OSI七层参考模型

OSI七层参考模型

互联网的本质就是一系列的网络协议，这个协议就叫OSI协议（一系列协议），按照功能不同，分工不同，人为的分成七层。实际上这个七层是不存在的。没有这七层的概念，只是人为的划分而已。区分出来的目的只是让你明白哪一层是干什么用的。

每一层都运行不同的协议，协议就是标准。

实际上还有人把它划成五层、四层。

七层划分为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

五层划分为：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

四层划分为：应用层、传输层、网络层、网络接口层。

在七层模型中，每个分层都接受由它下一层所提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定的服务，上下层之间进行交互所遵循的约定叫做“接口”，同一层之间的交互所遵循的约定叫做“协议”

协议分层的优点：

每个分层可以独立使用，其实系统中某些分层发生变化，也不会影响整个系统，因此可以构造一个扩展性和灵活性都比较强的系统；

此外，通过分层可以细分通信功能，更易于单独实现每个分层的协议，界定各个分层的具体责任和义务 。

协议分层的劣势：

过分模块化，处理变得更加沉重，以及每个模块都不得不事先相似的处理逻辑等。

不过，OSI参考模型只是一个模型，对各层只做了粗略的定义，并没有对接口和协议做详细的定义，想深入了解还需要学习具体的协议规范。

为什么要进行网络层次划分？

计算机与计算机之间的通信实际上只需要一根网线就可以完成通信。但是世界那么大，那么多计算机，距离又远，如何安全可靠的保证计算机之间的网络连接？通信时计算机之间怎么进行识别的？以及怎么才能知道对方的地址？以及不同计算机应用程序怎么知道是给自己传递的数据，还有不同的通信数据格式怎么来规定等等一系列的问题都出来了。

针对这些问题，可以分别制定一套协议来规定双方通信的规则，规则就是协议，遵循规则来保证计算机之间的正常通信。如果把这么多规则放在一起，彼此之间可能会造成影响。如果某些规则出了问题，或者需要修改规则，可能会影响其他的规则。因此，需要对这些规则进行分层定义，就出现了网络层次划分。

物理层定义了计算机之间的物理连接规则。

数据链路层根据以太网协议对传输的电信号进行分组，并通过广播的方式获取同一局域网内的计算机Mac地址。

网络层的主要功能是通过IP协议在不同局域网之间寻址并实现计算机间的通信。

传输层的主要功能是通过TCP协议实现“端口到端口”的通信。（每个应用程序都会分配一个端口，"端口"是0到65535之间的一个整数，0到1023的端口被系统占用，我们只能选用大于1023的端口）

应用层的功能就是规定了应用程序的数据格式，直接向用户提供服务。

1、物理层

字面意思解释：物理传输、硬件、物理特性。在深圳的你与北京的朋友聊天，你的电脑必须要能上网，物理体现是什么？是不是接一根网线，插个路由器，北京的朋友那边是不是也有根网线，也得插个路由器。也就是说计算机与计算机之间的通信，必须要有底层物理层方面的连通，就类似于你打电话，中间是不是必须得连电话线。

中间的物理链接可以是光缆、电缆、双绞线、无线电波。中间传的是电信号，即010101...这些二进制位。

底层传输的010010101001...这些二级制位怎么才能让它有意义呢？

要让这些010010101001...有意义，人为的分组再适合不过了，8位一组，发送及接收都按照8位一组来划分。接收到8位为一组的话，那么就可以按照这8位数来做运算。如果没有分组，对方接收的计算机根本就不知道从哪一位开始来做计算，也解析不了收到的数据。我发了16位你就按照16位来做计算吗？我发100位你就按照100位做计算吗？没什么意义是吧。因此要想让底层的电信号有意义，必须要把底层的电信号做分组。我做好8位一组，那么我收到数据，我就知道这几个8位做一组，那几个8位做一组。那么每个8位就可以得到一个确定的数。分组是谁干的活呢？物理层干不了，这个是数据链路层干的。

2、数据链路层

早期的时候，数据链路层就是来对电信号来做分组的。以前每个公司都有自己的分组方式，非常的乱，后来形成了统一的标准（标准就是协议），即以太网协议Ethernet。

Ethernet规定：一组电信号称之为一个数据包，或者叫做一个“帧”。每一数据帧分成报头head和数据data两部分

head包含：（固定18个字节）

发送者（源地址，6个字节）

接收者（目标地址，6个字节）

数据类型（6个字节）

data包含：（最短46字节，最长1500字节）

数据包的具体内容

head长度+data长度=最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送。

这就像写信，发送者的地址（源地址）就是你家的地址，接收者地址（目标地址）就是对方的收信地址，你家的路由器就相当于邮局。其实在计算机通信中的源地址和目标地址指的是mac地址。Mac地址如何获取？是通过ARP协议获取的，在下面网络层中会详细描述。

Mac地址的由来：

head中包含的源地址和目标地址由来：Ethernet规定接入Internet的设备都必须具备网卡(即网络接口卡)，发送端的和接收端的地址便是指网卡的地址，即Mac地址。

每块网卡出厂时都被烧录上一个实际上唯一的Mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示，（前六位是厂商编码，后六位是流水线号）

有了mac地址以后，计算机就可以通信了，假设一个教室就是一个局域网（隔离的网络），这个教室里面有几台计算机，计算机的通信和人的通信是一个道理，把教室里面的人都比作一个个计算机，假设教室里面的人都是瞎子，其实计算机就是瞎子的，计算机通信基本靠吼，现在我要找教室里面的飞哥要战狼2的片，然后我就吼一声，说我要找飞哥要战狼2的片，战狼2的片就属于我的数据，但是我在发的时候我是不是要标识我是谁，我要找谁，我是谁就是我的mac地址，我要找谁就是飞哥的mac地址，这两个地址做数据包的头部，再加上数据战狼2的片就构成了一个数据帧。

这个数据包封装好以后就往外发，到物理层以后就全部转成二进制，往外发是怎么发的呢？就是靠吼。即“我是Edison，我找飞哥要战狼2的片”。这么吼了一嗓子以后，全屋子的人都能听到，这就是广播。

计算机底层，只要在一个教室里（一个局域网），都是靠广播的方式，吼。

局域网的理解：什么是互联网，互联网就是由一个个局域网组成，局域网内的计算机不管是对内还是对外都是靠吼，这就是数据链路层的工作方式-----广播。

广播出去以后，所有人都听得见，所有人都会拆开这个包，读发送者是谁，接收者是谁，只要接收者不是自己就丢弃掉。对计算机来说，它会看自己的Mac地址，飞哥收到以后，他就会把片发给我，发送回来同样采用广播的方式了，靠吼。

同一个教室（同一个局域网）的计算机靠吼来通信，那不同教室的计算机又如何？

比如说局域网1的pc1与局域网2的pc10如何通信？你在教室1（局域网1）吼，教室2（局域网2）的人肯定是听不见的。这就是跨网络进行通信，数据链路层就解决不了这个问题了，这就得靠网络层出面了。

在讲网络层之前，其实基于广播的这种通信就可以实现全世界通信了，你吼一声，如果全世界是一个局域网，全世界的计算机肯定可以听得见，从理论上似乎行得通，如果全世界的计算机都在吼，你想一想，这是不是一个灾难。因此，全世界不能是一个局域网。于是就有了网络层。

3、网络层

网络层定义了一个IP协议。

你想，我是这个教室的一个学生，我想找隔壁教室一个叫老王的学生，我也不认识老王，那怎么办，我吼？老王在另外一个教室肯定是听不到的。找教室的负责人，这个教室的负责人就负责和隔壁教室的负责人说话，说我们教室的有个学生要找你们教室的老王。往外传的东西交给负责人就可以了，内部的话上面已经提到，通过广播的方式，对外的东西广播失效。教室的负责人就是网关，网关即网络关口的意思。

Mac地址是用来标识你在这个教室的某个位置，IP地址是用来标识你在哪个教室（哪个局域网）。你要跨网络发包你是不是要知道对方的IP地址，比如你要访问百度，你肯定得知道百度服务器的IP地址。计算机在发包前，会判断你在哪个教室，对方在哪个教室，如果在一个教室，基于mac地址的广播发包就OK了；如果不在一个教室，即跨网络发包，那么就会把你的包交给教室负责人（网关）来转发。Mac地址及IP地址唯一标识了你在互联网中的位置。

数据链路层中会把网络层的数据包封装到数数据链路层的数据位置，然后再添加上自己的包头，再发给物理层，物理层发给网关，网关再发给对方教室的网关，对方教室的网关收到后在那个教室做广播。

在数据链路层看，数据封装了两层，跟玩俄罗斯套娃有点类似，一层套了一层。

最终变成

现在来看另一个问题，在吼之前怎么知道对方的Mac地址？这就得靠ARP协议。

ARP协议的由来：在你找飞哥要片之前，你的先干一件事，想办法知道飞哥的Mac地址。即你的机器必须先发一个ARP包出去，ARP也是靠广播的方式发，ARP发送广播包的方式如下：

局域网中怎么获取对方的Mac地址？

肯定要知道对方的IP地址，这是最基本的，就像你要访问百度，肯定得知道百度的域名，域名就是百度的IP地址。自己的IP可以轻松获得，自己的Mac也轻松获取，目标Mac为12个F，我们叫广播地址，表达的意思是我想要获取这个目标IP地址172.16.10.11的机器的Mac地址。Mac为12个F代表的是一种功能，这个功能就是获取对方的MAC地址，计算机的Mac永远不可能是12个F。假设是在本教室广播，一嗓子吼出去了，所有人开始解包，只有IP地址是172.16.10.11的这个人才会返回他的Mac地址，其他人全部丢弃。发回来源Mac改成飞哥自己的Mac地址，同时把飞哥的Mac地址放在数据部分。

跨网络怎么获取对方的Mac地址？

通过IP地址区分，计算机运算判断出飞哥不在同一个教室，目标IP就变成了网关的IP了。网关的IP在计算机上配死了，可以轻松获取。

这样网关就会把它的Mac地址返回给你，然后正常发包

网关帮你去找飞哥，但对用户来说，我们根本就感觉不到网关的存在。

4、传输层

传输层的由来：网络层通过ip帮我们区分子网，数据链路层的以太网协议通过mac帮我们找到主机，然后大家使用的都是应用程序，你的电脑上可能同时开启qq、暴风影音等多个应用程序。那么我们通过ip和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案就是端口，端口即应用程序与网卡关联的编号。

传输层功能：建立端口到端口的通信

（补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口）

tcp协议：

可靠传输，TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

以太网头

ip 头

tcp头

数据

udp协议：

不可靠传输，“报头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

以太网头

ip 头

udp头

数据

5、应用层

应用层由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开放的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式 。

应用层功能：规定应用程序的数据格式。

例：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了“应用层”。