一、一个值得思考的问题两台计算机要进行通信中间涉及多少个环节物理连接、信号编码、数据封装、地址寻址、路由选择、差错控制、流量管理、会话维护、数据加密……每一个环节都需要有明确的规则。如果把这些规则全部揉在一起任何修改都会牵动全局系统将变得极其脆弱。国际标准化组织ISO在1977年成立专门委员会研究通信体系结构并于1984年正式提出了OSIOpen System Interconnection参考模型即开放系统互联参考模型。这个模型的核心贡献在于将计算机网络通信的复杂过程划分为七个层次每一层负责解决一组特定的问题层与层之间通过标准接口交互。二、分层的基本逻辑2.1 为什么需要分层网络通信涉及的问题非常复杂。不分层的后果是任何技术更新都需要重新设计整个系统。分层的核心思路把“远距离通信”这个大问题拆成若干可以独立解决的小问题。每一层只做一件事层与层之间互不干扰。如果你想升级物理传输方式从网线改成光纤只需要改动最下面的两层上层协议完全不需要调整。这就是工程学的基本方法大问题切分成小问题小问题逐个解决。2.2 分层的三个关键概念OSI模型明确区分了三个概念概念含义服务Service某一层为上一层提供什么功能接口Interface上一层如何使用下层的服务协议Protocol如何实现本层的服务这种区分使得各层之间具有很强的独立性——只要向上提供相同的服务且不改变相邻层的接口每层内部采用什么协议是不受限制的。2.3 对等层通信在OSI模型中数据并不是从一端的第n层直接传到另一端的第n层。数据在发送端自上而下逐层传递直至物理层在物理层的两个端点进行实际通信称为实通信而对等层之间的通信是逻辑上的称为虚拟通信。物理上每一层只与相邻的上下两层直接通信。逻辑上对等层之间通过协议进行对话。三、OSI模型各层详解OSI七层模型由低到高排列如下层级名称数据单位7应用层数据Data6表示层数据Data5会话层数据Data4传输层数据段Segment3网络层数据包Packet2数据链路层数据帧Frame1物理层比特流Bit低三层物理层、数据链路层、网络层主要负责数据交换和传输构成通信子网高四层传输层、会话层、表示层、应用层主要负责信息处理服务构成资源子网。3.1 物理层Physical Layer物理层是OSI模型的最底层负责在物理介质上传输原始比特流0和1的序列。主要工作定义机械特性插接件规格、针脚定义定义电气特性信号电压、电平标准定义功能特性各针脚的作用定义过程特性连接的建立、维持和拆除典型规范RJ45接头、网线规格、以太网物理层标准。3.2 数据链路层Data Link Layer数据链路层在物理层提供的不可靠传输基础上通过组建数据帧、实现帧同步、检错重发、流量控制等手段保证相邻节点之间可靠的数据传输。主要工作封装成帧把比特流组织成帧FrameMAC寻址使用MAC地址标识同一局域网内的设备差错控制CRC校验、重发错误帧流量控制协调发送和接收速度典型协议PPP、HDLC、以太网协议。典型设备交换机。3.3 网络层Network Layer网络层负责将数据包从源端传输到目的端核心功能是寻址和路由选择。主要工作逻辑寻址使用IP地址在全球范围内标识设备路由选择决定数据包从源到目的地的最佳路径拥塞控制防止网络过载分片与重组适应不同网络的最大传输单元MTU典型协议IP、ICMP、OSPF、BGP、RIP。典型设备路由器。3.4 传输层Transport Layer传输层是第一个端到端主机到主机的层次。它在网络层的基础上为上层提供端到端的通信服务。主要工作端口寻址使用端口号区分同一主机上的不同应用程序数据分段与重组将上层数据分割成适合传输的段Segment差错控制检测并恢复传输错误流量控制防止发送方发送过快连接管理建立和释放端到端连接两种服务模式服务类型特点代表协议面向连接TCP可靠、有序、需建立连接TCP无连接UDP不可靠、无序、无需连接UDP典型协议TCP、UDP、SPX。3.5 会话层Session Layer会话层负责建立、管理和终止应用程序进程之间的会话通信对话。主要工作会话建立与拆除对话控制确定通信方向全双工、半双工、单工同步控制在数据流中插入校验点便于故障后恢复实际应用中会话层的功能往往由应用程序自行管理或被传输层和表示层吸收。3.6 表示层Presentation Layer表示层解决不同系统之间数据格式的差异问题。主要工作数据格式转换如ASCII与Unicode互转数据加密与解密数据压缩与解压缩实际应用中表示层的功能通常被整合到应用层或操作系统层面。3.7 应用层Application Layer应用层是OSI模型的最高层直接为应用程序提供网络服务接口。主要工作为应用程序提供网络服务定义应用程序之间的通信规则典型协议HTTP网页、HTTPS加密网页、FTP文件传输、SMTP邮件发送、DNS域名解析、Telnet远程登录。四、数据在七层中的流动当数据从发送端传输到接收端时流动过程如下发送端自上而下应用层用户数据形成应用层报文加上本层控制信息表示层/会话层依次添加各层控制头部传输层将数据分段添加TCP/UDP头部含端口号网络层添加IP头部含源IP和目的IP数据链路层添加MAC头部含源MAC和目的MAC物理层将帧转换为比特流通过物理介质发送接收端自下而上物理层收到比特流后逐层上送每层移除对应的控制头部最终将原始数据交给应用程序。每一层只处理自己负责的信息然后把数据交给上一层。五、OSI模型与TCP/IP模型的对比在互联网实际运行中TCP/IP模型才是事实标准。OSI七层模型更多被用作教学参考框架。OSI七层模型TCP/IP四层模型说明应用层、表示层、会话层应用层TCP/IP合并了上三层传输层传输层功能基本相同网络层网际层IP协议在此层数据链路层、物理层网络接口层TCP/IP合并了下两层两者的关键区别在于OSI模型是一个独立于协议的通用框架而TCP/IP模型是解决实际通信问题的具体实现。TCP/IP将OSI中分散在多个层的功能如数据加密、会话管理归入应用层因此在排查问题时定位具体原因可能会更困难一些但作为实际运行的协议栈TCP/IP已经过大规模验证和长期使用。写在最后OSI七层模型是理解计算机网络通信的最佳入门框架。它的价值不在于“实际运行中是按这个模型来的”而在于它提供了一种理解网络通信的系统性方法。掌握了这个框架你就能理解每一层在做什么、为什么需要这样设计。当你打开浏览器访问网页时数据从应用层的HTTP请求开始逐层向下封装经过物理层发送出去到达服务器后再逐层向上解封装。整个过程涉及七个层次的协同工作最终页面呈现在你眼前。