计算机网络的学习（二）-- ISO/OSI参考模型的理解

计算机网络的分层结构

理解OSI模型之前，需要了解一下计算机网络的分层结构。两个系统中，实体间的通信是一个很复杂的过程，为了降低协议设计和调试过程的复杂性，也为了便于对网络进行研究、实现和维护，促进标准化工作，通常对计算机网络的体系结构以分层的方式进行建模。

分层原则

计算机网络的的体系结构是抽象的，是由具体的软硬件实现的。计算机网络的分层原则是：

每一层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度

各层之间界面清晰，易于理解，交流尽可能的少

各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现（就是各层之间使用不同的协议和方式，协议规定了语法、语义和同步）

保持下层对上层的独立性，上层单向的使用下层的服务，而不必知道实现服务的细节。

分层能促进标准化工作

依据一定规则，分层后从低到高为第一层，第二层……第n层。不同机器上的同一层称为对等层（一台主机的应用层和另一台主机的应用层为对等层）。

封装的数据

在计算机网络体系结构的各个层次中，每一个报文都分为两个部分，一个是服务数据单元（SDU）和协议控制单元（PCI），他们共同组成协议数据单元（PDU）。每层的协议数据单元（PDU）都有一个通俗的名称：

物理层：比特

链路层：帧

网络层：分组

传输层：报文

各层间传输数据时，把n+1层的PDU传到下一层，作为第n层SDU，再结合第n层的PCI，形成第n层的PDU，再传到n-1层，作为它的SDU，如此依次传递，如下图：



图中的H2、H3、H4就是PCI，也可以称为标头，包含了每一层需要传递到对等层的信息，举个栗子：发一封邮件给一个人，你需要写上那个人的邮箱地址，然后那个人的电脑收到后，先确认是否是这个邮箱号才允许电脑接收这封邮件。注意：对等层之间在逻辑上是存在一条直接通道的，语义上是不通过下一层就能把信息传递到对等层。实际上，是要依次经历顶向下，下至顶的各个分层

OSI参考模型

OSI分为七个层次，自顶向下分别为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层、物理层。OSI的通信实体之间传递数据的层次结构如图



这里我们用一个例子解释各层之间的联系和工作过程。各层的解析和具体协议之后再修改。

例子

这里分享一个访问网页的过程的例子，原文的例子链接（点击这里）

0、假设客户端的网路参数

本机的IP地址：192.168.1.100

子网掩码：255.255.255.0

网关的IP地址：192.168.1.1

DNS的IP地址：8.8.8.8

假设我们想要访问Google，在地址栏输入了网址：www.google.com。这意味着，浏览器要向Google发送一个网页请求的数据包。

1、DNS协议（应用层）

我们知道，发送数据包，必须要知道对方的IP地址。但是，现在，我们只知道网址www.google.com，不知道它的IP地址。DNS协议可以帮助我们，将这个网址转换成IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8，于是我们向这个地址发送一个DNS数据包（53端口）。

然后，DNS服务器做出响应，告诉我们Google的IP地址是172.194.72.105。于是，我们知道了对方的IP地址。

2、 子网掩码

接下来，我们要判断，这个IP地址是不是在同一个子网络，这就要用到子网掩码。

已知子网掩码是255.255.255.0，本机用它对自己的IP地址192.168.1.100，做一个二进制的AND运算（两个数位都为1，结果为1，否则为0），计算结果为192.168.1.0；然后对Google的IP地址172.194.72.105也做一个AND运算，计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等，所以结论是，Google与本机不在同一个子网络。

因此，我们要向Google发送数据包，必须通过网关192.168.1.1转发，也就是说，接收方的MAC地址将是网关的MAC地址。

3、 应用层协议

浏览网页用的是HTTP协议，它的整个数据包构造是这样的：

HTTP部分的内容，类似于下面这样：

GET / HTTP/1.1
　　Host: www.google.com
　　Connection: keep-alive
　　User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ......
　　Accept:   text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
　　Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
　　Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
　　Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
　　Cookie: ... ...

　　

我们假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。

4、TCP协议（传输层）

TCP数据包需要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。

TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度变为4980字节。

5、 IP协议（网络层）

然后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。

IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。

6、 以太网协议（网络层）

最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡MAC地址，接收方为网关192.168.1.1的MAC地址（通过ARP协议得到）。

以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而现在的IP数据包长度为5000字节。因此，IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头（20字节），所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

7、 服务器端响应

经过多个网关的转发，Google的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。

根据IP标头的序号，Google将四个包拼起来，取出完整的TCP数据包，然后读出里面的”HTTP请求”，接着做出”HTTP响应”，再用TCP协议发回来。

本机收到HTTP响应以后，就可以将网页显示出来，完成一次网络通信。

这个例子就到此为止，虽然经过了简化，但它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。数据包经历的过程也可以简单的过程如下，反之，服务器回复也如此经过，过程需要搞清楚各层的协议就好：

（客户端）应用层->……->物理层->（路由器等）物理层->链路层->网络层->链路层->物理层->（多个路由器等）->（服务器）物理层->……-&g
4000
t;应用层。