OSI七层参考模型-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了OSI七层参考模型。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

一、OSI 参考模型

<1>应用层

<2>表示层

<3>会话层

<4>传输层

<5>网络层

<6>数据链路层

<7>物理层

认识OSI参考模型各层互连设备

集线器

一、OSI 参考模型

1、OSI 的来源

OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互联。一般都叫 OSI参考模型，是 ISO（国际标准化组织）组织在 1985 年研究的网络互连模型。

ISO 为了更好的使网络应用更为普及，推出了 OSI 参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范，就能互联了。

2、OSI 七层模型的划分

OSI 定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），即 ISO 开放互连系统参考模型。如下图。

每一层实现各自的功能和协议，并完成与相邻层的接口通信。OSI 的服务定义详细说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服务是怎么实现的无关。

OSI七层参考模型

3、各层功能定义

这里我们只对OSI 各层进行功能上的大概阐述，不详细深究，因为每一层实际都是一个复杂的层。后面我也会根据个人方向展开部分层的深入学习。这里我们就大概了解一下。我们从最顶层——应用层开始介绍。

整个过程以公司 A 和公司 B 的一次生意发送为例子进行讲解。

<1>应用层

OSI 参考模型中最靠近用户的一层，是为计算机用户提供应用接口，也为用户直接提供各种网络服务。我们常见应用层的网络服务协议有：HTTP，HTTPS，FTP， POP3、SMTP 等。

实际公司A 的老板就是我们所述的用户，而他要发送的商业报价单，就是应用层提供的一种网络服务，当然，老板也可以选择其他服务，比如说，发一份商业合同，发一份询价单，等等。

<2>表示层

表示层提供各种用于应用层数据的编码和转换功能,确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据格式转换成通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。

由于公司A 和公司 B 是不同国家的公司，他们之间的商定统一用英语作为交流的语言，所以此时表示层（公司的文秘），就是将应用层的传递信息转翻译成英语。同时为了防止别的公司看到，公司 A 的人也会对这份报价单做一些加密的处理。这就是表示的作用，将应用层的数据转换翻译等。

<3>会话层

会话层就是负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。

会话层的同事拿到表示层的同事转换后资料，（会话层的同事类似公司的外联部），会话层的同事那里可能会掌握本公司与其他好多公司的联系方式，这里公司就是实际传递过程中的实体。他们要管理本公司与外界好多公司的联系会话。当接收到表示层的数据后，会话层将会建立并记录本次会话，他首先要找到公司 B 的地址信息，然后将整份资料放进信封，并写上地址和联系方式。准备将资料寄出。等到确定公司 B 接收到此份报价单后，此次会话就算结束了，外联部的同事就会终止此次会话。

<4>传输层

传输层建立了主机端到端的链接，传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。我们通常说的，TCP UDP 就是在这一层。端口号既是这里的“端”。

传输层就相当于公司中的负责快递邮件收发的人，公司自己的投递员，他们负责将上一层的要寄出的资料投递到快递公司或邮局。

<5>网络层

本层通过IP 寻址来建立两个节点之间的连接，为源端的运输层送来的分组，选择合适的路由和交换节点，正确无误地按照地址传送给目的端的运输层。就是通常说的IP 层。这一层就是我们经常说的 IP 协议层。IP 协议是 Internet 的基础。

网络层就相当于快递公司庞大的快递网络，全国不同的集散中心，比如说，从深圳发往北京的顺丰快递（陆运为例啊，空运好像直接就飞到北京了），首先要到顺丰的深圳集散中心，从深圳集散中心再送到武汉集散中心，从武汉集散中心再寄到北京顺义集散中心。这个每个集散中心，就相当于网络中的一个 IP 节点。

<6>数据链路层

将比特组合成字节,再将字节组合成帧,使用链路层地址 (以太网使用 MAC 地址)来访问介质,并进行差错检测。

数据链路层又分为 2 个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层

（MAC）。

MAC 子层处理CSMA/CD 算法、数据出错校验、成帧等；LLC 子层定义了一些字段使上次协议能共享数据链路层。在实际使用中，LLC 子层并非必需的。

<7>物理层

实际最终信号的传输是通过物理层实现的。通过物理介质传输比特流。规定了电平、速度和电缆针脚。常用设备有（各种物理设备）集线器、中继器、调制解调器、网线、双绞线、同轴电缆。这些都是物理层的传输介质。

快递寄送过程中的交通工具，就相当于我们的物理层，例如汽车，火车，飞机，船。

4、通信特点：对等通信

对等通信，为了使数据分组从源传送到目的地，源端 OSI 模型的每一层都必须与目的端的对等层进行通信，这种通信方式称为对等层通信。在每一层通信过程中，使用本层自己协议进行通信。

OSI七层参考模型

二、TCP/IP 五层模型

TCP/IP 五层协议和 OSI 的七层协议对应关系如下。

OSI七层参考模型

在每一层都工作着不同的设备，比如我们常用的交换机就工作在数据链路层的，一般的路由器是工作在网络层的。

在每一层实现的协议也各不同，即每一层的服务也不同.下图列出了每层主要的协议。

认识OSI参考模型各层互连设备

1. 传输介质与互连设备

•知识重点

○掌握中继器的功能及原理；

○掌握集线器的功能及原理；

概念：传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理线路；

互连设备：

a. 双绞线RJ-45(水晶头)，8根引脚，用于

10Base-T以太网（需要5类线）、

100Base-T以太网（需要5类线），

1000Base-T以太网（需要6类线）；

b. 千兆以太网光纤网卡，SC光纤接口，通过光纤尾纤连接到千兆以太网中的；

c. BNC接口，同轴电缆；专门用于细同轴电缆的连接器；

d. AUI接头，粗同轴电缆；专门用于粗同轴电缆的连接器，AUI接口是一种“D”形15针接口，用于令牌环网或者总线型网络中，可以借助于AUI-RJ45转换器；

e. RS-232接口，串口；个人计算机与线路接口的常用形式；

f. DB-9串口，串口，console线缆接口；DB-9接口可以用于连接鼠标，也可以用于交换机，路由器的console（控制台）端口。console线缆接口用于新购买的路由器和交换机设置参数的时候是最常用，最基本的管理和配置端口；

g. 调制解调器，数字信号与模拟信号互相转换的设备；

i. 调制：数字信号转换成模拟信号

ii. 解调：模拟信号转换成数字信号，一般通过串口与计算机相连

2. 物理层互联设备

中继器，

i. 概念：中继器是连接网络线路的一种装置，用于两个网络结点之间物理信号的双向转发工作；

ii. 功能：用于连接网络线路，放大信号，增强信号传输距离物理层设备，以延长网络的传输范围；

iii. 特点：

1) 两端连接的都是相同的传输介质，有的也可以完成不同传输介质转换工作；

2) 理论上讲，中继器使用是无限，网络可以无限延长；

3) 5-4-3原则，只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，其中3个网段可以挂计算机终端；

集线器

多设备互连（多端口）的中心节点，物理层设备，只做简单的数据转发不处理数据；

i. 概念：在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器

ii. 所在层：物理层

iii. 局域网角度来区分：

a. 单中继网段集线器，

最简单的中继式LAN网段的集线器；

b. 多网段集线器，

特点：采用集线器背板，带有多个中继网段；

优点：将用户分布在多中继网段上，减少网段信息流量负载；网段之间的信息交流一般要求独立的网桥或者路由器；

c. 端口交换式集线器，注重端口交换

将用户端口和多个背板网段之间的连接过程自动化，并通过增加端口矩阵（PSM）实现

优点：实现移动，增加和修改的自动化

d. 网络互联集线器，

在背板的多个网段之间实际上提供了一些类型的集成连接，这些通过综合网桥，路由器或者LAN交换机完成后的，通常采用机箱形式的；

e. 交换式集线器

有一个核心交换式背板，采用一个纯粹的交换式系统代替共享介质中继网段

f. 集线器的工作原理

通常用来连接主机，从一个接口接收信息，对信号进行整形放大，然后在将其从所有接口转发出去是一个有源设备。集线器工作在物理层，不能识别比特流里面的帧，不会对其进行冲突检测，做一些简单的物理转发，如果信号发生冲突主机将无法收到正确的比特。

3. 数据链路层互联设备

a. 网桥

概念：一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。

层次：数据链路层

作用：扩展网络和通信手段

分类：本地网桥和远程网桥；

本地网桥：传输介质允许长度范围互联的网络

远程网桥：连接距离超过网络的常规范围时使用的网络

远程网桥互联的局域网分为：城域网，广域网；如果使用远程网桥两者之间必须是成对出现的

本地练连接的网络中，网桥可分为：内桥和外桥

内桥：通过文件服务器中的不同网卡连接起来的局域网

外桥：实现两个相似后者不同的网络之间的连接

b. 交换机

目前局域网中最常用的组网设备之一。

i. 工作原理：

根据数据帧中的MAC地址来进行选择的转发，而不是一味的进行向所有接口广播。

收到一个数据帧的时候，会根据数据帧里面的目的MAC地址进行查表，并将查看到的结果从对应接口发送出去。

如果交换地址表中没有相对应的MAC地址，则将这条消息进行广播到所有接口，接口将回复一个MAC地址，下次就不用进行广播。

ii. 工作流程：

当交换机端口接收到数据包的时候，首先会读取数据包中的MAC地址，这样就会知道源MAC地址是哪个端口相连的。

读取数据包中的目的MAC地址，并在地址表中查找响应的端口信息

读取数据包中的目的MAC地址，并在地址表中找到相对应的端口

如果地址表中有对应的端口就会从该端口中发送出去

如果地址表中没有对应的地址表那么交换机就会将数据包来进行广播发送，当目的机器接收到回应的时候，就可以确定目的MAC地址与那个端口对应，下次传输数据的时候就会直接从这个端口中进行转发

iii. 交换机的功能（与网桥，集线器相比，交换机的从哪几个方面改进了性能）

支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量

将传统的一个大局域网上的用户分成若干个工作组里面，有效的解决了拥塞问题

虚拟网（VLAN）技术出现，给交换机的使用和管理带来了更大的方便

端口密度可以和集线器相媲美

iv. 交换机转发方式

转发方式分为直通式转发、

存储式转发

无碎片直通式转发（更高级的直通式转发）

低端交换机通常使用一种转发方式，存储式转发或者是直通式转发；中高端交换机通常是兼具两种转发模式，并且具有智能转换的功能。

直通式转发

原理：

在输入端口检测到一个数据包后，只检查其包头，取出目的地址，通过内部的地址表确定相应的输出端口，然后把数据包转发到输出端口，完成交换。

优点：只检查数据包的包头，具有延迟时间短，交换速度快的优点。

缺点：

①不具备错误检测和处理能力

②如果要连接到高速网络上，不能简单地将输入、输出端口“接通”，因为输入、输出端口的速度有差异。

③当交换机的端口增加时，交换矩阵将变得越来越复杂，实现起来比较困难。

存储式转发

原理：

交换机的控制器先缓存输入到端口的数据包，然后进行循环冗余校验（CRC），滤掉不正确的包，确认包正确后，取出目的地址，通过内部的地址表确定相应的输出端口，然后把数据包转发到输出端口。

缺点：在处理数据包时延迟时间比较长

优点：可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支持不同速度的输入、输出端口间的正确通信。

无碎片直通式转发

原理：

无碎片直通式转发是介于直通式转发和存储式转发之间的一种解决方案，它检查数据包的长度是否够64B（字节）；

优点：数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。此方式被广泛应用于低档交换机中。

注意：通常情况下，如果网络对数据的传输速率要求不是太高，可选择存储式转发；网络对数据的传输速率要求较高，可选择直通式转发。

c. 背板带宽

背板带宽是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量，也称交换总线带宽。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力，单位为Gbps,交换机的背板带宽越高，其所能处理数据的能力就过高，但同时设计成本也会越高。

支持不同速度端口的交换机必须使用存储转发方式。

4. 网络层互联设备

a. 路由器工作原理

1. 在网络间截获发送到远地网段的数据包，起转发的作用。

2. 选择最合理的路由，引导通信。

3. 在转发数据包的过程中，按照预定的规则把大的数据包分解成适当大小的数据包，到达目的地后再把分解的数据包组装成原有形式。

4. 多协议的路由器可以连接使用不同通信协议的网络段，作为不同通信协议网络段通信连接的平台。

5. 路由器的主要任务是把数据包引导到目的地网络，然后到达特定的结点站地址。后一个功能是通过网络地址分解完成的。

b. 分类

中间结点路由器：在网络传输的时候提供数据包的存储和转发。同时根据当前的路由表所保持的路由表信息情况，选择最优路径传达数据包。

边界路由器是由多个互联LAN组成的公司或者企业网络一侧和外界广域网相连接的路由器。

c. 功能：

路由转发，数据转发，网络流量控制功能。有的路由器仅支持单一协议，但是大部分路由器可以支持多种协议的传输，一般而言，支持多协议的路由器性能较低。

d. 优缺点：

优点：

适用于大规模的网络

适用于复杂的网络拓扑结构，能实现负载共享和最优路径

更好的处理多媒体

安全性高

隔离不需要的通信量

节省局域网的带宽

减少主机负担

缺点：

不支持非路由协议

安装复杂

价格高

e. 集线器，交换机与路由器的特点

集线器的特点交换机的特点路由器的特点

所有端口同在一个广播域内所有端口都在一个广播域内每个端口都是独立的广播域

所有端口同在一个冲突域内每个端口带宽是独立的每个端口都是独立的冲突域

所有端口共享带宽每个端口都是独立的冲突域能够识别网络层的控制信息

广播式转发数据能够识别数据链路层的控制信息

f. 三层交换机

概念：

在OSI模型的第三层网路层，实现了数据包的高速转发，简单的说，三层交换机就是：二层交换技术+三层转发技术

原理：

1、PC要与目的主机通信，若发现目的主机IP与自己IP不同网段，则知道需要跨网段通信，

2、PC在自己ARP表查找网关的ARP表，如果没有网关IP对应的ARP表，则向网关发送ARP请求报文，来学习网关的ARP表。

3、PC学习到网关的ARP表后，就构造IP报文发给网关，IP报文的源IP和源mac均是PC自己的IP和mac，目的IP是目的主机IP，目的mac是网关mac

4、三层交换机收到PC发过来的报文后，检测报文的目的mac是设备的mac，就判断该IP报文可能需要三层转发，接着根据报文的目的IP查找路由表： 1）如果在路由表里没有找到目的IP或网段，则丢弃该报文；

2）如果在路由表找到目的IP或网段，就确定目的IP或网段对应路由表的下一跳IP，再查找下一跳IP对应的ARP表，如果找到，就把IP报文转发到ARP表对应的端口并从该端口转发出去；如果下一跳IP没有对应的ARP表，则把报文送上CPU，由CPU发送下一跳IP的ARP请求报文，来学习ARP表，学到之后再把IP报文转发到ARP表对应的端口并从该端口转发出去

5、IP报文从三层交换机转发出去时，IP报文的源mac变为三层交换机的mac，目的mac变为下一跳IP的mac，源IP和目的IP不变

G.三层交换机的特点

结合硬件实现数据的高速转发

简洁的路由软件使过过程简化

H.二层交换机，三层交换机，四层交换机之间的特点

二层交换机：用于小型局域网络，在小型局域网中广播包影响最大

三层交换机：优势在于最佳路由，负荷分担，链路备份以及路由信息发布

四层交换机：简单定义，是一种功能，决定传输不仅仅依靠MAC地址（第二层网桥）或者源/目标IP地址（第三层路由），依据TCP/UDP（第四层应用）端口

I.端口号

两台主机要进行通信就必须定义本地主机、本地进程、远程主机、远程进程。

定义进程，就要定义IP地址、端口号

本地主机和远程主机使用IP地址定义的