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3. 开放系统互连参考模型

3. 开放系统互连参考模型. 开放系统互连参考模型（ OSI/RM ： O pen S ystems I nterconnection R eference M odel ) 是由国际标准化组织( ISO) 提出和定义的计算机网络 国际标准 。. OSI 目标：全世界遵循这一标准的计算机都能很方便的进行互连和交换数据 。 RM: 只说明了做什么（ WHAT TO DO ）而未规定怎样做（ HOW TO DO ），即 OSI/RM 只是一个参考 模型 ，它不是 网络 协议，它也不去规定每层应该采取什么协议. ISO ：国际标准化组织 OSI ：开放系统互连.

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3. 开放系统互连参考模型

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  1. 3. 开放系统互连参考模型 开放系统互连参考模型（OSI/RM ：Open Systems Interconnection Reference Model ) 是由国际标准化组织(ISO)提出和定义的计算机网络国际标准。 • OSI目标：全世界遵循这一标准的计算机都能很方便的进行互连和交换数据。 • RM:只说明了做什么（WHAT TO DO）而未规定怎样做（HOW TO DO），即 OSI/RM只是一个参考模型，它不是网络协议，它也不去规定每层应该采取什么协议 ISO ：国际标准化组织OSI ：开放系统互连 注意:

  2. 数据单元 应用层协议 7 应用层 应用层 APDU server FTP 表示层协议 6 PPDU 表示层 表示层 会话层协议 5 会话层 会话层 SPDU 运输层协议 TPDU 数据段 4 运输层 运输层 内部子网 协议 P3 P3 3 网络层 网络层 网络层 分组 网络层 P2 P2 2 数据链路层 数据链路层 数据链路层 帧 数据链路层 P1 P1 1 物理层 物理层 物理层 比特 物理层 主机B server 主机A 路由器n 路由器1 端系统 OSI参考模型 通信子网 中继系统

  3. OSI Layers and Locations Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Repeater/HubSimply copypackets out RouterForward usingnetwork layeraddresses Bridge/SwitchFull fledgedpacket switch:use dst addrto route Host Host

  4. 1.交换机属于哪一层的设备? 一般所说的交换机属于2层交换----链路层设备 但有的交换机具有路由功能(路由交换机)----网络层设备 因此,不能简单地说交换机属于哪一层的设备,要根据具体问题而定 需要说明的问题

  5. 2.路由器属于哪一层的设备? 第3层？ 第7层？ 需要说明的问题

  6. Basic Architectural Components 信控管理平台：需要所以7层的协议 Congestion Control Signaling (Reservation) Admission Control Control Plane Routing Output Scheduling Data Plane Switching Policing 数据平台：负责数据传输,只需要路由、转发等功能，所以只需要低三层协议 带外信令的概念 （Out-of-band Signaling)

  7. 带内信令传输：控制信号与用户数据在同一信道（通常指频段、频带）内传输带内信令传输：控制信号与用户数据在同一信道（通常指频段、频带）内传输 带外信令传输：控制数据与用户数据在不同的信道（频段、频带）内传输（即控制信号在传输数据的频带以外传输，故称“带外”信令传输） 计算机网络技术中借用（引伸）了带内、外信令的概念，用以描述网络用户数据与网络控制和管理数据在网络内传输方式的异同，但缺少完整的定义。 本课程的定义：如果通信子网中，网络控制信息和/或管理信息的传输和交换与用户数据传输与交换所使用的物理通信介质（物理线路、通信信道、或波长）不同，或者尽管它们所使用物理介质相同,但信息交换涉及的网络协议层次（或协议栈）或平台（Platform)不同，这一通信子网便称为使用“带外信令传输技术”的通信子网，或简称“带外信令子网”；否则称为使用“带内信令传输技术”的通信子网，或简称“带内信令子网”。 带外信令的概念

  8. L7 Application 用户 系统层 L6 Presentation L5 Session L4 Transport Network Layer L3 Data Link Control L2 Physical Layer L1 7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 软件 由软件实现 （面向通信用户） 资源子网的任务 衔接 网络 主要由硬件实现 （完成传送服务） 通信子网任务 数据 通信网

  9. 4. OSI/RM要点 分层、层接口、层功能、服务、协议、服务访问点、对等通信、物理通信

  10. 系统 A 系统 B N+1层服务 应用层 应用层 N+1层 协议实体 N+1层 协议实体 表示层 表示层 会话层 会话层 IDU 第N+1层 对等协议 SAP 传输层 传输层 SDU H N 层 协议实体 网络层 网络层 第N层 IDU 数据链路层 数据链路层 SAP 物理层 物理层 SDU 第N-1层 物理介质 N-1层服务 ISO/OSI 模型 开放系统参考模型 N层功能

  11. 实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 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。 实体、协议、服务和服务访问点

  12. 实体、接口、服务、服务访问点的关系 第n+1层实体（服务用户） 服务访问点SAP （唯一标识） n/n+1接口 第n层实体 （服务提供者）

  13. 面向连接服务(connection-oriented) 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。 无连接服务(connectionless) 两个实体之间的通信不需要先建立好连接。 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”(best effort delivery)或“尽力而为”。 面向连接服务与无连接服务

  14. 服务 • 下层为上层提供的服务用一组原语（Primitive）来描述，称为服务原语。 • 服务原语分为4类：请求、指示、响应、证实 • 大多数原语带有参数，以明确服务的具体要求，实现实体双方的协商（negotiation）。服务有“有证实（Confirmed）”和“无证实（Unconfirmed）”之分。有证实的服务用到请求、指示、响应和证实4个原语，而无证实的服务只用到请求和指示2个原语。 • 单个服务访问点（SAP – Service Access Point)用“状态变迁图”（State Transition Diagram）来描述；对一对服务访问点之间的状态变迁关系用“时序图”（Time Sequence Diagram）来描述。

  15. 原语类型 英文对照 含 义 请求 request 一个实体希望得到完成某些操作的服务 指示 indication 通知一个实体，有某个事件发生 响应 response 一个实体对某个事件作出响应 证实 confirm 返回对先前请求的响应 Service user (Layer N) Service user (Layer N) Service provider (Layer N-1) x.request x.indication data para data para (N-1) PDU x.response x.conform (N-1) PDU CONFIRMED SERVICE ONLY OSI服务原语

  16. 服务原语实例 （1）CONNECT.request：请求建立连接。 （2）CONNECT.indication：向被呼实体指示连接请求。 （3）CONNECT.response：被呼方用以表示接受或拒绝连接请求。 （4）CONNECT.confirm：通知呼叫方建立连接的请求是否被接受。 （5）DATA.request：请求发送数据。 （6）DATA.indication：表示数据的到达。 （7）DISCONNECT.request：请求释放连接。 （8）DISCONNECT.indication：通知对等实体释放的要求。 在本例中，CONNECT是有证实的服务（需要有明确的答复），而DISCONNECT是无证实服务（不需要答复）。

  17. CONNECT.response （连接响应） CONNECT.request （连接请求） CONNECT.confirm （连接证实） CONNECT.indication （连接指示） PDU 假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信……建立连接 A小姐，请拨B幢电话 请讲吧 A大爷，B奶奶请你讲话 老人A 老人B B奶奶，有您的电话！ 电话员A 电话员B B幢 A幢

  18. 假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信……通话假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信……通话 晚上睡不着…… 我也是…… 你好！ 我很好，有事吗？ DATA.request和DATA.indication （数据请求和指示——通话） 老人A 老人B 电话员A 电话员B B幢 A幢

  19. 假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信……结束通话假设，两座楼上有两位行动不便的老人（服务用户）要进行通信……结束通话 今天就讲到这里吧，再见！ DISCONNECT.request （断连请求） 老人A 老人B A大爷，B奶奶跟你拜拜了 DISCONNECT.indication （断连指示） 电话员A 电话员B B幢 A幢

  20. N-Service Primitive N-Service Primitive Layer N Entities Layer N Entities N-PDU …… N-PDU Layer N Protocol (N-1)-Service Primitive (N-1)-Service Primitive 服务与协议的关系 服务与协议是完全不同的两个概念，但二者常常被混淆。 • Service – says what a layer does • Interface – says how to access the service • Protocol – says how is the service implemented

  21. 对等通信示例：中德教师之间的对话 中国教师 德国教师 “你好” “Hallo” 对交谈内容的共识 实际上，数据不是从一台机器的第n层直接传送到另一台机器的第n层，而是把数据和控制信息层层下传，直到最低层。第一层下面是物理介质，实际数据通信是在它的上面进行。 P3 翻译 翻译 “Hello” “Hello” 用英语对话 P2 秘书 秘书 电话/传真 电话/传真 使用电话/传真通信 P1 物理通信线路 问题： • 中国教师与德国教师之间、翻译之间，他们是在直接通信吗？ • 翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？ • 中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务？

  22. 网络 1 网络 2 R A B 应用程序 应用程序 TCP/UDP TCP/UDP IP IP IP 数据链路 数据链路 数据链路 数据链路 物理层 物理层 物理层 物理层 网络 2 网络 1 路由器 R 主机 B 解除数据链路帧的封装 主机 A 生成一个数据包 数据包到达 对端的应用 解除 IP 包的封装 • 计算 B 的物理地址 PB • 数据链路帧封装 解除传输层的封装 1. IP 层封装 传输层封装 解除数据链路帧的封装 IP 选路 F-H IP-H T-H Data • 计算 R 的物理地址 PR • 数据链路帧封装 + A -> B Data IP-H T-H Data IP-H T-H Data + T-H Data T-H Data IP-H T-H Data F-H IP-H T-H Data Data + F-H 目的 IP 地址 = B IP-H T-H Data 1.取出目的 IP 地址 目的地址 = B 2.确定传送的下一站 下一站 = B + 2.确定传送的下一站 F-H IP-H T-H Data 目的物理地址 = PB 目的物理地址 = PR 下一站 IP 地址 = R 物理通信

  23. 不同站点的对等实体之间所交换的信息,都是按照相应的协议进行的.这些信息传递单元称为PDU. N层的PDU表示为(N)PDU.一个PDU由两部分组成： 协议控制信息PCI(Protocol Control Information):报头 协议头部中含有完成数据传 输所需的控制信息:如地址、 序号、长度、分段标志、 差错控制信息、… 用户数据UD (N)PCI (N)UD (N)PDU (N-1)PDU (N-1)PCI (N-1)UD 协议数据单元PDU

  24. 数据封装 数 据 协议头 一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程称为封装。 封装就是在数据前面加上特定的协议头部。 数 据 类比：发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，还要写明用航空或挂号…。 下图是一个现实生活中的数据封装的实例

  25. 他们要退货 我们希望 经理们 经理 经理 退货 的想法 尊敬的John: 尊敬的John: 由于...方面 由于...方面 的原因 的原因 公司之间的 秘书 正规书信 我们希望 秘书 我们希望 退货 退货 FAX#... FAX#... 尊敬的John: 收发人员 尊敬的John: 由于...方面 收发人员 利用信函、 由于...方面 的原因 传真等传 的原因 递的公文 我们希望 我们希望 退货 退货 信道 图 协议层次结构与数据封装实例

  26. 应用层首部 运输层首部 H5 网络层首部 H4 H5 应 用 程 序 数 据 链路层 首部 链路层 尾部 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 H2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 T2 计算机1向计算机2发送数据 注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次 计算机1 计算机2 AP2 AP1 应 用 程 序 数 据 5应用层 5 应 用 程 序 数 据 4 传输层 4 3 网络层 3 2 链路层 2 1 物理层 1 10100110100101 比 特 流 110101110101

  27. Application Layer(应用标准化（应用协议，如电子邮件、文件传输等)） OSI各层功能总结 Presentation Layer(数据表示。转换数据格式，加密和解密;压缩/解压) Session Layer(会话管理:连接的建立与维护，同步,错误恢复和事务操作） Transport Layer(用户之间端到端传输。应用多路复用、分组和重装、拥塞控制、流量控制差错控制) Network Layer(数据在通信子网内的传输：报文转发、地址规划、路由选择，计费管理、流控、拥塞控制） DataLink Layer(负责数据在链路上的传输：帧定义、组帧、错误检测和校正、流量控制，介质访问控制） Physical Layer（底层硬件，比特信号的物理传输，解决物理层的四大特性问题）

  28. OSI参考模型 通信过程（比喻）

  29. OSI参考模型实际通信过程 实际通信过程要复杂得多……

  30. OSI参考模型实际网络通信过程

  31. 物理层原理 • 接口与介质的物理特性 • 比特的表示 • 数据速率 • 同步 • 线路配置 • 物理拓扑 • 传输方式 物理层负责在物理介质上传输比特流。 线缆:光纤,同轴电缆,双绞线(屏蔽,非屏蔽),无线电,卫星 接口:RS232,RJ45,BNC……

  32. 链路层 链路层 链路层 IMP IMP A B 网络层 传输层、会话层 表示层、应用层 网络层次结构总结 物理层的主要任务：通过遵守物理层的四大特性，实现比特信号在信道上的传输。 线缆:光纤,同轴电缆,双绞线(屏蔽,非屏蔽),无线电,卫星 接口:RS232,RJ45,BNC…… • LANs:Ethernet, Fast Ethernet,G-Ethernet,Token Ring,FDDI,ATM • WANs:Voice/H.321/HDLC/PPP/Frame Relay/SDLC/ISDN • 协议: Internet IP, Novell IPX,IBM SNA, Apple AppleTalk, Banyan Vines,Digital DEC net 协议: FTP, TFTP, RTCP; NCP, UDP, NetBIOS 应用协议：Telnet,FTP, WWW,NNTP,SMTP, POP3,IMAP,SNMP……

  33. Internet体系结构—如何分层？ Example1 ---- Chat with QQ qq Application process Host Network hardware

  34. Example1 ---- Chat with QQ Application programs Host-to-host connectivity Internetwork connectivity Hardware interface 4层结构 应用层 主机-主机层 （传输层） 网际互连层 （网络层） 网络 接口层

  35. 5. Internet体系结构 应用层 表示层 会话层 传输层 TCP UDP 网络层 数据链路层 物理层 TCP/IP体系结构与OSI体系结构的比较： TCP/IP模型 PDU OSI模型 应用层 Telnet FTP DNS HTTP SMTP Message（报文） 传输层 Segment（段） 网际互联层 IP (ICMP、ARP、RARP) Packet（分组） 网络接口层 CSMA/CD Token Ring Token Bus Frame（帧） Hardware Bit（比特）

  36. server FTP IP IP Ethernet Driver 以太 网卡 TCP/IP 四层结构 FTP client FTP server Application (网络应用:ftp, smtp, http) Transport TCP TCP (端-端 通信) Network (路由,转发,互连) IP IP Network interface Ethernet Driver Ethernet Driver (设备驱动与接口卡)

  37. HTTP FTP IP Telnet DNS whois RIP NNTP finger IGMP ARP SMTP TCP/IP protocol suite UDP POP3 TCP OSPF RARP IMAP SNMP RTP/RTCP TFTP and many more... BOOTP LDAP ICMP TCP/IP 协议集 • TCP/IP 协议集的主要协议是TCP和IP，除此之外还有许多其他协议。 • 也称为： Internet Protocol Suite(Internet协议集)U.S. Department of Defense (DoD) Protocol Suite 各种应用 各种传输协议 IP 各种子网技术

  38. FTP TELNET HTTP NFS SNMP SMTP 。。。 应用层 TFTP DNS 。。。 主机主机 层 TCP UDP 网间网层 ICMP IP IGMP ARP RARP 网络 接口层 EtherNet, Token Ring, Token Bus, FDDI, PPP/SLIP, X. 25 TCP/IP协议族中的应用层协议

  39. What uses TCP? HTTP, FTP, Telnet, SMTP, NNTP, IMAP, POP3, BGP What uses (mainly) UDP? SNMP, NTP, BOOTP,TFTP,RIP,NFS, RTP (streaming media, IP telephony, teleconferencing), multicast applications Some protocols can use both,e.g. DNS

  40. Everything over IP IP可为各式各样的应用程序提供服务 IP over Everything IP可应用到各式各样的网络上 沙漏计时器形状的TCP/IP协议族 … … 应用层 HTTP SMTP DNS RTP TCP UDP 运输层 IP Over Ethernet（IPoE） IP over ATM（IPoA） IP over X.25 IP over Frame Relay（IPoFR） 网际层 IP 网络接口层 … 网络接口3 网络接口2 网络接口1

  41. 因特网的多媒体体系结构 信令 声音/视像 服务质量 应 用 层 协 议 SDP H.323 SIP RTSP RSVP RTCP RTP TCP UDP IPv4/IPv6 PPP PPP AAL 3/4 AAL 5 PPP Ethernet ATM 以太网 SDH/SONET ATM 调制解调器

  42. TCP/IP数据封装--发送数据:数据封装 应用层 表示层 端口号 会话层 数据 数据段 Segment 源IP+目的IP＋上层协议 传输层 传输层报头 数据 分组 Packet 网络层 网络层报头 数据 源MAC+目的MAC 数据链路层报头 数据 数据帧 Frame 数据链路层 将数据帧转换成高低电平，即“0”或“1”代码 比特 Bit 物理层 0101110101001000010 协议数据单元

  43. e.g. 多媒体数据的封装与传递过程

  44. 每一层: 分布“实体” 在各节点实现各层功能 对等实体之间相互通信,交换报文 network link physical application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical 逻辑通信

  45. data 从应用层接受数据 加上地址、校验码等信息，构成 “数据报” ack data data • 发送数据报到对等层 等待接收对等层的应答。 逻辑通信 application transport network link physical transport 以传输层对等通信为例: network link physical application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical transport

  46. network link physical application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical application transport network link physical data data 物理通信

  47. OSI与TCP/IP的比较 • OSI模型有3个主要概念：服务、接口、协议；TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议。因此，OSI模型中的协议比TCP/IP参考模型的协议具有更好的隐藏性。 • OSI模型先有模型而无任何参照协议，因此一些功能最初不知放入到哪一层；但TCP/IP模型先有协议后有模型，协议与模型匹配较好。 • OSI模型有7层，而TCP/IP模型只有4层。 • OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信，TCP/IP模型在网络层网络层只有无连接服务，但传输层支持无连接和面向连接的通信。

  48. OSI模型的优缺点 OSI模型的优点：结构严谨、科学、完备，是计算机网络的法律上的(de jure)国际标准 OSI模型的缺点： • 糟糕的提出时机 • 在TCP/IP协议出现商机之后提出，无发展空间。 • 糟糕的技术 • 表示层和会话层没有实现，数据链路层和网络层出现新的子层； • 效率低下，低层过分强调可靠性，忽略了高效的无连接服务； • 一些功能特性无法确定层次归属； • 概念模型由通信专家制定不适合计算机和软件工作方式。 • 糟糕的实现 • 糟糕的策略

  49. TCP/IP的优缺点 TCP/IP参考模型的优点：从体系结构上看, Internet的4层结构比OSI/RM的7层结构简单, 也没有OSI/RM中复杂的“服务”定义，制订的时机合适, 在实践中它明显地占了上风—既成事实的网络标准(de facto) TCP/IP参考模型的缺点：结构不严谨、不科学、 不完善。 在实践中不断发现问题，不断完善----打补丁。

  50. 互联网从其出现开始就开始了改进和演化的进程。IETF接受各种建议草案，以RFC方式制定发布标准。这是互联网的一种渐进式的演化，RFC的内容涉及改进互联网的QoS、安全、多播、会晤、流媒体、移动性乃至地址空间（IPv6）等各个方面。互联网从其出现开始就开始了改进和演化的进程。IETF接受各种建议草案，以RFC方式制定发布标准。这是互联网的一种渐进式的演化，RFC的内容涉及改进互联网的QoS、安全、多播、会晤、流媒体、移动性乃至地址空间（IPv6）等各个方面。 互联网的渐进式的演化

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