OSI网络七层模型 与 TCP/IP模型

OSI网络七层模型 | TCP/IP模型

OSI 是 Open System Interconnection 的缩写，译为“开放式系统互联”。

OSI模型把网络通信的工作分为 7 层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

OSI 只是存在于概念和理论上的一种模型，它的缺点是分层太多，增加了网络工作的复杂性，所以没有大规模应用。后来人们对 OSI 进行了简化，合并了一些层，最终只保留了 4 层，从下到上分别是 接口层、网络层、传输层 和 应用层，这就是 TCP/IP模型。

这个网络模型究竟是干什么呢？简而言之就是进行数据封装的。

我们平常使用的程序（或者说软件）一般都是通过应用层来访问网络的，程序产生的数据会一层一层地往下传输，直到最后的网络接口层，就通过网线发送到互联网上去了。数据每往下走一层，就会被这一层的协议增加一层包装，等到发送到互联网上时，已经比原始数据多了四层包装。整个数据封装的过程就像俄罗斯套娃。

当另一台计算机接收到数据包时，会从网络接口层再一层一层往上传输，每传输一层就拆开一层包装，直到最后的应用层，就得到了最原始的数据，这才是程序要使用的数据。

给数据加包装的过程，实际上就是在数据的头部增加一个标志（一个数据块），表示数据经过了这一层，我已经处理过了。给数据拆包装的过程正好相反，就是去掉数据头部的标志，让它逐渐现出原形。

在互联网上传输一份数据是很复杂的，而我们却感受不到，这就是网络模型的厉害之处。我们只需要在代码中调用一个函数，就能让下面的所有网络层为我们工作。

我们所说的 socket 编程，是站在传输层的基础上，所以可以使用 TCP/UDP 协议，但是不能干【访问网页】这样的事情，因为访问网页所需要的 http 协议位于应用层。

两台计算机进行通信时，必须遵守以下原则：

• 必须是同一层次进行通信，比如 A 计算机的应用层和 B 计算机的传输层就不能通信，因为它们不在一个层次，数据的拆包会遇到问题。
• 每一层的功能都必须相同，也就是拥有完全相同的网络模型。如果网络模型都不同，那就乱套了，谁都不认识谁。
• 数据只能逐层传输，不能跃层。
• 每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务。

TCP/IP协议族

协议（Protocol）就是网络通信过程中的约定或者合同，通信的双方必须都遵守才能正常收发数据。协议有很多种，例如 TCP、UDP、IP 等，通信的双方必须使用同一协议才能通信。协议是一种规范，由计算机组织制定，规定了很多细节，例如如何建立连接，如何相互识别等。

协议仅仅是一种规范，必须由计算机软件来实现。例如 IP 协议规定了如何找到目标计算机，那么各个开发商在开发自己的软件时就必须遵守该协议，不能另起炉灶。

TCP/IP模型包含了 TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP 等上百个互为关联的协议，其中 TCP 和 IP 是最常用的两种底层协议，所以把这些协议统称为“TCP/IP 协议族”，也就是说，“TCP/IP模型”中所涉及到的协议称为“TCP/IP协议族”。

开放式系统（Open System）

把协议分成多个层次有哪些优点？协议设计更容易？当然这也足以成为优点之一。但是还有更重要的原因，就是为了通过标准化操作设计成开放式系统。

标准本身就是对外公开的，会引导更多的人遵守规范。以多个标准为依据设计的系统称为开放式系统（Open System），TCP/IP协议族也属于其中之一。

接下来了解一下开放式系统具有哪些优点。

路由器用来完成 IP 层的交互任务。某个网络原来使用 A 公司的路由器，现要将其替换成 B 公司的，是否可行？这并非难事，并不一定要换成同一公司的同一型号路由器，因为所有生产商都会按照 IP 层标准制造。

再举个例子。大家的计算机是否装有网络接口卡，也就是所谓的网卡？尚未安装也无妨，其实很容易买到，因为所有网卡制造商都会遵守链路层的协议标准，这就是开放式系统的优点。

标准的存在意味着高速的技术发展，这也是开放式系统设计最大的原因所在。实际上，软件工程中的“面向对象（Object Oriented）”的诞生背景中也有标准化的影子。也就是说，标准对于技术发展起着举足轻重的作用。

IP地址、MAC地址和端口号

在茫茫的互联网海洋中，要找到一台计算机非常不容易，有三个要素必须具备，它们分别是 IP地址、MAC地址 和 端口号。

1、IP地址

IP地址是 Internet Protocol Address 的缩写，译为“网际协议地址”。

目前大部分软件使用 IPv4 地址，但 IPv6 也正在被人们接受，尤其是在教育网中，已经大量使用。

一台计算机可以拥有一个独立的IP地址，一个局域网也可以拥有一个独立的IP地址（对外就好像只有一台计算机）。对于目前广泛使用的IPv4地址，它的资源是非常有限的，一台计算机一个IP地址是不现实的，往往是一个局域网才拥有一个IP地址。

在因特网上进行通信时，必须要知道对方的 IP 地址。实际上数据包中已经附带了 IP 地址，把数据包发送给路由器以后，路由器会根据 IP 地址找到对方的地理位置，完成一次数据的传递。路由器有非常高效和智能的算法，很快就会找到目标计算机。

2、MAC地址

现实的情况是，一个局域网往往才能拥有一个独立的 IP；换句话说，IP地址只能定位到一个局域网，无法定位到具体的一台计算机。

其实，真正能唯一标识一台计算机的是MAC地址，每个网卡的MAC地址在全世界都是独一无二的。计算机出厂时，MAC地址已经被写死到网卡里面了（当然通过某些“奇巧淫技”也是可以修改的）。局域网中的路由器/交换机会记录每台计算机的MAC地址。

MAC地址是 Media Access Control Address 的缩写，直译为“媒体访问控制地址”，也称为局域网地址（LAN Address），以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address）。

数据包中除了会附带对方的IP地址，还会附带对方的MAC地址，当数据包达到局域网以后，路由器/交换机会根据数据包中的MAC地址找到对应的计算机，然后把数据包转交给它，这样就完成了数据的传递。

3、端口号

有了 IP地址 和 MAC地址，虽然可以找到目标计算机，但仍然不能进行通信。一台计算机可以同时提供多种网络服务，例如 Web 服务（网站）、FTP 服务（文件传输服务）、SMTP 服务（邮箱服务）等，仅有IP地址和MAC地址，计算机虽然可以正确接收到数据包，但是却不知道要将数据包交给哪个网络程序来处理，所以通信失败。

为了区分不同的网络程序，计算机会为每个网络程序分配一个独一无二的端口号（Port Number），例如，Web服务的端口号是 80，FTP服务的端口号是 21，SMTP服务的端口号是 25。

端口（Port）是一个虚拟的、逻辑上的概念。可以将端口理解为一道门，数据通过这道门流入流出，每道门有不同的编号，就是端口号。如下图所示：