轨道交通信号网络与通信基础——网络互联参考模型2.2(第二节)

1、大连交通大学电气信息学院1 2.2 网络互联参考模型网络互联参考模型 在计算机网络产生之初，每个计算机厂商都有一套自己的网络体系结构的概念，它们之间互不相容。为此，国际标准化组织（ISO）在1979年建立了一个分委员会来专门研究一种用于开放系统互联的体系结构（Open Systems Interconnection，OSI），“开放”这个词表示：只要遵循OSI标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循OSI标准的其他任何系统进行连接。这个分委员会提出了开放系统互联，即OSI参考模型，它定义了异质系统互联的标准框架。OSI参考模型分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、

2、表示层和应用层，每一层使用下层提供的服务，并向其上一层提供服务。 OSI简介：简介：大连交通大学电气信息学院2应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层1234567低层协议：负责网络数据传输高层协议：负责主机之间的数据传输OSI七层功能：七层功能：高层和低层接口协议大连交通大学电气信息学院3 2.2.1 OSI模型的层次体系结构模型的层次体系结构 发送进程送给接收进程数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体；通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。大连交通大学电气信息学院4在发送方从上到下逐层传递的过

3、程中，每层都要加上适当的控制信息，即图中和H7、H6、.、H1，统称为信息头（报文头或报头）。到最底层成为由“0”或“1”组成和数据比特流，然后再转换为电信号在物理媒体上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息。 应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层报文数据包数据包数据报、段（块）数据报帧位大连交通大学电气信息学院5 2.2.2 OSI模型的各层功能模型的各层功能1 1、物理层、物理层OSI的第一层，最低层，直接与传输介质相接，在传输介质上传输的是二进制比特流，通过接口从一台设备传递给另一台设备，

4、向上为数据链路层提供位流传输服务。大连交通大学电气信息学院6l通信数据（比特流）在物理层实体间的传输是在两台相邻的设备之间进行的。设备主要有两大类：数据终端设备DTE和数据通信设备DCE。通信的抽象模型如下图所示。DTE(Date Terminal Equipment)指的是数据终端设备，是对属于用户所有的连网设备或工作站的统称，它们是通信的信源或信宿，如计算机、终端等；DCE(Date Circuit Terminating Equipment 或 Date Communications Equipment)，指的是数据电路终接设备或数据通信设备，是对为用户提供入接点的网络设备的统称，如自动

5、呼叫应答设备、调制解调器等。大连交通大学电气信息学院7l物理层并不关心传输过程中比特流的含义，只关心与网络的物理连接及信号的发送和接受。物理层协议规定了标准接口的机械连接特性、电气信号特性、信号功能特性以及交换电路的过程特性，便于不同的制造厂家能够根据公认的标准制造设备，相互兼容。1、机械特性机械特性：规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。2、电气特性电气特性：规定了在物理连接上导线的电气连接及有关的电咱路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、表示信号状态的电压/电流电平的识别、最大传输速率的说明、以及与互连电缆相关的规则等。3、功能特性功

6、能特性：规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。4、过程特性过程特性：规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。 大连交通大学电气信息学院8l物理层解决的主要问题物理层解决的主要问题 实现位同步：一位一位传输 数据信号的传输：传输方式 接口设计：接口标准一致 信号传输的规程：良好的传输规程l物理层的功能物理层的功能 （1）实现实体之间的按位传输 （2）监督比特流转换成电磁信号 （3）完成对数据传输物理信道的建立、保持和拆除大连交通大学电气信息学院92、数据链路层数据链路层 接收来自上层的数据，给它加上某种差错校验位（因为物理信道有噪声）、数据

7、链路协议控制信息和头、尾分界标志，变成帧（数据链路层协议数据单位），从物理信道发送出去：同时处理接收端的回答，重传出错和丢失的数据帧，保证按发送次序把数据帧正确地交给对方。 提供访问控制，负责物理寻址和对网络介质的物理访问提供出错纠正和数据流控制，建立和维护网络设备间的数据链路连接。大连交通大学电气信息学院10l 数据链路层的主要功能（数据链路层的主要功能（7 7种）种）帧同步：帧同步：此层传输单位是帧，帧是将物理层传输的比特流按照一定格式进行分块后的信息块。帧同步就是指接收方能够准确的知道帧开始和帧结束的位置。寻址：寻址：加入报文头和尾部信息，包含了最近节点和下一节点的物理地址，从而保证每帧

8、送到正确地址且接收准确。访访问控制问控制：当两个以上的设备连接到同一条链路是，协议必须能够决定由哪个设备获取链路的控制权。流量控制：流量控制：为了防止接收方过载，此层协议约束了发送方一次可以发送的数据量和发送速率，同时加上序号，使接收节点可以控制数据帧的顺序。差错控制：差错控制：利用编码技术，主要方法有向前纠错和反馈重发。常用的差错控制编码方法是循环冗余校验法。大连交通大学电气信息学院11 链路管理：链路管理：通信前，先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化。在传输过程中则要维持该连接。若出现差错，则重新初始化自动建立连接。传输完毕后则要释放数据链路。 透明传输：透明传输

9、：无论数据为何种比特组合，都能在链路上传输。当所传数据中的比特组合恰巧与某一控制信息完全一样时，就必须采取有效措施使接收方不会将这样的数据认为是某种控制信息，从而保证不会产生数据误传。大连交通大学电气信息学院12l 数据链路层协议数据链路层协议主要协议，2.4节数据必须有规定的字符集（如ASCII码）中的字符构成，传送的控制信息也必须有同一字符几种的若干个指定的控制字符组成。如IBM公司的二进制同步通信规程（BSC）。缺点：线路利用率低，可靠性差、不易扩展等。大连交通大学电气信息学院133、网络层网络层 网络层是OSI参考模型的第三层，介于传输层和数据链路层之间，它在数据链路层提供的两个相邻节

10、点之间传输数据帧的功能的基础上，将源节点发出的数据分组送到目的节点，而从源节点到目的节点可能要经过若干网络中间节点，从而网络层要向传输层提供最基本的端到端的数据传输服务，包括可靠（虚电路）和不完全可靠（数据报）等两种信息包传输业务。 大连交通大学电气信息学院14l 网络层的主要功能网络层的主要功能定址及寻址（包括网络地址和设备地址）：定址及寻址（包括网络地址和设备地址）：使用网络地址，将数据由一台网络设备传送到另一台网络设备（同一网络或不同网络），告诉其它网络设备如何找到自己，使用该地址可以判断目标设备是否位于同一网段。线路、报文及数据包交换：线路、报文及数据包交换：线路交换的优点是不会产生阻

11、塞和延迟，缺点是得不到充分利用且建立连接需等待时间较长；报文交换采用存储转发技术，优点是介质利用率高，可以控制阻塞，可设置优先级，缺点是实时性较差，不适合语音或视频数据传送；数据包交换是将数据分割成小段，只需将报文保存在内存中，不必将整个信息存储到物理存储设备中。l路由选择：路由选择：为使数据包能够正确的路由，需建立一个表示两个网络间最短距离的表，该表可以是静态的也可以是动态的。l连接服务：连接服务：包括网络层流量控制、网络层差错控制和数据包顺序控制。大连交通大学电气信息学院15大连交通大学电气信息学院164、传输层：介于高层和低层之间传输层：介于高层和低层之间接口层接口层传输层大连交通大学电

12、气信息学院17l 传输层的主要功能传输层的主要功能 对高层来说，屏蔽了下面通信子网的细节，使高层用户感觉到就好像是在两个传输实体之间有一条端到端的可靠的通道，它向会话层提供独立于网络层的传输服务，在会话层和网络层之间起到承上启下的作用，实现两层间数据的透明传输。具体讲包括以下五方面：建立传输连接：建立传输连接：连接方式有面向连接（TCP协议）和无连接（UDP协议）；一般采用面向连接的服务，面向连接经历的三个阶段：a.传输连接的建立，b.数据交换，c.传输的拆除。数据块排序：数据块排序：由于网络层的数据包交换方式，数据到达目标设备时是无序的状态，因此在数据到达会话层之前将数据块重新排序，确保其数

13、据的正确性。差错控制：差错控制：利用校验和等方法检验数据中错误，若没有收到某段数据还能请求重新发送数据。流量控制：流量控制：使用确认信息来进行流量控制。确认之前不会传送下一段数据。多路复用：多路复用：两种方式，向上多路复用和向下多路复用；向上多路复用向上多路复用:把多个连接复合到下一层连接上实现多路复用；向下多路复用向下多路复用:把单个连接进行分割，连接到多个下一层连接上实现多路复用，如将一条传输连接分割，通过网络层的四条虚电路连接至远程主机。大连交通大学电气信息学院18大连交通大学电气信息学院195、会话层：会话层：此层不参与数据传输，但它对数据传输进行管理。它在两个互相通信的进程之间，建立

14、、组织和协调其交互。例如，确定是双工工作（同时收发），还是半双工工作（交替收发）。大连交通大学电气信息学院20l 会话层的主要功能会话层的主要功能会话连接的建立与释放：会话连接的建立与释放：建立：两个设备的表示层（实体）间建立一条会话连接，并利用会话地址来识别表示实体。设置各种参数。连接的释放：有序释放，完整的握手，请求、指示、响应和确认。突然释放，由会话的任一方发出，一旦发出，会话即刻终止。数据交换：数据交换：采用半双工的方式，符合人的会话方式，会话层协议维持一种轮番讲话的方式。会话同步：会话同步：在发生错误或不符合协议的事件情况下，让会话实体返回到一个已知的状态。可根据这个已知状态确认重发

15、点。活动管理：活动管理：让用户把报文流分成被称为“活动”的逻辑单元，每一个活动完全独立于其它的活动，活动可以被中断，且在以后重新执行时不会丢失信息。异常报告：异常报告：如果一方用户遇到麻烦，可以通过会话异常报告来通知另一方的用户。会话层称作网络通信的“交通警察交通警察”。当通过拨号向你的ISP（因特网服务提供商）请求连接到因特网时，ISP服务器上的会话层向你与你的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，你终端机上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。就此而论，会话层如同一场辩论竞赛中的评判员。例如，如果

16、你是一个辩论队的成员，有2分钟的时间阐述你公开的观点，在1分3 0秒后，评判员将通知你还剩下30秒钟。假如你试图打断对方辩论成员的发言时，评判员将要求你等待，直到轮到你为止。最后，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。大连交通大学电气信息学院226、表示层：表示层：此层保持信息的原有含义，由于信息双方表示数据的内部方法往往不一致，所以需要建立数据交换格式和约定来确保双方能够相互理解。大连交通大学电气信息学院23l 表示层的主要功能表示层的主要功能数据转换：数据转换：不同厂家生产的计算机具有不同的内部数据表示。即使所有的位模式都正确接收，也不能保证数据含义的不变。人们要的是保

17、留含义，而不是位模式。为了解决此类问题，必须进行数据表示方式的转换。可以在发送方转换，也可以在接收方转换，或者双方都向一种标准格式转换。数据的格式化：数据的格式化：将输入的数据按照一定的格式进行组织和改变。大连交通大学电气信息学院24数据压缩：数据压缩：表示层完成的重要任务，因为通信数据要占用海量的存储空间和大量的通信信道宽带。分为有损压缩和无损压缩，无损压缩有分为符号有限集合编码及替换、依赖于符号使用的相对频度或符号出现的上下文编码等三类。数据压缩大多是通过一些编码方法，如霍夫曼编码等。数据加密：数据加密：加密可以在任何一层上实现，但实际应用中常常在物理层、传输层和表示层三层实现加密。在物理

18、层加密的方案叫做链路加密，它的特点是可以对整个报文进行加密；在传输层实现加密可以提高有效性，因为表示层可以对数据事先进行压缩处理；而在表示层可以有选择地对数据实现加密。软件硬件都可以实现，加密方法分两种：替换密码和转置密码。大连交通大学电气信息学院257、应用层：应用层： 应用层是OSI模型的最高层，该层是用户的应用程序与网络的接口。该层对应用进程进行了抽象，它只保留应用进程中与进程间交互有关的那些部分。应用层并不是要把各种应用标准化，它所标准化的是一些应用进程经常使用的功能，以及实现这些功能所要使用的协议，即应用层直接为用户的应用进程提供服务。大连交通大学电气信息学院26它包含了系统管理员管

19、理网络服务所涉及的所有问题和基本功能。它在第六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的各种应用层协议。简单一点描述应用层应该是，用户通过应用层的协议去完成用户想要完成的任务。用户应用程序与网络的接口用户应用程序与网络的接口例例：如果你想上网，那么你会首先打开IE；浏览器里输入想要冲浪的网址http:/，如果可以上网的话自动会出现网页画面，网页本身没有在本地，那怎么可以浏览网页呢，这是因为有了应用层的协议http(超文本传输协议)来帮助用户与远端的WEB服务器进行连接且请求传输文件，就这样用户就可以通过应用层的协议来完成用户要浏览网页的任务了。 常用的应用层协议：应用层协议： HTTP：超文本传输协议 FTP：文件传输协议 TELNET：远程登录 SMTP：简单邮件传输协议 NNTP：网络新闻组传输协议 DNS：域名解析协议接收端重复上述相反的流程l第7层应用层直接对应用程序提供服务，应用程序可以变化，但要包括电子消息传输；l第6层表示层格式化数据，以便为应用程序提供通用接口。这可以包括加密服务；l第5层会话层在两个节点之间建立端连接。此服务包括建立连接是以全双工还是以半双工的方式进行设置，尽管可以在层4中处理