网络体系结构：IEEE802模型和ISO标准对比分析

1.IEEE802.1参考模型

自1980年以来，许多国家和国际标准化机构都在积极进行局域网的标准化工作，其中最有影响力的是IEEE制定的局域网的802标准，包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环等，它被ANSI接受为美国国家标准，被ISO作为国际标准（称为ISO8802标准）。这些标准在物理层和MAC子层上有所不同，但在数据链路层上是兼容的。

IEEE802的LAN标准遵循OSI参考模型的分层原则，描述最低两层——物理层和数据链路层的功能以及与网络层的接口服务，其中数据链路层又分成介质访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC）。

IEEE802参考模型及其与OSI参考模型对比关系如图7-6所示。

IEEE802.1标准规定局域网的低三层的功能如下。

（1）物理层

与OSI/RM的物理层相对应，但所采用的具体协议标准的内容直接与传输介质有关。

（2）介质访问控制层

MAC层具体管理通信实体接入信道而建立数据链路的控制过程。

（3）逻辑链路控制层

LLC层提供一个或多个服务访问点，以复用的形式建立多点——多点之间的数据通信连接，并包括寻址、差错控制、顺序控制和流量控制等功能。这些功能基本上与HDLC规程一致。此外，在LLC层还提供本属于OSI/RM中网络层提供的两项服务，即无连接的数据报服务和面向连接的虚电路服务。

由图7-6可见，MAC层和LLC层合并在一起，近似等效于OSI参考模型中的数据链路层。LLC层协议与局域网的拓扑形式和传输介质的类型无关，它对各种不同类型的局域网都是适用的。然而，MAC层协议却与网络的拓扑形式及传输介质的类型直接相关，其主要作用是介质访问控制和对信道资源的分配。例如，总线型局域网主要采用竞争式的随机访问控制协议，最典型的是CSMA/CD，还有令牌总线、令牌环等标准。

图7-6 IEEE802参考模型及其与OSI参考模型对比关系

2.OSI标准各层

（1）物理层

物理层是OSI模型的最低层，它向下直接与传输介质相连接，向上相邻且服务于数据链路层。它的作用是在数据链路层实体之间提供必需的物理连接，按顺序传输数据比特，并进行差错检查。在发现错误时，向数据链路层提交报告。物理层重点考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特流，而不是连接计算机的具体的物理设备或具体的传输介质。

具体来说，物理层协议要解决的是主机、工作站等数据终端设备与通信线路上通信设备之间的接口问题。按照国际标准化组织（ISO）的术语，将这两种设备分别称为DTE和DCE。

DTE（Data Terminal Equipment）又称数据终端设备，指数据输入、输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控制器。DCE（Data Circuit-Terminating Equipment）又称数据电路端接设备，指自动呼叫设备、调制解调器（Modem）以及其他一些中间装置的集合。DTE的基本功能是产生、处理数据；DCE的基本功能是沿传输介质发送和接收数据。物理层信号线如图7-7所示。

物理层具有以下4个基本特性。

1）机械特性：机械特性规定了DTE与DCE实际的物理连接。DTE和DCE作为两种分立设备，通常采用接插件实现机械上的互连。机械特性详细说明了接插件的形状和尺寸、插头的数目、排列方式以及插头和插座的尺寸、电缆的长度以及所含导线的数目等。这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定。ISO物理层的机械特性的标准有ISO 2110、ISO 2593、ISO 4092和ISO 4093。

图7-7 物理层信号线

2）电气特性：电气特性规定了数据交换信号以及有关电路的特性。一般包括最大数据传输率的说明、表示信号状态（逻辑电平，通/断，传号/空号）的电压和电流的识别，即什么样的电压表示1或0，以及电路特性的说明和与互联线路相关的规定。ISO物理层采用的电气特性的标准有CCITT V.10/X.26、CCITT V.11/X.27、CCITT V.28和CCITT V.35。

3）功能特性：说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。即每一条线的功能分配和确切定义。ISO物理层采用的功能特性标准有CCITT V.24和CCITT X.24。通常信号线可分为数据线、控制线、同步线和地线。

4）规程特性：即通信协议，说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。即各信号线的工作规则和先后顺序。ISO物理层采用的规程特性标准有CCITT X.20/21/22和CCITT V.24/25。

（2）数据链路层

链路就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换节点。

数据链路则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传输数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

物理层以比特为单位进行数据传输，数据链路层以帧为单位进行数据传输。

帧是具有一定长度和格式的信息块，一般由一些字段和标志组成。不同网络其帧格式或长度可以不同，但将比特流分成帧的方法基本相同。四种常用的方法为：字符计数法；带填充字符的首尾界符法；带填充比特的首尾标志法；物理层编码违例法。

把比特流分成帧，标定帧的起始和结束，以利于进行差错控制。在数据链路层，数据的传送单位是帧。数据一帧一帧地传送，就可以在出现差错时，将有差错的帧重传一次，而避免将所有数据重传，从而实现差错控制。

数据链路层协议有时也称为通信控制规程。它是为了实现传输控制所制定的一些规格和顺序。通用性比较强的计算机网络通信规程主要有美国国家标准协会（ANSI）提出的高级数据通信控制规程ADCCP；国际标准化组织（ISO）推荐的高级数据链路控制规程HDLC；国际电报电话咨询委员会（CCITT）发表的X.25建议书。

通信控制规程归纳起来可分为面向字符型和面向比特型。

所谓面向字符就是在链路上所传送的数据必须是由规定字符集（例如ASCII）中的字符所组成。在链路上传送的控制信息也必须由同一个字符集中的若干指定的控制字符构成。最典型的面向字符的协议是IBM的BSC协议（二进制同步通信）。

在面向比特型的通信控制规程中，报文的数据和控制信息完全独立，具有良好的透明性；差错检验一般采用纠错码方式，可靠性强；在链路上可进行信息连接和双向发送，传输效率高；信息传输都统一以帧为单位，控制简单。

（3）网络层

网络层是OSI参考模型中的第三层，它建立在数据链路层所提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能之上，将数据从源端经过若干中间节点传送到目的端。从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务。网络层是处理端到端数据传输的最底层，体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式。(www.xing528.com)

网络层主要完成以下几方面的功能。

1）路由控制：利用网络拓扑结构等网络状态，选择分组传送路径。这是网络层的主要功能。在大多数子网中，分组的整个过程需要经过多次转发。无线广播网络是唯一的例外。

2）拥塞控制：控制和预防网络中出现过多的分组。当到达通信子网中某一部分的分组数高于一定的阈值，使得该部分网络来不及处理这些分组时，就会使这部分以至整个网络的性能下降。这种情况称为拥塞。网络拥塞带来的影响如图7-8所示。

3）透明传输：透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧出现了与某一个控制信息完全一样时，必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输的透明。

图7-8 网络拥塞带来的影响

4）异种网络的互联：解决不同网络在寻址、分组大小、协议等方面的差异。不同类型的网络对分组大小、分组结构等的要求都不相同，因此要求在不同种类的网络交界处的路由器能够对分组进行处理，使得分组能够在不同网络上传输。

5）分组生成和装配：传输层报文与网络层分组间的相互转换。传输层报文通常很长，不适合直接在分组交换网络中传输。在发送端，网络层负责将传输层报文拆成一个个分组，再进行传输。在接收端，网络层负责将分组组装成报文交给运输层处理。

（4）传输层

传输层是利用网络层的服务和传输实体的功能，向会话层提供服务。传输层是整个协议层次结构的核心。其任务是为从源端机到目的机提供可靠的、价格合理的数据传输，而与当前网络或使用的网络无关。如果没有传输层，整个分层协议的概念也就没有什么意义了。传输层地位关系图如图7-9所示。

传输层处于OSI模型的上3层与下3层之间，提供进程间端到端的、透明的、可靠的数据传送。网络层提供系统间的数据传送，而传输层提供进程间的数据传送。

OSI模型中上3层的功能为信息传送，了解数据含义，进程间通信；下3层的功能为数据传送，不关心数据含义以及系统间通信。

传输层可视为低层的一部分，可弥补高层（上3层）要求与网络层（基于下3层）数据传送服务质量间的差异（差错率、差错恢复能力、吞吐率、延时、费用等），对高层屏蔽网络层的服务的差异，提供稳定和一致的界面，其抽象模型如图7-10所示。

（5）会话层

会话层位于OSI参考模型的第五层，它是面向信息处理的OSI高层和面向数据通信的OSI低层的接口。会话协议的最主要的目的是提供一个面向用户的连接服务，会话层给用户间的对话和活动提供组织和同步所必需的手段，对数据传送提供控制和管理。虽然传输层能负责端到端的可靠通信服务，但仍不能满足许多应用的需求，会话层的设立可以做到为传输层“增值”的功能，以便提供一个面向应用的完善的服务。

图7-9 传输层地位关系图

图7-10 传输层抽象模型

具体说来会话层有以下几个功能。

1）会话管理：连接建立、数据传送、连接释放。

2）令牌管理：管理和协商数据传送、同步及对话连接的释放时必需的发送权（即Token），设定半双工及全双工的数据传送模式。

3）同步管理：在连续的数据传送过程中插入同步点，当出错时，可以从双方认为合适的同步点开始重新传送。

4）活动管理：将报文流分成活动（activity）逻辑单元，对用户应用的交互活动过程进行结构化管理，即每一个活动独立于其前、后到达的活动。

5）异常情况的处理：在会话期间报告来自下面网络的异常情况，保证在会话连接释放之前所有的数据单元都被应用进程所接收。

（6）表示层

表示层主要解决的就是信息以什么样的表现形式（数据表现）传送给对方。不关心处理的用户数据有什么样的意义，只考虑用什么样的传送形式传送这一问题，也就是说表示层的功能并不是信息的具体表达，而是处理信息表示中所遇到的问题，考虑如何将不同信息的表达形式转换成公共的信息传送形式。表示层模型如图7-11所示。

OSI模型中，信息的表示涉及语法和语义两个方面。

1）语义：数据的内容与意义，由应用层的各应用协议处理。表示层不关心数据具体的语义，只有应用实体才能知道数据的意义。例如，文件的记录组成、作业的执行方法、终端的画面控制等与意义内容有关的方面。

2）语法：数据的表示形式，由表示层处理。它解决异种计算机系统之间的信息表示形式的差异。例如，文字、图形、声音的表示，数据压缩、数据加密等与表示形式有关的方面。语义和语法的关系可以举一个例子来说明：FLOWER，语义上是花的意思，语法上我们将它看成是字符串。

（7）应用层

应用层是OSI/RM中最高的一个功能层，它是开放系统互连环境（OSI环境）与本地系统的操作系统和应用系统直接接口的一个层次。在功能上，应用层为本地系统的应用进程（AP）访问OSI环境提供手段，也是唯一直接给应用进程提供各种应用服务的层次。根据分层原则，应用层向应用进程提供的服务是OSI的所有层直接或间接提供服务的总和。

图7-11 表示层模型

计算机通信网的最终目的是为用户提供一些特定的服务，使得本地系统能与外界系统进行协调合作。为了实现这种协调，应用层一方面为应用进程提供彼此通信的手段，也就是为其创建OSI环境；另一方面，由于各种应用类型的多样性，应用层协议也必定是多种多样的，为了减少应用系统与外界通信的复杂性，在应用层内应配置尽可能多的、公用或专用的应用服务元素（Application Service Element，ASE），提供给应用系统根据需要调用。所谓应用服务元素就是各种应用都需要的功能成分，是应用层的基本构件。

不同的应用协议可以采用相同的低层通信协议，实际上，应用进程之间的通信问题在传输层就已经基本解决了。至于在传输层上增加会话层和表示层这两个层次，是因为OSI的设计者认识到不同类型应用的应用进程在相互通信时表现出许多相似的特征，把这些相似的特征提取出来，分别设立会话层和表示层，这样就可以简化应用进程的设计和实现。