互联网协议OSI七层参考模型详解(一)

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我们每天使用互联网,但多数人是不知道它是如何实现的?

全世界几十亿台电脑,连接在一起,互相通信。上海的某一块网卡送出信号,洛杉矶的另一块网卡居然就收到了,两者实际上根本不知道对方的物理位置,你不觉得这是很神奇的事情吗?

互联网的核心是一系列协议,总称为"互联网协议"(Internet Protocol Suite)。它们对电脑如何连接和组网,做出了详尽的规定。理解了这些协议,就理解了互联网的原理。

本文将整理一个简洁的框架,帮助大家从总体上把握它们。为了保证简单易懂,我做了大量的简化,有些地方并不全面和精确,但是应该能够说清楚互联网的原理。

OSI七层模型

五层模型是很久以前的模型了,现在被分为OSI七层模型了。

开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI)是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考模型,为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架。它从低到高分别是:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

科来软件TCP/IP协议图

OSI 七层模型通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯,因此其最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输 。
完成中继功能的节点通常称为中继系统。在OSI七层模型中,处于不同层的中继系统具有不同的名称。   
一个设备工作在哪一层,关键看它工作时利用哪一层的数据头部信息。网桥工作时,是以MAC头部来决定转发端口的,因此显然它是数据链路层的设备。
具体说:

  • 物理层:网卡,网线,集线器,中继器,调制解调器
  • 数据链路层:网桥,交换机
  • 网络层:路由器

网关工作在第四层传输层及其以上
集线器是物理层设备,采用广播的形式来传输信息。
交换机就是用来进行报文交换的机器。多为链路层设备(二层交换机),能够进行地址学习,采用存储转发的形式来交换报文.。
路由器的一个作用是连通不同的网络,另一个作用是选择信息传送的线路。选择通畅快捷的近路,能大大提高通信速度,减轻网络系统通信负荷,节约网络系统资源,提高网络系统畅通率。

层与协议

每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能,就需要大家都遵守共同的规则。
大家都遵守的规则,就叫做"协议"(protocol)。
互联网的每一层,都定义了很多协议。这些协议的总称,就叫做"互联网协议"(Internet Protocol Suite)。它们是互联网的核心,下面介绍每一层的功能,主要就是介绍每一层的主要协议。

物理层

我们从最底下的一层开始。
电脑要组网,第一件事要干什么?当然是先把电脑连起来,可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。

"物理层"就是把电脑连接起来的物理手段。它主要规定了网络的一些电气特性,作用是负责传送0和1的电信号。

链接层

单纯的0和1没有任何意义,必须规定解读方式:多少个电信号算一组?每个信号位有何意义?
这就是"链接层"的功能,它在"实体层"的上方,确定了0和1的分组方式。

早期的时候,每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地,一种叫做"以太网"(Ethernet)的协议,占据了主导地位。

以太网规定,一组电信号构成一个数据包,叫做"帧"(Frame)。每一帧分成两个部分:标头(Head)和数据(Data)。

数据包:标头(Head)和数据(Data)

"标头"包含数据包的一些说明项,比如发送者、接受者、数据类型等等;"数据"则是数据包的具体内容。
"标头"的长度,固定为18字节。"数据"的长度,最短为46字节,最长为1500字节。因此,整个"帧"最短为64字节,最长为1518字节。如果数据很长,就必须分割成多个帧进行发送。

MAC地址

上面提到,以太网数据包的"标头",包含了发送者和接受者的信息。那么,发送者和接受者是如何标识呢?
以太网规定,连入网络的所有设备,都必须具有"网卡"接口。数据包必须是从一块网卡,传送到另一块网卡。网卡的地址,就是数据包的发送地址和接收地址,这叫做MAC地址。

每块网卡出厂的时候,都有一个全世界独一无二的MAC地址,长度是48个二进制位,通常用12个十六进制数表示。

前6个十六进制数是厂商编号,后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址,就可以定位网卡和数据包的路径了。

广播

定义地址只是第一步,后面还有更多的步骤。
首先,一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址?
回答是有一种ARP协议,可以解决这个问题。这个留到后面介绍,这里只需要知道,以太网数据包必须知道接收方的MAC地址,然后才能发送。
其次,就算有了MAC地址,系统怎样才能把数据包准确送到接收方?
回答是以太网采用了一种很"原始"的方式,它不是把数据包准确送到接收方,而是向本网络内所有计算机发送,让每台计算机自己判断,是否为接收方。

广播 的发送方式

上图中,1号计算机向2号计算机发送一个数据包,同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"标头",找到接收方的MAC地址,然后与自身的MAC地址相比较,如果两者相同,就接受这个包,做进一步处理,否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做"广播"(broadcasting)。
有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式,"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。

网络层

以太网协议,依靠MAC地址发送数据。理论上,单单依靠MAC地址,上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了,技术上是可以实现的。
但是,这样做有一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包,所有成员人手一"包",不仅效率低,而且局限在发送者所在的子网络。也就是说,如果两台计算机不在同一个子网络,广播是传不过去的。这种设计是合理的,否则互联网上每一台计算机都会收到所有包,那会引起灾难。
互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络,很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络,这几乎是不可能的。

因此,必须找到一种方法,能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络,哪些不是。如果是同一个子网络,就采用广播方式发送,否则就采用"路由"方式发送。("路由"的意思,就是指如何向不同的子网络分发数据包,这是一个很大的主题,本文不涉及。)遗憾的是,MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关,与所处网络无关。
这就导致了"网络层"的诞生。它的作用是引进一套新的地址,使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做"网络地址",简称"网址"。
于是,"网络层"出现以后,每台计算机有了两种地址,一种是MAC地址,另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系,MAC地址是绑定在网卡上的,网络地址则是管理员分配的,它们只是随机组合在一起。
网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络,MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此,从逻辑上可以推断,必定是先处理网络地址,然后再处理MAC地址。

IP协议

规定网络地址的协议,叫做IP协议。它所定义的地址,就被称为IP地址。
目前,广泛采用的是IP协议第四版,简称IPv4。这个版本规定,网络地址由32个二进制位组成。
习惯上,我们用分成四段的十进制数表示IP地址,从0.0.0.0一直到255.255.255.255。
互联网上的每一台计算机,都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分,前一部分代表网络,后一部分代表主机。比如,IP地址172.16.254.1,这是一个32位的地址,假定它的网络部分是前24位(172.16.254),那么主机部分就是后8位(最后的那个1)。处于同一个子网络的电脑,它们IP地址的网络部分必定是相同的,也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络。
但是,问题在于单单从IP地址,我们无法判断网络部分。还是以172.16.254.1为例,它的网络部分,到底是前24位,还是前16位,甚至前28位,从IP地址上是看不出来的。
那么,怎样才能从IP地址,判断两台计算机是否属于同一个子网络呢?这就要用到另一个参数"子网掩码"(subnet mask)。
所谓"子网掩码",就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址,也是一个32位二进制数字,它的网络部分全部为1,主机部分全部为0。比如,IP地址172.16.254.1,如果已知网络部分是前24位,主机部分是后8位,那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000,写成十进制就是255.255.255.0。
知道"子网掩码",我们就能判断,任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算(两个数位都为1,运算结果为1,否则为0),然后比较结果是否相同,如果是的话,就表明它们在同一个子网络中,否则就不是。
比如,已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0,请问它们是否在同一个子网络?两者与子网掩码分别进行AND运算,结果都是172.16.254.0,因此它们在同一个子网络。
总结一下,IP协议的作用主要有两个,一个是为每一台计算机分配IP地址,另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

限于篇幅,剩下部分见下篇文章:互联网协议OSI七层参考模型详解(二)

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