网络通信系统的协议模型介绍

为了保证通信的正常运行，除需具有良好、可靠的通信信道外，还需通信各方遵守共同的协议，才能保证高效、可靠的通信。通信协议一般采用分层设计的方法。对于局域网来说，分层设计非常重要，因为对某层协议的修改不会影响其他层，甚至也不会影响相邻层的工作，各层相互独立，通过接口发生联系。

1979年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型（Open System Intercon-nection/Reference Model，OSI/RM）。该模型规定了7个功能层。每层都使用自己的协议，目的就是使各终端设备、PLC、操作系统各层之间互相交换信息的过程能逐步实现标准化。凡遵守这一标准的系统可以互相连接使用，而不对相应的信息变换和通信加上任何控制。

网络结构问题不仅涉及信息的传输路径，而且涉及链路的控制。对于一个特定的通信系统，为了实现安全可靠的通信，必须确定信息从源点到终点所要经过的路径，以及实现能通信所要进行的操作。在计算机通信网络中，对数据传输过程中进行管理的规则称为协议。

对于一个计算机通信网络来说，连接到网络上的设备是各种各样的，这就需要建立一系列有关信息传递的控制、管理和转换的手段和方法，并要遵守彼此公认的一些规则，这就是网络协议的概念，这些协议是有层次的。为了实现网络的标准化，ISO提出了开放系统互连参考模型（ISO/OSI/RM）。

1.OSI/RM

网络开放系统或OSI/RM是一个抽象的概念，在OSI/RM中，采用了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象层次，如图9-63所示。ODI体系结构也就是OSI参考模型，是网络系统在功能和概念上的抽象，是协调各层标准制定的概念性框架；OSI服务定义了每一层提供的服务，某一层的服务是指该层及其以下各层提供给上一层的服务，层间的服务通过定义好的层间抽象接口完成，交换时使用服务术语，各种服务不考虑服务的具体实现；OSI协议规范说明控制信息的内容。

图9-63 OSI/RM的三个抽象层次

2.模型层次划分的原则

在层次的划分上，既不能太多，也不能太少。层次太多会造成整个系统结构的繁冗；层次太少又会使不同的功能集中在一个层内，不便于层次的描述，造成层次不清。一般将同一类型的功能群抽象到一个层次，层次间的信息交换量尽量减小。OSI/RM中整个网络分为七层，在层次划分中，还具有下列特点：

1）网络各节点都有相同的层次，相同层次具有同样的功能；

2）同一节点内相邻层次间通过接口通信；

3）每层使用下层提供的服务，并向上层提供服务；

4）不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。

3.OSI/RM的结构

自下而上，ISO OSI/RM的七层依次为：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（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）和应用层（Application Layer），如图9-64所示。

层次越靠上，其与信息处理的关系越密切，层次越靠下，其与通信的关系越密切。资源子网的节点（端节点）具有七层的全部功能，通信子网中节点（交换节点）可以简化为只有下面的三层。两个端节点通信时，上层使用下层提供的服务，同一层次通过对应的协议通信，所以同一层次通信时，并不关心下层的具体实现，就好像其下层不存在一样，这就是网络通信中“透明”的概念。

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图9-64 OSI/RM分层结构

4.OSI/RM各层的结构及作用

（1）物理层

物理层在信道上传送未经处理的信息，该层协议涉及通信双方的机械、电气和连接规程。如接插件型号，每根线的定义，“1”、“0”电平规定，位脉宽，传送方向规定，以及通信介质、传输介质等、如何进行建立初始连接，如何拆除连接等。前面介绍的RS-232、RS-422、RS-485等均为物理层协议。

（2）数据链路层

通信链路是许多节点共享的。数据链路层的任务是将可能有差错的物理链路，改造成对于网络层来说是无差错传送线路。它把输入的数据组成数据帧，并在接收端检验传送的正确性。若正确，则发送确认信息；若不正确，则抛弃该帧，等待发送端超时重发。帧上链路层传输信息的基本单位由若干个字节组成，除了信息本身之外，还包括表示帧开始与结束的标志段、地址段、控制段及校验段等。

（3）网络层

网络层也称为分组层，在一个通信网络中，两个节点之间可能存在多条通信路径。它的任务是使网络中传送分组。它规定了分组在网络中是如何传送的。网络层控制网络上信息的切换和路由的选择，因此本层要为数据从源点到终点建立物理和逻辑的连接。如果通信系统中只有一个网络组成，节点之间只有唯一的一条路径，那么就不需要这层协议。

（4）传输层

传输层的基本功能是从会话层接收数据，把它传到网络层，并保证这些数据正确地到达目的地。该层控制端到端数据的完整性，确保高质量的网络服务，起到网络层和会话层之间接口作用。其中，包括信息的确认、误码的检测、信息的重发、信息的优先级调度等。

（5）会话层

它控制一个通信会话进程的建立和结束。该层检查并确定一个正常的通信是否会发生。如果没有发生，该层必须在不丢失数据的情况下，恢复会话，或根据在会话不能正常发生的情况下终止会话。

（6）表示层

实现不同信息格式和编码之间的转换。常用的转换方式有正文压缩，例如：将常用的词用缩写字母或特殊数字编码，消去重复的字符和空白等，提供加密、解密，不同计算机之间文件格式的转换，不相容终端输入、输出格式的转换等。

（7）应用层

应用层的内容，要根据对系统的不同要求而定。严格地说，这一层不是通信协议结构中的内容，它的作用是召唤低层协议为其服务。它规定了在不同情况下，所允许的报文集合和对每个报文所采取的动作。这一层负责与其他高级功能通信，如分布式数据库和文件传送。