计算机网络 – 七层模型概述

七层模型的诞生

故事：深夜中，在一家美国酒吧坐着几个正在谈论迪斯尼电影里的7个小矮人，他们把小矮人的名字写在餐巾纸上，有人开玩笑说7对于网络分层是个好数字，这几个人就是制定OSI标准小组的成员，后来OSI真的就设计成了七层模型，不过给七层模型重新起了听上去更科学的名字，就这样诞生了

这个关于七层模型的来源的故事其实是一个幽默的传说，目的是让人们更容易记住OSI七层模型。实际上，OSI七层模型的诞生过程并不像这个故事那样轻松幽默。

那么第一步就先让我们了解下背后真正的故事吧！

OSI（Open Systems Interconnection）七层模型，即开放系统互联参考模型，起源于20世纪70年代和80年代。当时，随着计算机网络技术的发展和普及，不同厂商生产的计算机和网络设备之间的互操作性成为一个关键问题。为了解决这个问题，国际标准化组织（ISO）开始研究如何将各种网络设备和协议统一为一个标准框架。

1977年，国际标准化组织（ISO）成立了一项工作小组，负责研究网络互操作性的标准。1978年，ISO与国际电报电话咨询委员会（CCITT，现已成为国际电信联盟ITU的一部分）共同发布了第一版的OSI参考模型。经过数年的研究、讨论和完善，1984年，ISO正式发布了OSI七层参考模型的标准。

OSI七层模型的目的是将复杂的网络通信问题划分为更小、更容易管理的部分。它将通信过程分为七个抽象层次，从底层到顶层分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有特定的功能和职责，相互协作以实现端到端的通信。这种分层的架构使得不同层次的技术和协议能够独立地发展和更新，同时保持整个系统的互操作性。

尽管OSI七层模型在理论上得到了广泛的认可和应用，但在实际的网络实现中，它并没有得到广泛的采用。TCP/IP协议族，最早由美国国防部高级研究计划署（DARPA）在20世纪70年代开发，成为了互联网的基石。TCP/IP模型采用了一个更简化的四层架构，即：链路层、网络层、传输层和应用层。

就算如此，OSI七层模型仍然是计算机网络领域的重要理论基础。它有助于理解不同协议和设备如何相互协作，并为网络故障排查、性能优化等提供了有用的参考框架。

OSI 七层参考模型和 TCP / IP

OSI七层模型从低到高依次是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

TCP/IP模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是Internet的基础通信协议。它的设计初衷是为了解决不同类型计算机之间的通信问题。TCP/IP模型将网络通信过程分为四个层次，分别是：链路层、网络层、传输层和应用层

OSI七层参考模型：

物理层：负责传输比特流（0和1），处理物理连接、电气特性、光缆连接等。
数据链路层：负责在物理层的基础上建立数据链路，实现数据包的组织和传输，包括错误检测和流量控制。
网络层：负责为数据包选择最佳路径，实现不同网络之间的通信，例如IP协议。
传输层：负责端到端的通信，提供数据包的传输和错误控制，例如TCP和UDP协议。
会话层：负责建立、维护和断开连接（会话）。
表示层：负责数据格式转换、加密解密和压缩解压缩等功能。
应用层：负责为应用程序提供网络服务，例如HTTP、FTP、SMTP等协议。

TCP/IP模型：

链路层（对应OSI模型的物理层和数据链路层）：负责将数据帧在网络设备之间进行传输，处理物理地址（如MAC地址）。
- 链路层在某些情况下会被拆分为两个子层：数据链路层和物理层。这种拆分是为了更好地描述网络设备之间的连接和通信过程。在这种拆分下，TCP/IP模型变为五层模型
- 这种拆分在某些资料和书籍中被称为五层模型。无论是四层TCP/IP模型还是五层模型，它们的核心目的都是描述计算机网络中各个层次的功能和通信协议。不同的模型强调不同的方面，但它们都有助于更好地理解和设计计算机网络
网络层（对应OSI模型的网络层）：负责将数据包在不同网络之间进行传输，处理逻辑地址（如IP地址），例如IP协议。
传输层（对应OSI模型的传输层）：负责端到端的通信，提供数据包的传输和错误控制，例如TCP和UDP协议。
应用层（对应OSI模型的会话层、表示层和应用层）：负责为应用程序提供网络服务，例如HTTP、FTP、SMTP等协议。

物理层

物理层是直接和物理介质打交道的。
物理层的设备网卡，网线，集线器，中继器，调制解调器
物理层信道(物理通讯) 最重要

物理层是计算机网络模型中的最底层，它负责在网络设备之间实现比特流（0和1）的传输。物理层主要关注的是物理连接、电气特性、信号传输等方面的问题。在物理层，数据是以比特流的形式在网络设备间传输的，不涉及具体的协议和数据的组织形式。

物理层的主要功能包括：

机械特性：指网络设备连接时的物理接口标准，如连接器的形状、尺寸、引脚数量等。

电气特性：指网络设备之间传输信号所使用的电压和电流范围等电气参数。

功能特性：指物理连接的建立、维护和断开等功能。

规程特性：指物理层按照特定顺序执行的操作过程，包括比特流的发送和接收。

信号传输：物理层需要确定如何在传输介质（如双绞线、光纤、无线电波等）上进行信号的传输，包括信号的编码、调制等。

物理层不关心数据的具体内容，而是关注如何在不同设备之间传输比特流。在实际应用中，物理层涉及到的技术和标准很多，如以太网、光纤、Wi-Fi等。这些技术和标准定义了不同类型的网络设备如何在物理层上进行通信。

有线信道-明线

明线是指平行架设在电线杆上的架空线路。它本身是导电裸线或带绝缘层的导线。虽然它的传输损耗低，但是由于易受天气和环境的影响，对外界噪声干扰比较敏感，已经逐渐被电缆取代。

主要用于计算机和通信设备之间的数据传输。它由两根绝缘的铜线按照一定规则拧在一起，形成一对螺旋状的传输线

明线的主要特点如下：

低成本：明线的制造成本相对较低，因此它是一种经济实惠的通信方式。

抗干扰能力：由于两根铜线拧在一起，形成螺旋状结构，可以有效地减小电磁干扰。当电磁干扰作用在一根线上时，另一根线上的信号可以抵消这种干扰，从而提高信号传输的稳定性。

易于安装：明线比较轻便、柔软，便于布线和安装。同时，明线的接头和接口标准化，方便设备之间的连接。

传输距离有限：由于明线的物理特性，信号在传输过程中会有衰减，因此明线通常用于短距离（几十到几百米）的数据传输。

明线主要有两种类型：非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair, UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair, STP）。非屏蔽双绞线是最常见的一种类型，它没有额外的屏蔽层，成本较低，但抗干扰能力相对较弱。屏蔽双绞线在双绞线的基础上增加了屏蔽层，可以进一步降低电磁干扰，但成本相对较高。

明线在计算机网络中的应用非常广泛，尤其是在局域网（Local Area Network, LAN）中。以太网（Ethernet）是一种基于明线传输的局域网技术，它采用了明线作为物理传输介质，为计算机和其他设备提供了稳定、高速的数据传输能力

有线信道-对称电缆

对称电缆（Twisted Pair Cable）：由一对或多对绝缘导线组成，每对导线以一定的间距紧密地绕在一起，形成双绞线。绞线的目的是减少电磁干扰和串扰。对称电缆分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair, STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair, UTP）。对称电缆被广泛应用于计算机网络，如以太网。

对称电缆的特点如下：

抗干扰能力强：由于同轴电缆具有屏蔽层，能有效屏蔽外部电磁干扰，保证信号传输的稳定性。
传输距离较远：同轴电缆的信号衰减较低，可以传输较长距离（几公里甚至更远）的信号。
带宽较大：同轴电缆具有较高的频率特性，可以传输更多的数据，满足高速数据传输的需求。
成本较高：相比其他信道如明线，同轴电缆的成本较高。

有线信道-同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable）：由一个中心导体（通常是铜线）和一个外部导体组成，外部导体通常是一个金属屏蔽层，用于保护内部导体免受外部干扰。两个导体之间由一层绝缘材料隔开，以保持它们之间的距离恒定。同轴电缆的特点是具有较大的带宽、低信号损耗和良好的抗干扰性能，广泛应用于电视广播系统、长途电话传输系统等。

同轴线缆的应用范围极为广泛，同轴电缆能以低损耗的方式传输模拟信号和数字信号，适用于各种应用，其中常见的有电视广播系统、长途电话传输系统、计算机系统之间的短距离跳线以及局域网互联等
1. 电视广播系统：同轴电缆被广泛用于电视信号的传输，例如有线电视系统。由于同轴电缆具有较大的带宽，可以容纳多个频道的信号，使得电视广播系统能同时传输大量电视频道。
2. 长途电话传输系统：在长途电话传输系统中，同轴电缆的低损耗和抗干扰特性使其成为理想的传输介质。同轴电缆可用于连接远程电话交换机，保证语音信号的稳定传输。
3. 计算机系统间的短距离跳线：同轴电缆可用作计算机系统之间的短距离连接线。尽管同轴电缆在计算机网络中的应用已逐渐被双绞线和光纤取代，但在某些特定场景下，它仍然具有一定的应用价值。
4. 局域网互联：同轴电缆曾被广泛应用于局域网（LAN）中，如10BASE2和10BASE5以太网标准。同轴电缆能提供稳定的数据传输环境，降低干扰对网络性能的影响。然而，由于成本和安装复杂性等原因，同轴电缆在局域网中的应用已逐渐被双绞线和光纤取代。

有线信道-光纤

光导纤维（Fiber Optic）是一种用于传输光信号的传输介质，由纤维核心（Core）和包覆层（Cladding）组成。纤维核心通常由玻璃或塑料制成，用于传输光信号。包覆层是用具有较低折射率的材料制成的，包围在纤维核心外部，用于保护纤维核心和维持光信号在纤维内部的传输。

全反射现象可以通过一个生活中的比喻来帮助理解。想象一下，你在一个平滑的游泳池边缘，池子里充满了水。现在你把一个激光笔靠近水面，开始时激光笔与水面的夹角很小，激光线进入水中后会发生折射，但仍有部分光线穿透水面进入水中。

随着你慢慢改变激光笔与水面的夹角，当夹角达到某个特定的角度（临界角）时，你会发现激光线不再穿透水面进入水中，而是完全沿着水面反射回来。这时，激光笔与水面的夹角大于或等于临界角，发生了全反射现象。

在这个比喻中，激光线代表光，水面代表光导纤维中纤维核心与包覆层之间的界面。当光在纤维核心（光密介质）中传播，并与包覆层（光疏介质）接触时，只要入射角大于或等于临界角，光就会发生全反射，沿着纤维核心持续传输。这就是光导纤维传输数据的基本原理
光导纤维传输数据的原理是基于光的全反射现象。全反射现象是光从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大于或等于临界角，光会完全反射回光密介质内，不会穿透到光疏介质中。在光导纤维中，纤维核心是光密介质，包覆层是光疏介质。当光沿着纤维核心传播时，由于纤维核心和包覆层之间的折射率差异，光会在纤维核心内不断发生全反射，从而实现长距离、高速度的光信号传输。
光导纤维具有许多优点，如传输距离远、带宽大、抗干扰性能好、重量轻、安全性高等。这使得光导纤维在许多领域得到广泛应用，如长途通信、数据中心互联、有线电视网络、城市光纤环路、军事通信等。此外，光导纤维也被用于光纤传感器、医疗设备和照明等领域。

无线信道-无线电波

无线电波是一种电磁波，它是由交流电在天线中产生并通过空气传播的。无线电波有很多特性，包括频率、波长和速度等。它们可以穿过许多物质，如空气、真空和部分固体、液体。因此，无线电波成为了无线通信技术的基础。

无线电波的频率范围非常广泛，从低频（几十千赫兹）到超高频（数千兆赫兹）。无线电波的频率决定了其传输特性和应用场景。例如，低频率的无线电波具有较长的波长，能够更好地穿透障碍物和传播更远的距离，但其传输速率较低。相反，高频率的无线电波具有较短的波长，传输速率较高，但容易受到障碍物的影响，传播距离较短。

无线通信技术利用无线电波传输数据。在无线通信系统中，发射设备（如手机、路由器等）产生无线电波，将数据编码到这些波上，然后通过天线将这些波发送到空气中。接收设备（如另一部手机、电脑等）的天线接收这些无线电波，并将其解码以还原数据。

无线信道中的无线电波广泛应用于各种通信系统，如广播电视、无线电、手机通信（如2G、3G、4G、5G）、Wi-Fi、蓝牙等。每种通信系统使用不同的频率范围、调制解调技术和传输协议，以满足特定的通信需求和场景。

然而，无线电波信道也存在一些挑战，如信号衰减、干扰和多径效应等。为了解决这些问题，无线通信技术采用了诸如信号放大、频谱管理、多址技术、信道编码和多天线技术等方法，以提高无线通信的可靠性和性能

总结

物理层是OSI七层模型中最底层的部分，主要负责将数字数据转换成适合在通信信道中传输的信号。在物理层，数据以二进制比特（bit） 的形式表示(比特流)，即一串由0和1组成的数字序列。

物理层可以利用各种信道进行通信，包括有线信道（如双绞线、同轴电缆和光纤）和无线信道（如无线电波）。根据不同的信道特性，物理层会采用不同的编码和调制方法来将比特序列转换成对应的信号。例如，有线信道中的电压信号，光纤中的光信号，无线信道中的无线电波等。

在物理层，数据尚未组织成高级别的通信协议所需的数据结构。数据仅作为原始的电气电压（如有线信道）或电磁波（如无线信道）进行处理。物理层的目标是确保比特序列在通信信道中的可靠传输，为上层（数据链路层）提供基础的通信功能。

总之，物理层主要关注数据在信道中的传输方式和信号形式，将数字数据转换成适合在通信信道中传输的信号，并处理与信道相关的物理特性。

数据链路层

打开这个界面的步骤：win+R 然后输入cmd 进入控制台

输入ipconfig敲下回车即可

数据链路层是OSI七层模型中的第二层，主要负责建立逻辑连接、硬件地址寻址、差错校验等功能。数据链路层的协议是由底层网络定义的。在物理层传输的比特序列被组合成字节，进而组合成帧。数据链路层使用MAC地址访问介质，可以发现错误，但不能纠正。

MAC地址是一个网卡的唯一标识，通常由6个字节（48位）组成。通过MAC地址，数据链路层可以确定数据的发送者和接收者，并对数据进行分组。这样，数据链路层就可以根据MAC地址将数据帧发送到正确的目的地。

数据链路层主要采用广播的方式进行数据传输。在局域网内，所有的计算机都能收到广播的消息。当一台计算机发送数据时，数据会被广播到局域网内的所有设备。接收设备会检查数据帧中的目的MAC地址，如果与自己的MAC地址匹配，设备就会接收并处理该数据帧；如果不匹配，则忽略该数据帧。

总的来说，数据链路层主要负责将物理层传输的原始比特流组织成具有逻辑结构的帧(拼接数据帧) ，通过MAC地址进行硬件地址寻址，并进行差错校验。在局域网内，数据链路层使用广播的方式传输数据，确保数据能够发送到正确的目的地

数据帧（Frame）是数据链路层中的一个基本单位，用于在网络中传输数据。数据帧是一种具有特定格式和结构的数据包，它包括一系列的数据和控制信息。在数据链路层中，数据帧的主要作用是将网络层传递下来的数据包（例如IP数据报）封装成适合在物理链路上传输的格式。

数据帧通常包括以下几部分：

帧头（Frame Header）：包含一些控制信息，如同步信息、源MAC地址、目的MAC地址等。这些信息用于在链路层识别帧的开始、结束以及发送者和接收者等。

有效载荷（Payload）：包含从网络层传递下来的数据包。这部分数据是需要在网络中传输的主要信息。

帧尾（Frame Tail）：包含一些用于差错检测的信息，如循环冗余校验（CRC）等。这些信息可以用于在接收端检查数据帧是否在传输过程中出现错误。

当数据帧从发送端到达接收端时，数据链路层会根据帧头中的控制信息，如源和目的MAC地址，来确定数据帧是否应该被接收。如果数据帧被接收，数据链路层会对帧尾中的差错检测信息进行校验，以确保数据在传输过程中没有出现错误。接着，数据链路层会将数据帧的有效载荷部分传递给网络层，以便进一步处理

网络层

网络层主要负责在复杂的网络环境中进行端到端的数据传输。它的核心功能是在源主机和目标主机之间建立可靠的通信路径，以便将数据从发送方传递到接收方。在此过程中，网络层需要处理许多关键任务，包括寻址、路由选择、分片和重组等。

在这层中最重要的就是寻址和路由了，虽然我们已经有Mac地址了，但是各种国家有不一样的Mac地址，查起来非常麻烦，所以从这一层开始会有一个网络地址，也就是IP地址，来作为我们寻址的媒介

寻址：网络层使用IP地址来唯一标识互联网上的设备。每台连接到互联网的设备都有一个独特的IP地址，使得其他设备可以与之通信。IP地址分为两部分：网络地址和主机地址。网络地址用于识别设备所属的网络，而主机地址用于识别网络内的特定设备。
路由：路由是指在不同网络之间选择合适的路径以传输数据的过程。在同一个网络中的内部通信不需要网络层设备，仅仅靠数据链路层就可以完成相互通信。然而，对于不同网络之间的通信，就必须借助路由器等网络层设备。路由器会根据路由表和路由算法来确定将数据包发送到何处，从而确保数据包能够到达目标主机。
分片与重组：当一个数据包在传输过程中需要经过不同网络时，可能会遇到数据链路层的最大传输单元（MTU）不同的情况。为了适应不同的MTU，网络层会将大的数据包分片成更小的片段，以便在各个网络中传输。在接收端，网络层会将这些片段重新组合成原始数据包。
差错检测与报告：网络层还负责检测和报告在数据传输过程中出现的错误。例如，当数据包在传输过程中丢失或出现错误时，网络层可以通过生成差错报告（如ICMP消息）来通知发送方。

互联网是由无数子网络构成的巨型网络，为了避免在同一网段内的广播风暴，需要将用户划分到不同的网段，使得每个用户都能在自己的小网段内进行广播。为了实现这个目的，在网络层引入了一套新的地址系统，称为“网络地址”或“网址”。每台计算机在网络层拥有两种地址：MAC地址和网络地址。MAC地址是网卡固有的地址，而网络地址则是由网络管理员分配的。网络地址用于区分不同的子网络，而MAC地址将数据包送达目标子网络内的特定网卡。
网络层中的IP协议规定了网络地址的格式和使用方式。目前广泛采用的是IP协议第四版（IPv4），该版本规定网络地址由32个二进制位组成。然而，由于IPv4地址的有限数量已经无法满足日益增长的互联网需求，因此正在推广IP协议第六版（IPv6），它使用128位二进制位来表示网络地址，极大地扩展了可用地址空间。
在网络层，引入了网络地址以划分子网，避免了广播风暴。每台计算机的通信需要先通过网络地址确定子网络，然后使用MAC地址将数据包送达目标网卡。IP协议作为网络层的核心协议，规定了网络地址的格式和使用方法，并在不断演进以适应互联网的发展需求。

传输层(重要)

TCP 和 UDP 后面会着重讲解

传输层在网络通信过程中起着至关重要的作用，主要负责定义端口号、流量控制和校验。这一层中有两个广泛使用的协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。

TCP协议是一种面向连接的、可靠的协议。它通过三次握手和四次挥手的过程来确保数据传输的可靠性(可靠协议)。然而，这种可靠性的保证会以速度为代价，因为三次握手和四次挥手会增加通信的开销。尽管如此，TCP协议在很多场景下仍然是首选，如文件传输、电子邮件发送和Web浏览等。

与TCP相比，UDP协议更注重实时性和高效性。由于UDP没有进行三次握手和四次挥手的过程，因此它的稳定性相对较低，但传输速度较快。这使得UDP协议非常适用于对实时性和低延迟性有较高要求的场景，如在线游戏、实时音视频通信和直播等。

总结一下，传输层通过定义端口号、流量控制和校验来实现网络通信。TCP协议和UDP协议是该层中两个主要的协议，它们分别关注数据传输的可靠性和实时性。根据应用场景的不同，开发者可以根据实际需求选择使用TCP协议还是UDP协议。

会话层

话层在网络通信中负责创建、维护、终止或断开发送方和接收方之间的连接，类似于电话通话的过程。它为发送方和接收方提供了一种机制，允许他们在需要时启动或停止通信会话，并在通信过程中遇到拥塞的情况下仍能维持对话。
为了实现可靠的会话传输，会话层引入了一种称为检查点（Checkpoint）的机制。检查点代表了在通信过程中成功传输数据的位置，它同时定义了当数据丢失或损坏时需要回滚的位置，以便恢复丢失或损坏的数据。这种机制类似于断点下载的原理，在数据传输过程中遇到问题时可以从最近的检查点开始重新传输，而不是从头开始，从而提高了传输效率。
通过这种机制，会话层可以确保在复杂的网络环境中实现可靠的数据传输。在实际应用中，会话层的功能通常与其他网络层次的功能集成在一起，以便更好地支持各种通信应用的需求。

表示层

这一层也经常被人叫做报文

表示层在网络通信中扮演了一个非常重要的角色，它主要负责处理安全、压缩和数据格式转换等方面的工作。在实际应用中，表示层与会话层紧密协作，共同保证网络通信的顺畅进行。

安全：表示层负责在数据发送前进行加密处理，以确保数据在传输过程中不被非法窃取或篡改。在接收方，表示层则会对加密的数据进行解密，还原成原始的明文数据。这一过程保证了通信双方的数据安全。
压缩：为了提高传输效率，表示层可以对数据进行压缩处理，减小数据包的大小，从而节省网络带宽。在接收方，表示层会对压缩过的数据进行解压，还原成原始的数据格式。
数据格式转换：表示层充当了程序在网络中的翻译官，它负责对不同格式的数据进行编码和解码处理。例如，当需要传输图片时，表示层会将图片文件从人类可读的格式（如JPEG）转换成计算机可理解的编码（如ASCII码）。在接收方，表示层会将计算机编码的数据重新转换成人类可读的格式，从而实现数据的正确传输和显示。

综上所述，表示层与会话层共同负责处理网络通信中的安全、压缩、数据格式转换等方面的问题，以确保数据在传输过程中的安全性和有效性。

应用层

在计算机网络中，通常将传输层的数据单元称为报文（message）。在 TCP/IP 网络模型中，传输层协议（如 TCP 和 UDP）在发送数据时，会将应用层传来的数据打包成报文，然后加上一些控制信息（如端口号、校验和等），形成报文段（TCP）或用户数据报（UDP）进行传输。在接收端，传输层会将报文解包并传递给应用层。

应用层是网络模型中与用户最接近的一层，它为用户提供了直接的网络服务和应用接口。应用层处理了诸多网络协议，以满足用户在各种场景下的需求。以下是一些常见的应用层协议及其用途：

HTTP（超文本传输协议）：HTTP 是用于在互联网上进行文档和资源传输的基本协议。例如，当我们使用浏览器访问网页时，就是通过 HTTP 协议进行通信的。在 Web 开发中，AJAX 请求也是基于 HTTP 协议发送的。
DNS（域名系统）：DNS 是用于将域名解析成 IP 地址的服务，它将便于人们记忆的域名转换为计算机可识别的 IP 地址。例如，当我们在浏览器中输入一个网址时，DNS 会将该网址转换为实际的 IP 地址，以便正确访问目标网站。
SMTP（简单邮件传输协议）：SMTP 是一种用于在网络上发送和接收电子邮件的协议。当我们使用电子邮件客户端或 Web 邮件服务发送邮件时，就是通过 SMTP 协议进行通信的。
WebSocket：WebSocket 是一种在单个 TCP 连接上进行全双工通信的协议，用于实现客户端和服务器之间的长连接。例如，在实时聊天、在线游戏或股票行情推送等场景中，WebSocket 可以提供低延迟、高效的数据传输。
SSH（安全外壳协议）：SSH 是一种用于在不安全的网络环境中对远程服务器进行安全访问和管理的加密协议。它可以保护数据在传输过程中的完整性、机密性和可靠性，广泛应用于远程登录、文件传输等场景。

原文链接：https://juejin.cn/post/7229730143214895163 作者：2002XiaoYu