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OSI 参考模型

OSI 从上到下分为 7 层：

  • 应用层：应用层协议定义的是应用进程间的通信和交互的规则，不同的网络应用需要不同的应用层协议
  • 表示层：把数据转换为能与接收者的系统格式兼容并适合传输的格式
  • 会话层：在数据传输中设置和维护电脑网络中两台电脑之间的通信连接
  • 传输层：向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务
  • 网络层：基于网络层地址（IP地址）进行不同网络系统间的路径选择
  • 数据链路层：在不可靠的物理介质上提供可靠的传输
  • 物理层：在局域网上透明地传送比特，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异

TCP/IP 参考模型

从上到下分为 4 层，对应于 OSI 中的 5 层：

  • 应用层：对应于 OSI 参考模型的应用层，为用户提供所需要的各种服务。定义的是应用进程间的通信和交互的规则，不同的网络应用需要不同的应用层协议。协议包括 SMTP、HTTP、FTP 等
  • 传输层：对应于 OSI 参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的、通用的通信功能，保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。“通用的”是指不同的应用可以使用同一个运输层服务。协议包括 TCP、UDP 等
  • 网络层（或网际互联层）：对应于 OSI 参考模型的网络层，主要解决主机到主机的路由问题。协议包括 IP、ICMP 等
  • 网络接入层：对应于 OSI 参考模型的物理层和数据链路层，负责相邻的物理节点间的可靠数据传输。协议包括 ARP、IEEE 802.2 等

TCP/IP 参考模型各层常见协议

将“网络接入层”进一步分为“数据链路层”与“物理层”，得到五层协议模型。各层的常见协议如下：

TCP/IP 协议层 协议 作用
应用层 HTTP 超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol）
FTP 文件传输协议（File Transfer Protocol）用于在客户端和服务器之间进行文件传输
SMTP 简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol）是一个在网络上传输电子邮件的标准
TELNET Telnet 是服务器远程登录控制的标准协议与主要方式
DNS 域名系统（Domain Name System）是域名和 IP 地址相互映射的分布式数据库
SSH 安全外壳协议（Secure Shell）是一种加密的网络传输协议，可在不安全的网络中为网络服务提供安全的传输环境
DHCP 动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol）的主要作用是集中管理、动态分配 IP 地址，提升地址的使用率
传输层 TCP 传输控制协议（Transmission Control Protocol）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议
UDP 用户数据报协议（User Datagram Protocol）是一个简单的、无连接的、不可靠的、面向数据报的通信协议
网络层 IP 网际协议（Internet Protocol）是用于分组交换数据网络的一种协议，功能包括寻址、路由、尽最大努力交付数据包
ICMP 互联网控制消息协议（Internet Control Message Protocol）用于返回通信环境的错误消息。traceroute 和 ping 都是基于 ICMP 消息实现的，traceroute 是通过发送含有特殊 TTL 的包，然后接收 ICMP 超时消息和目标不可达消息来实现的；ping 则是用 ICMP 的“Echo request (8)”和“Echo reply (0)”消息来实现的
IGMP 因特网组管理协议（Internet Group Management Protocol ）管理 IP 协议多播组成员
RIP 路由信息协议（Routing Information Protocol）是一种内部网关协议（IGP），是距离向量路由协议的一种实现
OSFP 开放式最短路径优先（Open Shortest Path First）是一种内部网关协议（IGP），使用 Dijkstra 算法计算最短路径，是链路状态路由协议的一种实现
BGP 边界网关协议（Border Gateway Protocol）是互联网上一个核心的去中心化自治路由协议，属于矢量路由协议。BGP 用于互联网上，将自治系统视作一个整体；每个自治系统使用 IGP（代表实现有 RIP 和 OSPF）进行路由
数据链路层 ARP* 地址解析协议（Address Resolution Protocol）通过 IP 寻找 MAC 地址
ARQ 自动重传请求（Automatic Repeat-reQuest）是一种错误纠正协议
物理层 IEEE802 IEEE 802 指 IEEE 标准中关于局域网和城域网的一系列标准，其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等
  • ARP 协议：ARP 协议应该属于哪一层？一种说法是属于网络层，因为 IP 协议使用 ARP 协议；另一种说法是属于数据链路层，因为 MAC 地址是数据链路层的内容。在 OSI 模型中，ARP 协议属于链路层；而在 TCP/IP 模型中，ARP 协议属于网络层。

比较 TCP/IP 参考模型与 OSI 参考模型

共同点：

  • 都采用了层次结构的概念
  • 都能够提供面向连接和无连接的通信服务机制

不同点：

  • OSI 采用了七层模型，而 TCP/IP 是四层
  • OSI 是一个在协议开发前设计的、有清晰概念的模型；TCP/IP 是先有协议集然后建立的、事实上得到广泛应用的弱模型，功能描述和实现细节混在一起
  • OSI 的网络层既提供面向连接的服务，又提供无连接的服务；TCP/IP 的网络层只提供无连接的网络服务
  • OSI 的传输层只提供面向连接的服务；TCP/IP 的传输层即提供面向连接的服务 TCP，也提供无连接的服务 UDP

集线器、网桥、交换机、路由器

  • 网线是物理层的硬件
  • 集线器（Hub）是物理层的硬件，连接所有的线路，广播所有信息
  • 网桥（Bridge）是数据链路层的硬件。网桥隔离两个端口，不同的端口形成单独的冲突域，减少网内冲突。网桥在不同或相同类型的 LAN 之间存储并转发数据帧，根据 MAC 头部来决定转发端口，显然是数据链路层的设备
  • 交换机（Switch）是数据链路层的硬件，相当于多端口的网桥。交换机内部存储 MAC 表，只会将数据帧发送到指定的目的地址
  • 路由器（Router）是网络层的硬件，根据 IP 地址进行寻址，不同子网间的数据传输隔离

比特、帧、数据包、数据段、报文

PDU：Prtocol data unit，协议数据单元，指对等层协议之间交换的信息单元。PDU 再往上就是数据（data）。

在 OSI 模型里，PDU 和底下四层相关：

  • 物理层———比特（Bit）
  • 数据链路层———帧（Frame）
  • 网络层———分组、数据包（Packet）
  • 传输层———数据段（Segment）

第五层或以上为数据（data）。也有一种说法是，应用层的信息称为消息、报文（message），表示完整的信息。

MSL、TTL、RTT 是什么？

MSL（Maximum segment lifetime）：报文最大生存时间。它是任何 TCP 报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报文将被丢弃。实际应用中常用的设置是 30 秒，1 分钟和 2 分钟。

  • 应用场景：TCP 四次挥手时，需要在 TIME-WAIT 状态等待 2MSL 的时间，可以保证本次连接产生的所有报文段都从网络中消失。

TTL（Time to live）：IP 数据报在网络中可以存活的总跳数，称为“生存时间”，但并不是一个真正的时间。该域由源主机设置初始值，每经过一个路由器，跳数减 1，如果减至 0，则丢弃该数据包，同时发送 ICMP 报文通知源主机。取值范围 1-255，如果设置的 TTL 值小于传输过程中需要经过的路由器数量，则该数据包在传输中就会被丢弃。

RTT（Round trip time）：客户端到服务端往返所花时间。RTT 受网络传输拥塞的变化而变化，由 TCP 动态地估算。

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