【计算机网络】OSI七层模型

为什么需要OSI七层模型？

在20世纪70年代，部分企业为了降低成本、提高生产效率而引入了当时最新开发出的以太网技术和TCP协议等。但当时使用的网络协议主要有IBM公司的SNA、Apple公司的AppleTalk、Novell 公司的 NetWare、美国 DEC公司的 DECnet等。它们使用的网络硬件也因不同的生产厂商而大相径庭，因此出现了不同网络之间不能互联以及扩容困难的问题。

为了解决这一问题，使得任何厂商生产的网络硬件之间都能够互联互通，

从1977年开始，ISO(国际标准化组织)与CCITT(国际电报电话咨询委员会，现在的ITU-T)逐步展开了制定异种网络系统结构标准的工作，当时完成的标准化的协议簇称为OSI(Open Systems Interconnection，开放系统互联)。

到了1983年，两大标准组织在该问题上达成一致，制定了称为 OSI基本参考模型(Basic Reference Model for Open Systems Interconnection，OSI参考模型或OSI模型)的分层网络模型。

使用分层结构模型具有以下优点。

• ① 根据网络实际处理过程，按功能分类，从而便于理解和掌握。
• ② 能够定义标准接口，使不同厂商制造的硬件之间可以互联。
• ③ 工程师在设计与研发网络硬件时，可以把思维限定在一定范围内。例如，物理层工程师研发更高速的光纤，应用层开发者优化浏览器体验，彼此互不干扰。这种模块化推动了网络技术的快速迭代，5G 通信的提速就受益于物理层与传输层的独立升级。
• ④ 当某层内部发生变化时，不会给其他层带来影响。

一句话就是：OSI 七层模型（Open Systems Interconnection Reference Model，开放系统互连参考模型）是由国际标准化组织（ISO）提出的网络通信框架，它通过将网络通信过程分层标准化，解决了早期网络通信中存在的兼容性、复杂性和互操作性等核心问题。

OSI七层模型具体是什么？

Layer7：应用层（Application Layer）

核心功能：直接为用户应用程序提供网络服务接口，是用户与网络的 “直接交互层”。

关键协议与服务：

• 常用协议：HTTP（网页访问）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件发送）、POP3（邮件接收）、DNS（域名解析，将 “www.baidu.com” 转换为 IP 地址）、Telnet（远程登录）等。
• 功能：接收用户请求（如点击网页链接），将请求转换为网络能识别的格式并传递给下层，同时将下层传来的响应数据转换为用户可理解的形式（如网页内容、下载的文件）。

典型应用：浏览器（调用 HTTP 协议）、邮件客户端（调用 SMTP/POP3）、文件传输工具（调用 FTP）。

Layer6：表示层（Presentation Layer）

核心功能：处理数据的格式转换和加密解密，确保发送方和接收方能理解彼此的数据格式。

关键技术：

• 数据格式转换：将应用层的数据转换为 “网络通用格式”（如将不同文字编码（ASCII、UTF-8）统一转换，或将图片格式（JPG、PNG）压缩后传输）。
• 加密与解密：对敏感数据进行加密（如 HTTPS 中的 SSL/TLS 加密），防止传输过程中被窃取。
• 压缩与解压缩：减少数据体积（如 ZIP 压缩），提高传输效率。

举例：当你用浏览器访问 HTTPS 网站时，表示层会对网页数据加密，接收方则解密后再显示；发送中文消息时，会将文字转换为网络通用的 UTF-8 编码，确保接收方正确显示。

Layer5：会话层（Session Layer）

核心功能： 负责建立、管理和终止两个设备之间的会话连接，确保通信双方 “对话” 的有序进行。
关键技术：

• 会话建立：通过验证身份（如输入密码）建立连接。
• 会话管理：控制数据传输的顺序（如划分通信阶段，先传输请求再传输响应）、同步通信（如插入 “同步点”，若传输中断可从同步点恢复，避免重传全部数据）。
• 会话终止：通信结束后释放资源，避免无效连接占用资源。

举例：在线聊天时，会话层负责建立聊天连接，确保消息按发送顺序显示，关闭窗口时终止会话。

Layer4：传输层 （Transport Layer）

核心功能： 提供端到端的可靠数据传输，确保数据从源设备的应用程序准确传输到目标设备的应用程序。
关键技术：

• 端口号： 标识设备上的具体应用程序（如 HTTP 用 80 端口，HTTPS 用 443 端口），实现 “一台设备上多个应用同时通信”。
  传输协议：
• TCP（传输控制协议）： 提供 “可靠传输”，通过三次握手建立连接、确认机制（收到数据后返回确认信息）、重传机制（丢失数据重新发送）、流量控制（避免接收方过载），适合文件传输、网页加载等需要准确性的场景。
• UDP（用户数据报协议）： 提供 “高效传输”，无连接、无确认，速度快但可能丢包，适合视频通话、游戏等对实时性要求高的场景。

典型设备：操作系统中的传输层协议模块（如 Windows 的 TCP/IP 协议栈）。

Layer3：网络层（Network Layer）

核心功能： 实现跨网络的数据包传输，解决 “不同局域网之间如何通信” 的问题。
关键技术：
IP 地址： 为网络中的设备分配逻辑地址（如 IPv4 的192.168.1.1），用于跨网络定位设备（类似 “邮政编码 + 街道地址”）。
路由选择： 通过路由协议（如 OSPF、RIP）生成路由表，选择从源网络到目标网络的最优路径。
数据包转发：路由器（Router）根据 IP 地址和路由表，将数据包从一个网络转发到另一个网络。
路由器、三层交换机（具备部分网络层功能）。
举例：当局域网内的电脑访问互联网时，网络层通过 IP 地址确定目标服务器的网络位置，路由器根据路由表选择传输路径。

Layer2：数据链路层（Data-link Layer）

**核心功能：**在物理层传输的基础上，确保同一链路内的数据可靠传输，并管理相邻设备间的连接。
核心任务：

• 将物理层的原始信号封装成 “帧”（Frame），并添加帧头和帧尾（包含校验信息）。
• 通过MAC 地址（设备的物理地址，全球唯一，如00:1A:2B:3C:4D:5E）识别同一链路内的设备，实现 “点到点” 的数据传输。
• 错误检测与纠正：通过帧尾的校验码（如 CRC 循环冗余校验）检测数据传输错误，丢弃错误帧并请求重传。

典型设备：交换机（Switch）、网卡（负责 MAC 地址处理）。
子层划分：
LLC 子层（逻辑链路控制）：负责与上层（网络层）交互，处理帧的复用和解复用。
MAC 子层（介质访问控制）：负责 MAC 地址管理和介质访问（如以太网的 CSMA/CD 协议，解决多设备同时传输的冲突问题）。

Layer1：物理层（Physical Layer）与数据没有直接的联系，

核心功能：负责将数据转换为物理信号（如电信号、光信号），并通过物理介质（如网线、光纤、无线电磁波）传输。
关键技术：定义物理接口规范（如网线的 RJ45 接口、光纤的 LC 接口）、信号传输方式（如电压高低、频率）、传输速率（如 100Mbps、10Gbps）、传输介质类型（铜缆、光纤、无线电波）。
典型设备：网卡的物理接口、网线、光纤、集线器（Hub）。
举例：当电脑发送数据时，物理层将二进制数据（0 和 1）转换为网线中的电信号，接收方则将电信号还原为二进制数据。

后续会继续详细补充…