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或许这样能帮你了解 OSI 七层模型

hello~亲爱的观众老爷们大家好!惯例先说说为何写这个主题,缘起于其次后端同事的一次抓包分享。当然咯,当时对于网络编程的术语各种不明觉厉,只能尴尬地笑着。对于最基础的 OSI模型,只知道由七层组成,但每一层是什么,有什么用途,有什么协议完全是不清楚的。因而知耻而后,通过看书与查资料补充了相关的知识,也就有了这篇文章。

可能有观众老爷会问,前端知道这个有什么用,平时基本用不上不是么?这个倒是事实,我们平时一般只接触应用层的HTTP协议, 底层的协议我们可以毫不关心。但有些场景还是需要一些底层知识的。比如前端一般优化有一条原则是,尽量少发请求,那么为何少发请求就能优化加载,它的开销到底是什么?又比如最近产品希望uv打点同一计算机唯一,但很可能用户会采用不同客户端使用该产品,研发该如何啪啪啪打产品脸。仔细思考一下,其实不少情景也需要一点底层知识,因而不要书到用时方恨少啊~

本文会介绍七层模型中每层相关的协议,也会通过快递公司的比喻形容每层的作用。希望大家有所收获。

基础知识

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年研究的网络互联模型。该体系结构标准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、表示层和应用层),即ISO开放系统互连参考模型。在这一框架下进一步详细规定了每一层的功能,以实现开放系统环境中的互连性、互操作性和应用的可移植性。

以上是百度 OSI 模型 的概括,此处暂时只需要记住模型有7层,首层是物理层,最后是应用层即可。那么,不同层之间是如何组织和通信的呢?且看下图:

发送方从最高层开始,从上到下按顺序传输数据,每一层接收到由上层处理的数据时,添加该层的首部并可能会对数据进行处理(如表示层)。而接收端则将顺序反过来,从首层开始,将数据的内容与该层对应的首部拆开,传给上一层。看起来很绕对吧?简单理解可以这样,想象A将要寄一个易碎品寄给B,A所在的快递站寄件时有由七个人组成的打包流程,每个人只管接收上一个人的打包好的物件,并在外面套一个大一点盒子,传给下一个人。当物件寄到B所在的快递站时,同样也有七个人负责拆盒子,每个人只拆一个,最后将物件给到B手上。这样是不是简单易懂了?

当时我看到这里时,不知道看官大人是否与我有一样的疑问:其实这么分层,不同层之间肯定有差不多的处理逻辑,处理也麻烦,有必要分层吗?然而这个问题也很好理解,分层后,如若某层产生变化,也不会波及整个系统。我们也知道,每一层其实都有不同的协议,如果各层混合在一起,切换协议就无从谈起,每次更换某一层,都需要改造整个系统。这和前端为何要使用框架,让我们按 MVCMVVM 分层组织代码是一个道理的。明确界定各层的作用,有助于系统的健壮性。

那么每一层到底有什么协议,又有什么作用呢?先从最高层往下看。

应用层

作为前端,应用层肯定是最熟悉的。它的作用是为应用程序提供服务并规定应用程序中通讯相关的细节,也就是为应用提供服务。常见的协议有 HTTPFTPTELNETSMTP 等。

我们日常开发中,接触的协议主要以 HTTP 为主,那么把浏览器看作一个应用,当用户发起请求时,通过 HTTP协议获得数据以供浏览器使用,这就是应用层的用途。而请求时发生错误,对错误进行处理,也是应用层需要负责的。

这一层可以想象成快递公司的收件员,当客户(应用)打电话(发起请求)给收件员(应用层)时,收件员可以根据用户的不同需求提供不同的服务(不同协议),比如隔天送达、指定时间送达等等。

表示层

表示层的作用是将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式,或者将来自下一层的数据转换为上层能处理的格式。它主要负责数据格式的转换。具体来说,就是讲设备固有的数据格式转换为网络标准格式。常见的协议有 ASCIISSL/TLS 等。

作用看起来可能比较绕,但其实是挺好理解的。我只会说中文,而日本友人只会说日文,那么我们两个是无法交流的。但如果我们都会说英文,交流时我先在心里想好要说的话是什么,再用英语说出来,日本友人听到英文,在心里转换为日语,他就能弄懂我的意思,此时表示层就是各自在心里转化语言。而浏览器请求回一堆数据,是解析成文本还是图片,就由表示层决定。数据的压缩、加密、打包等功能也都在这层完成。

这一层相当于快递公司的打包员。如果快递(数据)太臃肿,他会在不破坏快递的情况下压扁(压缩)它。如果客户注重安全线,全能的快递公司还能用密码箱( SSL/TLS)打包快递再快送。当然,打包员会确定,目的地快递站的拆包员,能无损地拆开包裹,将快递交给用户。

会话层

会话层作用是负责建立和断开通信连接(数据流动的逻辑通路),以及数据的分割等数据传输相关的管理。常见的协议有 ADSPRPC 等。

会话层可看作是快递公司的调度员。他管理着这次快递的相关的信息。例如这次客户要发100吨沙土(数据),发到哪,到底是一车一车发、还是用轮船一次运过去。这些都是他的职责。而运完之后,相关信息(连接)也可以被销毁了,这也是调度员的职责。

传输层

传输层起着可靠传输的作用。只在通信双方节点进行处理,而不需在路由器上处理。此层有两个具有代表性的协议: TCPUDP

TCP 协议提供可靠的通信传输,简单说就是确认目标能通信的情况下才会传输数据(因此需要三次握手),传输过程如果丢了数据,也会重发。而 UDP 协议则不然,不会确认目标能否通信,只会根据协议发到对方地址的端口。至于对方收不收到,丢不丢包,一概不管。

传输层有一个重要作用,就是指定通信端口。以请求服务器数据为例,服务器有处理多种协议的能力,如之前应用层所说的HTTPFTPTELNET 等,但到底你是用什么协议呢?服务器并不知道。但如果你指定了端口,如 80,服务器就会知道你是想用 HTTP 协议的,自然会转给对应协议的处理程序进行处理。

作比喻的话,可以将传输层看作是快递公司的跟单员。负责任的跟单员(使用 TCP 协议)会保证快递送到客户手上,如果送不到就让公司再发一次。不负责任的跟单员(使用 UDP 协议)层只管将快递送到客户指定的地方,不管快递是否送到客户手上。

网络层

网络层负责将数据传输到目标地址。目标地址可以使多个网络通过路由器连接而成的某一个地址。因此这一层主要负责寻址和路由选择。主要由 IPICMP 两个协议组成。

网络层将数据从发送端的主机发送到接收端的主机,两台主机间可能会存在很多数据链路,但网络层就是负责找出一条相对顺畅的通路将数据传递过去。传输的地址使用的是IP地址。IP地址和我们的住址有点相似,我们的住址可以从省到市再到街逐步缩小范围,直至我们住址。IP地址也有这样的能力,通过不断转发到更近的IP地址,最终可以到达目标地址。如何选择这条路,就看网络层了。

这好比是快递公司的路线规划者。快递公司有很多集散中心,根据集散中心的情况(是否拥堵),找出一条经过n个集散中心的路径将货物(数据)沿路运过去。

数据链路层

该层负责物理层面上互连的节点之间的通信传输。例如与1个以太网相连的两个节点间的通讯。常见的协议有 HDLCPPPSLIP 等。

数据链路层会将0、1序列划分为具有意义的数据帧传送给对端(数据帧的生成与接收)。举个例子可能会更好理解,暂且把需要传输的数据看作为不同来源的水,如果直接倒入池子中时,是无法重新分辨出不同来源的水的。但如果将不同来源的灌入瓶子中并打上记号,那就能区分出不同来源的水。这也就是为什么要划分为具有意义的数据帧传送给对端。同时要注意的是,数据链路层只负责将数据运送给物理相连的两端,并不负责直接发送到最终地址。

数据链路层可以看作是快递公司的司机,他们驾驶着汽车,将打包好的货物(数据帧)从一个城市(物理节点)运输到另一个城市。

物理层

物理层负责0、1比特流(0、1序列)与电压高低、光的闪灭之间的互换。典型的协议有 RS 232CRS 449/422/423V.24X.21X.21bis 等。

看着高大上,其实是将数据的0、1转换成电信号或者光信号。通过光纤、双绞线甚至是无限电波等介质传输到指定的地址。而传输过程中的集线器、中继器、调制解调器等,也属于物理层的传输介质。物理层是 OSI 七层模型的物理基础,没有它就谈不上数据传输了。

物理层就是由实物所承载的,所以作比喻的话,公路、汽车和飞机等承载货物(数据)的交通工具,就是物理层的象征。

至此,OSI 七层模型的功能与协议就简单地介绍完了~

小结

上文只是 OSI 七层模型一些粗浅的介绍,希望能帮到你更好地理解它。然而由于篇幅所限与本人能力不足,七层模型中有很多细节仍未涉及,如需深入了解,还应该仔细阅读相关资料,加深对各层模型的认识。

感谢各位看官大人看到这里~希望本文对你有所帮助。由于我对这方面的知识接触不深,因而难免有错漏,希望各位dalao打我脸,让我知道哪里的理解有误,保证很快更正哦~谢谢!

参考资料

图解TCP/IP

互联网协议入门(一)

开放系统互连参考模型

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