OSI7层模型和TCP-IP5层协议簇/栈
0 摘要
本节首先简要介绍了分层思想的目的，然后主要介绍了OSI7层模型和TCP/IP5层协议簇/栈，其次重点介绍了TCP/IP5层协议簇/栈中各层的功能以及如何完成数据的封装与解封装过程，最后补充介绍了TCP/IP5层协议簇/栈中各层的工作硬件及协议。
1 分层思想与模型简介
1.1 分层思想的目的
- 目的：将复杂的流程分解为几个功能相对单一的子过程。
- 优点 ：（1） 整个过程更加清晰，复杂问题简单化；（2） 更容易发现问题并针对性地解决问题。
- 分层思想的特点：（1）同层：同层使用相同的协议；（2）层间联系：下一层为上一层服务。
1.2 模型简介
（1）OSI7层模型
- OSI：（Open System Interconnection）开放的通信系统互联参考模型。
- 目的：为了降低协议的复杂性，1974年，ISO组织发布了OSI参考模型。
- 特点：同层使用相同的协议；下一层为上一次提供服务。
- 遗憾：从提出起并没有被采用。
（2）TCP/IP5层协议簇/栈
- 来源：OSI7层模型中表示层、会话层应该有，但是协议数量较少，有点多余，因此最后被合并如应用层中，即应用层、表示层和会话层统称为应用层。TCP协议位于传输层、IP协议位于网络层，由于这两个协议非常重要，因此命名为TCP-IP5层协议簇/栈。
- 与OSI7层模型生成的先后顺序：一般认为两者同时生成。由于在有模型前就有了协议，提出模型后，再把协议填进模型中。
（3）TCP/IP4层模型：将数据链路层和物理层合并为网络接口层，命名为TCP-IP4层模型，较为少用。
tips:
1）电脑可以完成整个OSI7层的工作，是个综合体，因此比较贵。
2）每天玩电脑涉及到的软件都处于应用层，如qq、微信、各种服务器（ftp、DHCP、DNS、WEB、telnet)。
2 数据的封装与解封装过程
在TCP/IP五层模型中，应用层、传输层和网络层统称为上三层，上三层是核心，有价值的数据和有价值的标识都在上三层中，而数据链路层和物理层只是网卡和网线，是为了让有价值的数据传输出去，即数据链路层和物理层是为了让上三层数据与世界接轨的接口。
（1）应用层：电脑中的软件（如qq、浏览器）属于应用层，也称为进程，只有应用层的软件才有端口号。应用层软件发送数据Hello。
（2）表示层：完成数据与二进制间的转换，如ASCII编码。
（3）会话层：提供会话管理，维持会话秩序，如排队机制等，保证应用层所产生的会话有序传到传输层。
（4）传输层：
- 功能：传输层主要完成进程到进程（如qq软件到qq软件，而不是到微信软件）的通信，是通过端口号来完成的。当数据传输到传输层，传输层会检查数据来自哪个软件，端口号多少，为数据加上TCP/UDP头（记录着源端口及目标端口号），而是加TCP头还是UDP头，看端口号是TCP端口还是UDP端口。
- TCP头：提供可靠数据传输，保证数据一定传达到对方（面向连接服务（可类似打电话的过程）：与对方建立连接，该连接有数据重传机制，能保证传输结果，速度慢）,TCP头可能达到二三十字节。
- UDP头：提供不可靠数据传输，不一定能保证数据传达到对方（无连接服务（可类似写信的过程），不能保证传输结果，速度快），UDP只有8个字节。
- 协议：如TCP/UDP协议。
（5）网络层：
- 功能：完成点到点（电脑到电脑）之间的通信，为数据加上IP包头，IP包头中有许多东西，最重要的是源IP及目标IP。
- 协议：如IP协议、ICMP协议、ARP协议。
（6）数据链路层：
- 功能：数据要发出去，需要发挥网卡的作用，网卡为IP包数据添加MAC子层（源MAC地址、目标MAC地址）、FCS（采用循环校验算法CRC（作用类似Hash）得到的帧校验序列，长度是固定值，是4个字节，是为了校验数据完整性的）。
- 为什么要添加MAC子层：完成IP包头后，数据要发出去，需要先到交换机，交换机工作在数据链路层，一般不认识IP地址，只认识下两层协议如MAC地址。交换机是根据MAC地址来转发数据的。
（7）物理层：传送数字信号（用模数转换器/调制解调器可与模拟信号互转，用光电转换器可与光信号互转），如网线。
tips:
1）任何一个联网的软件都应该有开端口号，
2）发送qq消息时，回车的一瞬间，qq消息是发送到了qq服务器上，则目标端口号是指qq服务器的端口号，qq软件中有内置。
3）qq、微信目前用的是UDP，因为快，而qq密码不好盗是由于加密了。
4）一个字母一个字节，一个汉字两个字节。
5）网卡只识别数字信号。
6）一个数据流（比特流）是由若干个帧组成的。
7）一个电脉冲，称为一个比特，许多电脉冲组成数字信号（比特流）。整个IT业传输的最小单元是比特，8b(bit)=1B(Byte)，运行商说的带宽一般为几Mb,而电脑的下载单位为B，凡是和厂家有关的，都是用b来计算的。
8）数字信号有自己独有的恢复能力。
3 各层工作硬件及协议
3.1 硬件
（1）硬件工作在某一层是指该硬件一般可完成该层及以下层的功能。
（2）网线、光纤、电话线、空气工作在物理层。
（3）网卡、交换机工作在数据链路层。
（4）若路由器只是针对IP地址做一些本职工作，则路由器工作在网络层，网络层以下那两层，它也会。
（5）有些古老的防火墙只能对IP做过滤，则工作在网路层；后来防火墙升级后可以对端口号进行过滤，但不可以对数据进行过滤，则工作在传输层；有些先进的防火墙还可以对数据进行过滤，则工作在应用层，目前应用层防火墙还处于研究阶段。
（6）手机、电脑、平板都是工作在应用层。
tips:
1）抓包软件其实是抓帧，抓从网卡出去或进来的帧，把这些帧复制出来分析。
2）对TCP/IP五层模型进行编号，从下往上编，物理层称为一层，数据链路层为二层，以此类推。
3.2 协议
- 客户机与DNS服务器之间的互动，一律使用UDP53端口，而主DNS服务器与备份DNS服务器之间是使用TCP端口。
- 比如，当有人问HTTP协议依赖于什么协议，HTTP协议依赖于TCP协议。
- 只有IP协议能封装IP包头。
- Ping命令使用ICMP协议，没有用到应用层、传输层。ICMP协议有网络探测、网络回馈和网络追踪等作用。
4 注意
（1）后期需要重点关注以qq通信为例，数据传输过程中的目标端口号，目标IP以及目标mac地址是指谁的。
（2）注意将数据封装与解封装过程及各层工作的硬件区分开，并不是说数据需要按顺序传输到这些硬件，只是说各个硬件工作在哪一层。
（3）各层详细工作内容及原理在后面课程再学习。
参考文献
[1]太厉害了，终于有人能把TCP/IP协议讲的明明白白了
[2] 第23节 OSI7层模型与TCP-IP5层协议簇/栈