互联网协议OSI七层参考模型详解(二)

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长城宽带的网络实在是差距,这篇文章发布是断网了,导致重新编写了。

接上一篇互联网协议OSI七层参考模型详解(一),我们继续学习OSI七层参考模型的下半部分。

IP数据包

根据IP协议发送的数据,就叫做IP数据包。不难想象,其中必定包括IP地址信息。
但是前面说过,以太网数据包只包含MAC地址,并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义,再添加一个栏位呢?
回答是不需要,我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分,因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处:上层的变动完全不涉及下层的结构。
具体来说,IP数据包也分为"标头"和"数据"两个部分。

IP数据包

"标头"部分主要包括版本、长度、IP地址等信息,"数据"部分则是IP数据包的具体内容。它放进以太网数据包后,以太网数据包就变成了下面这样。以太网IP数据包

IP数据包的"标头"部分的长度为20到60字节,整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此,理论上,一个IP数据包的"数据"部分,最长为65,515字节。前面说过,以太网数据包的"数据"部分,最长只有1500字节。因此,如果IP数据包超过了1500字节,它就需要分割成几个以太网数据包,分开发送了。

ARP协议

关于"网络层",还有最后一点需要说明。
因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的,所以我们必须同时知道两个地址,一个是对方的MAC地址,另一个是对方的IP地址。通常情况下,对方的IP地址是已知的(后文会解释),但是我们不知道它的MAC地址。
所以,我们需要一种机制,能够从IP地址得到MAC地址。
这里又可以分成两种情况。第一种情况,如果两台主机不在同一个子网络,那么事实上没有办法得到对方的MAC地址,只能把数据包传送到两个子网络连接处的"网关"(gateway),让网关去处理。
第二种情况,如果两台主机在同一个子网络,那么我们可以用ARP协议,得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包(包含在以太网数据包中),其中包含它所要查询主机的IP地址,在对方的MAC地址这一栏,填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF,表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机,都会收到这个数据包,从中取出IP地址,与自身的IP地址进行比较。如果两者相同,都做出回复,向对方报告自己的MAC地址,否则就丢弃这个包。
总之,有了ARP协议之后,我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址,可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

传输层

有了MAC地址和IP地址,我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。
接下来的问题是,同一台主机上有许多程序都需要用到网络,比如,你一边浏览网页,一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候,你怎么知道,它是表示网页的内容,还是表示在线聊天的内容?
也就是说,我们还需要一个参数,表示这个数据包到底供哪个程序(进程)使用。这个参数就叫做"端口"(port),它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口,所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。
"端口"是0到65535之间的一个整数,正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用,用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天,应用程序会随机选用一个端口,然后与服务器的相应端口联系。

"传输层"的功能,就是建立"端口到端口"的通信。相比之下,"网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信。只要确定主机和端口,我们就能实现程序之间的交流。因此,Unix系统就把主机+端口,叫做"套接字"(socket)。有了它,就可以进行网络应用程序开发了。

UDP协议

现在,我们必须在数据包中加入端口信息,这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议,它的格式几乎就是在数据前面,加上端口号。
UDP数据包,也是由"标头"和"数据"两部分组成。

UDP数据包

"标头"部分主要定义了发出端口和接收端口,"数据"部分就是具体的内容。然后,把整个UDP数据包放入IP数据包的"数据"部分,而前面说过,IP数据包又是放在以太网数据包之中的,所以整个以太网数据包现在变成了下面这样:

以太网UDP数据包

UDP数据包非常简单,"标头"部分一共只有8个字节,总长度不超过65,535字节,正好放进一个IP数据包。

TCP协议

UDP协议的优点是比较简单,容易实现,但是缺点是可靠性较差,一旦数据包发出,无法知道对方是否收到。
为了解决这个问题,提高网络可靠性,TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂,但可以近似认为,它就是有确认机制的UDP协议,每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失,就收不到确认,发出方就知道有必要重发这个数据包了。
因此,TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。
TCP数据包和UDP数据包一样,都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。TCP数据包没有长度限制,理论上可以无限长,但是为了保证网络的效率,通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度,以确保单个TCP数据包不必再分割。

会话层

会话层(Session Layer)是OSI模型的第5层,是用户应用程序和网络之间的接口,主要任务是:向两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法。将不同实体之间的表示层的连接称为会话。因此会话层的任务就是组织和协调两个会话进程之间的通信,并对数据交换进行管理。
用户可以按照半双工、单工和全双工的方式建立会话。当建立会话时,用户必须提供他们想要连接的远程地址。而这些地址与MAC(介质访问控制子层)地址或网络层的逻辑地址不同,它们是为用户专门设计的,更便于用户记忆。域名(DN)就是一种网络上使用的远程地址例如:www.codedq.net就是一个域名。会话层的具体功能如下:

  • 会话管理:允许用户在两个实体设备之间建立、维持和终止会话,并支持它们之间的数据交换。例如提供单方向会话或双向同时会话,并管理会话中的发送顺序,以及会话所占用时间的长短。
  • 会话流量控制:提供会话流量控制和交叉会话功能。
  • 寻址:使用远程地址建立会话连接。l
  • 出错控制:从逻辑上讲会话层主要负责数据交换的建立、保持和终止,但实际的工作却是接收来自传输层的数据,并负责纠正错误。会话控制和远程过程调用均属于这一层的功能。但应注意,此层检查的错误不是通信介质的错误,而是磁盘空间、打印机缺纸等类型的高级错误。

表示层

表示层(Presentation Layer)是OSI模型的第六层,它对来自应用层的命令和数据进行解释,对各种语法赋予相应的含义,并按照一定的格式传送给会话层。其主要功能是“处理用户信息的表示问题,如编码、数据格式转换和加密解密”等。表示层的具体功能如下:
数据格式处理:协商和建立数据交换的格式,解决各应用程序之间在数据格式表示上的差异。
数据的编码:处理字符集和数字的转换。例如由于用户程序中的数据类型(整型或实型、有符号或无符号等)、用户标识等都可以有不同的表示方式,因此,在设备之间需要具有在不同字符集或格式之间转换的功能。
压缩和解压缩:为了减少数据的传输量,这一层还负责数据的压缩与恢复。
数据的加密和解密:可以提高网络的安全性。

应用层

应用程序收到"传输层"的数据,接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构,数据来源五花八门,必须事先规定好格式,否则根本无法解读。
"应用层"的作用,就是规定应用程序的数据格式。
举例来说,TCP协议可以为各种各样的程序传递数据,比如Email、WWW、FTP等等。那么,必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式,这些应用程序协议就构成了"应用层"。
这是最高的一层,直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的"数据"部分。因此,现在的以太网的数据包就变成下面这样。

以太网数据包

至此,整个互联网的七层结构,自下而上全部讲完了。

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