昌晖自动化浅谈OSI模型

2016/10/21 8:14:04 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/1099.html

OSI模型,即开放式通信系统互联参考模型,是国际标准化组织(ISO)提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互联为网络的标准框架。OSI模型分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层,昌晖仪表在本文对这七个层的作用及工作原理做简单介绍。

OSI/RM协议是由ISO(国际标准化组织)制订的,它的基本功能是:提供给开发者一个必需的、通用的概念以便开发完善、可以用来解释连接不同系统的框架。根据标准,OSI模型分七层,见图1,用这些规定来实现网络数据的传输。
OSI模型
图1  OSI模型 
1、物理层(Physical Layer)
OSI模型的最底层或第一层。该层包括物理联网媒介,如电缆连线连接器,主要是对物理连接方式、电气特性、机械特性等做一些规定,制订相关标准,这样大家就可以按照相同的标准开发出通用的产品,很明显直流24V与交流220V是无法对接的,因此就要统一标准,大家都用直流24V吧,至于为什么采用24V呢?您就当是争执各方妥协的结果吧。所以,这层标准解决的是数据传输所应用的设备标准的问题。

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。尽管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。用户要传递信息就要利用一些物理媒体,如双绞线、同轴电缆等,但具体的物理媒体并不在0SI的7层之内,有人把物理媒体当做第0层,物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接,以及它们的机械、电气、功能和过程特性。如规定使用电缆和接头的类型、传送信号的电压等。在这一层,数据还没有被组织,仅作为原始的位流或电气电压处理,请注意,我们所说的通信仅仅指数字通信方式,因此,数据的单位是比特(位-bit)。

2、数据链路层(Datalink Layer) 
OSI模型的第二层。它控制网络层与物理层之间的通信,解决的是所传输的数据的准确性的问题。

数据链路层的主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。为了保证传输,从网络层接收到的数据被分制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,它不仅包括原始数据,还包括发送方和接收方的物理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。如果在传送数据时,接收点检测到所传数据中有差错,就要通知发送方重发这一帧。

数据链路层的功能独立于网络与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Word、Excel或使用Internet。有一些连接设备,如交换机,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。该层的作用包括物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。数据链路层协议的代表包括SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等,这些协议规定了不同的检验或容错规则,使数据传输准确可靠。因此数据链路层具有检验功能,它制订了各种方法和数据分割手段,用以保障物理层和网络层直接数据传输的准确性和可靠性。

如何保障数据传输过程不出差错呢?

3、网络层(Network Layer) 
OSI模型的第三层。网络层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,它解决的是寻址和优化传输路径问题。

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,而路由器不仅连接网络各段,还智能指导数据传送,属于网络层。在网络中,“路由(router)”基于编址方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。网络层负责在源机器和目标机器之间建立它们所使用的路由。这一层本身没有任何错误检测和修正机制,因此,网络层必须依赖于端端之间的由DLL提供的可靠传输服务。网络层用于本地LAN网段之上的计算机系统建立通信,它之所以可以这样做,是因为它有自己的路由地址结构,这种结构与第二层机器地址是分开的、独立的,这种协议称为路由或可路由协议。路由协议包括IP、Novell公司的IPX以及Apple Talk协议。

网络层是可选的,它只用于当两个计算机系统处于不同的由路由器分割开的网段这种情况,或者当通信应用要求某种网络层或传输层提供的服务、特性或者能力时。例如,当两台主机处于同一个LAN网段的直接相连这种情况,它们之间的通信只使用LAN的通信机制就可以了(即OSI参考模型的一二层)。

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4、传输层(Transport Layer) 
OSI模型中最重要的一层。传输协议同时进行流量控制,或是根据接收方可以接收数据的快慢程度,规定适当的发送速率,解决的是传输效率和能力的问题。

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。工作在传输层的二种服务是TCP/IP协议套中的TCP(传输控制协议),另一项传输层服务是IPX/SPX协议集的SPX(序列包交换)。

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5、会话层(Session Layer)

会话层负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信,在这一层协议中,可以解决节点连接的协调和管理问题。

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。有人把会话层称作网络通信的“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服务器上的会话层就会向你与你的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。

6、表示层 (Presentation Layer) 
表示层是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,这种格式化也因为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。例如,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、视频、文本等文件格式信息进行解码和编码,解码与编码的目的是使数据量变小,例如MPEG和JPEG等。

7、应用层(ApplicationLayer)
应用层是负责提供数据接口标准,应用程序使用这个标准就可以使用网络服务。术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特别应用程序,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。

对于OSI模型的理解有一个比较恰当的比喻,我们还是应用一个直观的示例来解释一下吧。有这样一个原则,计算机的所有算法和功能都是在模仿人类的管理经验,因此它是对人类管理经验的实现和快速处理。比如我们公司和你们公司有业务联系,我们的老板想要与你们的老板进行沟通,要是我们个人之间可能打个电话或者发个E-mail就解决了,但是公司之间如果这样做就显得不正式,或者沟通不可靠,那怎么办呢?就必须遵守管理流程,我们老板(应用层Application Layer)可能会先写个意向性的文档之类的东西,说明一下他的想法、目的,然后交给秘书或助理(表示层Presen-tation Layer),助理把这份文档变成公文形式,这样显得较为正式,也体现出大公司的管理水准,然后他把这份公文转交到下一层部门-事务部(会话层Session Layer),事务部在处理各种公司事务的同时,按照优先级规定,停下手中的工作,优先把这份公文装订或者装入信封,然后通过可靠的人员(传输层Transport Layer)送到邮局或快递公司(网络层Network Layer),邮局或快递公司的工作人员(数据链路层Datalink Layer)通过分拣工作,把公文按地址要求装箱(物理层Physical Layer),最后送到目的地,这个目的地也是一个邮局或快递公司,然后再通过分拣一送达一整理一上交一阅读,把我们公司的工作按相反的顺序执行一遍,你们老板就收到了我们老板的信函。

小贴士:看似简单的一件事,其实需要很多复杂的过程配合,需要遵守管理制度,这样才能最可靠、最快速。

也许你可能会认为这样做不是更麻烦吗?其实这样的管理方法才能有效、安全、快速地把事情办好,这就是管理的作用,而计算机运用高速的处理能力去完成这样的事情就显得轻而易举了,计算机的广泛应用确实提高了我们的管理水平和效率。当然了,也不是毎个管理都包含所有过程的,它可以根据需要进行优化,现场总线就不是应用全部0SI模型内容的协议,比如FF总线仅仅由物理层、数据链路层、应提交、处理等工作,实现各自的商业价值。随后再昌晖仪表网介绍的FF总线、Profibus总线、HART协议、CAN总线都是基于OSI模型的。
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