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深入解析OSI七层模型及各层工作原理(我只能帮你到这了)

一、什么是OSI七层模型?

我们需要了解互联网的本质是一系列的网络协议,这个协议就叫做OSI协议(开放系统互联(Open System Interconnection)),它是由ISO(国际标准化组织)定义的。

需要注意,随着时代的发展,OSI已经被TCP/IP 4层模型淘汰,在当今世界上并没有大规模的使用。

那么对于OSI,人们按照功能不同,分工不同,人为的将OSI的分为七层。实际上这七层是并不存在的,也就是说没有这些概念,而我们今天提到的七层概念,只是人为的划分而已。目的只是为了让大家更好地理解这些都是用来做什么的。

二、来来来 !!举例带你理解

我们都知道OSI七层是这些(如下图),那么如何快速理解这OSI七层模型呢?我们举一个例子,将这七层模型直接套用进去就非常直观了。

1、分析过程:

应用层 最直观的理解就是人机交互界面,或者说是系统程序窗口。贾某将“你好”两个字输入电脑微信软件。

表示层。 计算机如何处理“你好”两个字? 答案就是“翻译”! 人类有人类的语言,计算机也有自己的语言。计算机是不懂汉语的,他只知道二进制的 0 和 1 ,那么贾某在计算机的微信上打了“你好”这两个字,计算机接收到后开始通过二进制转换成自己的语言。这一步就是翻译,当然,表示层还有其他的功能,例如安全加密,压缩等。

会话层。 计算机知道你要发送的东西之后,就需要准备发送了。那么,第一步就是要找到对方(乙某),并和对方建立会话关系。直接理解:会话属于软件层面,允许不同机器上的用户之间建立会话关系。

传输层。 传输层可理解为是同一个软件中的两个端口进行数据传输。我用微信发送的消息,你也需要用微信来接收。那么就是电脑端微信用户之间的传输。

网络层。 传输层已经准备就绪了,可是我们知道微信用户千千万,贾某和乙某中间还存在很多的其他用户,我们怎么实现贾某的文字就能准确的发送到乙某的微信上呢? 这就是需要网络层的 IP 地址了。只要知道了乙某的 IP 地址,就可以选择最佳路径进行准确的数据传输了。

数据链路层。 网络层接收到数据后需要继续往下传输,需要使用工具,就是数据链路层的网卡,继续进行传输。

物理层 数据到达物理层后,变成信号传输。 数据到达目标主机后,开始进行一个逆向的过程。 即数据到达对方主机后,从物理层传输到数据链路层–网络层–传输层–会话层–表示层–应用层。 此时,数据到达乙某的电脑,乙某就可以看到甲某发送的“你好”两个字了。

二、了解数据传输过程,更快理解OSI

2.看图,直观了解数据是如何封装的。

因每一层的传输数据单元不同,所以需要封装TCP报文头部,以此使下一层能够看懂识别。 传输层:传输层有TCP/IP两个协议,TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。TCP协议传输更加稳定可靠,UDP协议传输效率更高。所以,上层数据到达传输层后需要封装TCP头部或者UDP头部。 网络层:同理,上层数据到达这里需要封装IP头部。 TCP/IP定义了网络互联协议(IP)(英文是Iternet Protocol)。而IP又由四个支撑协议组成:ARP(地址解析协议),RARP(逆地址解析协议),ICMP(网际控制报文协议)和IGMP(网际组管理协议)。 数据链路层:同理,上层数据到此需要封装MAC头部。 物理层:到达物理层就直接由计算机通过信号接收了。

3.看图,直观了解数据是如何解封装的。

三:深入理解OSI七层模型

第一层:物理层。 是参考模型的最低层。该层是网络通信的数据传输介质,由连接不同结点的电缆与设备共同构成。主要跟功能是:利用传输介质为数据链路层提供物理连接,负责处理数据传输并监控数据出错率,以便数据流的透明传输。传输数据的单位是比特(Bits)

机械性能:接口的形状,尺寸的大小,引脚的数目和排列方式等;

电气性能:接口规定信号的电压、电流、阻抗、波形、速率好平衡特性等;

工程规范:接口引脚的意义、特性、标准。

工作方式:确定数据位流的传输方式,如:半双工、全双工等。

物理层协议:美国电子工业协会(EIA)的RS232/RS422/RS423等;

国际电报电话咨询委员会(CCITT)的X.25/X.21等;

物理层的数据单位是位(BIT),典型设备时集线器HUB。

这主要是和硬件有关,与软件关系不大。

第二层:数据链路层。 是参考模型的第二层。主要功能是:在物理层提供的服务基础上,在通信的实体间建立数据链路连接,传输的数据单位是“帧”,并采用差错控制与流量控制方法,使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

链路层屏蔽传输介质的物理特征,使数据可靠传送。

内容包括介质访问控制、连接控制、顺序控制、流量控制、差错控制和仲裁协议等。

链路层协议有:协议有面向字符的通讯协议(PPP)和面向位的通讯协议(HDLC)。

仲裁协议:CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)、Token Bus、Token Ring

链路层数据单位是帧,实现对MAC地址的访问,典型设备是交换机SWITCH。

第三层:网络层。 是参考模型的第三层。主要功能是:为数据在节点之间传输创建逻辑链路,通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径,以及实现拥塞控制、网络互连等功能。

网络层管理连接方式和路由选择。

连接方式:虚电路和数据报服务。

虚电路是面向连接的,数据通讯一次路由,通过会话建立的一条通路。数据报是非连接的,每个数据报都有路由能力。网络层的数据单位是包,使用的是IP地址,典型设备时路由器Router。

这一层可以进行流量控制,但流量控制更多的是使用第二层或第四层。

第四层:传输层。 是参考模型的第四层。主要功能是:向用户提供可靠地端到端服务,处理数据包错误、数据包次序,以及其他一些关键传输问题。传输层向高层屏蔽了下层数据通信的细节。因此,它是计算机通信体系结构中关键的一层。

提供端到端的服务,可以实现流量控制、负载均衡。

传输层信息包括端口、控制字和校验和。

传输层协议主要是TCP和UDP。

传输层位于OSI的第四层,这层使用的设备时主机本身。

第五层:会话层。 是参考模型的第五层。主要功能是:负责维扩两个结点之间的传输连接,以便确保点到点传输不中断,以及管理数据交换等功能。

会话层主要内容时通过 绘画进行身份验证、绘画管理和确定通讯方式。一旦建立连接,会话层的任务就是管理会话。

第六层:表示层。 是参考模型的第六层。主要功能是:用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方法,主要包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。

表示层主要是解释通讯数据的意义,如代码转换、格式变换等,使不同的终端可以表示。

还包括加密与解密、压缩与解压等。

第七层:应用层。 是参考模型的最高层。主要功能是:为应用软件提供了很多服务,比如文件服务器、数据库服务、电子邮件与其他网络软件服务。

应用层应该是直接面向用户的程序或服务,包括系统程序和用户程序,比如www、FTP、DNS、POP3和SMTP等都是应用层服务。

数据再发送时是数据从应用层至物理层的一个大包的过程,接收时是数据从物理层至应用层的一个解包过程。

从功能角度可以分为三组:1/2层解决网络通信问题,3/4层解决传输问题,5/6/7层处理对应用进程的访问。

从控制角度可分为二组:1/2/3层是通信子网,4/5/6/7是主机控制层。

四、了解OSI七层模型历史。

OSI模型最初是因为美国人的两台机器之间有进行通信的需求。

需求1: 两个硬件之间如何进行通信,具体就是一台发比特流,另一台能够收到。于是就有了物理层:主要是定义设备标准,如网线的额接口类型、管线的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要租用是传输比特流,就是从1/0转化为电流强弱来进行传输,到达目的之后再转化为1/0,也就是我们常说的数模转换。这一层的数据是比特。

需求2: 现在通过电线我能发数据流了,但是我还是希望能通过无线电波,通过其他介质来进行传输。然后我还要保证传输过去的比特流是正确的,需要由纠正错误的功能。

数据链路层:定义了如何让格式化数据进行传输,以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常还提供错误检测和纠正,以确保数据的可靠传输。

需求3: 现在我能发正确的比特流数据到另一台计算机了,但是当我发大量数据的时候,可能需要很长时间,例如:一个视频格式的,网络会中断好多次,实际上,即使有了物理层和数据链路层,网络还是经常中断,只是中断的时间是毫秒级别的。

那么,我还需要保证传输大量文件时的准确性。于是,我要对发出去的数据进行封装。就像发快递一样,一个个发送。

于是,发明了传输层(传输层在OSI模型中,是在网络层面上)。

比如TCP,是用于发送大量数据的,我发出去一万个包,另一台电脑就需要告诉我是否接收到一万个包,如果缺少3个包,就告诉我是第1001/234/8888个包丢了,那我再发一次。这样,就能保证对方把这个视频完整接收了。

例如UDP,适用于发送少量数据的。我发20个包出去,一般不会丢包,所以 ,我不管你收到多少,在多人互动游戏中,也经常受到UDP协议,因为一般都是简单的额信息,而且有广播的需求。如果用TCP,效率就会很低,因为它会不停地告诉主机我收到20个包,或者18个包,再发我两个!如果同时有1万台计算机都这样做,那么用TCP反而会降低效率,还不如用UDP,主机发出去就算了,丢几个包就卡一下,算了,下次再发包更新。

TCP协议是会绑定IP和端口的协议,下面会介绍IP协议。

需求4: 传输层是解决了打包的问题。但是如果我有多台计算机,怎么能找到我要发的那台?或者A要给F发信息,中间要经过B/C/D/E,但是中间还有好多节点,如K/J/Z/Y.我怎么选择最佳路径?这就是路由要做的事情。

于是,发明了网络层,也就是路由器,交换那些具有寻址功能的设备所实现的功能。这一层定义的是IP复制,通过IP地址寻址,所以产生了协议。

需求5: 现在已经能够给指定计算机发送正确的封装过的信息了,但是用户级别的体验并不是很好?难道我每次都要调用TCP去打包,然后调用IP协议去找路由,自己去发?当然不行,所以我们要建立一个自动收发包,自动寻址的功能。

于是发明了会话层。会话层的作用就是建立和管理应用程序之间的通信。

需求6: 现在我能保证应用程序自动收发包和寻址了,但是我要用Linux给window发包,两个系统语法不一致,就像安装包一样,EXE不能在Linux下用,shell在window也也是不能直接运行的。

于是需要表示层,帮我们解决不同系统之间的通信语法问题。

需求7: 现在所有必要条件都准备好了,我们可以写个Android程序,web程序去实现需求吧。

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