计算机网络中的OSI模型分层原理

在计算机网络中，协议就是通信双方的约定和规则。为简化问题、减少协议设计的复杂性，大多数网络都是按照层次结构化的方式来组织并架构的，因此，OSI参考模型也建议网络系统通信协议采用分层定义的策略。OSI参考模型分层原理中的一些重要概念如下。

1.分层协议特点

经过分层的协议有以下共同的特点。

●每一层都建立在其下层之上。

●享用下层提供的服务。

●为上层提供一定的服务。

●屏蔽所提供服务实现的细节。

2.协议堆栈

要完成一个基本的网络通信任务，仅仅靠一个协议是不够的，常常是多个协议分别承担不同层次功能所需要完成的任务，各层协议互相协作，构成一个整体，这些相互关联的多个协议构成一个“协议堆栈（Protocol Family）”或“协议族（Protocol Suite）”。

3.对等实体间的通信方式

不同系统中的相同层实体叫做对等实体（Peers）。对等实体间的通信必须遵守同层协议，其通信过程如下：数据并不是在两个对等实体间直接传送，而是由发送方实体将数据逐层传递给它的下一层，直至最下层通过物理介质实现实际通信，到达接收方；又由接收方最下层逐层向上传递直至对等实体，完成对等实体间的通信。

4.高层协议与低层协议

如上所述，协议有高低层次之分，低层协议直接描述物理网络上的通信，高层协议描述较复杂、较抽象的功能。通信双方以各自的高层调用自己低层为它提供的服务来完成通信。不仅如此，各部分之间还必须要相互识别要交换的数据格式。OSI的应用层到物理层是一种由抽象到具体、自上而下的单向依赖关系，而从物理层到应用层则是把具体逐渐抽象和完善的过程。

5.协议接口

在OSI的相邻层之间有一个预先定义的界面，称为接口。接口定义了各种操作原语和下层向上层提供的服务。如果网络中每一层都有一个定义明确的功能集合，相邻层之间有一个定义清晰的接口，就能尽量减少必须在相邻层间传递的信息数量。同时，要修改某层的功能也不会影响到其他层。也就是说，只要能向上层提供完全相同的服务集合，改变下层功能的实现方式并不影响上层。

6.OSI数据流

OSI参考模型中的数据流遵从计算机网络层次化体系结构的要求。在OSI模型中，数据流实际上并不在两个同等层（不同网络设备上的对应层）之间直接流动，而是在同一机器上相邻的两层间流动，如第N层向第N+1层流动或第N-1层向第N层流动。用于数据流动的相邻层之间的界面就是上述的协议接口。

数据流在OSI层流动时并不是简单的数据传输。如图2-1所示，假设A端网络设备把数据传输给B端网络设备，其基本的过程如下。

图2-1 OSI模型的数据流

A端用户（进程）数据进入第7层（应用层），装上第7层协议的控制信息后作为第6层数据送给第6层（表示层），在第6层上装上第6层协议控制信息后作为第5层数据送给第5层（会话层），依此进行下去，数据在每一层都附加上该层协议的控制信息后作为数据送给下一层，一直到第1层（最低层，即物理层）后，通过网络传输媒介发送给B端设备。

B端设备接收到数据后，先将有关物理层的第l层的协议控制信息去掉后作为第2层数据（数据链路层）向上送往第2层，第2层又去掉第2层协议控制信息后作为第3层数据向上送往第3层（网络层），依此进行下去，直到去掉第7层协议控制信息后，将原用户数据送给该机器的B端用户（进程）。

从上述的描述可以看出，在OSI的每一层，数据均不含有低层协议控制信息，各层的数据均保持相对独立。从而保证了当低层数据处理的方法发生变化时，只要相邻层之间的接口关系不变，将不会影响相邻层（主要是高一层）的功能的执行或实现。

7.OSI模型分层原则

为了能达到上述OSI模型所要实现的目的，网络设计者不仅依据网络的逻辑功能的需要来划分网络层次，还使每一层的实现有一个定义明确的功能集合，尽量做到相邻层间接口简单清晰。OSI参考模型具体的分层原则如下。

1）着眼于协议的标准化。对模型层次的划分应充分考虑到未来协议建立的标准化，并能包容现有的有关国际标准网络通信与管理协议，以保证网络向着全开放、互兼容和标准化的方向健康发展。

2）有利于优化相邻层次的接口。层次的划分依据的是功能特点，而层次间的通信并不能隔离。因此，要求层次的划分应有利于相邻层之间的接口关系的建立，以保证接口之间的通信量最小。

3）按功能抽象分类层次。对模型层次的划分是以功能为依据的。特别是那些完成相同任务的一组功能，就必须抽象为一个层次上的功能。也就是说，这些功能应单独占用一个层次。

4）层次描述的完整性。所划分模型结构的层次都应有一个明确而完整的定义和适当的表述，从而保证数据流在该层的独立性。

5）层次不能太多。模型结构的层次多，有利于管理和应用。但层次不能太多，以免系统结构繁冗。若层次过多，必然导致不利于系统的开发，也不便对层次描述和整合，综合开销大等问题。

6）层次不能太少。模型结构的层次少，有利于精炼协议。但若层次过少，将迫不得已使完全不同的功能硬凑在一个层次内，从而造成对层次的描述、开发和整合过于复杂，反而使整个系统的结构变得混沌不清。

8.OSI参考模型术语

（1）子系统

如前所述，OSI体系结构是一种分层结构，对每一个开放系统可按七个层次来划分，其中的每个划分叫做一个子系统。每个子系统完成该层所担负任务的一部分，相邻层中的子系统通过层间接口进行通信。

对于任何一个子系统，只和其上邻子系统与下邻子系统交互作用（最高层是应用进程，最底层的下面是传输介质）。各开放系统由于复杂程度不同，所拥有的子系统数不尽相同，但两个正在互相通信的开放系统之间必定使用相同的子系统。(www.xing528.com)

每个子系统内可以包含一个或多个实体。不过实体和子系统并不等同，该子系统所承担的处理任务都是由相应的实体来完成的。

（2）对等通信

对等实体之间的通信是在该层协议控制下进行的，并决定了实现该层功能实体的通信行为：

●如果两个同层实体没有使用相同的协议，它们虽然处于同一层内，但它们之间不能进行通信。

●在同一层中通常有多个协议，分别控制本层实体间进行不同目的的通信。

●两个对等实体并不能“水平地”直接进行通信，而是逐层向下或向上的过程。

（3）服务、连接和中继

1）服务。第N层实体通过完成第N层的功能，向第N+1层提供服务，这种服务被称为第N层服务。接收服务的是上一层实体，即第N+1层实体。一般单独的第N层实体是不能独立地完成向第N+1层提供所请求的服务，都需要或要求其他第N层实体的合作。必须指出的是，并非第N层内执行的所有功能都是服务，只有在高一层（第N+1层）能够看得见的那些功能才是服务。因此，第N+1层实体只能看见第N层服务，而无法看见第N层的协议，第N层协议对第N+1层实体是透明的。

2）连接。为了在两个或多个N+1层实体之间交换信息，需要在第N层利用第N层协议为这些第N+1层实体建立一个互相的联系，这种联系被称之为第N层连接。第N层连接的两端称为第N层连接端点（Connection End Point，CEP）。第N+1层实体只能通过使用第N层所提供的服务进行通信。然而，并不是所有的第N+1层实体都可利用第N层服务直接进行通信，可能需要其他第N+1层实体在它们之间起中继作用，协助转接数据，以实现通信。

3）中继。中继是OSI层中的一个功能，第N层实体利用该层的中继功能，可以把从一个对接第N层实体收到的数据转发到另一个对接的第N层实体中去。公共数据网中的存储转发功能就是这种抽象的中继功能的具体表现。

（4）连接服务方式

在OSI模型中，上下层之间提供的服务存在两种基本方式，即面向连接服务方式和无连接服务方式。

面向连接服务方式是类似于电话系统的服务模式。每一次完整的数据传输都必须经过建立连接、使用连接和释放连接三个过程，类似于使用电话时的拨号、通话、挂断。其特点是收发的数据不仅内容一致，而且顺序一致，并能即时纠错和调整流量。

无连接服务方式是类似于邮政系统的服务模式。数据的传输用分组的方式，每一个数据分组均带有完整的目标地址，各个数据分组在系统中独立传送，从而它们可能经过了不同的路径，所以无法保证数据分组在发送时的顺序。可见，无连接服务不能保证收发数据的顺序一致，但具有纠错和流量控制能力。

在计算机网络中采用的是哪一种连接服务方式呢？在计算机网络系统中具体采用哪一种连接服务方式，是根据数据通信的可靠性要求确定的。当对系统可靠性要求较高时，则要求数据传输中必须有确认和重传机制作保障，而当对系统的可靠性要求不高时，则可不需要确认和重传机制。

因此，在实际的应用中，这两种连接服务方式都有不同程度的删减。多数面向连接的服务都支持确认和重传机制，当要求可靠传输时采用面向连接的服务方式。但由于确认和重传机制将导致额外开销和延迟，当某些应用对可靠性要求不高时，则可选用不支持确认和重传机制的无连接服务。

不过，在计算机网络中，最基本的连接服务是增强的无连接方式。这种无连接服务方式被加入了支持确认和重传的功能，被称之为“无连接带确认服务”。

（5）服务访问点

服务访问点（Service Access Point，SAP）是第N层服务向第N+1层实体提供的某个接口。例如，第N层服务访问点，表示第N层实体和第N+1层实体之间的逻辑接口。

第N+1层实体将通过一个第N层的服务访问点向第N层实体请求第N层服务，并通过该第N层服务访问点与第N层实体交互。为此，要求一个通过第N层服务访问点联系起来的第N层实体和第N+1层实体必须处在同一系统。

（6）服务原语

服务原语（Service Primitive）是OSI模型中相邻层之间建立相互作用并完成服务与被服务的工具与过程。其作用是：第N+1层实体通过使用第N层的服务原语来向第N层实体要求第N层服务。在OSI模型中，服务原语一共被划分成了如下四类。

1）请求（Request）：服务调用者请求服务提供者提供某种服务。

2）指示（Indication）：服务提供者告知服务调用者某事件发生。

3）响应（Response）：服务调用者告知服务提供者响应。

4）确认（Confirm）：服务提供者告知服务调用者关于它的请求的答复。

（7）数据单元

在不同的OSI层次接口中，数据传输的最小单位称为数据单元。在OSI中一共定义了三种数据单元。

1）协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）：在不同站点的各层对等实体之间，为实现该层协议所交换的信息单元。通常将第N层的协议数据单元记为第N层PDU。PDU由两部分组成：第N层用户数据和第N层协议控制信息（Protocol Control Information，PCI）。

第N层PCI一般作为首部加在用户数据的前面，其作用是为了将第N层PDU传送到对等实体，必须将第N层PDU通过第N-1层服务访问点交给第N-1层实体。这时，第N-1层实体就把整个第N层PDU当做第N-1层用户数据，再加上第N-1层的PCI，就组成了第N-1层的协议数据单元，即第N-1层PDU。

2）接口数据单元（Interface Data Unit，IDU）：在OSI模型中，把经过相邻层接口的数据单元称为接口数据单元IDU。接口数据单元的大小将根据相邻层间接口的特性确定。一个协议数据单元PDU加上适当的接口控制信息（Interface Control Information，ICI）后，就变成了接口数据单元。

3）服务数据单元（Service Data Unit，SDU）：从服务用户的角度来看，并不关心下面的PDU或IDU有多大。一个第N层服务用户关心的是，下面的第N层实体为了完成服务用户所请求的功能，究竟需要有多大的数据单元。这种数据单元就叫做服务数据单元。一个第N层服务数据单元就是第N层服务所要传送的逻辑数据单元。

（8）名称、域和地址

为了标识网络中的各种对象，如实体、服务访问点和连接等，OSI参考模型规定了名称、地址、域等各种标识符的含义和用法。简单地说，第N层实体可用名称唯一标识，也可用地址标识，名称的作用范围叫做域。