1.3　网络协议模型

1.3.1　OSI网络协议模型

要保证在复杂网络环境下的可靠工作是很复杂的事情，将各种功能分层处理，各层职责任务明确，能够降低网络系统开发难度，增加其可靠性，基于这样的思想，出现网络的多层结构模型。

在网络中的三个经常提及的基本概念：服务（Service）、接口（Interface）、协议（Protocol），三者关系如图1-13所示，服务是下层提供给上层的功能，接口是上层使用下层功能的使用方式，以各种功能调用的方式使用；协议则是节点间的同层功能间的约定。

OSI（Open System Interconnection）是国际化标准组织ISO（International Standard Organization）在网络通信方面所定义的开放系统互连模型，1978 年ISO定义了这样一个开放协议标准。有了这个开放的模型，各网络设备厂商就可以遵照共同的标准来开发网络产品，最终实现彼此兼容。OSI结构如下。

（1）物理层（Physical Layer）

这是整个OSI参考模型的最底层，是整个网络的基础，它的任务就是提供网络的物理连接。物理层建立在物理介质上（而不是逻辑上的协议和会话），它提供的是机械和电气接口。主要包括电缆、物理端口和附属设备，如双绞线、同轴电缆、RJ-45接口、串口和并口等在网络中都是工作在这个层次的。

物理层提供有关数据单元顺序化、数据同步和比特流在物理媒介上的传输手段。

（2）数据链路层（Datalink Layer）

数据链路层是建立在物理传输能力的基础上，以帧为单位传输数据，它的主要任务就是进行数据封装和数据链接的建立。封装的数据信息中，地址段含有发送节点和接收节点的地址，控制段用来表示数据连接帧的类型，数据段包含实际要传输的数据，差错控制段用来检测传输中帧出现的错误。

数据链路层的功能包括：数据链路连接的建立与释放、构成数据链路数据单元、数据链路连接的分裂、定界与同步、顺序和流量控制和差错的检测和恢复等方面。

（3）网络层（Network Layer）

网络层解决的是网络与网络之间，即网际的通信问题，而不是同一网段内部的事。网络层的主要功能是提供路由，即选择到达目标节点的最佳路径，并沿该路径传送数据包。除此之外，网络层还要能够消除网络拥挤，具有流量控制和拥挤控制的能力。网络边界中的路由器就工作在这个层次上，现在较高档的交换机也可直接工作在这个层次上，因此它们也提供了路由功能，俗称“第三层交换机”。

IP地址是网络层的核心，路由器工作是基于节点的IP地址，而不是MAC地址。网络层关注是否找到目标节点（建立连接路径），而报文是否到达目的节点，是否被对方正确接受，则是上一层——传输层所关注的。

网络层的功能包括：建立和拆除网络连接、路径选择和中继、网络连接多路复用、分段和组块、服务选择和流量控制。

（4）传输层（Transport Layer）

传输层解决的是数据在网络之间的传输质量问题，它属于较高层次。传输层用于提高网络层服务质量，提供可靠的端到端的数据传输，如常说的QoS就是这一层的主要服务。这一层主要涉及的是网络传输协议，它提供的是一套网络数据传输标准，如TCP协议。

传输层的功能包括：映像传输地址到网络地址、多路复用与分割、传输连接的建立与释放、分段与重新组装、组块与分块。

（5）会话层（Session Layer）

会话层利用传输层来提供会话服务，会话可能是一个用户通过网络登录到一个主站，或一个正在建立的用于传输文件的会话。

会话层的功能主要有：会话连接到传输连接的映射、数据传送、会话连接的恢复和释放、会话管理、令牌管理和活动管理。

（6）表示层（Presentation Layer）

表示层负责在不同的数据格式之间进行转换操作，以保证一个系统应用层发出的数据能被另一个系统的应用层读出，从而实现不同计算机系统间的信息交换。如果通信双方用不同的数据表示方法，它们就不能互相理解。表示层就是用于屏蔽这种不同之处。

表示层的功能主要有：数据语法转换、语法表示、表示连接管理、数据加密和数据压缩。

（7）应用层（Application Layer）

这是OSI参考模型的最高层，它解决的也是最高层次，即程序应用过程中的问题，它直接面对用户的具体应用。应用层包含用户应用程序执行通信任务所需要的协议和功能，如电子邮件和文件传输等，在这一层中TCP/IP协议中的FTP、SMTP、POP等协议得到了充分应用。

ISO/OSI模型是一个理论模型，在实际网络系统中都遵循分层思想，但与之不尽相同。最具影响力和应用最广泛的是TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议）模型，TCP/IP 由四个层次组成：网络接口层、 网间网层、传输层、应用层，互联网层下面的网络接口层，TCP/IP并没有真正描述，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接。TCP/IP与ISO/OSI模型的对应关系如图1-14所示。

1.3.2　数据链路层与数据封装

数据链路层是OSI模型的第2层，该层协议处理两个由物理通道直接相连的相邻节点之间的通信，保证其点到点（或点到多点）的正确传输。

数据链路层协议提高数据传输的效率，为其上层提供透明的无差错的通道服务，让高层协议免于考虑物理介质的可靠性问题，而把通道看做无差错的理想通道。

数据链路层的主要功能有：数据链路的建立、维护和拆除；数据成帧（信息格式、数量、顺序编号）；收发同步、收发确认、收发流量调节；传输差错控制，包括防止信息丢失，重复和失序的方法。检测差错一般采用循环冗余（CRC）等校验，纠正差错采用计时器恢复和自动请求重发等技术。

一个报文是由若干个字符组成的完整的信息。直接对冗长的报文进行检错和纠错，不但原理和设备十分复杂，而且效率很低，往往无法实际采用。通常把报文按照一定要求分块，每个块加上一定的头信息，指明该块的源地址和目的地址、属于哪个报文、是该报文的第几个块，是否属于报文的第一个或最后的子块。这样的块称为包或分组（packet）。

在相邻两点间（或主机与节点间）传输这些包时，为了差错控制，还要加上一层 “封皮”，就构成了帧（frame）。这层封皮分头尾两部分，把数据包夹在中间。当帧从一个节点传到另一个节点后，帧的头尾被用过后取消，数据包的内容原封不动。若收到帧的节点还要把该包传至下一节点，另加上新的头尾信息。因此，帧是数据链路层的传输单位。数据链路层协议又称为帧传送协议。

数据链路是在两个网络节点之间保证数据正常交换的通路，相邻节点间传输一个帧可能出现的差错有位出错、帧丢失、帧重复、帧顺序错等。

链路层协议要针对这些情况加以解决，保证所传送信息在内容上、顺序上都正确。位出错的分布规律及出错位的数量很难限制在预定的简单模式之中，一般采用漏检率极其微小的CRC检错码再加反馈重传的方法解决。帧丢失是通信线路受较长时间的连续干扰，通信设施的瞬间失效或通信双方失去同步造成的，而帧重复和帧顺序错则是反馈重传方法带来的副作用。为了发现帧丢失、帧重复及帧顺序错等错误，通常采用给帧进行编号来解决。

发送方数据链路层的具体工作是接收来自高层的数据，并将它加工成帧，然后经过物理通道将帧发送给接收方。帧包含头、尾，控制信息、数据、校验信息等部分，校验信息、头、尾部分一般由发送设备的硬件实现，数据链路层不必考虑其实现方法。当帧到达接收站时，首先检查校验信息。若校验信息错，则向接收计算机发出校验信息错的中断信息；若校验信息正确，确认无传输错误，则向接收计算机发送帧正确到达信息；接收方的数据链路层应检查帧中的控制信息，确认无误后，才将数据部分送往高层。

数据的正确性检查工作主要在第二层——数据链路层完成，针对校验没能够发现的错误，在网络的上层也会发现其含义的错误。

另外，物理连接与数据链路连接是有区别的。数据链路连接是建立在物理连接之上的。一个物理连接生存期间允许多个数据链路生存期。数据链路连接释放时，物理连接不一定要释放。

IEEE 802委员会将OSI参考模型中数据链路层细分为介质访问控制（MAC）层、逻辑链路控制（LLC）层两个子层。

MAC子层主要负责对总线的“交通”管理，总线占用情况监控、奇偶校验等，CSMA/CD就是MAC功能。

与媒体接入无关工作的功能都放在LLC子层。如上层数据的成帧，收发帧的差错控制（校验位、自动重复、缓存），帧的接受，上层服务请求。

在LLC 子层的上面看不到具体的局域网，即局域网对LLC子层是透明的。只有在MAC子层才能看见所连接的是采用什么标准的局域网。

LLC层协议定义了对等LLC层实体之间进行数据通信的服务规范，提供了两种服务：不确认无连接服务和面向连接的服务，并且还定义了网络层与LLC层接口和LLC层与MAC层接口。

LLC子层帧结构主要包含 DSAP、SSAP、Control、Information字段，其中DSAP（Destination Service Access Point目的访问服务点，8位比特）字节和SSAP（Source Service Access Point源访问服务点，8位比特）字节，用以标示上层协议。有了SAP，节点就能在LLC层只用一个接口同时服务于几个高层协议。Control为8或16位比特的控制字段，Information为传输的真正内容。

图1-15给出数据在网络传输时的封装过程，发送方应用层数据向下层层封装，并可能形成分组报文，各个分包加上该层的报文头和报文尾。在接收端的处理是相反的过程，应用程序就会得到对方正确的数据。可以看出，LLC头不是被再次封装在里面，而是根据局域网的具体形式（CSMA/CD、令牌总线等）被翻译为MAC头，最后以二进制码发送。

1.3.3　各种控制网络与OSI对照

对于工业控制网络而言，单个节点的监控信息量不大，而实时性要求较高，所以很少有完全采用OSI七层协议的应用，都是在OSI的模型基础上进行了简化。而且由于控制网络的结构相对简单，不是真正意义上的不规则网络，多采用总线结构或在总线结构基础稍做变形，所以OSI中的3～6层一般在控制网络中都被省去。图1-16是各种最为常见的控制网络与OSI的对应关系，其中Modbus只是应用层的协定，CAN只提供物理层和数据链路层的功能。