今天，我们详解OSI（Open System Inter-connection Reference Model）模型，来看看工业物联网的网络互联和数据互通。

OSI模型

1984年，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）发布了著名的ISO/IEC 7498标准，它定义了网络互联的7层框架，即开放式系统互联参考模型。OSI参考模型将整个网络分为7层，从底层往上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

现场总线涉及OSI参考模型的第1层（物理层）、第2层（数据链路层）及第7层（应用层）；
工业以太网涉及OSI参考模型的第1、2、7层；对于非实时数据，它也支持TCP/IP通道，此时涉及第3层（网络层）和第4层（传输层）；

想理解网络层次，可以看“詹姆斯·F·库罗斯”与“基思·W·罗斯”合著的《计算机网络：自顶向下方法》。

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1、物理层

物理层是OSI参考模型的底层，主要作用是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便传输比特流，它规定了网络连接的一些电气特性，负责传送0和1信号，物理介质可以是双绞铜线、同轴电缆、多模光纤、无线信道如Wi-Fi、蜂窝等。

2、数据链路层（MAC协议）

数据链路层负责传输电路的0和1信号，由于单纯的数字0和1缺乏实际含义，因此要定义解读方式：多少个0和1为一组，每个信号代表什么含义。这就是链路层的作用，它在物理层之上，将比特组合成字节，进而拼接成帧，确定0和1的分组方式，一个报文帧由若干首部字段和数据字段构成。

成帧功能之外，链路层的作用还包括链路接入、差错检测和纠正、可靠交付。链路接入规定介质访问控制机制，例如采用总线拓扑时，确保同一时刻只能有一个节点向总线发送数据，避免发生冲突。

以太网802.3、无线局域网802.11都属于数据链路层协议，其链路接入机制为大家所熟知的介质访问控制（Media Access Control，MAC）协议。以太网规定接入网络的所有设备须具有“网卡”接口，网卡的身份信息由MAC地址标识，全球唯一，MAC地址长度为6个字节，例如C1:63:9C:1D:6A:D1。

差错检测和纠正指链路层基于硬件电路对传输数据进行校验，信号衰减和电磁噪声干扰导致数据帧中某个值为1的比特在接收方被错误地识别为0，而链路层具有发现错误的能力，必要时还能够纠正错误。可靠交付指链路层通过确认和重传机制保证数据无差错地移动，可靠交付服务通常应用于高差错率的链路，例如无线链路，而对于低比特差错率的链路如有线连接，可靠交付被认为是非必要的，为了减少开销，有些链路层将不提供可靠交付服务。

3、网络层（IP协议）

网络层和传输层以TCP/IP为例进行说明。在以太网构建的网络中，不同的计算机直接通过MAC地址相互识别并交换数据，这在一个小局域网内完全没有问题。假如世界上所有计算机都基于MAC地址识别和交换数据，此时就变得非常困难了，因为MAC地址没有分组的概念，通过MAC地址无法知道计算机是否属于同一个子网络。所有的计算机如果连接在一起，彼此之间要相互通信，不可能采用点对点的方式进行，需要引入网络拓扑，例如树形拓扑。相距较远的两台计算机之间通信时，须在整个网络拓扑中为它们规划一条路径，在树形拓扑中则涉及一级一级向上追溯，最后规划出最优路径。

网络层代表协议——IP引进了一套新的地址体系，使得计算机及网络设备能够快速区分计算机是否属于同一个子网。例如192.168.43.193和192.168.43.22属于同一个子网，192.168.43.193和192.168.22.17则不在同一个子网（如果子网掩码为255.255.255.0），通过IP地址很好识别。网络设备将根据IP地址快速规划出路径，同一个子网内的对话只需基于MAC地址转发，使用交换机网络设备。不在同一个子网的计算机，须通过路由器网络设备将数据转发出去，路由器具备跨网段的数据转发能力。网络层基于逻辑地址寻址，实现网络路径规划，而数据链路层基于硬件地址寻址。

4、传输层（端口通信，TCP、UDP协议）

传输层定义传输数据的协议端口号以及流控和差错校验。有了MAC地址和IP地址，互联网上的任意两台主机之间就能够建立通信了。接下来的问题是，同一台主机上多个应用程序（不同进程）都需要网络访问时，该如何区分数据包是发送给了哪个应用程序呢？传输层建立了端口到端口之间的通信，它通过端口号区分不同的应用程序，例如访问地址http://10.207.228.51:9093，其中9093表示端口号。作为比对，网络层则是建立主机到主机的通信。TCP和UDP是应用最广泛的传输层协议，TCP基于握手连接，发出的数据包要求收方回复确认，UDP则类似于广播，无须建立连接，也无须收方应答，UDP效率高，TCP则更可靠。传输层协议发送数据包时会添加校验信息，接收方使用校验信息检查该报文是否出现差错。

5、会话层 & 表示层

会话层和表示层中的“会话”是两个应用程序进程之间的逻辑连接，两个应用程序之间基于此逻辑连接在一定的时间内交换数据，会话层用于建立、管理和终止会话。表示层用于处理交换信息的表示方式，包括数据格式交换、加密与解密、压缩。会话层的功能可能在传输层就实现了，例如TCP可以管理连接。由于表示层可以合并到应用层中，由应用层负责数据的解析，因此对会话层和表示层的讨论并不多。

6、应用层

应用层收到传输层的数据，接下来要进行解析。由于网络数据来源五花八门，须事先约定好格式，因此应用层规定了应用程序的数据格式。举个例子，TCP为各种应用层传输数据，比如HTTP、SMTP、FTP等，它们都有各自的一套协议规则，分别定义了网页、电子邮件、文件传输时的数据格式，这些均属于应用层范畴，应用层是OSI参考模型的最高一层，直接面向用户。

数据传输步骤

接下来通过以太网加TCP/IP，将数据在网络各层的流动串联起来。如下图，主机A打算发一段文本消息给主机B，此文本为网络传输的有效数据载荷。

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应用层将这段文本按一定格式打包好，往下传递给传输层；
传输层在应用层报文的基础上加上它的头部字段，其中包括主机A的端口号（源端口号）和主机B的端口号（目标端口号），往下传递给网络层；
网络层在传输层报文的基础上添加它的头部字段，包括主机A的IP地址（源IP地址）和主机B的IP地址（目标IP地址），往下传递给数据链路层；
数据链路层在网络层报文的基础上添加主机A的MAC地址和主机B的MAC地址；
报文帧最后通过物理层发送出去。

通过数据链路层完成最后封装的报文帧格式如图：
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交换机和路由器的区别

假如主机A和主机B不在同一个子网内，主机A通过交换机连接它所在的局域网，交换机工作在OSI参考模型的第二层——基于MAC地址转发消息，它在数据链路层将报文帧的以太网帧头部分解析出来，获得目标机的MAC地址。由于交换机发现目标机和主机A不在同一个子网内，因此交换机将此报文帧重新封好并转发到它的一个输出端口，所有跨网段的报文帧都将转发到这个输出端口，这个输出端口与路由器相连，路由器工作在OSI参考模型的第三层——基于IP地址转发消息，它在网络层将报文帧的IP头部解析出来，获得目标机的IP地址，路由器通过IP地址判断此报文帧应通过某个端口转发给主机B，报文到达主机B时，主机B的接收过程是从物理层开始，通过一层层解析，最后在应用层收到主机A发送的文本消息。