TCP/IP网络精讲之二 OSI七层模型

缘 · 2016-6-28 23:54

今天发现有人回这个贴，觉得这个坑挖得有点大。不过既然挖了，岂有不跳之理。男子汉一言既出，就什么马也难追了。

今天我们就来学习： “OSI七层模型”

目前全球约有40亿网民，互联网的规模已经是超乎想象般宏大。那么问题来了：

我们怎么实现在这么多的机器之间通信呢？( \% Z8 u' t- {/ g+ _7 S
怎么能够不在这数据的迷宫里失去方向呢？

我们一起来学习，以期找到问题的答案。首先我们来理解互联网是怎么创建的，以及使用什么规范来很好地组织这么多信息。

#f194:

设想一下，假如你可以在任何时候通信，和任何人通信，岂不是很棒。这就是互联网的初衷。

平时，当我们身处一个10人小组，会感到表达自己的观点有点困难。如果是100人，就更困难。假如有1000人，那几乎就听不到你说话了。但是互联网就是要向不可能挑战，要能够做到：在任何时刻，同时和任何人通信。当然了，要达到这个目的，必须要建立一个复杂的通信系统，使得各台机器之间能够相互对话。

但是这样的一个通信模型如何构建呢？#362:

我们可以从最熟悉的通信方式开始理解。来盘点一下一般的通信方式吧：

说话5 Z: ?- }/ |" y C* W7 u) x$ Y) Z
打电话
$ o+ z6 w+ C4 M 邮件
, Q8 ?* C+ p5 B# k 飞鸽传书 →_→
0 W) |$ w. @% z C' Q7 S3 r- q& ^ 等等

接下来，让我们试着来理解，在这些通信方式中，有哪些基本要素是我们通信活动所必不可少的。

说话的方式，我们需要：

说话者) K" I) ]; g' v; i& r
听话者/ w& D( T: [2 T" p& K: T
传声媒介（空气）

打电话的方式，跟说话是类似的，除了我们还需要一个在说话和电子学之间的中介。实际上，我们要把说话的声音转成电信号，电信号通过电话线等传播介质到达接收者那一端，然后转为声音被听见。在这里有一个信息的封装。

我们可以举邮件的例子来看一下这个封装信息的系统，在邮件收发时我们需要：

寄件人
! K7 g) T+ y% V1 L 收件人. S2 H# Q& v: i) I' ]* v! ?
传播介质（信）
" Q! I6 c) a) {. w$ L* `) Z% f6 } 容器（信封）- ]% ^5 `6 E9 r7 s
中介（邮局）

是不是慢慢能理解我们通信需要什么条件了？

问题又来了：

我们对电脑也能这样应用吗？; z5 G) P% p7 v+ S9 h
怎么才能让大家可以同时发出讯息呢？
9 }# g q2 n* ?* ]6 z. d9 M 我们能够即时和地球另一端的某人通信吗？

接下来我们就看一下网络的先驱者们如何把人类通信的原理“应用”到电脑的通信中。

他们把所有研究的成果重组，创立了一个标准，所有连到互联网的人都要遵守，这个标准就是：OSI七层模型。

OSI七层模型，听上去是不是很帅？这个标准诞生在1984年，只比我早了n年出生

聪明的读者也许注意到了，这个标准比互联网的出现晚了很久。

原因很简单：OSI七层模型是在人们有了不少机器之间通信的经验之后才能够诞生的。因此这个标准不仅能够适用于现有的通信，也适用于将来的通信及其可能的演进。它的目的是使通信标准化，以保证机器最大化的演进潜力和协同工作能力。

听起来很不错，但是到底OSI七层模型是什么啊？

OSI七层模型是一个标准，规定了机器（主要是电脑）之间如何通信。因此假如你想要让你的洗碗机和洗衣机通信的话，就需要遵从OSI模型，或者至少从OSI模型获得启发。这意味着需要遵从分层的通信方式。

这里的层又是什么呢？

OSI模型是一个分层的模型，就是说它分为几个部分，每一部分称为一层，每一层扮演固定的角色，就像下图所看到的：

上图中，我们可以看到OSI有7层，每一层名字都不一样。

为什么是7层，不是14层或者250层？#358:

还记得之前提到的吗？我们知道要通信，需要有固定数目的组分，比如发送者，接收者，语言，等等。网络的先驱者们设计了用于构建通信系统的主要元素，他们发现数目定为7最合适。因此OSI的每一层都有特定的分工，这7层合起来就可以使一台机器和另一台通信。

下面我们来看一下这7层各自的细节。

第1层或者物理层

名字：物理层

作用：为通信提供传播媒介

辅助作用：没有

相关设备：集线器（也就是常说的Hub）

第2层或者数据链路层

名字：数据链路层

作用：使局域网中的机器互相连接

辅助作用：侦测传输错误

相关设备：交换机（也就是常说的Switch）

第3层或者网络层

名字：网络层

作用：使各个网络相互连接

辅助作用：分割传输的数据包

相关设备：路由器（也就是常说的Router）

第4层或者传输层

名字：传输层

作用：管理应用程序的连接

辅助作用：保证连接的有效建立

相关设备：没有

第5层或会话层

我们不在乎！

是的，你没有看错：我们不在乎第5层。

在第4层以上的，除了第7层，我们都不在乎。当然了，我也有些夸大。但是第5层和第6层不在本贴考虑范围之内。

原因很简单：OSI七层模型是一个理论模型，今天的互联网使用的实际模型是TCP/IP模型，而后者不使用OSI的第5层和第6层，因此我们无视它们。

好，我想你应该理解了。当然了，第7层我们需要考虑。其实正是为了这第7层上的应用程序我们才大费周章，构建这个模型。是的，第7层就是老总，就得伺候着，就是这么任性 →_→

第7层或者应用层

名字：应用层

作用：没有

辅助作用：没有

相关设备：代理（也就是常说的Proxy）

什么？第七层竟然没有作用！那“伺候”它干嘛？说白了，这一层就是展示我们构建通信架构所要服务的所有应用程序。

因此，第七层我们也不多做研究，而是把重心放在提供服务和引导数据传递的第1-4层。其实，还有一种说法是把1-4层合称为“网络层”。因为正是这四层负责引导数据从一台机器传递到另一台机器，以供机器上的属于第7层的应用程序使用。

在深入理解这四层之前，很有必要提一下使用OSI模型的两个原则：

1. 每一层都是相对独立的
9 `- v( x$ ~& X; N3 J# c 2. 每一层只能和相邻的层通信

“每一层都是相对独立的”

其所产生的影响是某一层所用的信息不能被另一层使用。例如，对于某些有一定网络知识的读者来说，应该知道IP地址是属于第3层的，就不能被另外的层所使用。

这样规定的好处是可以方便通信方式的变革。

想象一下，今天你使用互联网，虽然你可能并不了解它的原理，但实际上你使用的是第3层的IPv4（Internet Protocol Version 4，第四代互联网协议）这个协议。未来，我们将从IPv4演进到IPv6（第六代互联网协议，相比第四代的32位地址空间，可以达到128位地址空间）。这时，假如我们除了第3层以外，在另一些层中也用到了IPv4，那我们除了要改第3层的协议，我们也要改其他凡是用到IPv4协议的层，就会很麻烦。

保持各层的相对独立性可以使得我们改换一层所关联的协议时，无需更改其他的层。

“每一层只能和相邻的层通信”

为了理解这个原则，我们必须了解机器是怎么利用OSI模型来通信的。

想象以下场景：

你坐在电脑前，打开你的浏览器。你在浏览器的地址栏里输入一个网址，那个网站就出现了。

虽然你并不知情，但其实你就在使用OSI模型。#357:

大体来说，位于OSI第7层的应用程序（此处是浏览器），与第1-4层（合称“网络层”）对话，以便这4层把机器上的应用程序所要的信息从远端的机器上（比如google.com的服务器）传输过来。

在一个传输过程中，我们会跨越OSI模型的各层，从上到下。

由此可见，多亏了第2个原则，我们能保证在信息的传输过程中，OSI模型的各层都会被跨越，也就保证每一层的作用都能得到实现。当然了，差不多是这样。因为实际上对于互联网，OSI模型是一个理论模型，第7层其实是跳过5，6层而直接和底下4层通信的。所以是 7 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 。

好了，今天的课程就到这里，总结一下需要记住的知识点：

OSI七层模型是一个规范，其规定了机器之间如何通信

OSI模型是一个理论模型，互联网实际使用的是TCP/IP模型

OSI模型有7层

每一层都有一个特定的作用

第1-4层合称为“网络层”

每一层相对独立

每一层只能和相邻的层通信

当传输数据时，我们从OSI的最上层遍历到最下层，在另一个机器那里，曾是相反的方向，从最下层到最上层。

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