OSI 模型是什么?互联网 OSI 模型七层模型怎么理解

  1. 什么是 OSI 模型
  2. 七层模型中各层的用途
  3. 七层模型中各层可能出现的问题
  4. TCP/IP 模型与 OSI 模型的区别

常见网络术语

这里是一些常见的网络术语,为了充分理解本文,你应该熟悉它们。我会在接下来谈论 OSI 各层的时候使用这些术语。

节点

节点(node)是连接到网络的物理电子设备,比如电脑、打印机、路由器等等。如果配置正确的话,节点可以在网络上进行信息的收发。

节点可以彼此相邻,其中的节点 A 可以直接连接到节点 B。节点之间也可以有中间节点,例如节点 A 和节点 B 之间可以放置一个交换机或路由器。

通常,路由器将网络连接到因特网,而交换机运行在网络内部,促进内网通信。了解更多有关集线器、交换机和路由器的信息。

举个例子:

1-Router-Image
来源

对于我们当中那些挑剔的人来说(没错,我发现你了),主机(host) 将是你在网络中遇到的另一个术语。我将把它定义为一种需要具有 IP 地址的节点。所有的主机都是节点,但是并不是所有的节点都是主机。如果你不赞同,带着愤怒 Tweet 我吧。

链路

链路(link)连接网络中的节点,它可以是有线的,比如以太网,也可以是无线的,比如 WiFi。

链路要么是点对点的(节点 A 与节点 B 相连),要么是多点的(节点 A 与节点 B 和节点 C 相连)。

我们也可以在谈论信息传输时将其描述成一对一与一对多的关系。

协议

协议(protocol)是一组相互商定的规则,允许网络中的两个节点交换数据。

“协议定义了管理通信过程中语法(可通信的内容)、语义(如何通信)以及同步(何时通信以及通信的速度)的规则。协议可以由硬件、软件或二者的组合实现。协议可以由任何人创建,但是最被广泛采纳的协议都是基于标准的。” —— The Illustrated Network

有线和无线链路都可以有协议。

虽然任何人都可以创建协议,但是基于因特网组织(例如,因特网工程任务组(IETF,Internet Engineering Task Force))发布的标准的协议通常是最被广泛采纳的。

网络

网络(network)是一组计算机、打印机或任何其它想要共享数据的设备的通用术语。

网络的类型包括:LAN、HAN、CAN、MAN、WAN、BAN 或 VPN。你觉得我只是随便用 can 一词来押韵吗?才不是呢——这些都是真实的网络类型。从这里了解更多。

拓扑

拓扑(topology)描述的是节点和链路如何在网络配置中组合在一起,通常用图描述。这里是一些常见的网络拓扑类型:

What is Network Topology? Best Guide to Types & Diagrams - DNSstuff
来源 + 了解更多网络拓扑

网络由节点、节点之间的链路和管理节点间数据传输的协议组成。

无论网络的规模和复杂度如何,你都可以通过学习 OSI 模型和七层网络来理解所有在计算机网络中发生的事情。

什么是 OSI 模型?

OSI 模型由七层网络组成。

首先,层(layer)是什么?

洞穴、龙穴、群山
来源

噢,巢穴(lair)。

不,层——而不是 巢穴。这里没有龙。

层是对网络上的功能和行为进行分类和分组的一种方式。

在 OSI 模型中,层的组织结构从最具形态和最物理到不太有形,虚拟但更接近最终用户。

每一层都 抽象 低层的功能,直到最高层为止。最终用户是看不到所有其它层的所有细节和内部运作的。

如何记住所有层的名字呢?很简单。

请不要把暗号告诉任何人(Please Do Not Tell the Secret Password to Anyone)。

  • Please | 物理层(Physical Layer)
  • Do | 数据链路层(Data Link Layer)
  • Not | 网络层(Network Layer)
  • Tell (the)| 传输层(Transport Layer)
  • Secret | 会话层(Session Layer)
  • Password (to)| 表示层(Presentation Layer)
  • Anyone | 应用层(Application Layer)

要牢记:虽然某些技术(比如协议)在逻辑上比起其它层来说可能“属于”某一层,但并非所有的技术都完全契合 OSI 模型中的单个层。例如,以太网(Ethernet)、802.11(Wifi)和地址解析协议(ARP,Address Resolution Protocol)程序在不只一层上工作。

OSI 只是一个模型,一个工具,并不是一组规则。

OSI 第一层

第一层是 物理层。第一层中有很多技术——从物理网络设备、布线到电缆如何连接到设备之间的一切。另外,如果我们不需要电缆,那么信号的类型和传输方式是什么(例如,无线宽带)。

我没有列出第一层中的各种技术,而是为这些技术创建了一个更大的分类。我鼓励读者进一步学习每一种分类:

  • 节点(设备)和网络硬件。 设备包括集线器、中继器、路由器、计算机、打印机,等等。这些设备内的硬件包括天线、放大器、网卡(NIC,Network Interface Card),等等。
  • 设备接口机制。 电缆如何连接到某个设备,以及连接到设备上的哪个地方(电缆连接器和设备插座)?连接器的大小和形状如何,它有多少个引脚?决定引脚处于活动状态还是非活动状态的东西是什么?
  • 功能和程序逻辑。 连接器中每个引脚的功能是什么——发送还是接收?决定事件顺序,以便节点能够开始与第二层上的另一个节点通信的程序逻辑是什么?
  • 电缆协议和规范。 以太网(CAT)、USB、数字用户线(DSL,Digital Subcriber Line)等。规范包括最大电缆长度、调制技术、无线电规范、线路编码和位同步(下文还有更多)。
  • 电缆类型。 选择有屏蔽或非屏蔽双绞线、非双绞线、同轴电缆等。从这里了解更多电缆类型。
  • 信号类型。 基带一次一个比特流,就像铁路一样——只支持单向。宽带同时包含多个比特流,就像双向高速公路一样。
  • 信号传输方法(可能是有线的或无线的)。 选择包括电(以太网)、光(光纤网络、光纤)、无线电波(802.11 WiFi,a/b/g/n/ac/ax 变种或蓝牙)。如果是无线的话,则要考虑频率:2.5 GHz 还是 5 GHz。如果是有线或以太网的话,则还要考虑网络标准,例如 100BASE-T 和相关标准。

第一层的数据单元是比特(bit)。

比特是可传输数字信息的最小单元。比特是二进制的,要么为 0 要么为 1。字节(byte)由八个比特组成,用于表示单个字符,比如字母、数字或符号。

根据硬件设备支持的数据速率(传输速率,每秒或每毫秒的比特数量),比特被发送到硬件设备或从设备发出。这个过程是同步的,从而保持单位时间内发送和接收比特的数量相等(这被称为比特同步)。比特的传输方式由信号的传输方式决定。

节点可以发送比特、接收比特,或者收发兼顾。如果节点只能收或只能发,那么该节点采用的就是单工模式。如果节点既可以收又可以发,那么该节点采用的就是双工模式。如果一个节点可以同时进行收发操作,那么它就是全双工的,否则就是半双工的。

最初的以太网是半双工的。如果采用了正确的设备,现在也可以选择全双工的以太网。

如何排查第一层中的问题

这里是第一层中要当心的一些问题:

  • 电缆失效,例如电线损坏或连接器损坏
  • 网络硬件设备故障,例如电路损坏
  • 东西正被拔出(我们都遇到过……)

如果第一层出了问题,第一层以上的任何东西都不会正常工作。

TL;DR

第一层包含的是基础设施,它让网络通信变成可能。

它定义了用于激活、维护和停用网络设备之间的物理连接的电气、机械、程序和功能规范。——来源

有趣的事实:深海通信电缆在全世界传输数据。这张地图会让你大开眼界:https://www.submarinecablemap.com/。

因为你已经坚持到这儿了,所以送你一只考拉:

考拉、自然、动物、爪子、澳大利亚、幼仔
来源

OSI 第二层

第二层是 数据链路层。它定义了数据的传输格式、可以在节点间流动的数据量大小、数据流动可以持续的时长,以及在流中检测到错误时应采取的措施。

使用更加正式的技术术语描述如下:

  • 线路规划。 谁应该交流多久?节点传输信息的时间应该持续多久?
  • 流量控制。 应该传输的数据量是多少?
  • 错误控制-检测和校正。 从电尖峰脉冲到卑鄙的连接器,所有的数据传输方法都有可能出错。一旦第二层的技术告知网络管理员有关第二层或第一层的问题,系统管理员就能为后续几层纠正那些错误。第二层主要关心的是错误检测,而不是错误校正。(来源)

第二层内有两个截然不同的子层:

  • 介质访问控制(MAC,Media Access Control): MAC 子层负责分配硬件标识号,这个标识号被称为 MAC 地址,它能够唯一标识网络上的各个设备。两个设备不应该有相同的 MAC 地址。MAC 地址在硬件制造时就分配好了,位于网卡当中,大多数网络都会自动对其进行识别。交换机会跟踪网络上所有的 MAC 地址。在这里和这里了解更多有关 MAC 地址的信息,在这里进一步了解网络交换机。
  • 逻辑链路控制(LLC,Logical Link Control): LLC 子层处理帧的寻址以及流量控制。速度取决于两个节点之间的链路,例如以太网或 Wifi。

第二层的数据单元是 帧(frame)。

每一帧都包括一个帧头、主体和一个帧尾:

  • 帧头:通常包括源节点和目的节点的 MAC 地址。
  • 主体:由要传输的比特组成。
  • 帧尾:包括错误检测信息。当检测到错误时,根据实现或网络的配置或协议,帧可能被丢弃,或者错误会被报告给上面的层,用于进一步错误校正。例如,错误检测机制的有循环冗余校验(CRC,Cyclic Redundancy Check)和帧校验序列(FCS,Frame Check Sequence)。从这里了解更多有关错误检测技术的信息。
5-Frame-Example
来源

帧的大小通常有一个最大值,这个值被称为最大传输单元(MTU,Maximum Transmission Unit)。巨型帧的大小超过了标准的 MTU,从这里了解更多有关巨型帧的信息。

如何排查 OSI 第二层中的问题

这里是第二层中要当心的一些问题:

  • 可能在第一层上发生的所有问题
  • 两个节点间的连接(会话)不成功
  • 成功建立但又间歇性失败的会话
  • 帧冲突

TL;DR

数据链路层允许局域网内的各节点彼此相互通信。这一层建立了线路规划、流量控制和错误控制的基础。

OSI 第三层

第三层是 网络层。 就是在这里,我们通过路由器在网络间或跨网发送信息。不仅仅是节点到节点的通信,我们现在还可以进行网络到网络的通信了。

路由器是第三层的主力——它们是在第三层中必不可少。路由器跨越多个网络移动数据包。

路由器不仅通过连接到网络服务提供商(ISPs,Internet Service Providers)提供因特网访问,还跟踪着所在网络中的一切(记住交换机跟踪的是一个网络中所有的 MAC 地址),它所连接的其它网络,以及在这些网络中路由数据包的不同路径。

路由器将所有的地址和路由信息都保存在路由表中。

这里是一个简单的路由表示例:

6-Routing-Table
图片来源 + 从这里了解更多有关路由表的信息

第三层的数据单元是 数据包(data packet)。通常,每个数据包都包含一个帧 加上 一个 IP 地址信息的包装。换句话说,帧被第三层的地址信息封装了。

数据包中传输的数据有时也被称为 负载(payload)。每个包都拥有到达目的地所需的一切,但是它能不能成功抵达就是另外一回事儿了。

第三层上的传输是无连接的、尽力而为的——除了将流量发往它应该去的地方,它们不会做任何事。更多与数据传输有关的协议在第四层。

节点一旦连接到因特网,它就会被赋予一个因特网协议(IP,Internet Protocol)地址,它看起来要么像 172.16.254.4(IPv4 地址),要么像 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334(IPv6 地址)。路由器在它们的路由表中使用 IP 地址。

IP 地址通过地址解析协议(ARP,Address Resolution Protocol)与物理节点的 MAC 地址相关联,ARP 用节点对应的 IP 地址解析 MAC 地址。

ARP 通常被认为是第二层的一部分,但是由于 IP 地址在第三层以下都不存在,所以 ARP 也是第三层的一部分。

如何排查第三层中的问题

这里是第三层中要当心的一些问题:

  • 所有可能在之前各层中出现的问题 🙂
  • 路由器或其它节点故障或无功能
  • IP 地址配置不正确

很多第三层问题的答案都要求使用像 pingtraceshow ip route 或 show ip protocols 这样的命令行工具。在这里了解更多与有关一至三层问题排查的信息。

TL;DR

第三层允许节点连接到因特网并跨越不同网络发送数据。

OSI 第四层

第四层是 传输层。在这里,我们会深入探讨了两个节点之间连接的具体细节,以及信息是如何在它们之间进行传输的。第四层建立在第二层的功能之上——线路规划、流量控制和错误控制。

这一层也负责数据包的分段,或者说数据包如何被拆分成小片并发往整个网络。

不像上一层,第四层也理解整个消息,而不只是每个独立的数据包的内容。根据对整个消息的理解,第四层不再一次性发送所有数据包,从而管理网络拥塞。

第四层的数据单元有好几个不同的名字,对于 TCP 而言,数据单元是数据包。对于 UDP 而言,包被称为数据报(datagram)。为了简化,我将只使用数据包这个术语。

第四层中最有名的两个协议是传输控制协议(TCP,Transmission Control Protocol)和用户数据报协议(UDP,User Datagram Protocol)。

TCP 是一个面向连接的协议,优先保证的是数据的质量而不是速度。

TCP 显式地与目的节点建立连接,并要求在数据传输时进行源节点与目的节点之间的握手操作。握手能够确认数据已经被接收。如果目的节点没有收到所有的数据,TCP 就会要求进行重传。

TCP 也会确保数据包以正确的顺序交付或者重组。从这里了解更多有关 TCP 的信息。

UDP 是一个无连接的协议,优先保证速度而不是数据的质量。UDP 不要求进行握手,这也正是它被称为无连接的原因。

因为 UDP 不必等待确认,所以它可以以更快的速度发送数据,但并非所有的数据都能成功传输,我们也不会知道哪些数据传输失败了。

如果信息被拆分成多个数据报,除非这些数据报都包含一个序列号,否则 UDP 无法确保以正确的顺序重组数据包。从这里了解更多有关 UDP 的信息。

TCP 和 UDP 都将数据发往网络设备上的特定端口,这些网络设备都有自己的 IP 地址。IP 地址和端口号的组合被称为套接字(socket)。

从这里了解更多有关套接字的信息。

从这里和这里了解 TCP 与 UDP 这两个协议之间的更多差异和相似之处。

如何排查 OSI 第四层中的问题

这里是第四层中要当心的一些问题:

  • 所有可能在之前各层中出现的问题 🙂
  • 被封锁的端口——检查你的访问控制列表(ACL,Access Control List)和防火墙
  • 服务质量(QoS,Quality of Service)设置。QoS 是路由器/交换机的一个功能,可以对流量进行优先级排序,并且它们真的可以把事情搞砸。从这里学习更多有关 Qos 的信息。

TL;DR

传输层通过将消息分割成多个数据包提供端到端的消息传输,支持面向连接的和无连接的通信。

OSI 第五层

第五层是 会话层,负责建立、维持和终止会话。

会话建立在两个网络应用之间,是双方商定好的连接。注意,我们没有说两个节点,我们已经离开节点了,它们是第四层中的东西。

开玩笑的,我们还是有节点的,但是第五层不需要保留节点的概念,因为它是之前各层抽象出来的(关心)的概念。

所以会话是一个建立在两个特定的用户应用之间的连接,其中有一些重要的概念需要考虑:

  • 客户端与服务器模型:请求信息的应用被称为客户端,拥有被请求信息的应用被称为服务器。
  • 请求与响应模型:在建立会话的过程和会话期间,不断有来回的信息请求,还有包含被请求信息的响应或者是“嘿,我没有你要的东西”。

会话持续的时间可以非常短,也可以非常长,有时会话也可能会失败。

根据所采用的协议,会话可能会启动各种故障解决程序。根据所使用的应用程序/协议/硬件,会话可能支持单工,半双工或全双工模式。

第五层中协议的例子有网络基本输入输出系统(NetBIOS,Network Basic Input Output System)和远程过程调用协议(RPC,Remote Procedure Call Protocol)等等。

从这里往上(第五层及以上),网络关注的是与用户应用程序建立连接以及如何向用户展示数据。

如何诊断 OSI 第五层中的问题

这里是第五层中需要当心的一些问题:

  • 服务器不可用
  • 服务器未被正确地配置,例如 Apache 或 PHP 配置
  • 会话故障——断连、超时,等等

TL;DR

会话层负责初始化、维持并终止两个用户应用程序之间的连接。它响应来自表示层的请求,并向传输层发起请求。

OSI 第六层

第六层是 表示层,负责数据的格式,比如字符编码与转换,以及数据加密。

托管用户应用程序的操作系统通常包含第六层中的程序,这个功能并不总是被网络协议实现。

第六层确保第七层中的用户程序可以成功地消费数据,当然还有最终数据的展示。

有三种数据格式化方法需要注意:

  • 美国信息交换标准代码(ASCII,American Standard Code for Information Interchange):这个七位编码技术是字符编码中使用最广泛的标准。ASCII 的一个超集是 ISO-885901,它提供了西欧语言所必需的大多数字符。
  • 扩充的二进制编码的十进制交换码(EBDCIC,Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code):由 IBM 设计,用于大型机。此编码与其他字符编码方法不兼容。
  • 万国码(Unicode):可以使用 32 位,16 位或 8 位字符的字符编码,它尝试容纳所有已知的字母。

从这里、这里还有这里了解有关字符编码的更多信息。

加密:SSL 或 TLS 加密协议位于第六层。这些加密协议为网络上的节点提供身份认证和数据加密功能,帮助确保传输的数据抵御恶意用户的攻击。TLS 是 SSL 继任者。

如何诊断 OSI 第六层中的问题

这里是第六层中需要当心的一些问题:

  • 驱动程序不存在或损坏
  • 操作系统用户访问级别不正确

TL;DR

表示层负责格式化与加密数据。

OSI 第七层

第七层是 应用层

顾名思义,这一层最终负责支持用户程序使用的服务。应用程序包括安装在操作系统中的软件程序,比如因特网浏览器(例如 Firefox)或文字处理程序(例如 Microsoft Word)。

应用程序可以在后台执行专门的网络功能,也可以要求第七层中专门的服务。

例如专门创建电子邮件程序,它在网络上运行并利用第七层中网络功能(比如电子邮件协议)。

应用程序也可以控制用户交互,比如安全检查(例如 MFA)、识别两名参与者的身份、初始化信息交换等。

这一层中运行的协议包括文件传输协议(FTP,File Transfer Protocol)、安全壳协议(SSH,Secure Shell)、简单邮件传输协议(SMTP,Simple Mail Transfer Protocol)、因特网消息访问协议(IMAP,Internet Message Access Protocol)、域名服务(DNS,Domain Name Service)和超文本传输协议(HTTP,Hypertext Transfer Protocol)。

虽然这些协议中的每一个都服务于不同的功能,运行的方式也各不相同,但从较高的层次看,它们都促进了信息的交流。

如何诊断 OSI 第七层中的协议

这里是第七层中需要当心的一些问题:

  • 所有之前各层中的问题
  • 软件应用程序配置不正确
  • 用户操作失误(我们都遇到过……)

TL;DR

应用层拥有用户应用程序运行所需的服务和功能,不包括应用程序本身。

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