一文搞懂网络OSI网络模型

OSI七层网络参考模型

这就是折磨人多年的OSI七层网络参考模型，之所以是说参考，是因为OSI实际中并不使用这个模型，我们只是把这个模型作为参考，当网络出现问题的时候，可以从一个宏观的角度去分析和解决问题，而且搭建网络的时候并不一定要划分七层,当今互联网广泛使用的是TCP/IP网络模型，它原本只有四层，但是随着人们的不断实践后发现，其实划分为五层更加符合实际

但为什么还老有面试官喜欢问OSI模型呢？，其实OSI七层模型的名字并不难记,七层里的知识才是最复杂的，能把这里面的知识关联起来，遇到问题的时候就能快速的处理和解决，OSI模型的目的其实很简单，就是为了解决主机之间的网络通讯
比方说华为要和苹果电脑互联，但他们是不同的公司，就有点像普通话和英语进行沟通一样没法正常沟通，但是如果大家都统一使用OSI网络模型来沟通，情况就不一样了
假设现在苹果电脑主机用应用搭了一个网站，华为电脑想要访问这个网站就需要通过软件应用了，比如说用浏览器访问这个网站，两个应用具体需要如何进行交互就是应用层的事了，应用层并不是说你需要使用什么样的应用程序，而是应用应该如何沟通，常见的应用层协议就是HTTP协议了，开发者可以根据HTTP协议编写应用程序，使得应用之间得以沟通，应用层就是最接近用户的那一层了，但是应用层只不过是逻辑上把两个应用联通，实际物理上的联通是需要物理层的

物理层

我们要发送出去的数据在计算机里不过是无数个0和1，0或者1就叫做比特
物理层就是要把这些bit用不同的媒介给传输出去，可以用电，用光，或者用其他形式的电磁波来表示和传输信号

数据链路层

数据从网络接口出去以后，会经过不同的网络拓扑，并不是一条线走到底，因此需要中继器和集线器这样的设备

但这样还是不够，信号要去到那台设备是需要定向的，因此需要高级一点的网络模型，在数据链路层这里bit会被封装成帧

帧就是这一层表示数据的特殊名字而已，在封装的时候会加上MAC地址，也就是传说中的物理地址，网卡出场的时候就会拥有全球唯一的MAC地址

为了可以通过MAC地址对不同设备进行数据传输，就出现了交换机，注意，这里说的是二层交换机，比方说这里有一台交换机，连接多台主机，发送端发送数据的时候，交换机就知道了发送端的MAC地址，如果此时交换机也知道接收端的MAC地址，就可以把数据直接发送过去了，物理地址就是这样一跳一跳的进行传递，

网络层

另外因为物理层在传输0和1的时候可能会0变成1，或者1变成0，这时候就需要进行差错检测和一定的差错纠正，另外设备之间的传输能力和接收能力也是个问题，很可能一边喷水式传输，另一边夹缝式接收，因此需要流控制来避免这种传输不对称，我们知道互联网是一张大网，如果仅用MAC地址来作为唯一的寻址方法是不科学的，比如我和你买了同一个厂出产的网卡，我和你的网卡差别仅有一个字母，但我和你的距离相差了十万八千里，物理地址此时就很难做出快速的定位，相当于我有你的名字，但我不知道你住在哪，找不到你，因此需要IP地址来进行寻址和路由选择，IP这样的逻辑地址就是实现端到端的基础了，而不是物理地址那样跳到跳传输
说到路由选择，也就是说，路由器也是网络层的核心，包就是网络层里数据的名字，在封装成二层帧之前就是包，路由器根据包里面的IP地址进行路由转发，地址管理和路由选择就是这一层的核心，

传输层

虽然有MAC和IP地址可以抵达对方主机，但是对方主机可以运行无数多个软件进程，假设我用谷歌和火狐浏览器同时登录网站，如何让数据去到指定的软件服务上，就需要用到端口号作为地址来定位了比如客户端这里生成不同的端口号，但即使同时访问HTTP端口80也是没问题的，根据不同的源端口号来做出相应就可以了，所以传输层（运输层）在网络层的端到端基础上，实现了服务进程到服务进程的传输

段就是传输层里数据的名字，在封装为三层包之前就是段

传输层管理两个节点之间数据的传输，负责可靠传输和不可靠传输，也就是协议TCP和UDP,另外还有一个QUIC，

其中TCP协议，允许应用把字节流分成多份段，而不是整个字节数据完整的发送出去

传输层还有流量控制来确保传输速度，再加上错误控制来进行数据完整的接收

会话层

会话层也比较好理解，比方说你现在登入了某个网站，网站服务可以保持你的登入状态，不用每次都输入账号和密码，当然网站服务会管理和控制登入状态，另外，会话层还负责同步服务，比方说你上次看到电影高潮的时候停电了，再次登入账号的时候，就可以自动同步到上次看到的时间段，

表示层

不同计算机内部的各自表达方式可能不尽相同，表示层就是来负责这样的转换，也就是编码和解码，数据往往还需要进行加密，比方说HTTPS(SSL/TLS)就会对我们的数据进行加密和解密，另外我们可能还需要给文件瘦身，压缩也是这一层负责的，应用层，表示层和会话层的数据统称为应用数据，或者应用负载，也可以叫上层数据，同时也是教科书上说的报文，数据在各层名字分别是报文=》段=》包=》帧=》比特
就地址来说，有端口号，IP逻辑地址，MAC物理地址
就传输功能来讲，有服务进程到服务进程，端到端，跳到跳

了解了各层的作用现在就可以把全部关联起来，客户端要发送数据，也就是报文，报文来到传输层，加上端口号封装成段，段来到网络层加上IP逻辑地址封装成包（这里的包是含有目标IP地址的，毕竟你要知道数据要发送到什么地方，但因为目标IP地址不是同一个网络下的，要发送到其他网络，就需要经过默认网关,现在就出现了个问题，客户端主机最初并不知道默认网关的MAC地址，没有办法封装成帧，这个时候就可以用ARP协议进行广播，找到网关IP对应的MAC地址把包封装成帧，源MAC地址填自己的目标MAC地址填广播地址，
假设当前网络地址有个二层交换机，这个交换机只需要记录下不同的接口对应的MAC地址就好了，交换机收到广播后就帮忙发送出去，人手一份，所以默认网关收到消息后，查看了帧，发现了发送端MAC地址，再解封发现了包里的IP地址，就会把客户端MAC地址和IP地址关联为一台主机，同时默认网关会把自己的IP地址放入包里再结合自己的MAC地址封装成帧，默认网关就这样做出响应，这样原路返回发送端就知道默认网关的MAC地址了，

现在就可以封装成帧，并且发送数据，比特流到了默认网关的时候，解封为帧发现是发送给自己的，再解封为包查看到目标IP地址是在另一网络中的，就会进行路由转发，最终到达目的网络，
如果目的目标的网关知道目标IP地址和MAC地址是那台主机，封装成帧，就可以直接发送过去了，如果不知道也还可以用ARP喊下街就好
目标主机收到包确认是自己的IP地址后，解封查看段，可以发现源端口和目标端口号，用目标端口号给到指定的应用程序，应用程序处理好后，就可以按照源的信息做出响应，回去的原理也是一样的。

文章目录

• 前言

• 一、网络模型

• 二、O

  SI七层网络模型

  • 1.引入库
  • 2.读入数据

• 总结

前言

在互联网技术里，有两件事最为重要，一个是TCP/IP协议，它是万物互联的事实标准；另一个是Linux操作系统，它是推动互联网技术走向繁荣的基石。在网络编程中最重要的模型便是OSI七层网络模型和TCP/IP四层网络模型

1.介绍

七层模型，也称为OSI(Open System Interconnection)参考模型，是国际标准化(ISO)指定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系。

建立七层模型的主要目的是为解决各种网络互联时遇到的兼容性问题。其最大的优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来：服务说明某一层为上一层提供一些什么功能，接口说明上一层如何使用下层的服务，而协议则是如何实现本层的服务。如此各层之间就具有很强的独立性，互联网络中各实体采用什么样的协议是没有限制的，只要向上提供服务并且不改变相临层的接口就可以了。网络七层的划分也是为了使用网络的不同功能模块分担起不同的职责，也就带来如下好处：

• 减轻问题的复杂程度，一旦发生网络故障，可迅速定位故障所处层次
• 在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层的不同网络设备能实现互操作。各层之间相对独立，一种高层次协议可放在多种低层次协议上运行。
• 能有效刺激网络技术革新，因为每次更新都可以在小范围内进行，不需要更改整个系统

2.各层功能

OSI的上面四层(应用层、表示层、会话层、传输层)为高层，为应用程序服务；下面三层(网络层、数据链路层、物理层)为低层，由操作系统支持。

应用层

是最靠近应用程序的OSI层。由用户使用相应的接口实现自己的服务。

协议有：HTTP FTP SMTP等

表示层

数据的表示、安全、压缩。可确保一个系统的应用层所发送的信息被另一个系统的应用层读取。格式有: JPEG、ASCII、加密格式等。

在表示层，数据按照网络能理解的方案进行格式化。管理数据的加密与解密。

会话层

建立、管理、终止会话，对应主机进程，指本地主机与远程主机正在进行的会话。负责在网络的两节点之间建立、维持和终止通信。

会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通信连接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被终端以及通信中断时从何处重新发送。

有人会把会话层称为网络通信得到“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。若你的电话线偶然脱落时，会话层将会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。

传输层

定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验。

协议有：TCP UDP等，数据包一旦离开网卡即进入网络传输层。定义了一些传输数据的协议和端口号，如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据）。主要是讲从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。

OSI模型中最终要的一层。传输协议同时进行浏览控制或是基于接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。除此之外，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个序列号，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。该过程称作排序。

网络层

进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择等。协议有：ICMP IGMP IP ARP RARP等。

在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户量大大增加，网络层正式管理这种连接的层。

OSI模型的第三层，其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。

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到另一个网络节点B的最佳路径。由于网络层处理，并智能指导数据传送，路由器连接网络各段，所以路由器属于网络层。在网络中，”路由“是基于编址方案、使用模式以及可达性来指导数据的发送。

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，是因为它有自已的路由地址结构，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AppleTalk协议。

数据链路层

建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能。将比特组合成字节进而组合成帧，用MAC地址访问介质，错误发现但不能纠正。

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，从网络层接收的数据被分割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检错和控制信息。其中的地址确定了帧将发往何处，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。

数据链路层在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻节点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。作用主要是物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

物理层

建立、维护、断开物理连接。

主要定义物理设备标准，如网线的接口类型，光纤的接口类型，各种传输介质的传输速率等。主要作用是传输比特流（就是有1、0转化为电力强弱来进行传输，到达目的地后在转化为1、0）。

总结

一个设备工作在那一层，关键看它工作时利用哪一层的数据头部信息。网桥工作时，是以MAC头部来决定转发端口的，因此显然它是数据链路层的设备。

物理层：网卡、网线，集线器，中继器，调制解调器

数据链路层：网桥，交换层

网络层：路由器

网关工作在第四层传输层及其以上

没有。

四层模型介绍

TCP/IP协议被组织成四个概念层，其中有三层对应于ISO参考模型中的相应层。ICP/IP协议族并不包含物理层和数据链路层，因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能，必须与许多其他的协议协同工作。
TCP/IP分层模型的四个协议层分别完成以下的功能：
第一层：网络接口层
　　包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。实际上TCP/IP标准并不定义与ISO数据链路层和物理层相对应的功能。相反，它定义像地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）这样的协议，提供TCP/IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口。
第二层：网间层
　　对应于OSI七层参考模型的网络层。本层包含IP协议、RIP协议（Routing Information Protocol，路由信息协议)，负责数据的包装、寻址和路由。同时还包含网间控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）用来提供网络诊断信息。
第三层：传输层
　　对应于OSI七层参考模型的传输层，它提供两种端到端的通信服务。其中TCP协议（Transmission Control Protocol）提供可靠的数据流运输服务，UDP协议（User Datagram Protocol）提供不可靠的用户数据报服务。
第四层：应用层
　　对应于OSI七层参考模型的应用层和表示层。因特网的应用层协议包括Finger、Whois、FTP（文件传输协议）、Gopher、HTTP（超文本传输协议）、Telent（远程终端协议）、SMTP（简单邮件传送协议）、IRC（因特网中继会话）、NNTP（网络新闻传输协议）等。

TCP/IP 协议族常用协议

应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等。

传输层：TCP，UDP。

网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP。

数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU。

重要的 TCP/IP 协议族协议介绍如下：

• IP（Internet Protocol，网际协议）是网间层的主要协议，任务是在源地址和和目的地址之间传输数据。IP 协议只是尽最大努力来传输数据包，并不保证所有的包都可以传输到目的地，也不保证数据包的顺序和唯一。
  • IP 定义了 TCP/IP 的地址，寻址方法，以及路由规则。现在广泛使用的 IP 协议有 IPv4 和 IPv6 两种：IPv4 使用 32 位二进制整数做地址，一般使用点分十进制方式表示，比如 192.168.0.1。
  • IP 地址由两部分组成，即网络号和主机号。故一个完整的 IPv4 地址往往表示为 192.168.0.1/24 或 192.168.0.1/255.255.255.0 这种形式。
  • IPv6 是为了解决 IPv4 地址耗尽和其它一些问题而研发的最新版本的 IP。使用 128 位整数表示地址，通常使用冒号分隔的十六进制来表示，并且可以省略其中一串连续的 0，如 fe80::200:1ff:fe00:1。目前使用并不多！
• ICMP（Internet Control Message Protocol，网络控制消息协议）是 TCP/IP 的核心协议之一,用于在 IP 网络中发送控制消息，提供通信过程中的各种问题反馈。ICMP 直接使用 IP 数据包传输，但 ICMP 并不被视为 IP 协议的子协议。常见的联网状态诊断工具依赖于 ICMP 协议。
• TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是一种面向连接的，可靠的，基于字节流传输的通信协议。TCP 具有端口号的概念，用来标识同一个地址上的不同应用。
• UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一个面向数据报的传输层协议。UDP 的传输是不可靠的，简单的说就是发了不管，发送者不会知道目标地址的数据通路是否发生拥塞，也不知道数据是否到达，是否完整以及是否还是原来的次序。它同 TCP 一样有用来标识本地应用的端口号。所以应用 UDP 的应用，都能够容忍一定数量的错误和丢包，但是对传输性能敏感，比如流媒体、DNS 等。
• ECHO（Echo Protocol，回声协议）是一个简单的调试和检测工具。服务器会原样回发它收到的任何数据，既可以使用 TCP 传输，也可以使用 UDP 传输。端口号为 7 。
• DHCP（Dynamic Host Configration Protocol，动态主机配置协议）是用于局域网自动分配 IP 地址和主机配置的协议，可以使局域网的部署更加简单。
• DNS（Domain Name System，域名系统）是互联网的一项服务，可以简单的将用“.”分隔的一般会有意义的域名转换成不易记忆的 IP 地址。一般使用 UDP 协议传输，也可以使用 TCP，默认服务端口号为53。
• FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）是用来进行文件传输的标准协议。FTP 基于 TCP，使用端口号 20 来传输数据，21 来传输控制信息。
• TFTP（Trivial File Transfer Protocol，简单文件传输协议）是一个简化的文件传输协议，其设计非常简单，通过少量存储器就能轻松实现，所以一般被用来通过网络传输小文件。
• SSH（Secure Shell，安全Shell），因为传统的网络服务程序比如TELNET本质上都极不安全，明文传输数据和用户信息包括密码。SSH 被开发出来避免这些问题，它其实是一个协议框架，有大量的扩展冗余能力，并且提供了加密压缩的通道可以为其他协议使用。
• POP（Post Office Protocol，邮局协议）是支持通过客户端访问电子邮件的服务，现在版本是 POP3，也有加密的版本 POP3S。协议使用 TCP，端口为 110。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）是现在在互联网上发送电子邮件的事实标准。使用 TCP 协议传输，端口号为 25。
• HTTP（Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议）是现在广为流行的 WEB 网络的基础，HTTPS 是 HTTP 的加密安全版本。协议通过 TCP 传输，HTTP 默认使用端口 80，HTTPS 使用 443。