开放系统互联的参考模型

开放系统互联的参考模型第1页，共56页，2023年，2月20日，星期四主要内容：开放系统互连及协议的概念经典的协议参考模型及其中的重要概念实际的协议参考模型对协议参考模型的重新思考新一代网络发展中的协议参考模型第2页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.1开放系统互联及协议的概念开放系统：网络实质上就是一个互连实体，它实现了各种网络元素的互连、各种功能的互连、各种系统之间的互连，甚至是各种子网络之间的互连。各种系统／各种子网络均可视为开放系统。开放系统互联的目的：将不同的网络互联成一个统一的系统，解决异种网络互联的兼容性。网络的灵魂就是协议。协议就是一套正式的规定和约定。在通信网中，这些规则决定着网络的拓扑结构实现、结点如何通过网络介质交换信息及其控制方式、业务和应用种类、运行效率和质量以及管理方式等。第3页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.1开放系统互联及协议的概念-2为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即为网络协议(networkprotocol)，简称为协议。网络协议主要由以下三个要素组成：

语法数据与控制信息的结构或格式。

语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步事件实现顺序的详细说明，含有时序的意思。无论是网络本身还是网络协议，包含的问题和内容都相当复杂，如何将复杂的问题分解为若干较为简明且有利于处理的问题？实践证明，采用对网络分层的处理方法最为有效可行。第4页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2经典的协议参考模型及其重要概念ITU-T的X.200系列协议参考模型将整个协议垂直地分为七个层次：物理层、链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层。OSI/RM的提出网络中的各种子系统都具有层次结构的特点，但是如果各个层次没有统一的描述和功能标准等，这些子系统即使互连起来也不可能实现准确、可靠、高效的信息通信。国际化标准组织ISO于1979年公布的OSI/RM(referencemodelofopensysteminterconnection)，1983年形成开放系统互联基本参考模型的正式文件，即ISO7498国际标准。—概述第5页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2经典的协议参考模型及其重要概念网络的分层概念数据单元层间关系的描述层内的一些基本操作经典的协议参考模型第6页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.1网络分层的概念目前，各种现代通信网均广泛地采用了分层的体系结构，无论是各种网络结点还是终端系统都具有层次结构，这样做的好处主要有以下几点：1）可以降低网络设计的复杂度；2）使异构网络设备间实现有效的互连互通更为方便可行；

3）增强了网络的可升级性；

4）促进了竞争和设备制造商的分工；

分层思想的精髓就是要开放第7页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.1网络分层的概念-２每一个开放系统可以在逻辑上分解为一组有顺序的子系统，每个子系统对应于分层结构中的一层，可以用下图所示的垂直结构来描述。

第8页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.1网络分层的概念-3如上图所示，同一系统的层与层之间，除了最高层之外，下一层(例如N-1层)为上一层(N层)提供服务,所以高层(例如N层)是下一层(N-1层)的用户。各层与其相邻之间经服务访问点交换信息。系统之间在最低层由物理媒体直接互连起来，最低层通过物理媒体直接进行通信。在最低层之上，各层同层实体之间的通信都需由其下层服务提供。分层最大的优点是明确区分了实体、协议、服务和服务访问点几个概念并用以分析问题第9页，共56页，2023年，2月20日，星期四“层次结构”中的重要概念：2.2.1网络分层的概念-4实体(entity)表示开放系统中任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。实体在许多情况下就是一个特定的软件模块。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。第10页，共56页，2023年，2月20日，星期四可将某个开放系统总体要完成的多种功能分配在不同层次中去完成；不同开放系统的最低层之间存在着“物理”通信；在最低层之上，不同开放系统的对等层次(peer)之间存在着“虚拟”通信；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

“层次结构”中的重要概念小结：2.2.1网络分层的概念-5面向连接服务与无连接服务第11页，共56页，2023年，2月20日，星期四插入：面向连接服务与无连接服务从通信的角度看，各层所提供的服务可分为两大类：1．面向连接服务所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接，当数据交换结束后，则必须终止这个连接；且在传送数据时是按序传送的。面间连接服务比较适合于在一定期间内要向同一目的地发送许多报文的情况。对于发送很短的零星报文，面向连接服务的开销就显得过大了。第12页，共56页，2023年，2月20日，星期四插入：面向连接服务与无连接服务(续)2．无连接服务在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留。这些资源将在数据传输时动态地进行分配。无连接服务的优点是灵活方便和比较迅速。但无连接服务不能防止报文的丢失、重复或乱序。无连接服务的特点不需要接收端做任何响应或反馈，因而是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”（besteffortdelivery）或“尽力而为”。第13页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.1网络分层的概念-6各层次之间是相互独立的适应性（灵活性）好结构上各层可分割开，易于独立设计和实现功能易于管理和维护良好的标准化层次结构的优点：层次结构使能够分清层次的系统具有良好的开放特性，这是因为层次结构有如下的好处：第14页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.2数据单元（N）层协议控制信息（PCI）（N）层用户数据（userdata）（N）层协议数据单元（PDU）：两个设备的对开等层实体之间的协议交换信息。（水平方向上）

（N）层服务数据单元（SDU）：层与层之间交换的数据单位，可以与PDU不一样。（垂直方向上）

第15页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.2数据单元-2

SDU指的是第n层待传送和处理的数据单元。PDU指的是同等层水平方向传送的数据单元。它通常是将SDU分成若干段,每一段加上报头，作为单独协议数据单元PDU在水平方向上传送。第16页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.3层间关系的描述已经知道：在开放系统层与层之间，上层是下一层服务的用户，下一层是上一层的服务提供者。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些，命令在OSI中称为服务原语。层与层之间的服务与被服务关系可以统一地用以下四类原语来表达：请求（Request）指示（Indication）响应（Response）确认（Confirm）第17页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.3层间关系的描述-2在采用连接方式工作时，这四类原语都需要；在采用无连接方式时将只采用请求与指示两种原语，请求由服务使用者发出，指示由服务提供者发出。第18页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.3层间关系的描述-3第19页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.4层内的一些基本操作1.协议识别

在N层的同层操作中可能会涉及多种协议，因而在收到信息单元后，先要识别与之相关的协议。协议识别通常是根据协议控制信息中的协议识别加以确定。如果某一协议存在着多个版本，协议识别的同时还要进行版本识别。

2.连接方式或无连接方式的操作

在采用连接方式时，同层实体之间必须有相关的连接控制协议来完成连接的建立、保持、修改与释放等，同层实体之间的用户数据必须在连接建立完成后才能进行。无连接方式通常用于传送单个协议数据单元。第20页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.4层内的一些基本操作-23.数据流的复合与分开将N层连接映射到（N-1）层连接中时，存在以下几种可能：将一个N层连接映射到一个（N-1）层连接中；将多个N层连接映射到一个（N-1）层连接中，称为复合（Multiplexing）；将一个N层连接映射到多个（N-1）层连接中，称为分开（Splitting）。第21页，共56页，2023年，2月20日，星期四4.数据单元的分段、成批和链接、拆分在数据传送过程中，若由于数据单位太长，超过了较低层的传送能力，可以将它拆成几个段来传，这个过程称为“分段”(（Segmenting）。分段的数据到达对端的同层实体时需要组装起来，恢复成原来的样子，这个过程称为“组装”。另外如果N层的数据服务单元较小，也可以将若干个数据单元连在一起组成为一个较大的协议数据单元进行传送，这一操作称为“成批”（Blocking），它在对端同层实体中的反操作，称为“分批”。同样，多个N层协议数据单元也可串联起来做为一个服务数据单元送到下一层，这一操作称为“链接”（Concatenation），其对端的反操作称为“拆分”。2.2.4层内的一些基本操作-3示意图在下页第22页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.4层内的一些基本操作-4第23页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.4层内的一些基本操作-55.选路功能

如果N层实体的某些数据单元并不是只送给下一个相邻的同层实体，而是要经过N层相关同层实体的一个链，才能到达目的地的某N层实体，那么这一链上各个起中转功能的实体必须有选路功能。选路功能通常由路由表来完成，路由表可以是人工配置的，也可以是自动生成的。6.QoS功能

服务质量(QoS)通常由一系列与数据单元传输相关的参数，如时延、包丢失率、误码率和优先级等来表征的。N层中与QoS功能相关的实体需要对这些参数进行监控，并设法在传送的过程中确保不超越规定的限额。第24页，共56页，2023年，2月20日，星期四3.2.4层内的一些基本操作-67.流量控制

N层实体在到达数据太多，超过其储存与处理能力时,就需要有某种机制通知发送的同层实体，降低发送到速率，这就是流量控制。8.差错控制

在需要确保传输正确的情况下，N层必须有差错检测和通知功能。实践中可采用两种工作方式：一种是有确认的工作方式，另一种是无确认的工作方式。

9.顺序控制

在两个N层同层实体间交换协议数据单位时，由于各数据单元所走路由不同，或者其他原因会使数据到达的顺序不同于发送的顺序，故N层实体须有顺序控制功能。第25页，共56页，2023年，2月20日，星期四OSI(OpenSystemsInterconnection)模型表示层（6）P会话层（5）S传输层（4）T网络层（3）N数据链路层（2）DL物理层（1）PH高层中间层低层，又称介质层，控制网络中信息的物理传输主机层，保证主机之间数据的无差错传输应用层（7）A2.2.5经典的协议参考模型第26页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.5经典的协议参考模型-2第27页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.5经典的协议参考模型-31.物理层：

原始比特流的传输，电子信号传输和硬件接口。和物理层有关的是信号、介质。

2.数据链路层:

负责信息可靠地在物理链路上传输，和这层相关的有物理地址、网络拓扑结构、网络存取、错误通报、数据包顺序、流量控制。和数据链路层有关的是数据帧和介质存取控制。3.网络层：

网络层是最复杂的一层，它负责提供连通性和路径的选择。和网络层有关的是路径选择、路由、编址。

4.传送层：

传送层把要传输出去的信息分成细的分段，把收到的分段整合成原信息。和传送层有关的是服务质量，可靠性。第28页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.5经典的协议参考模型-45.会话层：

负责建立、管理、结束两部计算机间的通信会话，会话层给表示层提供服务，亦负责同步两部机的表示层和管理它们的信息交换。和会话层有关的是对话，交谈。6.表示层：

表示层首先要确定来自应用层的信息传输出去到达目标系统可被读取明白，如果需要的话，表示层会在几种通用数据格式间转换。7.应用层：

应用层是最接近用户的一层，它给用户应用软件提供了网络服务。它与其它六层的不同是它不提供服务给另一层，只提供服务给七层外的软件。第29页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.5经典的协议参考模型-5OSI参考模型各层的数据单元格式及主要功能归纳:第30页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2.6开放系统中的OSI互连模型如下图。整个开放系统互连环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理介质连接而构成。第31页，共56页，2023年，2月20日，星期四

端开放系统通俗讲就是计算机网络中的主机系统,中继开放系统就是IMP（即通信子网中的结点机，如交换机、路由器等）。主机系统具有全部OSI模型所描述的七个层次，但在通信子网中IMP都不一定具有七层，通常情况下只有1，2，3三个层次(如广域网)，甚至只有最低的两层(如局域网)。

2.2.6开放系统中的OSI互连模型-2在该模型中，对等的层与层之间通过协议数据单元PDU进行通信。协议数据单元由标题头和服务数据单元SDU组成，相当于分组的头信息和净荷信息；不同的层有不同的协议，N层的行为由一系列称为N层协议的规则或约定来规定。第32页，共56页，2023年，2月20日，星期四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链路层链路层物理层物理层数据数据数据数据数据数据数据AHPHSHTHNHDHDT01110010110011000100101110111(光或电)物理信道AHAHAHAHAHPHPHPHPHSHSHSHTHTHNH数据通信量减少PDUPDUPDUPDUPDUPDUSDUSDUSDUSDUSDU数据通信量增加源端目的端2.2.7OSI互连模型中数据信息的封装和传输过程主机A主机B第33页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3实际的协议参考模型2.3.1七号信令网的协议模型2.3.2异步传送方式和帧中继的协议模型2.3.3以太网的协议模型2.3.4因特网的协议模型第34页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.1七号信令网的协议模型七号信令原先采用的是一个四层的结构，它的一到三层是：信令数据链路、信令链路功能和信令网络功能，这三层合在一起称为MTP（七号信令消息传送协议）；它的第四层是用户部分，包括电话用户部分（TUP）和ISDN用户部分（ISUP）。MTP和SCCP（信令连接控制协议）两者一起可相当于OSI中定义的一至三层的服务功能。图3-7显示了七号信令与OSI七层模型两者间对比情况第35页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.1七号信令网的协议模型第36页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.2异步转移模式和帧中继的协议模型异步转移模式ATM(AsynchronousTransferMode)的协议参考模型如下图所示。

目前ATM的一个主要应用是传送因特网三层协议的IP包，因此一般将它归入于二层协议的一种。第37页，共56页，2023年，2月20日，星期四ATM的协议参考模型的层功能:(1)物理层:利用物理介质的比特流传送功能实现ATM信元的传送；主要处理OSI模型中的PL和DL层问题；包含两个子层…(2)ATM层：主要负责以统一的信元标准格式完成复用、交换和路由选择，并完成信头产生和处理以及实现流量控制。ATM层具有OSI网络层的功能。(3)AAL层：负责将不同类型业务信息适配成ATM信元。适配的原因是由于各种业务(语音、数据和图像等)所要求的业务质量(如时延、差错率等)不同。AAL层具有OSI传输层、会话层和表示层的功能。(4)高层:根据不同的业务特点，完成其端到端的协议功能。高层对应于OSI的应用层。2.3.2异步转移模式和帧中继的协议模型-2第38页，共56页，2023年，2月20日，星期四表1细分的ATM各层功能第39页，共56页，2023年，2月20日，星期四帧中继FR（FrameRelay）协议在用户平面上，属于二层协议（Q.922），也就是说在用户平面上一般只有两层：物理层和帧中继层参见图3-14

2.3.2异步转移模式和帧中继的协议模型-3第40页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.3以太网的协议模型以太网是IEEE802.3工作组制定的用于局域网的通信协议。IEEE802.3是IEEE802机构的一部分。整个IEEE802机构是为局域网和城域网的物理层、媒体接入控制层和逻辑链路控制层制定规范的，它们只负责数据包在局域网或城域网中的传送，对于高层应用，只负责系统本身的OAM，IEEE802体系中各相关协议的关系见图3-10。以太网细分的参考模型，随着技术的演化，模型本身也处于不断地修正中。随着速率的增高，物理层技术变得越来越复杂，模型中的层次也有所增加和改变。另外由于物理层的变化，在物理层与MAC层之间还加入了一个协调子层（reconciliation），以便使现在MAC层可以与新的物理层相互衔接。以太网协议的参考模型及其在OSI七层协议中所处的对应位置见图3-11。第41页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.3以太网的协议模型-2第42页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.3以太网的协议模型-3第43页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.4因特网的协议模型物理层链路层网络层传输层会话层表示层应用层OSI网络接入层网络层传输层应用层因特网TCP/IP分层结构因特网的协议模型可以归结为四层，如下图。图中同时给出了OSI模型的对应层。与OSI七层模型相比,因特网协议模型没有表示层和会话层，这两层的功能由最高—应用层提供。TCP/IP与OSI模型是不同的，OSI模型来自于标准化组织，而TCP/IP则不是人为制定的标准，而是产生于Internet网的研究和应用实践中。第44页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.4因特网的协议模型-2TCP/IP是由许多协议组成的协议族，其详细的协议分类如下图所示。对于OSI模型的物理层和数据链路层，TCP/IP不提供任何协议，由网络接入层协议负责。对于网络层，TCP/IP提供了一些协议，但主要是IP协议，对于运输层，TCP/IP提供了两个协议：传输控制协议TCP和用户数据协议UDP；对于应用层，TCP/IP提供了大量的协议，作为网络服务，如Telnet、FTP等。第45页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.4基于平面的协议描述三个平面：用户平面、控制平面、管理平面面间关系

这几个平面各有其不同的功能，并都具有相对待独立性;

同时他们又是相互联系的：控制平面和管理平面的信息常常是送到用户平面上与用户信息一起传送的；用户平面上的通信连接是在控制平面的控制下建立、保持与释放的；用户平面和控制平面都要与管理平面交换信息，使管理平面可以实现网络与设备的配置、对网络使用的计费、差错的监测与定位、性能检测和安全管理等。第46页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.4基于平面的协议描述-2平面的概念是由电信业界在研究综合业务数字网ISDN时提出来的。在ISDN规范中提出来的一般性的三平面协议参考模型如下图所示。第47页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.5对协议参考模型的重新思考ITU-T的X.200中建议的协议参考模型在通信网的发展与标准化过程中发挥了巨大的作用；但与此同时，它对各个协议层次功能的具体规范和七个协议层次的安排常常不宜一一照搬。有必要在特定情况下，依据需要灵活地加以应用。可以说在实践中人们只是将它作为一种指导性的原则，而非具体的规范。我们看到实际系统的协议模型（包括上面列举的实际协议模型）很少有完完全全地照搬这一模型来开发的。第48页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.5对协议参考模型的重新思考-2作为一个有通用性的、基本的协议参考模型，X.200是不合适的。它的根本问题是缺乏必要的通用性的，具体讲：实际所需要协议层次可以不是七层；就系统的某一具体层次而言，即使它在总体上与七层模型中的某一层相类似，但具体的功能也可以不与X.200相一致；功能在各协议层次间的分布也可以与此经典参考模型不一致；所设置的条件、定义、限制和一致性要求中有不少在实际上未必适用；第49页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.6全球信息基础设施(GII)的三层资源模型GII建议Y.110中垂直地将GII的服务资源分为以下三个层次：应用：它是由用软件实现的一些应用实体，或者叫应用对象所组成。中间件：它是由用软件实现的一些中间件实体(或者叫中间件对象)所组成。基础件：这是一些使上述应用实体和中间件实体可以执行，并在需要交互操作的实体之间提供透明信息传送到逻辑实体。第50页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.6全球信息基础设施(GII)的三层资源模型-2中间件的基本概念单纯从软件的角度，中间件实体与应用实体并没有本质的差别。差别在于中间件是一些可以为多种应用所共享的软件资源。当一个应用实体刚引入时，它可能与其他应用实体一样是各自相对独立的，应该放在应用层的软件之中，但当它的功能被越来越多的其他应用实体所共享时，它就应该归入到中间件中去。通常中间件是为应用层的一系列应用提供服务的，是一些共享的应用软件。第51页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.7新一代网络发展中的协议参考模型在新一代网络（NGN）的研究中，一些国际标准化机构或工业论坛，曾经提出过其协议模型采用四层的说法，也有三层的说法，但它们的共同点是以IP网络作为主要的传送平台，并将网络的服务控制与传送网络分开。最后，NGN的协议参考模型先粗略地分为两个大层：服务层与传送层。这两个大层都可能再细分为若干层，具体的分法将依据特定的情况进行处理。并将这两个大层都分为三个平面。这样就得到了图3-17的NGN的基本协议参考模型。第52页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.7新一代网络发展中的协议参考模型-2第53页，共56页，2023年，2月20日，星期四需要特别说明的是这里的传送层与经典协议参考模型中的传送层是完全不同的两个概念。经典协议参考模型中的传送功能在NGN的协议参考模型中是处于服务大层之中。NGN的传送层是个大层，它相当于经典协议参考模型中的一到三层。不仅如此，在经典协议参考模型中这