OSI 模型 | 计算机网络中的 7 层解析

• OSI 的意思是“开放系统互连”（Open System Interconnection），它是一个参考模型，描述了在一个 软件 应用程序中的信息如何通过物理介质从一个计算机移动到另一个计算机中的软件应用程序。
• OSI 包含七层，每一层都执行特定的网络功能。
• OSI 模型由国际标准化组织 (ISO) 于 1984 年开发，现已成为计算机间通信的架构模型。
• OSI 模型将整个任务划分为七个更小、更易于管理的任务。每一层都分配有一个特定的任务。
• 每一层都是独立的，因此分配给每一层的任务可以独立执行。

OSI 模型特点

• OSI 模型分为两类：上层和下层。
• OSI 模型中的上层主要处理与应用程序相关的问题，并且仅在软件中实现。应用层最接近最终用户。最终用户和应用层都与软件应用程序进行交互。上层指比另一层更高的层。
• OSI 模型中的下层处理数据传输问题。数据链路层和物理层在硬件和软件中实现。物理层是 OSI 模型的最底层，最接近物理介质。物理层主要负责将信息放置在物理介质上。

为什么 OSI 模型很重要？

由于其结构化方法，OSI 模型对于现代网络和通信管理具有重要价值。

• 网络通用结构：通过将通信划分为七层，OSI 模型提供了一个标准参考，有助于硬件和软件进行交互。这种共享结构简化了协作，并使故障排除更加容易，因为问题可以追溯到特定的层。
• 组织良好的开发和创新：分层设计允许工程师和研究人员在不干扰其他层的情况下改进模型的某个部分。这种自由鼓励更快的创新，因为专业团队可以并行处理不同的层，从而提高研发效率。
• 最佳且面向未来的稳固结构：由于可以将新技术引入同一层而无需更改整个系统，因此 OSI 模型支持可扩展性和长期发展。这种灵活性确保了设备和协议之间的差异，从而在技术发展过程中保持网络的时效性。

OSI 模型 7 层

共有七层 OSI 层。每一层都有不同的功能。下面是七层的列表：

1. 物理层
2. 数据链路层
3. 网络层
4. 传输层
5. 会话层
6. 表示层
7. 应用层

1) 物理层

• 物理层的主要功能是将单个比特从一个节点传输到另一个节点。
• 它是 OSI 模型的最底层。
• 它建立、维护和拆除物理连接。
• 它规定了机械、电气和过程网络接口规范。

物理层的功能

• 线路配置：它定义了两个或多个设备物理连接的方式。
• 数据传输：它定义了网络上两个设备之间的传输模式，无论是单工、半双工还是全双工模式。
• 拓扑结构：它定义了网络设备的排列方式。
• 信号：它确定了用于传输信息的信号类型。

2) 数据链路层

• 该层负责无错误地传输数据帧。
• 它定义了网络上的数据格式。
• 它在两个或多个设备之间提供可靠且高效的通信。
• 它主要负责唯一标识本地网络上的每个设备。
• 它包含两个子层：
  • 逻辑链路控制层
    • 它负责将数据包传输到接收方的网络层。
    • 它从报头中识别网络层协议的地址。
    • 它还提供流量控制。
  • 介质访问控制层
    • 介质访问控制层是逻辑链路控制层和网络物理层之间的链接。
    • 它用于通过网络传输数据包。

数据链路层的功能

• 成帧：数据链路层将物理层的原始比特流转换为称为帧的数据包。数据链路层为帧添加报头和报尾。添加到帧中的报头包含硬件目标和源地址。

• 物理寻址：数据链路层向帧添加一个包含目标地址的报头。帧被传输到报头中提到的目标地址。
• 流量控制：流量控制是数据链路层的主要功能。它是一种技术，通过这种技术在两侧维持恒定的数据速率，以避免数据损坏。它确保发送方（如处理速度较快的服务器）不会超过接收方（处理速度较慢的接收方）。
• 错误控制：错误控制通过添加一个计算值 CRC（循环冗余校验）来实现，该值放置在数据链路层的报尾中，在发送到物理层之前添加到消息帧中。如果出现任何错误，接收方会发送确认信息，要求重新传输损坏的帧。
• 访问控制：当两个或多个设备连接到同一个通信通道时，数据链路层协议用于确定在给定时间哪个设备控制该链接。

3) 网络层

• 它是第 3 层，负责管理设备寻址，跟踪网络上设备的位置。
• 它根据网络状况、服务优先级和其他因素，确定将数据从源头移动到目标地的最佳路径。
• 数据链路层负责路由和转发数据包。
• 路由器是第 3 层设备，它们在此层指定并用于在互连网中提供路由服务。
• 用于路由网络流量的协议称为网络层协议。协议示例包括 IP 和 Ipv6。

网络层的功能

• 互联网互联：互联网互联是网络层的主要职责。它在不同设备之间提供逻辑连接。
• 寻址：网络层将源地址和目标地址添加到帧的报头中。寻址用于标识互联网上的设备。
• 路由：路由是网络层的主要组成部分，它在源到目标的多个路径中确定最佳路径。
• 分组化：网络层从上层接收数据包并将其转换为数据包。此过程称为分组化。它通过互联网协议 (IP) 实现。

4) 传输层

• 传输层是第 4 层，它确保消息按发送顺序传输，并且没有数据重复。
• 传输层的首要职责是完整地传输数据。
• 它从上层接收数据并将其转换为称为段的小单元。
• 该层可以称为端到端层，因为它在源和目标之间提供点对点连接以可靠地传输数据。

该层使用的两种协议是：

• 传输控制协议
  • 它是一种标准协议，允许系统通过互联网进行通信。
  • 它在主机之间建立和维护连接。
  • 当通过 TCP 连接发送数据时，TCP 协议会将数据分割成称为段的小单元。每个段在互联网上使用多条路由传输，并在目的地以不同的顺序到达。传输控制协议在接收端按正确的顺序重新排序数据包。
• 用户数据报协议
  • 用户数据报协议是一种传输层协议。
  • 它是一种不可靠的传输协议，因为在这种情况下，接收方在收到数据包时不会发送任何确认，发送方也不会等待任何确认。因此，这使得该协议不可靠。

传输层的功能

• 服务点寻址：由于计算机同时运行多个程序，因此数据从源到目标的传输不仅是从一台计算机到另一台计算机，而且是从一个进程到另一个进程。传输层添加一个包含称为服务点地址或端口地址的地址的报头。网络层的职责是从一台计算机传输数据到另一台计算机，而传输层的职责是将消息传输到正确的进程。
• 分段和重组：当传输层从上层接收到消息时，它会将消息分割成多个段，并为每个段分配一个序列号，该序列号唯一标识每个段。当消息到达目的地时，传输层会根据其序列号重新组装消息。
• 连接控制：传输层提供两种服务：面向连接的服务和无连接的服务。无连接服务将每个段视为独立的单个数据包，所有这些数据包都沿不同路径到达目的地。
• 流量控制：传输层也负责流量控制，但它是端到端进行的，而不是跨单个链路进行的。
• 错误控制：传输层也负责错误控制。错误控制是端到端进行的，而不是跨单个链路进行的。发送方传输层确保消息无误地到达目的地。

5) 会话层

• 会话层用于建立、维护和同步通信设备之间的交互。

将其想象成会议中的主持人 - 它决定：

• 何时开始通信
• 谁可以说话以及何时说话
• 如果会话中断，如何恢复

会话层的功能

• 对话控制：会话层充当对话控制器，在两个进程之间创建对话，或者我们可以说它允许两个进程之间的通信，可以是半双工或全双工。
• 同步：会话层在按顺序传输数据时添加一些检查点。如果在数据传输过程中发生错误，则将从检查点重新开始传输。此过程称为同步和恢复。

6) 表示层

• 表示层主要关注两个系统之间交换信息的语法和语义。
• 它充当网络的“数据翻译器”。
• 该层是操作系统的一部分，它将数据从一种表示格式转换为另一种格式。
• 表示层也称为语法层。

表示层的功能

• 翻译：两个系统中的进程以字符串、数字等形式交换信息。不同的计算机使用不同的编码方法，表示层处理不同编码方法之间的互操作性。它将发送方依赖的格式转换为通用格式，并在接收端将通用格式转换为接收方依赖的格式。
• 加密：需要加密来维护隐私。加密是将发送方传输的信息转换为另一种形式，并将结果消息通过网络发送的过程。
• 压缩：数据压缩是压缩数据的过程，即减少要传输的比特数。数据压缩在文本、音频、视频等多媒体中非常重要。

7) 应用层

• 应用层充当用户和应用程序进程访问网络服务的窗口。
• 它处理网络透明性、资源分配等问题。
• 应用层本身不是一个应用程序，但它执行应用层的功能。
• 该层向最终用户提供网络服务。

应用层的功能

• 文件传输、访问和管理 (FTAM)：应用层允许用户访问远程计算机中的文件，从计算机检索文件，以及管理远程计算机中的文件。
• 邮件服务：应用层提供电子邮件转发和存储的便利。
• 目录服务：应用程序提供分布式数据库源，并用于提供有关各种对象的全局信息。

如何在 OSI 模型中通信

实际演练：OSI 模型将通信划分为七层，每层负责传输中的特定角色。让我们通过从纽约发送电子邮件到伦敦的过程，了解它是如何实际工作的。

步骤 1：应用层（第 7 层）- 开始发送电子邮件。当您使用 Outlook 或 Gmail 等应用程序键入并发送电子邮件时，过程始于应用层。该层本身不发送电子邮件，但确保使用了正确的协议 - 即使是 SMTP（简单邮件传输协议）负责管理传出邮件。

步骤 2：表示层（第 6 层）- 起草消息。准备好后，电子邮件将呈现给表示层。将其视为 OSI 模型中的翻译器。这确保了数据是接收方系统能够理解的格式。在此阶段，可能会进行加密（为安全起见）、压缩（减小尺寸）或转换为标准格式（例如 ASCII 或 Unicode）。

步骤 3：会话层（第 5 层）- 建立连接。接下来是会话层，它创建并管理纽约发件人服务器和伦敦收件人服务器之间的通信会话。这确保连接保持打开状态足够长的时间以广播整个电子邮件，并且还管理中转站，以便在连接中断时，可以从中断处恢复传输，而无需重新开始。

步骤 4：传输层（第 4 层）- 将数据分割成数据包。在此层，电子邮件被分成小的、可管理的数据块，称为数据包。传输层使用 TCP（传输控制协议）来确保可靠传输。TCP 为数据包提供序列号，以便以后可以正确地重新组装它们。它还保证丢失或损坏的数据包将被重新发送。

步骤 5：网络层（第 3 层）- 寻找最佳路径。现在数据包需要传遍全球。网络层提供源和目标的 IP 地址，从而使数据能够在许多网络上路由。路由器根据其设置决定每个数据包的最佳路径，因此它们不必都遵循相同的路径，但仍能到达正确的目的地。

步骤 6：数据链路层（第 2 层）- 在本地网络中跳转。一旦数据包到达本地网络（例如发件人的办公室 LAN 或互联网服务提供商的网络），数据链路层就会使用 MAC 地址将它们从一个设备传输到下一个设备。它还检测和纠正在帧级别上的错误，从而在将数据传递给上一层之前确保其准确性。

步骤 7：物理层（第 1 层）- 在线路上发送信号。最后，物理层将数据转换为信号 - 电脉冲、光波或无线电信号 - 取决于介质。在这种情况下，电子邮件数据以光脉冲的形式通过大西洋下的光纤电缆传输，直到到达伦敦的收件人服务器。

当数据到达时，接收端各层会以 OSI 的反向顺序工作。

物理层将信号转换回原始比特。数据链路层将这些比特组织成帧并检查错误。网络层确认 IP 地址并将数据包向上层传递。传输层将数据包按正确顺序重新组装。

会话层确保连接在所有数据包分发完毕之前保持活动状态。表示层解码并将电子邮件转换为可读文本。最后，应用层将电子邮件分发到收件人的收件箱。

OSI vs TCP/IP 模型

OSI 和 TCP/IP 模型都是理解网络通信如何发生的根本框架，但它们在设计、目的和组成方面有所不同。美国国防部为实现军事网络中的强大而可靠的通信而首先开发的 TCP/IP 模型更加实用且面向协议，而 OSI 模型由国际标准化组织 (ISO) 引入，旨在作为一种独立于协议的理想化参考。

两者之间最显著的区别之一在于它们的层是如何组织的。OSI 模型将通信划分为七个不同的层，而 TCP/IP 将其简化为四层，将一些层合并在一起。

例如，OSI 的应用层、表示层和会话层在 TCP/IP 中被归类为一个应用层；物理层和数据链路层被合并到网络访问层。

在实际应用中，TCP/IP 主导着现实世界的网络，因为它构成了互联网的基础，而 OSI 模型在教学、故障排除和提供数据从一个设备移动到另一个设备的广泛理想化地图方面仍然非常宝贵。