消息队列篇--通信协议篇--网络通信模型（OSI7层参考模型，TCP/IP分层模型）

一、OSI参考模型（Open Systems Interconnection Model）

OSI参考模型是一个用于描述和标准化网络通信功能的七层框架。它由国际标准化组织（ISO）提出，旨在为不同的网络设备和协议提供一个通用的语言和结构，以促进相互操作和标准化。

OSI模型将网络通信过程划分为七个层次，每一层都有特定的功能，并与相邻层进行交互。
从下到上，这七层分别是：
1、物理层（Physical Layer）
2、数据链路层（Data Link Layer）
3、网络层（Network Layer）
4、传输层（Transport Layer）
5、会话层（Session Layer）
6、表示层（Presentation Layer）
7、应用层（Application Layer）

示例图：

1、物理层（Physical Layer）

功能：

• 定义物理连接：规定了如何通过物理媒介（如电缆、光纤、无线电波等）传输原始比特流。
• 硬件接口：定义了网络硬件（如网卡、中继器、集线器等）的标准和接口类型。
• 信号传输：规定了电压水平、传输速率、物理拓扑（如总线型、星型等）和物理连接器（如RJ45、BNC等）。

主要设备：

• 网卡（NIC）
• 中继器（Repeater）
• 集线器（Hub）

示例：

• 以太网标准（IEEE 802.3）
• 光纤通信

2、数据链路层（Data Link Layer）

功能：

• 帧同步：将物理层传来的比特流组织成帧（Frame），并在帧之间添加控制信息（如起始位和结束位）。
• 错误检测与纠正：使用校验和（如CRC）来检测传输中的错误，并在某些情况下进行纠正。
• 流量控制：确保发送方不会发送过多的数据，导致接收方溢出。
• 介质访问控制（MAC）：在共享介质（如以太网）上协调多个设备之间的数据传输。

主要设备：

• 交换机（Switch）
• 网桥（Bridge）

子层：

• 逻辑链路控制子层（LLC, Logical Link Control）：负责帧的封装和解封装，以及差错控制和流量控制。
• 介质访问控制子层（MAC, Media Access Control）：负责定义设备如何访问物理介质，并处理介质访问冲突（如CSMA/CD）。

示例：

• 以太网帧格式
• PPP（点对点协议）

3、网络层（Network Layer）

功能：

• 路由选择：确定数据包从源地址到目的地址的最佳路径，通常通过路由器实现。
• IP寻址：为每个设备分配唯一的IP地址，并管理这些地址。
• 分组转发：将数据包从一个网络段转发到另一个网络段，直到到达目的地。
• 拥塞控制：监控网络状态，避免网络拥塞。

主要设备：

• 路由器（Router）

协议示例：

• IP（Internet Protocol）
• ICMP（Internet Control Message Protocol）
• OSPF（Open Shortest Path First）

示例：

• IPv4和IPv6
• 路由算法（如RIP、OSPF）

4、传输层（Transport Layer）

功能：

• 端到端通信：提供应用程序之间的端到端通信服务，确保数据能够可靠地从一个应用程序传输到另一个应用程序。
• 可靠性：TCP提供可靠的传输服务，保证数据包按顺序到达且不丢失；UDP提供无连接、不可靠的传输服务，适合实时应用。
• 流量控制和拥塞控制：防止发送方发送过多数据导致接收方溢出或网络拥塞。

协议示例：

• TCP（Transmission Control Protocol）
• UDP（User Datagram Protocol）

示例：

• HTTP使用TCP进行网页内容传输
• DNS使用UDP进行域名解析

5、会话层（Session Layer）

功能：

• 会话管理：负责建立、维护和终止应用程序之间的会话。
• 同步：提供同步机制，允许在会话过程中发生中断时恢复数据传输。
• 对话控制：控制不同应用程序之间的对话方式（如半双工或全双工）。

示例：

• RPC（Remote Procedure Call）
• NetBIOS（Network Basic Input Output System）

6、表示层（Presentation Layer）

功能：

• 数据格式转换：负责数据的加密、压缩和编码，确保不同系统之间的数据可以正确理解和处理。
• 字符编码：将数据从一种字符集转换为另一种字符集（如ASCII到Unicode）。
• 数据加密：提供数据加密和解密功能，确保数据的安全性。

示例：

• JPEG、PNG图像格式
• ASCII、UTF-8字符编码
• SSL/TLS加密

7、应用层（Application Layer）

功能：

• 用户接口：为用户提供直接与网络交互的接口，支持各种网络应用（如浏览器、电子邮件客户端等）。
• 应用协议：定义应用程序之间如何通信，包括请求和响应的格式、语义等。
• 服务访问点：为其他层提供服务访问点，使得应用程序可以直接调用底层的服务。

协议示例：

• HTTP（超文本传输协议）
• SMTP（简单邮件传输协议）
• FTP（文件传输协议）
• DNS（域名系统）

示例：

• 浏览器通过HTTP访问网站
• 邮件客户端通过SMTP发送邮件

8、OSI模型各层之间的关系

OSI模型的每一层都只与相邻的上下层进行交互。

上下层关系：

• 上层（如应用层）向下层（如表示层）发出请求，并传递数据。下层则根据请求执行相应的功能，并将结果返回给上层。
• 下层（如物理层）只关心如何通过物理媒介传输数据，而不关心数据的具体内容和格式。上层（如应用层）则只关心数据的格式和语义，而不关心底层的传输细节。

具体示例：（展示每个层级作用）
例如，当用户通过浏览器访问一个网页时，整个过程涉及以下步骤。
（1）、应用层（HTTP）：浏览器向服务器发送HTTP请求，请求指定URL网页内容。
（2）、表示层：确定请求资源类型以及是否被加密或压缩等。
（3）、会话层：建立并维护浏览器与服务器之间的会话。
（4）、传输层：将HTTP请求信息再次封装成TCP段，并提供数据的可靠传输。
（5）、网络层：将TCP段封装成IP数据报，并选择最佳路径将其发送到目标服务器。
（6）、数据链路层：将IP数据报封装成帧，并通过本地网络传输到下一路由器或目标服务器。（注意：传输过程可能会经过多次路由器转发，最终达到目标服务器）
（7）、物理层：通过物理媒介（如电缆、光纤）传输比特流。

9、OSI模型与实际网络协议的关系

虽然OSI模型是一个理论上的参考框架，但它帮助我们理解网络通信的各个层次及其功能。许多实际使用的网络协议并不严格遵循OSI模型的七层划分，但它们仍然可以映射到OSI模型的相应层次。

例如：

• TCP/IP协议栈是目前最常用的网络协议栈，它简化了OSI模型，只有四层：
  • 应用层：对应OSI模型的应用层、表示层和会话层这三个层级。
  • 传输层：对应OSI模型的传输层。
  • 互联网层：对应OSI模型的网络层。
  • 网络接口层：对应OSI模型的数据链路层和物理层。

尽管如此，OSI模型仍然是一个非常有用的工具，用于分析和设计网络系统，并帮助人们更好地理解网络通信的工作原理。

10、OSI模型总结

OSI参考模型将网络通信过程划分为七个层次，每一层都有特定的功能，并与相邻层进行交互。通过这种分层的方式，OSI模型不仅帮助我们理解网络通信的复杂性，还促进了不同网络设备和协议之间的互操作性和标准化。

二、TCP/IP分层模型

TCP/IP模型，也称为互联网协议套件（Internet Protocol Suite），是实际用于实现现代互联网通信的网络模型。与OSI七层模型相比，TCP/IP模型更为简洁，通常分为四层或五层结构。尽管它没有OSI模型那么详细，但它更贴近实际应用，并且在设计和实现上更加灵活。

准确说：OSI的7层参考模型是基于TCP/IP的4层模型衍生出来的更细分的模型。实际上TCP/IP模型是先提出的，之后才有的OSI模型。

TCP/IP模型的四层结构：（从上到下）
1、应用层（Application Layer）
2、传输层（Transport Layer）
3、互联网层（Internet Layer）
4、网络接口层（Network Interface Layer）

有些文献会将网络接口层进一步细分为数据链路层和物理层，形成一个五层模型：
1、应用层（Application Layer）
2、传输层（Transport Layer）
3、互联网层（Internet Layer）
4、数据链路层（Data Link Layer）
5、物理层（Physical Layer）

1、应用层（Application Layer）

功能：

• 用户接口：提供用户直接与网络交互的接口，支持各种网络应用。
• 应用协议：定义应用程序之间如何通信，包括请求和响应的格式、语义等。
• 服务访问点：为其他层提供服务访问点，使得应用程序可以直接调用底层的服务。

常见协议：

• HTTP/HTTPS：超文本传输协议/安全超文本传输协议，用于网页浏览。
• SMTP/IMAP/POP3：简单邮件传输协议/互联网消息访问协议/邮局协议，用于电子邮件传输。
• FTP：文件传输协议，用于文件上传和下载。
• DNS：域名系统，用于将域名解析为IP地址。
• Telnet/SSH：远程登录协议，用于远程管理设备。
• SNMP：简单网络管理协议，用于网络设备管理和监控。

示例：

• 浏览器通过HTTP访问网站。
• 邮件客户端通过SMTP发送邮件，通过IMAP或POP3接收邮件。

2、传输层（Transport Layer）

功能：

• 端到端通信：提供应用程序之间的端到端通信服务，确保数据能够可靠地从一个应用程序传输到另一个应用程序。
• 可靠性：TCP提供可靠的传输服务，保证数据包按顺序到达且不丢失；UDP提供无连接、不可靠的传输服务，适合实时应用。
• 流量控制和拥塞控制：防止发送方发送过多数据导致接收方溢出或网络拥塞。

常见协议：

• TCP（Transmission Control Protocol）：面向连接、可靠的传输协议，适用于需要高可靠性的应用，如HTTP、FTP、SMTP等。
• UDP（User Datagram Protocol）：无连接、不可靠的传输协议，适用于对实时性要求较高的应用，如DNS、VoIP、视频流等。

示例：

• HTTP使用TCP进行网页内容传输。
• DNS使用UDP进行域名解析。

3、互联网层（Internet Layer）

功能：

• 路由选择：确定数据包从源地址到目的地址的最佳路径，通常通过路由器实现。
• IP寻址：为每个设备分配唯一的IP地址，并管理这些地址。
• 分组转发：将数据包从一个网络段转发到另一个网络段，直到到达目的地。
• 拥塞控制：监控网络状态，避免网络拥塞。

常见协议：

• IP（Internet Protocol）：负责在网络中进行数据包的传输和路由选择。
• ICMP（Internet Control Message Protocol）：用于报告网络错误和管理网络通信（如ping命令）。
• ARP（Address Resolution Protocol）：用于将IP地址解析为MAC地址。
• IGMP（Internet Group Management Protocol）：用于多播通信中的组成员管理。

示例：

• IPv4和IPv6
• 路由算法（如RIP、OSPF）

4、网络接口层（Network Interface Layer）

功能：

• 物理连接：规定了如何通过物理媒介（如电缆、光纤、无线电波等）传输原始比特流。
• 帧同步：将互联网层传来的数据包组织成帧（Frame），并在帧之间添加控制信息（如起始位和结束位）。
• 介质访问控制（MAC）：在共享介质（如以太网）上协调多个设备之间的数据传输。
• 硬件接口：定义了网络硬件（如网卡、交换机、集线器等）的标准和接口类型。

常见协议和技术：

• 以太网（Ethernet）：最常用的局域网技术。
• Wi-Fi（IEEE 802.11）：无线局域网技术。
• PPP（Point-to-Point Protocol）：点对点通信协议，常用于拨号上网。

示例：

• 以太网帧格式
• Wi-Fi通信

5、五层结构版本

如果是五层结构，将网络接口层进一步细分为数据链路层和物理层。

（1）、数据链路层（Data Link Layer）

功能：

• 帧同步：将互联网层传来的数据包组织成帧，并在帧之间添加控制信息（如起始位和结束位）。
• 错误检测与纠正：使用校验和（如CRC）来检测传输中的错误，并在某些情况下进行纠正。
• 流量控制：确保发送方不会发送过多的数据，导致接收方溢出。
• 介质访问控制（MAC）：在共享介质（如以太网）上协调多个设备之间的数据传输。

子层：

• 逻辑链路控制子层（LLC, Logical Link Control）：负责帧的封装和解封装，以及差错控制和流量控制。
• 介质访问控制子层（MAC, Media Access Control）：负责定义设备如何访问物理介质，并处理介质访问冲突（如CSMA/CD）。

常见协议：

• 以太网（Ethernet）
• PPP（Point-to-Point Protocol）
• HDLC（High-Level Data Link Control）

（2）、物理层（Physical Layer）

功能：

• 信号传输：规定了电压水平、传输速率、物理拓扑（如总线型、星型等）和物理连接器（如RJ45、BNC等）。
• 硬件接口：定义了网络硬件（如网卡、中继器、集线器等）的标准和接口类型。

常见设备：

• 网卡（NIC）
• 中继器（Repeater）
• 集线器（Hub）

6、TCP/IP模型与OSI模型的对比

主要区别：

• 简化：TCP/IP模型比OSI模型更简化，只有四层或五层，而OSI模型有七层。
• 实用性：TCP/IP模型更接近实际应用，许多互联网协议（如HTTP、FTP、SMTP等）都基于TCP/IP模型设计。
• 灵活性：TCP/IP模型允许不同的网络技术共存，如以太网、Wi-Fi、PPP等都可以作为网络接口层的一部分。

7、TCP/IP模型总结

TCP/IP模型是一个用于实现现代互联网通信的实际网络模型，它简化了OSI模型的复杂性，并提供了更为实用的分层结构。TCP/IP模型通常分为四层（应用层、传输层、互联网层、网络接口层），有时也可以进一步细分为五层（增加数据链路层和物理层）。每一层都有特定的功能，并与相邻层进行交互，共同完成网络通信任务。
通过理解TCP/IP模型的各层功能及其常见协议，我们可以更好地理解互联网的工作原理，并为网络设计和故障排除提供指导。

乘风破浪！Dare to Be！！！