底層-物理層實現的，每一層要完成相應的功能，下一層為上一層提供服務，從而把複雜的通信過程分成了多個獨立的、比較容易解決的子問題。

OSI在一開始是由ISO來制定，但後來的許多标準都是ISO與CCITT聯合制定的。

詳情

OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model）即開放系統互連基本參考模型。開放，是指非壟斷的。系統是指現實的系統中與互聯有關的各部分。

世界上第一個網絡體系結構由IBM公司提出（74年，SNA），以後其他公司也相繼提出自己的網絡體系結構如：Digital公司的DNA，美國國防部的TCP/IP等，多種網絡體系結構并存，其結果是若采用IBM的結構，隻能選用IBM的産品，隻能與同種結構的網絡互聯。

為了促進計算機網絡的發展，國際标準化組織ISO于1977年成立了一個委員會，在現有網絡的基礎上，提出了不基于具體機型、操作系統或公司的網絡體系結構，稱為開放系統互聯模型。

設計目的

OSI模型的設計目的是成為一個所有銷售商都能實現的開放網路模型，來克服使用衆多私有網絡模型所帶來的困難和低效性。OSI是在一個備受尊敬的國際标準團體的參與下完成的，這個組織就是ISO（國際标準化組織）。

在OSI出現之前，計算機網絡中存在衆多的體系結構，其中以IBM公司的SNA(系統網絡體系結構)和DEC公司的DNA(Digital Network Architecture)數字網絡體系結構最為著名。為了解決不同體系結構的網絡的互聯問題，國際标準化組織ISO(注意不要與OSI搞混）于1981年制定了開放系統互連參考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM）。這個模型把網絡通信的工作分為7層，它們由低到高分别是物理層（Physical Layer)，數據鍊路層（Data Link Layer)，網絡層(Network Layer)，傳輸層（Transport Layer)，會話層（Session Layer），表示層（Presentation Layer)和應用層（Application Layer)。

第一層到第三層屬于OSI參考模型的低三層，負責創建網絡通信連接的鍊路；第四層到第七層為OSI參考模型的高四層，具體負責端到端的數據通信。每層完成一定的功能，每層都直接為其上層提供服務，并且所有層次都互相支持，而網絡通信則可以自上而下（在發送端）或者自下而上（在接收端）雙向進行。

當然并不是每一通信都需要經過OSI的全部七層，有的甚至隻需要雙方對應的某一層即可。物理接口之間的轉接，以及中繼器與中繼器之間的連接就隻需在物理層中進行即可；而路由器與路由器之間的連接則隻需經過網絡層以下的三層即可。總的來說，雙方的通信是在對等層次上進行的，不能在不對稱層次上進行通信。

OSI 标準制定過程中采用的方法是将整個龐大而複雜的問題劃分為若幹個容易處理的小問題，這就是分層的體系結構辦法。在OSI中，采用了三級抽象，即體系結構，服務定義，協議規格說明。

為方便記憶可以将七層從高到低視為：All People Seem To Need Data Processing。每一個大寫字母與七層名稱頭一個字母相對應。

分層原則

網絡中各結點都有相同的層次

不同結點相同層次具有相同的功能

同一結點相鄰層間通過接口通信

每一層可以使用下層提供的服務，并向上層提供服務

不同結點的同等層間通過協議來實現對等層間的通信

分層

對等層實體間通信時信息的流動過程

對等層通信的實質：

對等層實體之間虛拟通信；下層向上層提供服務；實際通信在最底層完成；發送方數據由最高層逐漸向下層傳遞，到接收方數據由最低層逐漸向高層傳遞。

協議數據單元PDU

OSI參考模型中，對等層協議之間交換的信息單元統稱為協議數據單元(PDU，Protocol Data Unit)。

而傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：

傳輸層——數據段（Segment）

網絡層——分組（數據包）（Packet）

數據鍊路層——數據幀（Frame）

物理層——比特（Bit）

七層結構

物理層（PhysicalLayer）

物理層是OSI分層結構體系中最重要、最基礎的一層，它建立在傳輸媒介基礎上，實現設備之間的物理接口。物理層之接收和發送一串比特流，不考慮信息的意義和信息結構。

物理層包括對連接到網絡上的設備描述其各種機械的、電氣的、功能的規定。具體地講，機械特性規定了網絡連接時所需接插件的規格尺寸、引腳數量和排列情況等；

電氣特性規定了在物理連接上傳輸bit流時線路上信号電平的大小、阻抗匹配、傳輸速率距離限制等；

功能特性是指對各個信号先分配确切的信号含義，即定義了DTE（數據終端設備）和DCE（數據通信設備）之間各個線路的功能；

過程特性定義了利用信号線進行bit流傳輸的一組操作規程，是指在物理連接的建立、維護、交換信息時，DTE和DCE雙方在各電路上的動作系列。物理層的數據單位是位。

屬于物理層定義的典型規範代表包括：EIA/TIARS-232、EIA/TIARS-449、V。35、RJ-45等。

物理層的主要功能：

為數據端設備提供傳送數據的通路，數據通路可以是一個物理媒體，也可以是多個物理媒體連接而成。一次完整的數據傳輸，包括激活物理連接，傳送數據，終止物理連接。所謂激活，就是不管有多少物理媒體參與，都要在通信的兩個數據終端設備間連接起來，形成一條通路。

傳輸數據。物理層要形成适合數據傳輸需要的實體，為數據傳送服務。一、保證數據按位傳輸的正确性；二、向數據鍊路層提供一個透明的位傳輸；三、提供足夠的帶寬(帶寬是指每秒鐘内能通過的比特(BIT)數)，以減少信道上的擁塞。傳輸數據的方式能滿足點到點，一點到多點，串行或并行，半雙工或全雙工，同步或異步傳輸的需要。

完成物理層的一些管理工作，如在數據終端設備、數據通信和交換設備等設備之間完成對數據鍊路的建立、保持和拆除操作。

物理層的主要設備：中繼器、集線器。

數據鍊路層（DataLinkLayer）

在物理層提供比特流服務的基礎上，建立相鄰結點之間的數據鍊路，通過差錯控制提供數據幀（Frame）在信道上無差錯的傳輸，同時為其上面的網絡層提供有效的服務。

數據鍊路層在不可靠的物理介質上提供可靠的傳輸。該層的作用包括：物理地址尋址、數據的成幀、流量控制、數據的檢錯、重發等。

在這一層，數據的單位稱為幀（frame）。

數據鍊路層協議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。

鍊路層的主要功能：

鍊路層的功能是實現系統實體間二進制信息塊的正确傳輸。為網絡層提供可靠無錯誤的數據信息。在數據鍊路中解決信息模式、操作模式、差錯控制、流量控制、信息交換過程和通信控制規程的問題。

鍊路層是為網絡層提供數據傳送服務的，這種服務要依靠本層具備的功能來實現。鍊路層應具備如下功能：

鍊路連接的建立，拆除，分離。

幀定界和幀同步。鍊路層的數據傳輸單元是幀，協議不同，幀的長短和界面也有差别，但無論如何必須對幀進行定界。

順序控制，指對幀的收發順序的控制。

差錯檢測和恢複。還有鍊路标識，流量控制等等。差錯檢測多用方陣碼校驗和循環碼校驗來檢測信道上數據的誤碼，而幀丢失等用序号檢測。各種錯誤的恢複則常靠反饋重發技術來完成。

數據鍊路層主要設備：二層交換機、網橋

網絡層（Networklayer）

網絡層也稱通信子網層，是高層協議之間的界面層，用于控制通信子網的操作，是通信子網與資源子網的接口。在計算機網絡中進行通信的兩個計算機之間可能會經過很多個數據鍊路，也可能還要經過很多通信子網。網絡層的任務就是選擇合适的網間路由和交換結點，确保數據及時傳送。網絡層将解封裝數據鍊路層收到的幀，提取數據包，包中封裝有網絡層包頭，其中含有邏輯地址信息——源站點和目的站點地址的網絡地址。

如果你在談論一個IP地址，那麼你是在處理第3層的問題，這是“數據包”問題，而不是第2層的“幀”。IP是第3層問題的一部分，此外還有一些路由協議和地址解析協議（ARP）。有關路由的一切事情都在第3層處理。地址解析和路由是3層的重要目的。網絡層還可以實現擁塞控制、網際互連、信息包順序控制及網絡記脹等功能。

在網絡層交換的數據單元的單位稱為數據包（packet）。

網絡層協議的代表包括：IP、IPX、OSPF等。

網絡層主要功能:

網絡層為建立網絡連接和為上層提供服務，應具備以下主要功能：路由選擇和中繼；激活，終止網絡連接；在一條數據鍊路上複用多條網絡連接，多采取分時複用技術；差錯檢測與恢複；排序，流量控制；服務選擇；網絡管理；網絡層标準簡介。

網絡層主要設備：路由器

傳輸層（Transportlayer）

傳輸層建立在網絡層和會話層之間，實質上它是網絡體系結構中高低層之間銜接的一個接口層。傳輸層不僅是一個單獨的結構層，它還是整個分層體系協議的核心，沒有傳輸層整個分層協議就沒有意義。

傳輸層的數據單元稱為數據段（segment）這個層負責獲取全部信息，因此，它必須跟蹤數據單元碎片、亂序到達的數據包和其它在傳輸過程中可能發生的危險。傳輸層獲得下層提供的服務包括：發送和接收正确的數據塊分組序列，并用其構成傳輸層數據；獲得網絡層地址，包括虛拟信道和邏輯信道。

傳輸層向上層提供的服務包括：無差錯的有序的報文收發；提供傳輸連接；進行流量控制。傳輸層為上層提供端到端（最終用戶到最終用戶）的透明的、可靠的數據傳輸服務，所謂透明的傳輸是指在通信過程中傳輸層對上層屏蔽了通信傳輸系統的具體細節。

傳輸層協議的代表包括：TCP、UDP、SPX等。

傳輸層的主要功能：

傳輸層的功能是從會話層接收數據，根據需要把數據切成較小的數據片，并把數據傳送給網絡層，确保數據片正确到達網絡層，從而實現兩層數據的透明傳送。

傳輸層是兩台計算機經過網絡進行數據通信時，第一個端到端的層次，具有緩沖作用。當網絡層服務質量不能滿足要求時，它将服務加以提高，以滿足高層的要求；當網絡層服務質量較好時，它隻用很少的工作。傳輸層還可進行複用，即在一個網絡連接上創建多個邏輯連接。

傳輸層也稱為運輸層。傳輸層隻存在于端開放系統中，是介于低3層通信子網系統和高3層之間的一層，但是很重要的一層。因為它是源端到目的端對數據傳送進行控制從低到高的最後一層。

有一個既存事實，即世界上各種通信子網在性能上存在着很大差異。例如電話交換網、分組交換網、公用數據交換網、局域網等通信子網都可互連，但它們提供的吞吐量、傳輸速率、數據延遲通信費用各不相同。對于會話層來說，卻要求有一性能恒定的界面。傳輸層就承擔了這一功能。它采用分流/合流、複用/介複用技術來調節上述通信子網的差異，使會話層感受不到。

此外傳輸層還要具備差錯恢複、流量控制等功能，以此對會話層屏蔽通信子網在這些方面的細節與差異。傳輸層面對的數據對象已不是網絡地址和主機地址，而是和會話層的界面端口。上述功能的最終目的是為會話提供可靠的、無誤的數據傳輸。傳輸層的服務一般要經曆傳輸連接建立階段、數據傳送階段、傳輸連接釋放階段3個階段才算完成一個完整的服務過程。而在數據傳送階段又分為一般數據傳送和加速數據傳送兩種。傳輸層服務分成5種類型。基本可以滿足對傳送質量、傳送速度、傳送費用的各種不同需要。

會話層（Sessionlayer）

這一層也可以稱為會晤層或對話層，在會話層及以上的高層次中，數據傳送的單位不再另外命名，統稱為報文。會話層不參與具體的傳輸，它提供包括訪問驗證和會話管理在内的建立和維護應用之間通信的機制。如服務器驗證用戶登錄便是由會話層完成的。

會話層提供的服務可使應用建立和維持會話，并能使會話獲得同步。會話層使用校驗點可使通信會話在通信失效時從校驗點繼續恢複通信。這種能力對于傳送大的文件極為重要。會話層、表示層、應用層構成開放系統的高3層，面對應用進程提供分布處理，對話管理，信息表示，恢複最後的差錯等。

會話層同樣要擔負應用進程服務要求，而運輸層不能完成的那部分工作，給運輸層功能差距以彌補。主要的功能是對話管理，數據流同步和重新同步。要完成這些功能，需要由大量的服務單元功能組合，已經制定的功能單元已有幾十種。

會話層的主要功能：會話層連接到傳輸層的映射；會話連接的流量控制；數據傳輸；會話連接恢複與釋放；會話連接管理、差錯控制。

為會話實體間建立連接、為給兩個對等會話服務用戶建立一個會話連接，應該做如下幾項工作：

将會話地址映射為運輸地址；選擇需要的運輸服務質量參數(QOS)；對會話參數進行協商；識别各個會話連接；傳送有限的透明用戶數據；數據傳輸階段。

這個階段是在兩個會話用戶之間實現有組織的，同步的數據傳輸。用戶數據單元為SSDU，而協議數據單元為SPDU。會話用戶之間的數據傳送過程是将SSDU轉變成SPDU進行的。

連接釋放

連接釋放是通過"有序釋放"、"廢棄"、"有限量透明用戶數據傳送"等功能單元來釋放會話連接的。會話層标準為了使會話連接建立階段能進行功能協商，也為了便于其它國際标準參考和引用，定義了12種功能單元。各個系統可根據自身情況和需要，以核心功能服務單元為基礎，選配其他功能單元組成合理的會話服務子集。會話層的主要标準有"DIS8236:會話服務定義"和"DIS8237:會話協議規範"。

表示層（Presentationlayer）

表示層對向上對應層服務，向下接收來自會話層的服務。表示層是為在應用過程之間傳送的信息提供表示方法的服務，它關心的隻是發出信息的語法與語義。表示層要完成某些特定的功能，主要有不同數據編碼格式的轉換，提供數據壓縮、解壓縮服務，對數據進行加密、解密。例如圖像格式的顯示，就是由位于表示層的協議來支持。

表示層為應用層提供服務包括語法選擇、語法轉換等。語法選擇是提供一種初始語法和以後修改這種選擇的手段。語法轉換涉及代碼轉換和字符集的轉換、數據格式的修改以及對數據結構操作的适配。

應用層（Applicationlayer）

網絡應用層是通信用戶之間的窗口，為用戶提供網絡管理、文件傳輸、事務處理等服務。其中包含了若幹個獨立的、用戶通用的服務協議模塊。網絡應用層是OSI的最高層，為網絡用戶之間的通信提供專用的程序。

應用層的内容主要取決于用戶的各自需要，這一層設計的主要問題是分布數據庫、分布計算技術、網絡操作系統和分布操作系統、遠程文件傳輸、電子郵件、終端電話及遠程作業登錄與控制等。至2011年應用層在國際上沒有完整的标準，是一個範圍很廣的研究領域。在OSI的7個層次中，應用層是最複雜的，所包含的應用層協議也最多，有些還在研究和開發之中。

應用層為操作系統或網絡應用程序提供訪問網絡服務的接口。

應用層協議的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP、DNS等。

通過OSI層，信息可以從一台計算機的軟件應用程序傳輸到另一台的應用程序上。例如，計算機A上的應用程序要将信息發送到計算 B的應用程序，則計算機A中的應用程序需要将信息先發送到其應用層（第七層），然後此層将信息發送到表示層（第六層），表示層将數據轉送到會話層（第五層），如此繼續，直至物理層（第一層）。

在物理層，數據被放置在物理網絡媒介中并被發送至計算機B。計算機B的物理層接收來自物理媒介的數據，然後将信息向上發送至數據鍊路層（第二層），數據鍊路層再轉送給網絡層，依次繼續直到信息到達計算機B的應用層。最後，計算機B的應用層再将信息傳送給應用程序接收端，從而完成通信過程。

OSI的七層運用各種各樣的控制信息來和其他計算機系統的對應層進行通信。這些控制信息包含特殊的請求和說明，它們在對應的OSI層間進行交換。每一層數據的頭和尾是兩個攜帶控制信息的基本形式。

對于從上一層傳送下來的數據，附加在前面的控制信息稱為頭，附加在後面的控制信息稱為尾。然而，在對來自上一層數據增加協議頭和協議尾，對一個OSI層來說并不是必需的。

當數據在各層間傳送時，每一層都可以在數據上增加頭和尾，而這些數據已經包含了上一層增加的頭和尾。協議頭包含了有關層與層間的通信信息。頭、尾以及數據是相關聯的概念，它們取決于分析信息單元的協議層。例如，傳輸層頭包含了隻有傳輸層可以看到的信息，傳輸層下面的其他層隻将此頭作為數據的一部分傳遞。

對于網絡層，一個信息單元由第三層的頭和數據組成。對于數據鍊路層，經網絡層向下傳遞的所有信息即第三層頭和數據都被看作是數據。換句話說，在給定的某一OSI層，信息單元的數據部分包含來自于所有上層的頭和尾以及數據，這稱之為封裝。

例如，如果計算機A要将應用程序中的某數據發送至計算機B，數據首先傳送至應用層。計算機A的應用層通過在數據上添加協議頭來和計算機B的應用層通信。所形成的信息單元包含協議頭、數據、可能還有協議尾，被發送至表示層，表示層再添加為計算機B的表示層所理解的控制信息的協議頭。信息單元的大小随着每一層協議頭和協議尾的添加而增加，這些協議頭和協議尾包含了計算機B的對應層要使用的控制信息。在物理層，整個信息單元通過網絡介質傳輸。

計算機B中的物理層收到信息單元并将其傳送至數據鍊路層；然後 B 中的數據鍊路層讀取計算機A的數據鍊路層添加的協議頭中的控制信息；然後去除協議頭和協議尾，剩餘部分被傳送至網絡層。每一層執行相同的動作：從對應層讀取協議頭和協議尾，并去除，再将剩餘信息發送至上一層。應用層執行完這些動作後，數據就被傳送至計算機B中的應用程序，這些數據和計算機A的應用程序所發送的完全相同。

一個OSI層與另一層之間的通信是利用第二層提供的服務完成的。相鄰層提供的服務幫助一OSI層與另一計算機系統的對應層進行通信。一個OSI模型的特定層通常是與另外三個OSI層聯系：與之直接相鄰的上一層和下一層，還有目标聯網計算機系統的對應層。例如，計算機A的數據鍊路層應與其網絡層，物理層以及計算機 B 的數據鍊路層進行通信。