OSI体系结构

定义

OSI体系结构即开放系统互连参考模型,是一种描述电信或计算系统通信功能的概念模型,它把通信系统拆分为若干抽象层,而不规定各系统内部的具体结构与技术^[1]。该模型最初的版本设置了7个层次,由下至上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层^[3]。每一层都为上一层提供服务,同时接受下一层提供的服务,同一层的两个实体之间则通过该层的协议进行逻辑上的横向交往^[4]。

在体系中,下层对上层的支持通过服务定义来描述,而上层实体调用下层服务时传递的数据单位称为服务数据单元,下层再为其加上控制信息封装成本层的协议数据单元^[4]。这种划分使各层的功能相对独立,修改某一层的实现通常不影响其他层,也为不同厂商设备的互联提供了共同的参照^[1]。

原理

OSI体系结构的核心机制是分层与封装。发送方数据从应用层出发逐层向下传递,每经过一层,该层便在其前面加上本层的控制头,数据链路层还会附加尾部,最终在物理层以比特流的形式送上传输介质^[5]。接收方则方向相反,从物理层开始逐层拆去对应的头部,把载荷交给上一层,直至还原为应用层可以处理的信息^[5]。

从功能分工看,下3层即物理层、数据链路层和网络层主要承担数据在介质与网络之间的传输,与通信子网相关;上3层即会话层、表示层和应用层面向应用程序的处理需求;传输层位于两者之间,起到承上启下的衔接作用^[5]。物理层规定机械、电气、功能和规程特性,数据链路层把比特组成帧并处理差错,网络层负责逻辑寻址与路径选择,传输层提供端到端的传输控制与差错处理^[2]。会话层建立、管理和终止会话,表示层负责数据表示、压缩与加解密的转换,应用层则是用户程序接入通信系统的接口^[4]。

OSI模型中各层协议数据单元的大小关系可用分段表示,当上层数据单元超过下层可承载的长度时需要拆分:$\left|(N)\text{-PDU}\right| = \left\lceil \frac{\left|(N+1)\text{-PDU}\right|}{\left|(N)\text{-SDU}\right|} \right\rceil$,其中 $N$ 为层号^[6]。需要注意的是,实际实现并不总按严格的上下相邻顺序调用,例如隧道技术会把下层协议承载在应用层协议之上^[4]。

发展历程

20世纪70年代中期,霍尼韦尔信息服务公司的技术负责人查尔斯·巴克曼(Charles Bachman)所在小组为支持数据库系统的分布式访问,于1977年提出了一个7层结构模型,内部称为分布式系统体系结构^[3]。同一年,英国标准化协会向国际标准化组织提议制定分布处理之间通信基础设施的标准体系结构,ISO随后设立专门委员会推进相关工作,巴克曼提交的7层方案成为专委会收到的唯一草案^[3]。

1978年3月,ISO的相关专委会在华盛顿开会,与会专家认可这一分层结构能够满足开放系统的大部分需求并具备扩展能力,当年发布了临时版本,1979年经细化后形成最终版本^[3]。与此同时,国际电报电话咨询委员会(CCITT)也在制定类似的网络模型文件,两个机构经过多年协调,于1983年将两份文件合并为开放系统互连基本参考模型的标准^[1]。

1984年,该标准由ISO以ISO 7498发布,并由CCITT以其X.200建议书的形式发布,后者对应机构现为国际电信联盟电信标准化部门^[1]。ISO 7498系列后续还扩展出安全体系结构、命名与寻址、管理框架等分册,形成了较为完整的标准族。

应用

OSI体系结构最主要的作用是提供一套与厂商无关的参照框架。以该模型为基本框架,可以构建由不同厂家设备组成的通信网络系统,许多产品在设计上向OSI的分层思路靠拢并声明与OSI兼容^[1]。在教学与技术文档中,7层划分常被用来定位具体协议和设备所处的功能位置,例如路由器工作在网络层,中继器和集线器属于物理层的设备^[7]。

在工程实践中,互联网使用的TCP/IP协议栈通常借助OSI的层次概念来描述:其应用层约相当于OSI的应用层、表示层和大部分会话层,传输层对应OSI传输层,网际层是OSI网络层的子集,链路层则涵盖OSI的数据链路层与物理层^[4]。诊断网络故障时,按层逐级排查的思路也源自这种分层结构,从物理连接、链路、寻址直到应用服务依次检验^[8]。

OSI标准族还包含一系列具体协议规范,如文件传送访问与管理(FTAM)、X.400电子邮件、公共管理信息协议(CMIP)等,它们分别定义在相应的层次上^[4]。此外,ISO 7498-2确立的安全体系结构与ITU-T X.800建议书引入了面向多层的安全服务概念,用于提升传输数据的保密性、完整性与可用性^[4]。

局限

OSI模型是一个概念性框架,并不等同于可直接部署的协议实现,其本身除抽象的服务规范外并未规定编程接口,计算机内部的套接字等软件接口由各实现自行决定^[4]。因此以OSI为蓝本制定的协议族并未在市场上取得与TCP/IP相当的地位,当前实际网络中只使用了该模型的一部分^[9]。

关于模型描述的严格对等分层,现实协议并不总遵循。TCP/IP体系刻意不把协议僵硬地固定在严格层次中,其规范RFC 3439 甚至专门讨论了分层带来的问题^[4]。部分路由协议和隧道协议在使用上跨越了模型中假定的上下层关系,例如PPPoE把链路层协议承载在另一个链路层协议之上,一些虚拟专用网系统则把链路层或网络层协议运行于应用层协议之上^[10]。

7层划分中的会话层和表示层在实际协议栈里很少单独实现,其功能多被并入应用层或传输层,这也使该模型在与TCP/IP对照时需要进行层级的近似映射而非一一对应^[4]。此外,安全、管理等横跨多层的功能并不专属于某一层,按层划分难以完整刻画这类需求,通常需借助X.800等独立框架补充说明^[4]。

参见

• TCP/IP —— 互联网实际采用的协议体系,常与OSI的7层结构作对照。

• 物理层 —— OSI模型的最底层,规定传输介质与信号的物理、电气特性。

• 国际标准化组织 —— 制定并发布OSI参考模型标准的国际机构。

• 国际电信联盟 —— 以X.200建议书形式发布同一模型文本的标准组织。

• 因特网协议 —— 工作在OSI网络层位置的核心协议,承担寻址与转发。