OSI参考模型层功能概述

1.物理层（Physical Layer）

在OSI 参考模型中，物理层（Physical Layer）是参考模型的最底层，也是OSI 模型的第一层。物理层的主要功能是利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。

物理层的作用是实现相邻计算机结点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。需要注意的是，物理层并不是指连接计算机的具体物理设备或传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等，而是要使其上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输介质是什么。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，对传送的比特流来说，这个电路好像是看不见的，当然，物理层并不需要知道哪几个比特代表什么意思。

物理层协议是网络物理设备之间的接口，目的是在通信设备DTE/DCE 之间提供透明的二进制位流传输。这里的物理设备是指两个彼此相邻通信的设备，按ISO 及CCITT 的术语分别称为数据终端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE）。所谓DTE 是指用户端任何产生传输用的数据设备如CRT、PC 机、工作站、计算机等。所谓DCE 是指在数据传输的两端负责通信的设备，它负责建立、维护和拆除物理连接，并在传输介质和DTE 间进行信号转换和编码，故也常称作数据通信设备。该层设计涉及信号电平、信号宽度、传送方式（半双工或全双工）、线路连接的建立和拆除，接插件引脚的规格和作用等问题。总的说来，物理层提供建立、维护和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性。

2.数据链路层（Data Link Layer）

数据链路层（Data Link Layer）是OSI 模型中极其重要的一层，为网络层提供服务，它的主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传输。数据链路层向网络层提供的功能有：为网络层提供设计良好的服务接口，如何将物理层的位组成帧，如何进行差错处理以及如何进行流量控制等。

1）成帧

为了向网络层提供服务，数据链路层必须使用物理层提供给它的服务。物理层的工作是进行原始位流传输，不能保证位流无差错。数据链路层为保证数据的可靠传输，将数据组装成帧，按顺序传送各帧。

帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始（未加工）数据，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息，地址信息确定帧将发送到何处，纠错和控制信息确保帧无差错到达。数据链路层把来自物理层的位流形式的数据组装成帧，发送到上层（网络层）；同时，把来自上层（网络层）的帧，拆分为位组，转发到物理层。把位流分成帧，常用的方法有以下几种：

（1）字符计数法。

（2）带字符填充的首尾界符法。

（3）带位填充的首尾标志法。

（4）物理层编码违例法。

关于位流分成帧，很多数据链路层协议通过把字符计数法与其他方法相结合来提高可靠性。

2）差错处理

数据链路层为了保证数据的可靠传输，必须提供差错控制功能。常采用的方法包括以下几种：

（1）数据接收方向数据发送方提供反馈信息，协议要求接收方发回特殊的控制帧，作为数据接收肯定或否定的确认。如果发送方收到肯定确认，则知道发送正确，不需要重传，如果接收到否定确认，表示发送出了差错，发送方将相应的帧进行重传。

（2）计时器。当发送方发出一帧时，启动计时器，在一定时间间隔内，如果帧被正确接收并返回确认帧，计时器清零，如果所传出的帧或者确认信息被丢失，计时器发出超时信号，提醒发送方可能出现了问题，将此帧进行重传。为了避免将同一帧多次传送给网络层，通常对发出的帧进行编号，接收方通过序号辨别是重复帧还是新帧。

3）流量控制

数据链路层要解决的另一个问题是如何防止高速发送方的数据把低速接收方“淹没”。当发送方在负载较轻的机器上运行，而接收方在负载较重的机器上运行，容易出现“淹没”现象。解决办法是提供流量控制来限制发送方所发出的数据流量，使其发送速率不要超过接收方能处理的速率，其中一种流量控制机制称为“滑动窗口协议”。

3.网络层（Network Layer）

数据链路层协议只能解决相邻节点间的数据传输问题，而不能解决两个主机之间的数据传输问题，因为两个主机之间的通信通常要包括许多段链路，涉及链路选择、流量控制等问题。当通信的双方经过两个或更多的网络时，还存在网络互联问题。网络互联也是网络层要研究的问题。

网络层（Network Laver）是通信子网与用户资源子网之间的接口，也是高、低层协议之间的界面层。它涉及的是将本地端发出的分组经各种途径送到目的端，而从本地端至目的端可以经过许多中间节点，所以网络层是控制通信子网、处理端对端数据传输的最底层。网络层的主要功能是路由选择、流量控制、传输确认、中断、差错及故障的恢复等。当本地端与目的端不处于同一网络中时，网络层将处理这些差异。

1）网络层的主要功能

网络层的主要功能是支持网络连接的实现，包括对点到点结构的网络连接，由具有不同特性的子网所支持的网络连接等。网络层的具体功能如下：

（1）建立和拆除网络连接。指利用数据链路层提供的数据链路连接，构成两个传输实体间的网络连接，网络连接可有若干个通信子网所支持的网络连接等。

（2）分段和组块。为了提高传输效率，当数据单元太长时，可对它们进行分段，也可将几个较短的数据单元组成块后一起传输。无论哪种情况，都必须保留网络服务数据单元的分界符。

（3）有序传输和流量控制。当传输实体需要有序传输网络服务数据单元时，网络层将在指定的网络连接上用有序传送的方法来实现。利用网络层提供的流量控制服务可对网络连接上传输的网络服务数据单元进行有效控制，以免发生信息“堵塞”或“拥挤”现象。

（4）路由选择和中继。本功能是在两个网络地址之间选择一条适当的路由。

（5）差错的检测和恢复。差错检测利用数据链路层的差错报告，以及其他的差错检测能力来检测经网络连接所传输的数据单元是否出现异常情况。恢复功能指从被检测到的出错状态中解脱出来。

2）网络层提供的服务

OSI 参考模型中规定，网络层中提供无连接和面向连接两种类型的服务，也称为数据报服务和虚电路服务。

（1）数据报服务。多用于传输短报文的情况，一个或几个报文分组足以容纳所传送的数据信息。每个分组称为一个数据报，数据报服务类似于寄信或发电报，每封信或每个电报都可以单独发送给对方。每个数据报携带有足够的信息，可以从源端送到目的端。经过中间节点时，要进行存储转发，在整个传输过程中，不必建立连接，但在中间节点要为每个数据报做路由选择。如果数据报在传输过程中出错或丢失，网络将向源端发出一个“未发送成功指示”，通知源端重发。

（2）虚电路服务。虚电路是在数据依次传送开始前，由发送方和接收方通过呼叫与确认的过程建立起来的。与实际的电路交换不同，虚电路是一种非专用的逻辑连接，是动态的，而电路交换则采用专用路由。(www.xing528.com)

虚电路服务在传送数据时，发送方首先提供自己和接收方完整的网络地址，建立虚电路，然后按顺序传送报文分组，通信完成后拆除虚电路。虚电路一经建立就要赋予虚电路号，它反映分组的传送通道。这样报文分组中就不必再注明全程地址，相应地缩短了信息量。

4.传输层（Transport Layer）

传输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁，它完成了资源子网中两节点间的直接逻辑通信，实现了通信子网端到端的可靠传输。传输层下面的物理层、数据链路层和网络层均属于通信子网，可完成有关的通信处理，向传输层提供网络服务；传输层上面的会话层、表示层和应用层完成面向数据处理的功能，并为用户提供与网络之间的接口。因此，传输层在7层网络模型中起到承上启下的作用，是整个网络体系结构中的关键部分，是唯一负责总体数据传输和控制的一层。传输层的两个主要功能是：

（1）提供可靠的端到端的通信。

（2）向会话层提供独立于网络的运输服务。

由于通信子网向传输层提供通信服务的可靠性有差异，所以无论通信子网提供的服务可靠性如何，经传输层处理后都应向上层提交可靠的、透明的数据传输。为此，传输层协议要复杂得多，以适应通信子网中存在的各种问题。也就是说，如果通信子网的功能完善、可靠性高，则传输层的任务就比较简单；若通信子网提供的质量很差，则传输层的任务就会复杂，以弥补会话层所要求的服务质量和网络层所能提供的服务质量之间的差别。传输层涉及以下几个概念。

（1）传输服务。传输服务包括的内容有：服务的类型、服务的等级、数据的传输、用户的接口、连接管理、快速数据传输、状态报告、安全保密等。

（2）服务质量。服务质量（Quality of Service，QoS）是指在传输两节点之间看到的某些传输连接的特征，是传输层性能的度量，反映了传输质量及服务的可用性。

服务质量可用一些参数来描述，如连接建立延迟、连接建立失败、吞吐量、输送延迟、残留差错率、连接拆除延迟、连接拆除失败概率、传输失败率等。

（3）传输层协议等级。传输层的功能是要弥补从网络层获得的服务和向传输服务用户提供的服务之间的差距，它所关心的是提高服务质量，包括优化成本。

传输层的功能按级别划分，可以分为5 个协议级别：级别0（简单级）、级别1（基本差错恢复级）、级别2（多路复用级）、级别3（差错恢复和多路复用级）和级别4（差错检测和恢复级）。服务质量划分得较高的网络，仅需要较简单的协议级别；反之，服务质量划分得较低的网络，需要较复杂的协议级别。

（4）传输服务原语。服务在形式上是一组原语（Primitive）的描述。原语被用来统治服务提供者采取某些行动，或报告某同层实体已经采取的行动。在OSI 参考模型中，服务原语划分为四种类型：

① 请求（Request）：用户利用它要求服务提供者提供某些服务，如建立连接或发送数据等。

② 指示（Indication）：服务提供者执行一个请求以后，用指示原语通知收方的用户实体，告知有人想要与之建立连接或发送数据等。

③ 响应（Response）：收到指示原语后，利用响应原语向对方做出反应；例如，同意或不同意建立连接等。

④ 确认（Confirm）：请求对方可以通过接收确认原语来获悉对方是否同意接收请求。

5.会话层（Session Layer）

会话层（Session Layer）的主要功能是在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传送。

在会话层和传输层都提到了连接，那么会话连接和传输连接到底有什么区别呢？会话连接和传输连接之间有三种关系：一对一关系，即一个会话连接对应一个传输连接；一对多关系，一个会话连接对应多个传输连接；多对一关系，多个会话连接对应一个传输连接。

会话过程中，会话层需要决定使用全双工通信还是半双工通信。如果采用全双工通信，则会话层在对话管理中要做的工作就很少；如果采用半双工通信，会话层则通过一个数据令牌来协调会话，保证每次只有一个用户能够传输数据。当会话层建立一个会话时，先让一个用户得到令牌，只有获得令牌的用户才有权进行发送。如果接收方想要发送数据，可以请求获得令牌，由发送方决定何时放弃。一旦得到令牌，接收方就转变为发送方。

在进行大量的数据传输时，例如正在下载一个100 MB 的文件，当下载到95 MB 时，网络断线了，为了解决这个问题，会话层提供了同步服务，通过在数据流中定义检查点（Checkpoint）来把会话分割成明显的会话单元。当网络故障出现时，从最后一个检查点开始重传数据。

常见的会话层协议有：结构化查询语言（SQL）、远程进程呼叫（RPC），X-Windows 系统、Apple Talk 会话协议、数字网络结构会话控制协议（DNA SCP）等。

6.表示层（Presentation Layer）

OSI 模型中，表示层（Presentation Layer）以下的各层主要负责数据在网络中传输时不出错。但数据的传输没有出错，并不代表数据所表示的信息不会出错。表示层专门负责有关网络中计算机信息表示方式的问题。表示层负责在不同的数据格式之间进行转换操作，以实现不同计算机系统间的信息交换。

如图3.5所示，基于ASCII 码的计算机将信息HELLO 的ASCII 编码发送出去。但因为接收方使用 EBCDIC 编码，所以数据必须加以转换。因此，传送的是十六进制字符48454C4C4F，接收到的却是C8C5D3D3D6。

图3.5　两台计算机之间的信息交换

除了编码外，还包括数组、浮点数、记录、图像、声音等多种数据结构，表示层用抽象的方式来定义交换中使用的数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。

表示层还负责数据的加密，以在数据的传输过程中对其进行保护。数据在发送端被加密，在接收端解密，使用加密密钥来对数据进行加密和解密。

表示层负责文件的压缩，通过算法来压缩文件的大小，降低传输费用。例如，假设要传输一个包含n 个字符的文件，采用EBCDIC 编码，那就有8n 个比特位。如果会话层重新定义代码，用0 代表A，1 代表B，以此类推，一直到25 代表Z，那么用5 位（存储0～25 所需要的最少位数）就可以表示一个大写字母。这样一来，实际上可以少传送38%的比特位。

7.应用层

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问题和基本功能。它在OSI/RM 第6 层提供的数据传输和数据表示等各种服务的基础上，为网络用户或应用程序提供完成特定网络服务功能所需要的各种应用协议。

常用的网络服务包括文件服务（FTP）、电子邮件（E-mail）、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联服务、分布式数据库服务及虚拟终端服务等。网络服务由相应的应用协议实现，不同的网络操作系统提供的网络服务在功能、用户界面、实现技术、硬件平台支持及开发应用软件所需的应用程序接口API 等方面均存在较大差异，而采纳的应用协议也各具特色，因此，应用协议的标准化非常重要。