OSI 七层与 TCP/IP 模型——用代码学网络，第 2 天
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开始之前 🔗
上一篇讨论了为什么需要了解网络。
今天详细介绍理解网络通信的两种基本模型：OSI 七层模型与 TCP/IP 模型。
什么是网络模型？ 🔗
想象一下给朋友寄信的过程。
先写信，把信装进信封并写上地址，再投入邮筒，由邮局分拣和投递。
网络通信也要经过几个步骤才能把数据传到目的地。
用统一、标准化的方式描述这些过程的框架，就是网络模型。
网络模型有助于不同厂商生产的计算机和设备顺利通信。
最具代表性的就是 OSI 七层模型和 TCP/IP 模型。
OSI 七层模型：理解网络通信的参考框架 🔗
OSI 七层模型是国际标准化组织（ISO）于 1984 年发布的网络通信标准模型。
顾名思义，它将通信过程分成七层。每一层使用下一层的服务，并为上一层提供服务。
就像一栋七层楼，每层都有各自的用途。
OSI 七层分别是：
- 第 7 层：应用层（Application Layer）
- 第 6 层：表示层（Presentation Layer）
- 第 5 层：会话层（Session Layer）
- 第 4 层：传输层（Transport Layer）
- 第 3 层：网络层（Network Layer）
- 第 2 层：数据链路层（Data Link Layer）
- 第 1 层：物理层（Physical Layer）
可以借助英文首字母口诀“All People Seem To Need Data Processing”（人人似乎都需要数据处理）记住这七层。原文还举了韩语口诀“아파서 티내다 피났다”，并列出自底向上的韩语层名首字“물-데-네-전-세-표-응”，作为另一种记忆方式。
OSI 各层的职责与功能 🔗
第 7 层：应用层（Application Layer） 🔗
职责
它是与浏览器、邮件客户端、文件传输程序等应用沟通的接口。
用户通过网络执行操作时，首先接触的是这一层。
示例
浏览网站使用的 HTTP、发送电子邮件使用的 SMTP，以及传输文件使用的 FTP，都在这一层工作。
数据单位
消息（Message）或数据（Data）。第 6 层：表示层（Presentation Layer） 🔗
职责
将应用层的数据转换为不同计算机能够理解的通用表示格式
。例如，进行字符编码（ASCII、UTF-8 等），或者加密、压缩数据。
示例
对数据进行加密（SSL/TLS）以便安全传输，或将图片和视频转换为指定格式，例如 JPEG、GIF 和 MPEG。
数据单位
消息（Message）或数据（Data）。第 5 层：会话层（Session Layer） 🔗
职责
建立、维持并结束两台计算机之间的对话（会话）
。例如，登录后保持连接，完成任务后通过退出登录断开连接。它也可以设置同步点，发生传输错误时从相应位置恢复。
示例
在线游戏需要维持与服务器的连接，视频会议也需要管理会话，避免通信中断。
数据单位
消息（Message）或数据（Data）。第 4 层：传输层（Transport Layer） 🔗
职责
负责让数据准确、可靠地送达
。它可以将数据分为适当大小的段，出错时重传（差错控制），并调节传输量（流量控制）。
示例
常见的 TCP 和 UDP 都在这一层工作。TCP 注重可靠传输，UDP 注重快速传输。使用 TCP 下载文件时，可以完整收到文件数据。
数据单位
段（Segment，用于 TCP）或数据报（Datagram，用于 UDP）。第 3 层：网络层（Network Layer） 🔗
职责
为数据寻找跨越多个网络、到达目的地的路径
，即路由。这里使用区分各计算机的逻辑地址，即 IP 地址。
示例
接入互联网并与远端服务器通信时，路由器在这一层工作，选择数据应经过的路径。
数据单位
数据包（Packet）。第 2 层：数据链路层（Data Link Layer） 🔗
职责
让同一网络内直接相连的设备交换数据。它检测和处理物理层可能出现的错误，用帧来区分数据的边界，并使用 MAC 地址这种物理地址。
示例
计算机的网卡（网络接口卡）和交换机等设备主要在这一层工作。
数据单位
帧（Frame）。第 1 层：物理层（Physical Layer） 🔗
职责
负责实际传输数据所需的物理连接，规定线缆类型、传输速率、电压等电气和机械属性。简单来说，它将数据编码成代表 0 和 1 的信号（比特），通过线缆以接近光速传输。
示例
以太网线、光缆、集线器和中继器等都属于这一层。
数据单位
比特（Bit）。TCP/IP 模型：互联网实际采用的模型 🔗
OSI 七层模型有助于理解网络通信，但层次较多，实际网络也不一定严格区分每一层。
实际互联网采用的是层次更少的
TCP/IP 模型
。
TCP/IP 模型最初由美国国防部（DoD）开发，比 OSI 模型更早投入使用。它基于实际使用的互联网协议，实用性较强。
TCP/IP 模型通常以四层说明，可以与 OSI 的七层对应。有些资料会使用五层划分，但四层划分更常见。- 第 4 层：应用层（Application Layer），对应 OSI 第 5、6、7 层。
- 第 3 层：传输层（Transport Layer），对应 OSI 第 4 层。
- 第 2 层：互联网层（Internet Layer），对应 OSI 第 3 层。
- 第 1 层：网络接入层（Network Access/Interface Layer 或 Link Layer），对应 OSI 第 1、2 层。
TCP/IP 各层的职责 🔗
TCP/IP 各层的职责与 OSI 中对应的层类似。
- 第 4 层：应用层（Application Layer）综合了 OSI 的应用层、表示层和会话层功能，直接面向用户交互，提供 HTTP、FTP、SMTP 和 DNS 等数据交换服务。
- 第 3 层：传输层（Transport Layer）与 OSI 的传输层基本相同，负责端到端（end-to-end）数据传输，并可提供可靠传输。 TCP 和 UDP 都在这一层运行，处理数据分段、差错控制与流量控制等任务。
- 第 2 层：互联网层（Internet Layer）对应 OSI 的网络层，负责为数据包寻址（使用 IP 地址）和选择路径（路由），使数据包到达目的地。 核心协议是 IP（Internet Protocol）。
- 第 1 层：网络接入层（Network Access/Interface Layer）对应 OSI 的物理层和数据链路层，通过网线、网卡等硬件实际传输数据，并负责同一网络内设备之间的帧传输。 以太网（Ethernet）和 Wi-Fi 都属于这一层的技术。
为什么要同时了解 OSI 和 TCP/IP？ 🔗
你可能会问：“既然实际使用的是 TCP/IP，为什么还要学习 OSI？”
OSI 是理论模型，但它细致、有条理地描述了完整的网络通信过程，有助于理解基本原理和诊断问题。
TCP/IP 则是实用模型，直接说明了今天使用的互联网如何工作。
网络开发人员和工程师了解这两种模型，就能更好地分析复杂网络环境并解决问题。
实例：访问网站时各层如何协作 🔗
在浏览器地址栏输入
www.google.com 并按回车后，会发生什么？下面用 OSI 七层（也可以用 TCP/IP 模型）来说明这个过程。- 应用层（第 7 层）用户输入
www.google.com后，浏览器使用 HTTP 协议生成向 Google 服务器请求网页的数据。 浏览器也可能先通过 DNS 查询www.google.com对应的 IP 地址。 - 表示层（第 6 层）网页请求数据转换成各系统可理解的标准格式，必要时还会加密，例如使用 HTTPS 时。
- 会话层（第 5 层）建立并管理浏览器与 Google Web 服务器之间的通信会话。
- 传输层（第 4 层）使用 TCP 将 HTTP 请求数据拆为较小的段。 每段附有 TCP 头，其中包含序号和端口号等信息。HTTP 通常使用 80 端口，HTTPS 通常使用 443 端口。
- 网络层（第 3 层）给每个 TCP 段加上包含源 IP 地址（本机）和目的 IP 地址（Google 服务器）的 IP 头，形成数据包。 路由器根据 IP 地址决定将数据转发到哪里。
- 数据链路层（第 2 层）给 IP 数据包添加帧头与帧尾。 其中包含下一台设备（例如家用路由器）的 MAC 地址等信息。
- 物理层（第 1 层）将帧中的数据转换成代表 0 和 1 的信号，通过线缆或无线电波实际传输。
数据到达 Google 服务器后，这个过程会反向进行，称为解封装。
数据从物理层向上交给应用层，各层逐一移除相应的头部信息，最终由 Web 服务器中的应用程序返回网页数据。
结语 🔗
本文介绍了用于描述网络通信的 OSI 七层模型，以及实际互联网采用的 TCP/IP 模型。
OSI 将网络功能划分为七个逻辑层次，是帮助理解通信原理和排查问题的理论模型。
TCP/IP 是适应实际互联网环境的四层（有时也划分为五层）模型，可以与 OSI 的分层对应，也是互联网通信的核心协议族。
两种模型都有助于理解网络。了解各层的职责与交互方式，可以帮助开发者解决网络问题并编写更好的程序。
下一篇将详细介绍如何在网络中找到计算机，也就是 IP 地址与子网掩码。
