一文看懂什么是OSI七層協(xié)議
2023.02.08我們都知道互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是一系列的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這個(gè)協(xié)議就叫做OSI協(xié)議。按照功能不同分工不同，認(rèn)為的分為七層。實(shí)際上這七層是并不存在的，也就是說沒有這些概念，而我們今天提到的七層概念，只是人為的劃分而已。目的只是為了讓大家更好地理解這些都是用來做什么的。
從專業(yè)的角度來說，OSI就是一個(gè)開放的通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，也是一個(gè)定義的很好的協(xié)議規(guī)范。OSI模型有7層結(jié)構(gòu)，每層都可以有幾個(gè)子層。OSI的7層從下到上分別是7-應(yīng)用層、6-表示層、5-會(huì)話層、4-傳輸層、3-網(wǎng)絡(luò)層、2-數(shù)據(jù)鏈路層、1-物理層。
1. 七層協(xié)議詳解
物理層：是參考模型的最低層。該層是網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，由連接不同結(jié)點(diǎn)的電纜與設(shè)備共同構(gòu)成。主要跟功能是：利用傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)傳輸并監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)出錯(cuò)率，以便數(shù)據(jù)流的透明傳輸。
數(shù)據(jù)鏈路層：四參考模型的第二層。主要功能是：在物理層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上，在通信的實(shí)體間建立數(shù)據(jù)鏈路連接，傳輸以“幀”為單位的數(shù)據(jù)包，并采用差錯(cuò)控制與流量控制方法，使有差錯(cuò)的物理線路變成無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。
網(wǎng)絡(luò)層：是參考模型的第三層。主要功能是：為數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間傳輸創(chuàng)建邏輯鏈路，通過路由選擇算法為分組通過通信子網(wǎng)選擇最適當(dāng)?shù)穆窂剑约皩?shí)現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)互連等功能。
傳輸層：是參考模型的第四層。主要功能是：向用戶提供可靠地端到端服務(wù)，處理數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)包次序，以及其他一些關(guān)鍵傳輸問題。傳輸層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)。因此，它是計(jì)算機(jī)通信體系結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的一層。
會(huì)話層：是參考模型的第五層。主要功能是：負(fù)責(zé)維擴(kuò)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的傳輸連接，以便確保點(diǎn)到點(diǎn)傳輸不中斷，以及管理數(shù)據(jù)交換等功能。
表示層：是參考模型的第六層。主要功能是：用于處理在兩個(gè)通信系統(tǒng)中交換信息的表示方法，主要包括數(shù)據(jù)格式變換、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)等功能。
應(yīng)用層：是參考模型的最高層。主要功能是：為應(yīng)用軟件提供了很多服務(wù)，比如文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、電子郵件與其他網(wǎng)絡(luò)軟件服務(wù)。
2. OSI歷史
忘記告訴大家，這個(gè)協(xié)議是從下到上倒推出來的。
我們來回顧一下這段有趣的歷史吧~
OSI模型最初是因?yàn)槊绹说膬膳_(tái)機(jī)器之間有進(jìn)行通信的需求。
需求1：兩個(gè)硬件之間如何進(jìn)行通信，具體就是一臺(tái)發(fā)比特流，另一臺(tái)能夠收到。于是就有了物理層：主要是定義設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，如網(wǎng)線的額接口類型、管線的接口類型、各種傳輸介質(zhì)的傳輸速率等。它的主要租用是傳輸比特流，就是從1/0轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)弱來進(jìn)行傳輸，到達(dá)目的之后再轉(zhuǎn)化為1/0，也就是我們常說的數(shù)模轉(zhuǎn)換。這一層的數(shù)據(jù)是比特。
需求2：現(xiàn)在通過電線我能發(fā)數(shù)據(jù)流了，但是我還是希望能通過無線電波，通過其他介質(zhì)來進(jìn)行傳輸。然后我還要保證傳輸過去的比特流是正確的，需要由糾正錯(cuò)誤的功能。
數(shù)據(jù)鏈路層：定義了如何讓格式化數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，以及如何讓控制對(duì)物理介質(zhì)的訪問。這一層通常還提供錯(cuò)誤檢測和糾正，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
需求3：現(xiàn)在我能發(fā)正確的比特流數(shù)據(jù)到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)了，但是當(dāng)我發(fā)大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，可能需要很長時(shí)間，例如：一個(gè)視頻格式的，網(wǎng)絡(luò)會(huì)中斷好多次，實(shí)際上，即使有了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)還是經(jīng)常中斷，只是中斷的時(shí)間是毫秒級(jí)別的。
那么，我還需要保證傳輸大量文件時(shí)的準(zhǔn)確性。于是，我要對(duì)發(fā)出去的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。就像發(fā)快遞一樣，一個(gè)個(gè)發(fā)送。
于是，發(fā)明了傳輸層(傳輸層在OSI模型中，是在網(wǎng)絡(luò)層面上)。
比如TCP，是用于發(fā)送大量數(shù)據(jù)的，我發(fā)出去一萬個(gè)包，另一臺(tái)電腦就需要告訴我是否接收到一萬個(gè)包，如果缺少3個(gè)包，就告訴我是第1001/234/8888個(gè)包丟了，那我再發(fā)一次。這樣，就能保證對(duì)方把這個(gè)視頻完整接收了。
例如UDP，適用于發(fā)送少量數(shù)據(jù)的。我發(fā)20個(gè)包出去，一般不會(huì)丟包，所以 ，我不管你收到多少，在多人互動(dòng)游戲中，也經(jīng)常受到UDP協(xié)議，因?yàn)橐话愣际呛唵蔚念~信息，而且有廣播的需求。如果用TCP，效率就會(huì)很低，因?yàn)樗鼤?huì)不停地告訴主機(jī)我收到20個(gè)包，或者18個(gè)包，再發(fā)我兩個(gè)!如果同時(shí)有1萬臺(tái)計(jì)算機(jī)都這樣做，那么用TCP反而會(huì)降低效率，還不如用UDP，主機(jī)發(fā)出去就算了，丟幾個(gè)包就卡一下，算了，下次再發(fā)包更新。
TCP協(xié)議是會(huì)綁定IP和端口的協(xié)議，下面會(huì)介紹IP協(xié)議。
需求4：傳輸層是解決了打包的問題。但是如果我有多臺(tái)計(jì)算機(jī)，怎么能找到我要發(fā)的那臺(tái)?或者A要給F發(fā)信息，中間要經(jīng)過B/C/D/E，但是中間還有好多節(jié)點(diǎn)，如K/J/Z/Y.我怎么選擇最佳路徑?這就是路由要做的事情。
于是，發(fā)明了網(wǎng)絡(luò)層，也就是路由器，交換那些具有尋址功能的設(shè)備所實(shí)現(xiàn)的功能。這一層定義的是IP復(fù)制，通過IP地址尋址，所以產(chǎn)生了協(xié)議。
需求5：現(xiàn)在已經(jīng)能夠給指定計(jì)算機(jī)發(fā)送正確的封裝過的信息了，但是用戶級(jí)別的體驗(yàn)并不是很好?難道我每次都要調(diào)用TCP去打包，然后調(diào)用IP協(xié)議去找路由，自己去發(fā)?當(dāng)然不行，所以我們要建立一個(gè)自動(dòng)收發(fā)包，自動(dòng)尋址的功能。
于是發(fā)明了會(huì)話層。會(huì)話層的作用就是建立和管理應(yīng)用程序之間的通信。
需求6：現(xiàn)在我能保證應(yīng)用程序自動(dòng)收發(fā)包和尋址了，但是我要用Linux給window發(fā)包，兩個(gè)系統(tǒng)語法不一致，就像安裝包一樣，EXE不能在Linux下用，shell在window也也是不能直接運(yùn)行的。
于是需要表示層，幫我們解決不同系統(tǒng)之間的通信語法問題。
需求7：現(xiàn)在所有必要條件都準(zhǔn)備好了，我們可以寫個(gè)Android程序，web程序去實(shí)現(xiàn)需求吧。
補(bǔ)充：不知道有沒有小伙伴熟悉Socket，這不是一個(gè)協(xié)議，而是一個(gè)通信模型。其實(shí)它最初是伯克利加州分校軟件研究所，簡稱BSD發(fā)明的，主要是一臺(tái)電腦兩個(gè)進(jìn)程之間進(jìn)行通信，然后把它用到兩臺(tái)電腦的進(jìn)程間通信。所以，可以把它簡單理解為進(jìn)程間通信，不是什么高級(jí)的東西，主要是這么做的：A發(fā)包：發(fā)請(qǐng)求包給某個(gè)已經(jīng)綁定的端口;收到B的允許后，正式開始發(fā)送，發(fā)送完了，高速B要斷開連接;收到斷開允許后，馬上斷開，然后發(fā)送已經(jīng)斷開信息給B。
B收包：綁定端口和IP，然后在這個(gè)端口監(jiān)聽接收到A的請(qǐng)求，發(fā)給A，并做好接收準(zhǔn)備，主要就是清理緩存等待接收新數(shù)據(jù);然后正式接收，接收到斷開請(qǐng)求，并允許斷開，確認(rèn)斷開后，繼續(xù)監(jiān)聽其他請(qǐng)求。
換句話說，socket就是I/O操作，socket并不僅限于網(wǎng)絡(luò)通信。在網(wǎng)絡(luò)通信中，它涵蓋了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。
3. OSI七層協(xié)議中每一層的特征
第一層：物理層
機(jī)械性能：接口的形狀，尺寸的大小，引腳的數(shù)目和排列方式等;
電氣性能：接口規(guī)定信號(hào)的電壓、電流、阻抗、波形、速率好平衡特性等;
工程規(guī)范：接口引腳的意義、特性、標(biāo)準(zhǔn)。
工作方式：確定數(shù)據(jù)位流的傳輸方式，如：半雙工、全雙工等。
物理層協(xié)議：美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)的RS232/RS422/RS423等;
國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)(CCITT)的X.25/X.21等;
物理層的數(shù)據(jù)單位是位(BIT)，典型設(shè)備時(shí)集線器HUB。
這主要是和硬件有關(guān)，與軟件關(guān)系不大。
第二層：鏈路層
鏈路層屏蔽傳輸介質(zhì)的物理特征，使數(shù)據(jù)可靠傳送。
內(nèi)容包括介質(zhì)訪問控制、連接控制、順序控制、流量控制、差錯(cuò)控制和仲裁協(xié)議等。
鏈路層協(xié)議有：協(xié)議有面向字符的通訊協(xié)議(PPP)和面向位的通訊協(xié)議(HDLC)。
仲裁協(xié)議：CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)、Token Bus、Token Ring
鏈路層數(shù)據(jù)單位是幀，實(shí)現(xiàn)對(duì)MAC地址的訪問，典型設(shè)備是交換機(jī)SWITCH。
第三層：網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層管理連接方式和路由選擇。
連接方式：虛電路和數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)。
虛電路是面向連接的，數(shù)據(jù)通訊一次路由，通過會(huì)話建立的一條通路。數(shù)據(jù)報(bào)是非連接的，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都有路由能力。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)單位是包，使用的是IP地址，典型設(shè)備時(shí)路由器Router。
這一層可以進(jìn)行流量控制，但流量控制更多的是使用第二層或第四層。
第四層：傳輸層
提供端到端的服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)流量控制、負(fù)載均衡。
傳輸層信息包括端口、控制字和校驗(yàn)和。
傳輸層協(xié)議主要是TCP和UDP。
傳輸層位于OSI的第四層，這層使用的設(shè)備時(shí)主機(jī)本身。
第五層：會(huì)話層
會(huì)話層主要內(nèi)容時(shí)通過 繪畫進(jìn)行身份驗(yàn)證、繪畫管理和確定通訊方式。一旦建立連接，會(huì)話層的任務(wù)就是管理會(huì)話。
第六層：表示層
表示層主要是解釋通訊數(shù)據(jù)的意義，如代碼轉(zhuǎn)換、格式變換等，使不同的終端可以表示。
還包括加密與解密、壓縮與解壓等。
第七層：應(yīng)用層
應(yīng)用層應(yīng)該是直接面向用戶的程序或服務(wù)，包括系統(tǒng)程序和用戶程序，比如www、FTP、DNS、POP3和SMTP等都是應(yīng)用層服務(wù)。
數(shù)據(jù)再發(fā)送時(shí)是數(shù)據(jù)從應(yīng)用層至物理層的一個(gè)大包的過程，接收時(shí)是數(shù)據(jù)從物理層至應(yīng)用層的一個(gè)解包過程。
從功能角度可以分為三組：1/2層解決網(wǎng)絡(luò)通信問題，3/4層解決傳輸問題，5/6/7層處理對(duì)應(yīng)用進(jìn)程的訪問。
從控制角度可分為二組：1/2/3層是通信子網(wǎng)，4/5/6/7是主機(jī)控制層。
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