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2网络ISO模型
第2节网络OSI模型
在学习完本节并完成练习之后,你将能够:
•列出制定连网标准的组织
•解释两个系统如何通过OSI模型进行通信
•解释OSI模型的分层结构
•描述OSI模型每一分层提供的特定连网服务
•讨论数据帧的结构和目的
•描述OSI模型所采用的两类编址方案
在化学领域,虽然不能看见一个水分子,但可用二个氢原子和一个氧原子的简单描绘表示它。
在网络领域,虽然不能看见一个网络中两个节点是如何通信的,亦可用一个模型对通信过程进行描述。
通常用来描述网络通信的模型称为开放系统互连(OSI)模型。
在本章,将介绍OSI模型的七层结构以及各层之间如何相互作用。
参照OSI模型,讨论网络硬件、应用程序以及各种问题。
2.1网络标准化组织
所谓标准即是文档化的协议中包含推动某一特定产品或服务应如何被设计或实施的技术规范或其他严谨标准。
通过标准,不同的生产厂商可以确保产品、生产过程以及服务适合他们的目的。
由于目前网络界所使用的硬件、软件种类繁多,标准尤其重要。
如果没有标准,可能由于一种硬件不能与另一种兼容,或者因一个软件应用程序不能与另一个通信而不能进行网络设计。
由于计算机工业发展迅速,许多不同的组织都开发自己的标准。
在一些情况下,多个组织负责网络的某个方面。
2.1.1ANSI
ANSI(美国国家标准协会)是由1000多名来自工业界和政府的代表组成的组织,负责制定电子工业的标准,化学和核工程、健康和安全以及建筑行业的标准。
ANSI也代表美国制定国际标准。
ANSI并不命令生产厂商服从它的标准,而是请它们自愿遵守其标准。
当然,生产厂商和开发者也通过遵从标准获得潜在客户。
遵从标准,其系统将会是可靠的,可与既存基础设施集成。
新的电子设备和方法必须通过严格测试才可获得ANSI的认可。
ANSI标准的一个例子即是ANSIT1.240-1998,“电信—操作、管理、维护、供应—操作系统和网络部件之间接口的通用网络系统信息模型”。
可以通过ANSI网站(www.ansi.org)在线购买ANSI标准文档,也可通过一个大学或公共图书馆找到它们。
要想成为一个合格的网络专业人士,无需阅读全部ANSI标准,但你应理解ANSI影响的范围之广,意义之大。
2.1.2EIA
EIA(电子工业联盟)是一个商业组织,其代表来自全美各电子制造公司。
1924年EIA作为RMA(无线电生产厂商协会)产生,时至今日,它已涉及到电视机、半导体、计算机以及网络设备。
该组织不仅为自己的成员设定标准,还帮助制定ANSI标准,并进行院外游说促使建立更有利于计算机和电子工业发展的立法。
EIA包括几个下属组织:
电信工业协会(TIA);
用户电子生产商协会(CEMA);
电子部件、组装、设备与供应协会(ECA);
联合电子设备工程委员会(JEDEC);
固态技术协会;政府处以及电子信息组(EIG)。
除了促使立法及制定标准,每个特定组根据自身的研究领域,还负责承办会议、展览及研讨会。
从网站http:
//www.eia.org,你可获得更多的EIA信息。
2.1.3IEEE
IEEE(电气与电子工程师学会),是一个由工程专业人士组成的国际社团,其目的在于促进电气工程和计算机科学领域的发展和教育。
IEEE主办大量的研讨会、会议和本地分会议,发行刊物以培养技术先进的成员。
同时,IEEE有自己的标准委员会,为电子和计算机工业制定自己的标准,并对其他标准制定组织如ANSI的工作提供帮助。
IEEE技术论文和标准在网络专业受到高度重视。
尤其你在网络接口卡手册中经常可发现对IEEE标准的引用。
可以通过IEEE的网站http:
//www.ieee.org在线订购这些文档,或在大学或公共图书馆找到它们。
2.1.4ISO
ISO(国际标准化组织)是一个代表了130个国家的标准组织的集体,它的总部设在瑞士的日内瓦。
ISO的目标是制定国际技术标准以促进全球信息交换和无障碍贸易。
你可能认为该组织应被简称为“IOS”,但“ISO”并不意味着是一个首字母缩略字。
实际上,在希腊语中,“ISO”意味着“平等”。
通过这个词汇表达了组织对标准的贡献。
ISO的权威性不仅限于信息处理和通信工业,它还适用于纺织品业、包装业、货物分发、能源生产和利用、造船业,以及银行业务和金融服务。
关于螺纹、银行信用卡,甚至货币名称的通用协议都是ISO的工作产物。
事实上,在ISO的大约12,000标准中,仅有大约500个应用于计算机相关的产品和功能中。
国际电子与电气工程标准是由一个相似的国际标准组织IEC(国际电子技术协会)单独制定的。
ISO所有的信息技术标准设计与IEC相一致。
你可通过ISO的网站http:
//www.iso.ch获得更多ISO的信息。
2.1.5ITU
ITU(国际电信同盟)是联合国特有的管理国际电信的机构,它管理无线电和电视频率、卫星和电话的规范、网络基础设施、全球通信所使用的关税率。
它为发展中国家提供技术专家和设备以提高其技术基础。
ITU于1865年成立于巴黎,1947年成为联合国的一部分,并迁址瑞士的日内瓦。
ITU的成员来自于188个国家,所发行的详细政策和标准可从网址http:
//www.itu.ch上找到。
通常ITU文档中有关全球电信问题的内容比工业技术规范多。
ITU关于全球电信问题文档的例子有“农村和边远地区的通信”、“电信对环境保护的支持”、“国际频率列表”。
注意:
ITU过去常被称为CCITT(国际电报电话协商委员会),在一些手册和文档中可见对CCITT标准的引用。
2.2OSI模型
在20世纪80年代早期,ISO即开始致力于制定一套普遍适用的规范集合,以使全球范围的计算机平台可进行开放式通信。
ISO创建了一个有助于开发和理解计算机的通信模型,即开放系统互连OSI(模型)。
OSI模型将网络结构划分为七层:
即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
每一层均有自己的一套功能集,并与紧邻的上层和下层交互作用。
在顶层,应用层与用户使用的软件(如字处理程序或电子表格程序)进行交互。
在OSI模型的底端是携带信号的网络电缆和连接器。
总的说来,在顶端与底端之间的每一层均能确保数据以一种可读、无错、排序正确的格式被发送。
注意:
组成网络部件的组合方式常被描述成它的“体系结构”。
“体系结构”这个词在网络领域,反映了这样一个事实,就像一幢建筑物,包括了许多不同的但被集成在一起的部件:
电缆、服务器、协议、客户机、应用程序、网络接口卡等等。
从事网络设计的专业人士有时被称为网络建筑师。
OSI模型是对发生在网络中两节点之间过程的理论化描述。
它并不规定支持每一层的硬件或软件的模型,但你学习到的有关网络的每件事均能对应于模型中的一层。
因此,不仅应了解各层的名字,而且应了解它们的功能及层之间相互作用的方法,图2-1描绘了OSI模型和它的层结构:
图2-1OSI模型
2.2.1物理层
物理层是OSI模型的最低层或第一层,该层包括物理连网媒介,如电缆连线连接器。
物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。
在你的桌面PC上插入网络接口卡,你就建立了计算机连网的基础。
物理层不提供纠错服务,但它能够设定数据传输速率并监测数据出错率。
网络物理问题,如电线断开,将影响物理层。
同样,如果没有将网络接口卡在计算机的电路板中插得足够深,计算机也将在物理层出现网络问题。
IEEE制定了物理层协议的标准,IEEE802规定了以太网和令牌环网(见第3章)应如何处理数据。
术语中,“第一层协议”和“物理层协议”,均是指描述电信号如何被放大及通过电线传输的标准。
2.2.2数据链路层
数据链路层是OSI模型的第二层,它控制网络层与物理层之间的通信。
它的主要功能是将从网络层接收到的数据,分割成特定的可被物理层传输的帧。
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。
其中的地址,确定了帧将发送到何处,而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。
可以把数据帧想象为一列有许多车厢的火车。
其中一些车厢可能不是必需的,每列火车载的货物量也是不同的,但每列火车都需要有一个火车头和一个守车(caboose),正如不同种类的火车以略微不同的方式安排车厢一样,不同种类的帧亦以不同的方式安排它们的组成部分。
图2–2显示一个简化的数据帧图。
这个帧的每个部分对所有类型的帧都是必需的,且是通用的。
图2-2一个简化的数据帧
为了更充分理解数据链路层的概念,假设计算机如同人类一样进行通信。
如果你处在一个挤满学生、嘈杂的大教室里,你想向教师提一个问题。
教师的名字是王女士,为了表达你的信息,你可能说:
“王老师,你能更详细地解释一下在19世纪中叶,铁路对商业的影响吗?
”在这个例子中,你是发送方(处于一个繁忙的网络中),你指定了接收方,即王老师,就像数据链路层定位网络中的另一台计算机一样。
除此之外,你将你的想法格式化成一个问题,正如数据链路层将数据格式化为可被接收计算机理解的帧一样。
如果教室里很嘈杂,以至于王老师只听到问题的一部分,那将会怎么样呢?
例如,她可能只听到“关于19世纪后期的商业?
”。
这种错误也将会发生在网络通信中(由于电子干扰或电线问题)。
数据链路层的工作即是发现丢失的信息并要求第一台计算机重发信息,正如在教室中,王老师会说:
“我没有听见你的话,请重复一遍好吗?
”数据链路层通过纠错进程完成这一任务。
通常,发送方的数据链路层将等待来自接收方对数据已正确接收的应答信号。
假如发送方不能获得这一应答信号,则它的数据链路层将给出指令以重发该信息。
数据链路层并不试图找出在发送时出现了什么错误。
类似地,在一个嘈杂的教室,王老师可能说:
“请再说一遍好吗?
”而不是“你似乎有问一个关于铁路的问题,我只听到后半部分是关于商业的,因此我认为你的问题是关于商业和铁路的,是吗?
”显而易见,前者对于发送方和接收方是更加有效的。
在一个嘈杂的教室或一个繁忙的网络中可能存在的另一个通信问题即有大量通信请求。
例如,在即将下课时,可能马上就有20个人问了王老师20个不同的问题。
当然,她不可能同时注意所有的人,她可能说,“请一个一个来”,然后指定一个提问题的学生。
这种情形类似于数据链路层对物理层的处置。
网络上一个节点(例如服务器)可能接收多个请求,每个请求包含多个数据帧。
数据链路层控制信息流量,以允许网络接口卡正确处理数据。
数据链路层的功能,独立于网络和它的节点和所采用的物理层类型,它也不关心是否正在运行Words、Excel或使用Internet。
有一些连接设备,如网桥或交换机,由于它们要对帧解码并使用帧信息将数据发送到正确的接收方,所以它们是工作在数据链路层的。
2.2.3网络层
网络层,即OSI模型的第三层,其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址,并决定如何将数据从发送方路由到接收方。
例如,一个计算机有一个网络地址10.34.99.12(若它使用的是TCP/IP协议)和一个物理地址0060973E97F3。
以教室为例,这种编址方案就好像说“王老师”和“具有身份证320311************的中国公民”是一个人一样。
即使在中国还有其他许多人也叫“王老师”,但只有一人其身份证是320311************。
在你的教室范围内,只有一个王老师,因此当叫“王老师”时,回答的人一定不会搞错。
网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点A到另一个网络中节点B的最佳路径。
由于网络层处理路由,而路由器连接网络各段,并智能指导数据传送,属于网络层。
在网络中,“路由”是基于编址方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。
网络层协议还能补偿数据发送、传输以及接收的设备能力的不平衡性。
为完成这一任务,网络层对数据包进行分段和重组。
分段即是指当数据从一个能处理较大数据单元的网络段传送到仅能处理较小数据单元的网络段时,网络层减小数据单元的大小的过程。
这个过程就如同将单词分割成若干可识别的音节,给正学习阅读的儿童使用一样。
重组过程即是重构被分段的数据单元。
注意:
网络层的分段是指数据帧大小的减小,而网络分段是指一个网络分割成更小的逻辑片或物理片。
2.2.4传输层
传输层主要负责确保数据可靠、顺序、无错地从A点到传输到B点(A、B点可能在也可能不在相同的网络段上)。
因为如果没有传输层,数据将不能被接受方验证或解释,所以,传输层常被认为是OSI模型中最重要的一层。
传输协议同时进行流量控制或是基于接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。
除此之外,传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割。
例如,以太网无法接收大于1500字节的数据包。
发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片,同时对每一数据片安排一序列号,以便数据到达接收方节点的传输层时,能以正确的顺序重组。
该过程即被称为排序。
我们再以教室为例来理解排序的过程。
假设你提问题,“王老师,含硫量高的煤炭,是如何形成酸雨的?
”但是,王老师接收到信息则是“如何形成酸雨的王老师?
含硫量高的煤炭。
”在网络中,传输层发送一个ACK(应答)信号以通知发送方数据已被正确接收。
如果数据有错,传输层将请求发送方重新发送数据。
同样,假如数据在一给定时间段未被应答,发送方的传输层也将认为发生了数据丢失从而重新发送它们。
工作在传输层的一种服务是TCP/IP协议中的TCP(传输控制协议)。
2.2.5会话层
会话层负责在网络中的两节点之间建立和维持通信。
会话层的功能包括:
建立通信链接,保持会话过程通信链接的畅通,同步两个节点之间的对话,决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。
应此又称会话层为网络通信的“交通警察”。
例如,当通过ADSL拨号,向ISP(互联网服务提供商)请求连接到互联网时,ISP服务器上的会话层与你的PC客户机上的会话层进行协商连接。
若你的电话线偶然从墙上插孔脱落时,你PC客户机的会话层将检测到连接中断并重新发起连接。
会话层通过决定节点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限。
会话层监测会话参与者的身份以确保只有授权节点才可加入会话。
2.2.6表示层
表示层如同应用程序和网络之间的翻译官。
在表示层,数据将按照网络能理解的方案进行格式化;这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。
表示层管理数据的解密与加密,如系统口令的处理如果在Internet上查询你银行账户,使用的即是一种安全连接。
你的账户数据在发送前被加密,在网络的另一端,表示层将对接收到的数据解密。
除此之外,表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。
2.2.7应用层
OSI模型的顶端,即第七层是应用层。
应用层负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。
术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特定的应用程序。
例如MicrosoftWord,应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理。
注意:
你可能听说过“API”,一个API(应用程序接口)是使一个程序与操作系统相互作用的例行程序(即一组指令)。
API属于OSI模型的应用层,编程者使用API在代码与操作系统之间建立链接。
2.3应用OSI模型
在介绍了OSI模型的七层结构后,我们对层之间的相互作用有了更深入的了解。
表2-1总结了OSI模型各层的功能。
OSI层
功
能
应用层
在程序之间传递信息
表示层
处理文本格式化,显示代码转换
会话层
建立、维持、协调通信
传输层
确保数据正确发送
网络层
决定传输路由,处理信息传递
数据链路层
编码、编址、传输信息
物理层
管理硬件连接
表2-1OSI参考模型各层的功能
2.3.1两个系统之间的通信
可用从服务中的邮件查找的示范过程来跟踪OSI模型各层功能。
一旦你登录到网络,打开邮件程序,选择接收邮件。
应用层,将识别你的选择,并提出一个从远程节点(邮件服务器)获取数据的请求包。
应用层将该请求传递到表示层。
表示层,首先判定是否以及如何格式化或加密来自应用层的数据请求。
将加入所需的转换和代码以实现格式化,并将请求传递到会话层。
会话层,接收到已格式化的请求,赋给它一个数据标记符。
该标记符是向网络的其余部分指示你有权限传输数据的一种专用控制帧。
会话层将数据传递到传输层。
传输层,你的数据以及到目前为止所累积的控制信息,被分割成可管理的数据块,以准备在数据链路层打包成帧。
如果数据太大,不能放在一个帧里,传输层再将它分割成更小的块,同时对每一数据块安排一个序列标识。
此后,该层将数据块逐个传递到网络层。
网络层,对来自于传输层的数据增加地址信息,以便下一层能知道数据的源地址与目标地址。
此后,网络层将带有地址信息的数据块传递到数据链路层。
数据链路层,数据块被打包成单个帧。
正如已了解到的,帧是用于发送小块数据的一种结构化格式。
由于每个帧有内部的错误校检功能,使用帧将减少网络中数据丢失与错误的概率。
帧所使用的错误检验算法被称为FCS(帧校验序列),它由数据链路层插入到帧的尾部。
除此之外,数据链路层还对帧增加一个头,以合并由网络层安排的目标地址和源地址。
数据链路层将帧传递到物理层。
即,邮件信息请求到达物理层的网络接口卡。
物理层,对帧并不做解释,也不添加信息,只是简单地将数据发送到电缆并通过网络传输。
一旦数据到达远程系统的物理层时,邮件服务器的数据链路层开始解析你的请求,并反向进行上述过程,最后由应用层开始,由它自身传递的信息来响应你的请求。
2.3.2帧规范
图2-3介绍数据帧的基本结构。
实际上,帧包括几个更小的部件或域。
这些组件的特性依赖于帧所运行的网络的类型以及它们所必须服从的标准。
Ethernet最初由Xerox在1970年开发的一种网络技术,Ethernet局域网能以不同的速率并通过多种网络介质发送数据。
注意:
路由器在每个物理接口上,只支持一种类型帧,因而每个类型的帧都是惟一的,与网络中其他类型的帧不会交互。
了解网络环境所需要的帧类型是必要的。
将在安装网络操作系统、配置服务器与客户机工作站、安装网络接口卡、发现并解决网络问题,以及购买网络设备时使用这些信息。
1.典型的Ethernet帧图2-2描绘了由IEEE802.3标准规定的一种典型的Ethernet帧。
图2-3由IEEE802.3标准规定的Ethernet帧
Ethernet802.3帧的各组成部件描述如下:
•报头:
标记整个帧的开始,提供网络一个信号,说明数据正在途中。
由于报头是通信过程的一部分,因而不被计算在一帧的长度之中。
•帧开始定界符(SFD):
指定一个编址帧的开始。
•目标地址:
包含目标节点的地址。
•源地址:
包含了发起节点的地址。
•长度(LEN):
指示包的长度。
•数据:
包含由发起节点发出的整个数据,或被分段数据的一部分。
•填充:
用来增加帧的长度以达到最小长度为46个字节的要求。
•帧校验序列(FCS):
提供算法以判定数据是否被正确接收。
2.3.3层间编址
在本章,我们从OSI模型的网络层,对编址进行解释。
网络中每个节点都有两类地址标识:
网络层地址和数据链路层地址。
数据链路层地址是与网络硬件相关联的固定序列号,通常出工厂之前即被确定,这些地址在通过位于数据链路层中的MAC(介质访问控制)子层后被称为MAC地址,并被附加到数据帧的目标物理地址之上。
由于工业标准指定了每个生产厂商,可以使用的序列号,因而MAC地址是惟一的。
例如,3Com公司生产的Ethernet网络接口卡的序列号6个字符是‘00608C’,而Intel公司生产的Ethernet网络接口卡的序列号则为“00AA00”。
序列号中余下的6个字符被称为设备ID,它是基于网络接口卡型号和生产日期而在工厂中被添加的。
例如,制造商可能会为某设备分配的设备ID是005499。
生产商ID和设备ID组合在一起,就构成了惟一的MAC地址“00608C005499”。
网络依靠惟一的MAC地址将数据发送到它们正确的目的地。
注意:
数据链路层(或MAC)地址也被称为物理地址或硬件地址。
驻留在OSI模型网络层的网络层地址由于所包含的数据子集能逐渐缩小地址范围,因而采取一种分级编址方案,并且该地址可通过操作系统软件指定。
分级编址方案正如同一个家庭地址逐级包括国家、省、城市、街道、邮政编码、住宅号及个人姓名一样。
网络层地址使数据分类更加逻辑化,因而它对于网间设备更加有用,如路由器。
网络层地址的格式也因网络所使用协议的不同而不同。
2.4IEEE网络规范
IEEE网络规范,不仅应用于帧类型,还用于连接、网络介质、错误校验算法、加密、融合技术等等。
IEEE网络规范,是在IEEE“项目802”小组领导下制定的,该小组致力于标准化网络的物理部件。
在OSI模型由ISO标准化之前,IEEE即已开发了这些标准。
2.5复习题
1.哪一个国际标准组织是联合国的一个机构?
a.IEEE、b.ITU、c.ISO、d.ANSI
2.“ISO”代表什么?
a.InstituteforStandardsOrganization
b.InternationalStandardsOrganization
c.InternationalOrganizationforStandardization
d.InternationalStatisticiansOrganization
3.在ISO中哪个组织代表了美国?
a.ANSI、b.ITU、c.IEEE、d.EIA
4.在IEEE802.5规范中,哪种技术被标准化了?
a.网络安全性、b.TokenRing局域网、c.无线网、d.Ethernet局域网
5.在IEEE802.3规范中,哪种技术被标准化?
a.网络安全性、b.TokenRing局域网、c.无线网、d.Ehternet局域网
6.OSI模型的哪一层提供文件传输服务?
a.应用层、b.数据链路层、c.传输层、d.表示层
7.Netscape是运行在应用层的一个程序例子。
对还是错?
8.OSI模型的哪一层制定了两节点间通信的规则?
a.传输层、b.会话层、c.数据链路层、d.表示层
9.交换机和网桥属于OSI模型的哪一层?
a.数据链路层、b.传输层、c.网络层、d.会话层
10.路由器属于OSI模型的哪一层?
a.数据链路层、b.传输层、c.网络层、d.物理层
11.网络接口卡属于OSI模型的哪一层?
a.数据链路层、b.传输层、c.网络层、d.物理层
12.OSI模型是由下列哪个标准化组织开发的?
a.IEEE、b.ITU、c.OSI、d.ISO
13.网络层在何种情况下对数据进行分段?
a.当有太多的数据帧涌入接收节点的网络接口卡时
b.当网络发送太多的错误帧时
c.当目标节点无法接收由源节点发送出的数据块的大小时
d.当源节点为加快处理过程要求数据块被分段时
14.OSI模型的哪一层负责产生和检测电压以便收发携载数据的信号?
a.传输层、b.会话层、c.表示层、d.物理层
15.流控制是确保数据帧以正确顺序被接收的过程,对还是错?
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