第二章 OSI 层次模型

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第二章OSI 层次模型


本章目标通过本章的学习，您应该掌握以下内容 :• 掌握 OSI 分层模型• 描述数据在源和目标设备间的传送过程• 清楚集线器 , 交换机和路由器工作在网络的第几层 • 在网络中担当的角色和功能• 懂得在什么情况下该用什么样的设备


标准化组织 ISO

ISO: 国际标准化组织 ( International Organization for Standardization )OSI: 开放系统互联模型 ( open system interconnection )早期不同厂商之间的网络是不可以进行互联的， 20 世纪 70年代后期，为了解决这个问题，国际标准化组织 ISO 就推出了 OSI 模型希望不同供应商的网络之间能够相互协同工作，但迄今为止，这仍然是一个伟大的目标！


OSI 模型简介OSI 模型描述了数据和网络信息怎样从一台机通过介质传送到下一台帮助不同类型的主机实现相互之间的数据传输，比如 UNIX 主机和 PC 或 MAC 进行数据传输为创建并实现联网标准设备和网际互联方案提供了一个框架


OSI 参考模型有 7 层

数据流层传输层

数据链路层网络层

物理层

应用层 ( 高 )

会话层表示层应用层

负责主机之间的数据传输

负责网络数据传输

Application layer

Presentation layer

Session layer

Transport layer

Network layer

Datalink layer

Physical layer


应用层

用户接口

1.OSI 参考模型的最高一层 ,它提供人机交互用户界面 . 2. 用户与计算机进行实际通信的地方3. 提供用户接口

应用层完全与程序相关，包括定义文件的读取复制打开关闭等例子：协议： http ftp 程序：浏览器 IM 电子邮件系统等


2. 提供编码和转换加密等特殊处理过程例如：数据的加密解密也是在这一层上完成的

• 数据表示• 加密等特殊处理过程

例子表示层

表示层

功能：1. 为应用层提供数据并负责数据转换和代码的格式化例如：应用程序上所制作出的数据不一定符合网络传输的标准编码格式。所以在这个层中的主要操作是：将来自本地端应用程序的数据格式转换成为网络的标准格式，然后交给下面的传输层进行处理。所以这个层级上面主要定义的是网络服务或程序之间的数据格式转换。


表示层举例

我们在电脑里面存储的各种各样的数据如 word pdf 文档以及JPG 格式的图片，和 MP3 格式的音乐。他们在电脑中存储的形式都是 01010101 这样的形式，但是我们用不同的软件打开这个文件，就会得到不同的界面，比如听到声音以及看到图片。这些都是因为表示层的缘故，相应的软件，把内存中的

010101 代码转换成了我们需要的视频或者音乐例子： jpg ascII mp3


保证不同应用间的数据区分会话层

会话层

功能：1. 建立管理和终止表示层实体之间的会话连接2. 在设备或结点之间提供会话控制3.保证不同应用之间的数据区分4.确定网络服务建立连接的确认例如 TCP 的三次握手5.三种通信方式组织协调通信过程单工全双工半双工

我们用 PC 打开多个网络应用时候，数据不会错乱


概念介绍单工：通信双方中，一方固定为发送端，一方则固定为接收端。信息只能沿一个方向传输，使用一根传输线。半双工：通信使用同一根传输线，既可以发送数据又可以接收数据，但不能同时进行发送和接收。数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因此半双工模式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线。例如：对讲机全双工 : 数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力，就和电话一样。在全双工模式中，每一端都有发送器和接收器，有两条传输线，可在交互式应用和远程监控系统中使用，信息传输效率高。


数据流层传输层

网络层

数据链路

物理层


传输层

功能：将数据分段并重组为数据流在互联网发送方主机和目的方主机之间建立逻辑连接提供端口对端口的传输服务提供可靠 TCP 和不可靠 UDP 的传输服务


传输层面向连接的可靠协议传输层可以是无连接或者是面向连接的面向连接服务的主要特点有：面向连接服务要经过三个阶段：数据传数前，先建立连接，连接建立后再传输数据，数据传送完后，释放连接。面向连接服务，可确保数据传送的次序和传输的可靠性。无连接服务的特点是：无连接服务只有传输数据阶段。消除了除数据通信外的其它开销。只要发送实体是活跃的，无须接收实体也是活跃的。它的优点是灵活方便、迅速，特别适合于传送少量零星的报文，但无连接服务不能防止报文的丢失、重复或失序。区分 "面向连接服务 "和 "无连接服务 "的概念，特别简单、形象的例子是：打电话和写信。两个人如果要通电话，必须先建立连接 --拨号，等待应答后才能相互传递信息，最后还要释放连接 --挂电话。写信就没有那么复杂了，地址姓名填好以后直接往邮筒一扔，收信人就能收到。


传输层面向连接的可靠协议

1. 流量控制防止发送主机和接收主机之间产生缓冲溢出导致数据丢失。例如当一台主机收到了大量的数据报，速度太快来不及处理，则会将数据存储在被称为“缓冲区”的内存单元中，如果数据报持续泛滥，设备的内存最终被耗尽，则会丢包。流量控制可以解决这个问题，它不会让资源耗尽而引起数据丢失，而是发送一个“没有准备好”的指示给发送方，当接收方处理完已经在缓冲区的数据段之后，他会发出一个已经准备好的传输指示。当发送方主机接到这个指示之后，就可以恢复数据传输


面向连接的可靠协议

2. 面向连接的通信：一台想要传送数据的设备通过创建一个会话，与远程设备建立起面向连接的通信。例如 TCP 的三次握手


概念介绍

TCP 的三次握手：第一次握手：建立连接时，客户端发送 syn 包 (syn=j) 到服务器，并进入 SYN_SEND状态，等待服务器确认； SYN ：同步序列编号 (Synchronize Sequence Numbers)。第二次握手：服务器收到 syn 包，必须确认客户的 SYN （ ack=j+1 ），同时自己也发一个 SYN 包（ syn=k ），即 SYN+ACK 包，此时服务器进入 SYN_RECV 状态；第三次握手：客户端收到服务器的 SYN+ACK 包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1) ，此包发送完毕，客户端和服务器进入 ESTABLISHED 状态，完成三次握手。


同步请求回应同步请求 , 同步请求

回应同步请求

数据传输( 传输数据段 )

发送方接收方

连接建立连接建立

可靠的传输层功能


面向连接的可靠协议

3.窗口机制发送方主机在没有收到对所传数据的确认时，被允许发送的数据段的数量，称为窗口


网络层作用：提供逻辑地址，转发数据包和选择数据走向工作过程 1. 接口接受数据包 2. 检查 IP 头部的目的地址 3. 如果不是本地则查找路由表 4. 如果表中无此条目则丢弃若有则选择出口 5. 接口把数据包封装成帧 6. 发送出本地网络


网络层两种类型的包

数据包：用来在网络中传送用户数据路由更新包：向相邻路由器通告连接到网络的所有路由器的更新信息路由协议主动路由协议 : RIP RIPv2 EIGRP OSPF被动路由协议： IP IPV6


数据源地址目标地址IP头

172.15.1.1主机号网络号

逻辑地址

网络层的数据包

网络层功能 (续 )

网络层地址由两部分地址组成：网络地址和主机地址。网络地址是全局唯一的。IP 地址的相关问题以后会详细介绍


定义• 物理地址 MAC• 与帧关联的高层协议 SAP

(Service Access Point)• 网络拓扑 • 数据流控制

数据链路

层物理

层 EIA/TIA-232v.35

Ethe

rnet

Fram

e R

elay

HD

LC

802.2

802.3

数据链路层功能


数据链路层作用：提供数据的物理传输将数据封装为帧使用硬件寻址方式 (MAC) 地址两个子层MAC ：定义了数据怎样在介质上传输LLC ：负责识别网络层协议然后封装子层协议 802.2


MAC 子层MAC 子层（media access control): 负责 MAC寻址和定义介质访问控制方法MAC 子层一般的访问控制方式：1。争用式：大家抢占信道冲突不可避免解决方法 CSMA/CD 载波侦听多路访问； FCFS （ first come first service)2。轮流式：访问时间可预见，不发生冲突延迟大所以目前争用式是主流


数据源地址 FCS长度目标地址可变长266 4

0000.0C xx.xxxx

厂商自己分配IEEE 分配

MAC 子层 - 802.3前导符

Ethernet II 在这里用 “ Type”指明上层协议，所以不用 802.2.

MAC 地址

8# 字节

数据链路层功能 (续 )


MAC 地址介绍第三层网络层负责 IP 地址，第二层数据链路结层则负责MAC位址。因此一个主机会有一个 IP 地址，而每个网络位置会有一个专属于它的MAC位址。 MAC 地址也应该是全球唯一的。长度为 48比特由十六进制数字组成

前 24位是我们不能用的叫做 OUI 厂商标识符，


LAN与数据链路层IEEE802 标准：定义了系列局域网标准• IEEE802.1 基本局域网问题• IEEE802.2 定义 LLC 子层• IEEE802.3 以太网标准• IEEE802.4 令牌总线网• IEEE802.5 令牌环网


WAN与数据链路层WAN 数据链路层标准：• HDLC • PPP• ISDN• X.25• Frame Relay


数据链路层

或1 2 3 1 24

交换机和网桥运行在链路层


交换机

• 每个端口一个冲突域• 广播信息向所有端口转发这是我们所不希望看到的通过 vlan 可以解决• 支持 VLAN

缓冲区交换


定义• 传输介质类型•连接器类型 • 信令类型

Ethe

rne t

802.3

V.35

物理层 EI

A/T

IA-2

32

物理层功能


物理层功能作用： 1. 发送和接受比特流 2. 直接与各种类型的介质进行通信

DCE: 数据通信设备连接运营商DTE ：数据终端设备连接本地


物理层介质

同轴电缆（ coaxial cable）：细缆和粗缆带宽均为 10M 只是传输距离不同双绞线（ twisted pair）：UTP （非屏蔽双绞线）STP（屏蔽双绞线）双绞线常见的有 3类线 5类线和超 5类线，以及最新的 6类

三类：该电缆的传输频率 16MHz ，最高传输速率为 10Mbps （ 10Mbit/s ），主要应用于语音、 10Mbit/s 以太网（ 10BASE-T ）和 4Mbit/s令牌环，最大网段长度为 100m ，采用 RJ形式的连接器，目前已淡出市场五类：线缆最高频率带宽为 100MHz ，最高传输率为 100Mbps ，用于语音传输和最高传输速率为

100Mbps 的数据传输，主要用于 100BASE-T 和 1000BASE-T 网络，最大网段长为 100m ，采用RJ形式的连接器。这是最常用的以太网电缆。

超五类 :主要用于千兆位以太网


物理层介质无线（ wireless）：蓝牙 Blue Tooth 工作频段 2.4GHZ

数据传输速率 1Mbps

WLAN技术采用 802.11标准，后续会有详细介绍比如 802.1B G N


物理层介质

光纤（ fiber）单模多模区别：单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在 100Mbps 的以太网以至这行的 1G千兆网，单模光纤都可支持超过 5000m 的传输距离。


物理层设备

集线器中继器


对等层通信

Host A Host B

APDU

PPDU

SPDU

Segment

Packet

Frame

Bit

应用层表示层会话层传输层网络层

数据链路层物理层

应用层表示层会话层传输层网络层

数据链路层物理层

每一层利用下一层提供的服务与对等层通信；每一层使用自己的协议。


封装与解封装封装（ encapsulate/encapsulation ）：数据要通过网络进行传输，要从高层一层一层的向下传送，如果一个主机要传送数据到别的主机，先把数据装到一个特殊协议报头中，这个过程叫 -----封装封装分为：切片和加控制信息解封装：上述的逆向过程


上层数据

LLC 头 + IP + TCP + 上层数据MAC 头IP + TCP + 上层数据LLC 头

TCP+ 上层数据IP 头

上层数据TCP 头

0101110101001000010

传输层

数据链路层

物理层

网络层

表示层应用层会话层

封装过程

LLC 头IP 头

FCS

FCS


上层数据

LLC 头 + IP + TCP + 上层数据MAC 头

IP + TCP + 上层数据LLC 头

TCP+ 上层数据IP 头

上层数据TCP 头

0101110101001000010

传输层

数据链路层

物理层

网络层

表示层应用层会话层

解封装过程


Cisco 分层网络模型

核心层

分布层

接入层

核心层提供高速的交换基础设施并且通常不操纵分组内容 .

分布层提供接入层各核心层之间的边界 .

接入层通常通过交换机和集线器提供用户到网络的初始连接 .


层次结构的优点核心层主要承担高速数据交转发的功能功能：核心层将多个汇聚层连接起来，为汇聚层的网络提供高速的分组转发，为整个网络提供一个高速安全具有服务质量保障能力的数据传输环境核心层与主干网络互联提供城市的宽带 IP 数据出口核心层交换机提供用户访问 Internet 所需要的路由服务


网络平台的层次结构汇聚层承担路由与流量汇聚的功能功能： 1. 汇接接入层的用户流量，进行数据分组传输的汇聚转发交换 2. 根据接入层的用户流量进行本地路由过滤流量均衡以及安全控制等 3 根据处理结果把用户流量转发到核心层，或在本地路由进行处理


网络平台的层次结构接入层用户接入与本地流量的控制

作用：解决的是“最后一公里”的问题它通过各种接入技术，连接最终用户它为所覆盖范围内的用户提供访问 Internet 以及其他的信息服务


本章总结通过本章的学习，您应该掌握以下内容 :• 掌握 OSI 层次模型各层的主要功能• 描述数据在源和目标设备间的传送过程• 清楚集线器、交换机和路由器在网络中担当的角色和功能；懂得在什么情况下该用什么样的设备

第二章 OSI 层次模型

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