OSI7层网络模型详解

简介

先上网图:

OSI7层模型

OSI7层模型是open system interconnection 开放式系统互联参考模型，注意是参考模型，在实际生活中并未全部实现（现实使用的是TCP/IP4层模型），但是不妨碍我们通过OSI7层模型去了解网络通讯原理。OSI7层模型分别为如下7层:应用层（Application）、表示层（Presentation）、会话层（Session）、传输层（Transport）、网络层（Network）、数据链路层（Data Link）、物理层（Physical）。

正文

1. 物理层

OSI的物理层包含的是基础设施，它让网络通信变成可能。这一层规范是有关传输介质的，这些规范通常也参考了其他组织制定的标准。连接头、帧、帧的使用、电流、编码及光调制等都属于各种物理层规范中的内容。物理层常用多个规范完成对所有细节的定义。示例：Rj45，802.3等。

  1. 技术分类

这一层中有很多技术——从物理网络设备、布线到电缆如何连接到设备之间的一切。另外，如果我们不需要电缆，那么信号的类型和传输方式是什么（例如，无线宽带）。我没有列出第一层中的各种技术，而是为这些技术创建了一个更大的分类：

  • 节点（设备）和网络硬件: 设备包括集线器、中继器、路由器、计算机、打印机，等等。这些设备内的硬件包括天线、放大器、网卡（NIC，Network Interface Card）等等。
  • 设备接口机制: 电缆如何连接到某个设备，以及连接到设备上的哪个地方（电缆连接器和设备插座）？连接器的大小和形状如何，它有多少个引脚？决定引脚处于活动状态还是非活动状态的东西是什么？
  • 功能和程序逻辑: 连接器中每个引脚的功能是什么——发送还是接收？决定事件顺序，以便节点能够开始与第二层上的另一个节点通信的程序逻辑是什么？
  • 电缆协议和规范: 以太网（CAT）、USB、数字用户线（DSL，Digital Subcriber Line）等。规范包括最大电缆长度、调制技术、无线电规范、线路编码和位同步（下文还有更多）。
  • 电缆类型: 选择有屏蔽或非屏蔽双绞线、非双绞线、同轴电缆等。从这里了解更多电缆类型。
  • 信号类型: 基带一次一个比特流，就像铁路一样——只支持单向。宽带同时包含多个比特流，就像双向高速公路一样。
  • 信号传输方法（可能是有线的或无线的）: 选择包括电（以太网）、光（光纤网络、光纤）、无线电波（802.11 WiFi，a/b/g/n/ac/ax 变种或蓝牙）。如果是无线的话，则要考虑频率：2.5 GHz 还是 5 GHz。如果是有线或以太网的话，则还要考虑网络标准，例如 100BASE-T 和相关标准。
  1. 数据格式

这一层，数据单位是比特（bit）,注意这里的比特（bit）是指数据信息的概念，而实际传输过程中可能是电平信号或者脉冲信号： 比特是可传输数字信息的最小单元。比特是二进制的，要么为 0 要么为 1。字节（byte）由八个比特组成，用于表示单个字符，比如字母、数字或符号。 根据硬件设备支持的数据速率（传输速率，每秒或每毫秒的比特数量），比特被发送到硬件设备或从设备发出。这个过程是同步的，从而保持单位时间内发送和接收比特的数量相等（这被称为比特同步）。比特的传输方式由信号的传输方式决定。 节点可以发送比特、接收比特，或者收发兼顾。如果节点只能收或只能发，那么该节点采用的就是单工模式。如果节点既可以收又可以发，那么该节点采用的就是双工模式。如果一个节点可以同时进行收发操作，那么它就是全双工的，否则就是半双工的。 最初的以太网是半双工的。如果采用了正确的设备，现在也可以选择全双工的以太网。

  1. 常见问题

这一层容易出现的问题，如果这一层出了问题，第一层以上的任何东西都不会正常工作。

  • 电缆失效，例如电线损坏或连接器损坏
  • 网络硬件设备故障，例如电路损坏
  • 东西正被拔出（我们都遇到过……）

PS

2. 数据链路层

数据链路层定义了数据的传输格式、可以在节点间流动的数据量大小、数据流动可以持续的时长，以及在流中检测到错误时应采取的措施。而这些协议与被讨论的各种介质有关，示例：ATM，FDDI等。数据链路层允许局域网内的各节点彼此相互通信。这一层建立了线路规划、流量控制和错误控制的基础。

  1. 技术分类

这一层的技术分类简单点来说：

  • 线路规划: 谁应该交流多久？节点传输信息的时间应该持续多久？
  • 流量控制: 应该传输的数据量是多少？
  • 错误控制-检测和校正。 从电尖峰脉冲到卑鄙的连接器，所有的数据传输方法都有可能出错。一旦第二层的技术告知网络管理员有关第二层或第一层的问题，系统管理员就能为后续几层纠正那些错误。第二层主要关心的是错误检测，而不是错误校正。

并且第二层内有两个截然不同的子层:

  • 介质访问控制层（MAC，Media Access Control）： MAC 子层负责分配硬件标识号，这个标识号被称为 MAC 地址，它能够唯一标识网络上的各个设备。两个设备不应该有相同的 MAC 地址。MAC 地址在硬件制造时就分配好了，位于网卡当中，大多数网络都会自动对其进行识别。交换机会跟踪网络上所有的 MAC 地址。
  • 逻辑链路控制层（LLC，Logical Link Control）: LLC 子层处理帧的寻址以及流量控制。速度取决于两个节点之间的链路，例如以太网或 Wifi。
  1. 数据格式

第二层的数据单元是 帧（frame）, 这层数据数据传输是真正意义上的数据信息: 每一帧都包括一个帧头、主体和一个帧尾：

  • 帧头：通常包括源节点和目的节点的 MAC 地址。
  • 主体：由要传输的比特组成。
  • 帧尾：包括错误检测信息。当检测到错误时，根据实现或网络的配置或协议，帧可能被丢弃，或者错误会被报告给上面的层，用于进一步错误校正。例如，错误检测机制的有循环冗余校验（CRC，Cyclic Redundancy Check）和帧校验序列（FCS，Frame Check Sequence）。从这里了解更多有关错误检测技术的信息。

帧的大小通常有一个最大值，这个值被称为最大传输单元（MTU，Maximum Transmission Unit）。巨型帧的大小超过了标准的 MTU，从这里了解更多有关巨型帧的信息。

  1. 常见问题
  • 物理层上发生的所有问题
  • 两个节点间的连接（会话）不成功
  • 成功建立但又间歇性失败的会话
  • 帧冲突

PS:

3. 网络层

这层作用是建立主机与主机的连接，是对端到端的包传输进行定义，它定义了能够标识所有节点的逻辑地址，还定义了路由实现的方式和学习的方式。为了适应最大传输单元长度小于包长度的传输介质，网络层还定义了如何将一个包分解成更小的包的分段方法。示例：IP，IPX等。在这一层，数据的单位称为数据包(packet)。路由器是网络层的主力——它们是在第三层中必不可少，路由器不仅通过连接到网络服务提供商（ISPs，Internet Service Providers）提供因特网访问，还跟踪着所在网络中的一切（记住交换机跟踪的是一个网络中所有的 MAC 地址），它所连接的其它网络，以及在这些网络中路由数据包的不同路径。路由器将所有的路径信息都保存在路由表中。

  1. 技术分类
  • 数据转发，当通过一条输入链路接收到一个数据包后，路由器需要决策通过哪条输出链路将数据包发送出去，并将数据包从输入端口转发到输出端口。
  • 路由选择，当数据包从源主机流向目的主机是，必须通过某种方式决定数据包经过的路由或者路径，计算数据包所经过的路径的算法称为路由选择或者是路由选择算法。
  1. 数据格式

第三层的数据单元是 数据包（data packet）。通常，每个数据包都包含一个帧 加上 一个 IP 地址信息的包装。换句话说，帧被第三层的地址信息封装了。数据包中传输的数据有时也被称为 负载（payload）。每个包都拥有到达目的地所需的一切，但是它能不能成功抵达就是另外一回事儿了。第三层上的传输是无连接的、尽力而为的——除了将流量发往它应该去的地方，它们不会做任何事。更多与数据传输有关的协议在第四层。节点一旦连接到因特网，它就会被赋予一个因特网协议（IP，Internet Protocol）地址，它看起来要么像 172.16.254.4（IPv4 地址），要么像 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334（IPv6 地址）。路由器在它们的路由表中使用 IP 地址。IP 地址通过地址解析协议（ARP，Address Resolution Protocol）与物理节点的 MAC 地址相关联，ARP 用节点对应的 IP 地址解析 MAC 地址，ARP 通常被认为是第二层的一部分，但是由于 IP 地址在第三层以下都不存在，所以 ARP 也是第三层的一部分。

  1. 常见问题
  • 物理层与数据链路层出现的问题
  • 路由器或其它节点故障或无功能
  • IP 地址配置不正确 很多第三层问题的答案都要求使用像 ping、trace、show ip route 或 show ip protocols 这样的命令行工具。

PS:

4. 传输层

传输层提供了应用进程之间的端到端连接，其作用为网络应用程序提供接口；为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量等管理服务；并提供多路复用、多路分解机制。

  1. 技术分类
  • 传输协议，数据以什么样的格式、什么样的方式在网络上传输，传输协议有:TCP、UDP、DCCP、SCTP、RSVP、 DTLS、 TLS、RPL、CARP、 CORPL、QUIC、uIP、ROLL 、 Aeron、CCN (以内容为中心的网络)、 NanoIP、 TSMP (时间同步网格协议)。
  • 数据管理，传输过程中如何保障数据安全与准确。
  1. 数据格式

数据单元有好几个不同的名字，对于 TCP 而言，数据单元是数据包。对于 UDP 而言，包被称为数据报（datagram）。 TCP 是一个面向连接的协议，优先保证的是数据的质量而不是速度。显式地与目的节点建立连接，并要求在数据传输时进行源节点与目的节点之间的握手操作。握手能够确认数据已经被接收。如果目的节点没有收到所有的数据，TCP 就会要求进行重传。TCP 也会确保数据包以正确的顺序交付或者重组。从这里了解更多有关 TCP 的信息。 UDP 是一个无连接的协议，优先保证速度而不是数据的质量。UDP 不要求进行握手，这也正是它被称为无连接的原因。因为 UDP 不必等待确认，所以它可以以更快的速度发送数据，但并非所有的数据都能成功传输，我们也不会知道哪些数据传输失败了。如果信息被拆分成多个数据报，除非这些数据报都包含一个序列号，否则 UDP 无法确保以正确的顺序重组数据包。从这里了解更多有关 UDP 的信息。 TCP 和 UDP 都将数据发往网络设备上的特定端口，这些网络设备都有自己的 IP 地址。IP 地址和端口号的组合被称为套接字（socket）。

  1. 常见问题
  • 基础层发生的故障
  • 被封锁的端口——检查你的访问控制列表（ACL，Access Control List）和防火墙
  • 服务质量（QoS，Quality of Service）设置。QoS 是路由器/交换机的一个功能，可以对流量进行优先级排序，并且它们真的可以把事情搞砸。

PS:

TCP UDP

5. 会话层

它定义了如何开始、控制和结束一个会话，包括对多个双向消息的控制和管理，以便在只完成连续消息的一部分时可以通知应用，从而使表示层看到的数据是连续的，在某些情况下，如果表示层收到了所有的数据，则用数据代表表示层。示例：RPC，SQL等。在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，而是统称为报文。

6. 表示层

这一层的主要功能是定义数据格式及加密。例如，FTP允许你选择以二进制或ASCII格式传输。如果选择二进制，那么发送方和接收方不改变文件的内容。如果选择ASCII格式，发送方将把文本从发送方的字符集转换成标准的ASCII后发送数据。在接收方将标准的ASCII转换成接收方计算机的字符集。示例：加密，ASCII等。这一层，数据单位还是报文。

7. 应用层

与其它计算机进行通讯的一个应用，它是对应应用程序的通信服务的。例如，一个没有通信功能的字处理程序就不能执行通信的代码，从事字处理工作的程序员也不关心OSI的第7层。但是，如果添加了一个传输文件的选项，那么字处理器的程序员就需要实现OSI的第7层。示例：TELNET，HTTP，FTP，NFS，SMTP等。这一层，数据单位还是报文。

结束

引用：