ISO七层协议模型架构、各层的解析及其协议

什么是ISO？

ISO是“国际标准化组织”的英文简称，其全称是International Organization for Standardization。ISO成立于1947年2月23日，是世界上最大的国际化标准组织。

OSI七层协议模型

OSI模型（Open System Interconnection Model）是一个由ISO提出得到概念模型，试图提供一个使各种不同的的计算机和网络在世界范围内实现互联的标准框架。

虽然OSI参考模型在实际中的应用意义并不是很大，但是它对于理解网络协议内部的运作很有帮助，为我们学习网络协议提供了一个很好的参考。它将计算机网络体系结构划分为7层，每层都为上一层提供了良好的接口。以下将具体介绍各层结构及功能。

分层结构

OSI参考模型采用分层结构，如图所示。 不得不说，这张图真的超经典呀。一张图搞定你你不懂的一切。

主要分为以下七层（从下至上）：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

各层功能

• 物理层 
  简单的说，物理层（Physical Layer）确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。在这一层上面规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性，为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。这一层传输的是bit流。

• 机械性能：接口的型状，尺寸的大小，引脚的数目和排列方式等。
  电气性能：接口规定信号的电压、电流、阻抗、波形、速率及平衡特性等。
   工程规范：接口引脚的意义、特性、标准。
   工作方式：确定数据位流的传输方式，如：单工、半双工或全双工。
   物理层协议有：
   美国电子工业协会(EIA)的RS232，RS422，RS423，RS485等；
   国际电报电话咨询委员会(CCITT)的X.25、X.21等；
   物理层的数据单位是位(BIT)，典型设备是 集线器HUB 。
  这层主要和硬件有关，与软件关系不大。
  主要功能：RJ45等将数据转化成0和1；
  
  

• 数据链路层 
  数据链路层（Data Link Layer）在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。这一层中将bit流封装成frame帧。

•  链路层屏蔽传输介质的物理特征，使数据可靠传送。
   内容包括介质访问控制、连接控制、顺序控制、流量控制、差错控制和仲裁协议等。
   链路层协议有：
   协议有面向字符的通讯协议(PPP)和面向位的通讯协议(HDLC)。
   仲裁协议：802.3、802.4、802.5，即：
   CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)、Token Bus、Token Ring
   链路层数据单位是帧，实现对MAC地址的访问，典型设备是交换机Switch。
  
  
• 主要功能：规定了0和1的分包形式，确定了网络数据包的形式；
  

• 网络层 
  网络层（Network Layer）负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。在这一层，数据的单位称为数据包（packet）。

• 网络层管理连接方式和路由选择。
  连接方式：虚电路(Virtual Circuits)和数据报(Datagram)服务。
  虚电路是面向连接的(Connection-Oriented)，数据通讯一次路由，通过会话建立的一条通路。
  数据报是非连接的(Connectionless-Oriented)，每个数据报都有路由能力。
  网络层的数据单位是包，使用的是IP地址，典型设备是路由器Router。
  这一层可以进行流量控制，但流量控制更多的是使用第二层或第四层。
  主要功能：确定计算机的位置，怎么确定？IPv4，IPv6！
  
  

• 传输层 
  传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。在这一层，数据的单位称为数据段（segment）。

• 提供端到端的服务。可以实现流量控制、负载均衡。
   传输层信息包含端口、控制字和校验和。
   传输层协议主要是TCP和UDP。
   传输层位于OSI的第四层，这层使用的设备是主机本身。
  

• 主要功能：每一个应用程序都会在网卡注册一个端口号，该层就是端口与端口的通信！常用的（TCP／IP）协议；
  

• 会话层 
  这一层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步，访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信。

•  会话层主要内容是通过会话进行身份验证、会话管理和确定通讯方式。
   一旦建立连接，会话层的任务就是管理会话。
  

• 主要功能：建立一个连接（自动的手机信息、自动的网络寻址）;
  

• 表示层 
  这一层主要解决用户信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩， 加密和解密等工作都由表示层负责。

• 表示层主要是解释通讯数据的意义，如代码转换、格式变换等，使不同的终端可以表示。
   还包括加密与解密、压缩与解压缩等。
  

• 主要功能：解决不同系统之间的通信，eg：Linux下的QQ和Windows下的QQ可以通信；
  

• 应用层 
  这一层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。

•  应用层应该是直接面向用户的程序或服务，包括系统程序和用户程序，
   例如www、FTP、DNS、POP3和SMTP等都是应用层服务。
   数据在发送时是数据从应用层至物理层的一个打包的过程，
   接收时是数据从物理层至应用层的一个解包的过程，
   从功能角度可分为三组，1、2层解决网络信道问题，3、4层解决传输问题，5、6、7层处理对应用进程的访问。
   从控制角度可分为二组，第1、2、3层是通信子网层，第4、5、6、7层是主机控制层。
  
  
• 主要功能：规定数据的传输协议；
  

各层传输协议、传输单元、主要功能性设备比较

名称	传输协议	传输单元	主要功能设备/接口
物理层	IEEE 802.1A、IEEE 802.2	bit-flow 比特流	光纤、双绞线、中继器和集线器 & RJ-45(网线接口)
数据链路层	ARP、MAC、 FDDI、Ethernet、Arpanet、PPP、PDN	frame 帧	网桥、二层交换机
网络层	IP、ICMP、ARP、RARP	数据包（packet）	路由器、三层交换机
传输层	TCP、UDP	Segment/Datagram	四层交换机
会话层	SMTP、DNS	报文	QoS
表示层	Telnet、SNMP	报文	–
应用层	FTP、TFTP、Telnet、HTTP、DNS	报文	–

关于协议你应该知道这些

以上通过图表、文字向大家阐述了七层模型每一层的具体功能及其相关协议，但知道了这些还不够，你还要知道以下这些。

TCP/UDP

• TCP/UDP是什么？ 
  TCP — Transmission Control Protocol，传输控制协议。 
  UDP — User Data Protocol，用户数据报协议。

• TCP/UDP的区别（优缺点）？ 
  (1)、TCP是面向连接的，UDP是面向无连接的。TCP在通信之前必须通过三次握手机制与对方建立连接，而UDP通信不必与对方建立连接，不管对方的状态就直接把数据发送给对方 
  (2)、TCP连接过程耗时，UDP不耗时 
  (3)、TCP连接过程中出现的延时增加了被攻击的可能，安全性不高，而UDP不需要连接，安全性较高 
  (4)、TCP是可靠的，保证数据传输的正确性，不易丢包;UDP是不可靠的，易丢包 
  (5)、tcp传输速率较慢，实时性差，udp传输速率较快。tcp建立连接需要耗时，并且tcp首部信息太多，每次传输的有用信息较少，实时性差。 
  (6)、tcp是流模式，udp是数据包模式。tcp只要不超过缓冲区的大小就可以连续发送数据到缓冲区上，接收端只要缓冲区上有数据就可以读取，可以一次读取多个数据包，而udp一次只能读取一个数据包，数据包之间独立

• TCP三次握手过程 
  STEP 1：主机A通过向主机B发送一个含有同步序列号的标志位的数据段给主机B，向主机B请求建立连接,通过这个数据段，主机A告诉主机B两件事:我想要和你通信；你可以用哪个序列号作为起始数据段来回应我。 
  STEP 2：主机B收到主机A的请求后,用一个带有确认应答(ACK)和同步序列号(SYN)标志位的数据段响应主机A，也告诉主机A两件事：我已经收到你的请求了，你可以传输数据了；你要用哪佧序列号作为起始数据段来回应我。 
  STEP 3：主机A收到这个数据段后，再发送一个确认应答，确认已收到主机B的数据段：”我已收到回复，我现在要开始传输实际数据了。这样3次握手就完成了，主机A和主机B就可以传输数据了。

• 注意 
  此时需要注意的是，TCP建立连接要进行3次握手，而断开连接要进行4次。

• 名词解释 
  ACK：TCP报头的控制位之一，对数据进行确认，确认由目的端发出，用它来告诉发送端这个序列号之前的数据段都收到了。比如，确认号为X，则表示前X-1个数据段都收到了，只有当ACK=1时，确认号才有效，当ACK=0时，确认号无效，这时会要求重传数据，保证数据的完整性。 
  SYN：同步序列号，TCP建立连接时将这个位置1。 
  FIN ：发送端完成发送任务位，当TCP完成数据传输需要断开时，提出断开连接的一方将这位置1。

• TCP可靠性的四大手段 
  (1)、顺序编号：tcp在传输文件的时候，会将文件拆分为多个tcp数据包，每个装满的数据包大小大约在1k左右，tcp协议为保证可靠传输，会将这些数据包顺序编号 
  (2)、确认机制：当数据包成功的被发送方发送给接收方，接收方会根据tcp协议反馈给发送方一个成功接收的ACK信号，信号中包含了当前包的序号 
  (3)、超时重传：当发送方发送数据包给接收方时，会为每一个数据包设置一个定时器，当在设定的时间内，发送方仍没有收到接收方的ACK信号，会再次发送该数据包，直到收到接收方的ACK信号或者连接已断开 
  (4)、校验信息：tcp首部校验信息较多，udp首部校验信息较少。

上文部分协议简单讲

• IEEE 802.1A、IEEE 802.2 
  IEEE是英文Institute of Electrical and Electronics Engineers的简称，其中文译名是电气和电子工程师协会。IEEE 802规范定义了网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。遵循IEEE 802标准的产品包括网卡、桥接器、路由器以及其他一些用来建立局域网络的组件。 
  IEEE802.1A —— 局域网体系结构 
  IEEE802.2 ——- 逻辑链路控制(LLC)

• FDDI 
  光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface）

• PPP 
  点对点协议（Point to Point Protocol），为在点对点连接上传输多协议数据包提供了一个标准方法。

• IP 
  互联网协议（Internet Protocol），为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守IP协议就可以与因特网互连互通。IP地址具有唯一性，根据用户性质的不同，可以分为5类。

• ICMP 
  控制报文协议（Internet Control Message Protocol）。TCP/IP设计了ICMP协议，当某个网关发现传输错误时，立即向信源主机发送ICMP报文，报告出错信息，让信源主机采取相应处理措施，它是一种差错和控制报文协议，不仅用于传输差错报文，还传输控制报文。

• ARP/RARP 
  ARP (Address Resolution Protocol) 地址解析协议 
  RARP (Reverse Address Resolution Protocol) 反向地址解析协议 
  
  ARP的工作原理如下（RARP工作原理与之相反）

  1. 首先，每台主机都会在自己的ARP缓冲区 (ARP Cache)中建立一个 ARP列表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。
  2. 当源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，会首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有﹐就直接将数据包发送到这个MAC地址；如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。
  3. 网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个 ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址；
  4. 源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。

• SMTP 
  简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol），它是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，由它来控制信件的中转方式。SMTP协议属于TCP/IP协议簇，它帮助每台计算机在发送或中转信件时找到下一个目的地。通过SMTP协议所指定的服务器,就可以把E-mail寄到收信人的服务器上了。

• SNMP 
  简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol ），该协议能够支持网络管理系统，用以监测连接到网络上的设备是否有任何引起管理上关注的情况。

• DNS 
  域名系统（Domain Name System），因特网上作为域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使用户更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。通过主机名，最终得到该主机名对应的IP地址的过程叫做域名解析(或主机名解析)。DNS协议运行在UDP协议之上，使用端口号53。

• FTP 
  文本传输协议（File Transfer Protocol），用于Internet上的控制文件的双向传输。同时，它也是一个应用程序Application）。基于不同的操作系统有不同的FTP应用程序，而所有这些应用程序都遵守该协议以传输文件。在FTP的使用当中，用户经常“下载”（Download）和“上载”（Upload）。“下载”文件就是从远程主机拷贝文件至自己的计算机上；“上载”文件就是将文件从自己的计算机中拷贝至远程主机上。

• HTTP 
  超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol），是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。所有的WWW文件都必须遵守这个标准。它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。它不仅保证计算机正确快速地传输超文本文档，还确定传输文档中的哪一部分，以及哪部分内容首先显示(如文本先于图形)等。HTTP是一个应用层协议，由请求和响应构成，是一个标准的客户端服务器模型，是一个无状态的协议。