就该这样理解 OSI 七层参考模型、浅谈不同局域网之间的通信

简介

说到OSI参考模型，理解网络与网络之间的关系，不说太深入难以理解的东西，只求能最大程度上理解与使用。

参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系，一般称为OSI参考模型或七层模型。

概念性的东西，先知道这些就够了，我们先来聊一聊一个常见的一个模型。

 

局域网与互联网

互联网就是许许多多个局域网组成的，从我们最简单的一个局域网入手，开始理解

这里举例两个不同的局域网，计算机用网线接入交换机、交换机连接网关路由器，另一处

也是通过相同的方式进行连接。先来了解一下OSI参考模型是如何定义这七层的

OSI 参考模型

参考：https://blog.csdn.net/taotongning/article/details/81352985

这里定义的七层只是为了方便我们去理解，实际上是不存在的。

简单的了解一下这七层是如何定义的，具体的功能还是得举例子来理解说明。

从最上层的应用层开始说起：如何一步步的封装数据，到最后进行发送。

应用层

应用层是直接面向用户的最高层，但它却不是应用程序，它只是为引用程序提供服务的

就好比，我们用的电脑版微信吧！它就是一个实实在在的应用程序，假设要与一个远方的小姐姐进行聊天会话，这个时候呢，发送一个Hello给远方的小姐姐。

当你点击发送的时候，其实做了很多事情，我们就来梳理一下。

需要发送的数据就是：Hello ,当然，应用层首先给这个数据拼接一个AH,这里就是应用层的报头，就好比是微信的一个特有的数据，就这样先理解。

 

表示层

当然，我们总不能发送明文吧，将发送的文本数据进行编码，平常我们计算机使用的万国码UTF-8,肯定要进行一下加密吧

表示层更关心的是所传送数据的语法和语义，主要包括数据格式变化、数据加密与解密、数据压缩与解压等

 

会话层

字面意思，就可以理解出这一层表示的意思，建立一个会话，就好比使用Http访问web的时候，都会存在一个Session 作为标识

让服务器来区别访问的计算机。主要功能是负责维护两个节点之间的传输联接，确保点到点传输不中断，以及管理数据交换等功能。

会话层在应用进程中建立、管理和终止会话。会话层还可以通过对话控制来决定使用何种通信方式，全双工通信或半双工通信。会话层通过自身协议对请求与应答进行协调

 

传输层 端到端

传输层作为OSI参考模型中，最重要的一层，这里主要是以端口到端口来区分。这里涉及到两个特别重要的协议TCP 以及UDP

一太计算机上同时运行着QQ、微信、以及浏览器等。发送数据报，这个数据包到底是哪个程序发出去的呢？当然要从指定的一个端口发出去

计算机的端口范围 0-65535

0-1023 就是1024个端口为系统占用端口

了解到这些，就该先来说说UDP协议

UDP 协议

UDP协议定义了端口，同一个主机上的每个应用程序都需要指定唯一的端口号，并且规定网络中传输的数据包必须加上端口信息，当数据包到达主机以后，就可以根据端口号找到对应的应用程序了。UDP协议比较简单，实现容易，但它没有确认机制，数据包一旦发出，无法知道对方是否收到，因此可靠性较差，为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。

 

参考：https://blog.51cto.com/lyhbwwk/2162568

一个UDP报文包含首部与数据部分，UDP首部占用8个字节，数据部分最长长度为65535B（字节） 即 64KB

UDP协议是无连接，不保证稳定传输的协议，但处理速度较快，通常的音频、视频在传送时候使用UDP较多。

我们这里的例子是微信，微信能保证数据百分百到达，所以我们采用TCP来具体说明数据的封装

 

TCP 协议

TCP即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议。简单来说TCP就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认，如果有一个数据包丢失，就收不到确认，发送方就必须重发这个数据包。为了保证传输的可靠性，TCP协议在UDP基础之上建立了三次对话的确认机制，即在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。TCP数据包和UDP一样，都是由首部和数据两部分组成，唯一不同的是，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

 

参考：https://blog.51cto.com/lyhbwwk/2162568

 这里只需要了解的是TCP的基本封装过程，这里只涉及到源端口以及目的端口，还未涉及到IP相关的内容。它和UDP协议一样。就好像是一个改进版的

UDP协议，它能保证数据的可靠传输，这个特点记住即可。这里模拟一下，我们数据的封装过程。假设微信使用的端口是6666，目标端口就是远方小姐姐微信

的端口，当然也是一样的。这里我为了理解只做简写

 

网络层

从上面几层来看，我们已经将微信的数据封装成来一个TCP数据报，里面包含来微信的端口 假设是6666，当然，就好比写信一样，我的信封

已经准备好勒，里面要发送的内容我也已经准备好了，接下来就是地址了。肯定要指定这个报文我要发送到哪里去。所以呢IP 网际协议，就诞生了。

IP 网际协议

网络层引入了IP协议，制定了一套新地址，使得我们能够区分两台主机是否同属一个网络，这套地址就是网络地址，也就是所谓的IP地址。IP协议将这个32位的地址分为两部分，前面部分代表网络地址，后面部分表示该主机在局域网中的地址。如果两个IP地址在同一个子网内，则网络地址一定相同。为了判断IP地址中的网络地址，IP协议还引入了子网掩码，IP地址和子网掩码通过按位与运算后就可以得到网络地址

IP地址在这里我们就比较好理解了。我们平时的生活中都会涉及到。一个IP指向的就是互联网当中的一台机器或者就是一台路由器了。

我们来封装数据。再把上面的图拿下来，说明一下，我们要给E电脑的小姐姐发送消息。比如我是A电脑，小姐姐在另外一个网关下的E电脑

 

 

比较重要的两个参数：

源地址：192.168.0.120

目标地址：192.168.1.135

进行封装后的数据，这里将源地址，告诉路由器（邮局） 发件人 就是源地址，以及收件人 也就是目标地址

 

ARP 协议

这里暂时不细说这个ARP协议的内容。我们只需要知道 ARP协议是用来拿IP换MAC地址的，上面的IP协议也已经提过了，通过子网掩码和IP地址的换算，可以得到

网络号，网络号就可以区别这两个IP是否在同一个局域网内。 参考这个秒懂：https://zhidao.baidu.com/question/277650423.html

数据链路层

到这一层，就已经到网卡、网络设备（交换机）的范畴了。数据链路层最重要的协议是以太网协议，数据链路层最重要的一点就是数据成帧。

以太网协议

接入以太网的设备必须包含一块以太网网卡，也就是我们常用的网卡，一组电信号称作是一个数据帧 、或者叫做一个数据包

网卡都包含一个全球唯一的MAC地址，发送端的和接收端的地址便是指网卡的地址，即Mac地址。 

每块网卡出厂时都被烧录上一个实际上唯一的Mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示，（前六位是厂商编码，后六位是流水线号）

 进行数据链路层的封装，将本机的MAC(源MAC地址) 和目标MAC地址封装在头部，在尾部加入DT报尾，这样 一个数据帧算是封装完成了！

等等。我们好像还不知道小姐姐那边的目标MAC地址，这时候就需要用ARP协议了。我们知道ARP协议就是用来用IP来换MAC地址的。

 

ARP协议

上面已经简单的了解过了，我们要和在B局域网下的E电脑进行通信，但是我们不知道它的MAC地址，于是我们发送一个ARP请求，来获取目标的MAC地址

目标MAC 为FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示的是广播地址，这个数据包发出去后，所有的子网机器都会收到，收到的机器判断目标MAC是否是自己，若不是，则直接丢弃

若是，收到报文的主机会通过单播的形式，将MAC地址回传给我们。

通过路由协议我们可以得知，若不在一个一个子网内，则会交给路由器

 路由器返回的包里面，目标MAC就会变成路由器的MAC地址，我们拿路由器的MAC地址组装数据链路层报文即可。

物理层 

经过以上的每一层的层层包装，这时候，我们已经包装好了一个以太网数据帧，包含源MAC，目标MAC，源IP,目标IP等等一系列数据。

物理层就是将这个数据通过电信号、光信号的方式传递过去的，物理层一般都是我么所说的光缆以及网线这些硬件设备。

 

 

 不同子网间的通信

通过上面的知识，我们已经了解到如何封装成一个数据帧，以及一些协议的相关内容。那么这里就会有一个问题，同一子网、

不同子网、以及相隔很远的两个子网是如何进行通信的呢？以及我们拨号上网后，公网IP与内网IP是怎么一回事呢？

 

同一子网通信

我们先来看一个图，计算机A要与计算机B进行通信，这时候他们是同处于一个子网内的，这个时候就很简单了。

按照上面的七层进行封装数据，这里的具体参数需要说明一下：

源IP: 0.120（简写）

目标IP:0.113

源MAC : A电脑的MAC

目标MAC:B电脑MAC(这里若不知道就先发送ARP请求)

 

 

A将数据报发送出去后，交换机直接查询目标MAC所转发的端口，将这个数据报准确的推送到B电脑连接的那个端口即可。

不同子网通信

A电脑需要与E电脑进行通信，这时候发现A与E不在一个子网内，这时候呢，就需要路由器来协助了

源IP: A的IP

目标IP: E的IP

源MAC:A的 MAC

目标MAC: 路由器C的MAC

 

 

因为不在一个子网内，需要路由器来进行路由这个数据包，送至D路由器后，D路由器拿出数据报中目标的IP,发送ARP请求，

请求E的MAC地址，知道后，将数据报里面的目标MAC进行替换，然后发送给E即可。

 

公网IP与内网IP通信的方式理解

我们在使用路由器上网后，运营商就会给我们分配一个公网IP,按照图上的指示，C路由器在进行拨号后，就会给C路由器分配一个公网IP

我这里假设有这样两个。这时候需要封装数据，该如何封装呢，还是以A电脑与E电脑进行通信，大家肯定会很迷惑。

这里就需要了解一个协议：网路地址转换协议：https://baike.baidu.com/item/%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%9C%B0%E5%9D%80%E8%BD%AC%E6%8D%A2

以下简称NAT，NAT 在IPV4 之前起到很大的作用，我们现在也在用，因为IPV4 IP数量的限制，但接入互联网的电脑又那么多

该怎么办呢。就是给一个路由下分配一个公网IP,路由器下面的IP与公网IP进行一个转换，这里面说的转换就是：NAT

图中黑色的就是转换部分，通过端口的转换，将多个子网IP映射到公网的一个IP上面

 

网络地址端口转换（NAPT）

这种方式支持端口的映射，并允许多台主机共享一个公网IP地址。

支持端口转换的NAT又可以分为两类：源地址转换和目的地址转换。前一种情形下发起连接的计算机的IP地址将会被重写，使得内网主机发出的数据包能够到达外网主机。后一种情况下被连接计算机的IP地址将被重写，使得外网主机发出的数据包能够到达内网主机。实际上，以上两种方式通常会一起被使用以支持双向通信。

还是举例，这时候，我们的A电脑需要与E电脑进行通信，E电脑在广东省，他们拨号后，都会分配一个公网IP，并且已经在路由器里面完成了NAT映射，

源IP: A电脑IP

目标IP: E电脑映射后的公网IP

源MAC ：A电脑MAC

目标MAC :  本地路由器MAC地址

 

封装完成后，将数据报送到C路由器，路由器通过映射表，将源IP进行一个替换

 

替换后，交给互联网上的路由器进行数据报的转发，这就好像发快递时候一样，经过一系列的中转站，到达目的路由。

到达D路由后，D路由将数据报中的目标地址也进行一个转换，这个地址是可以相互转的。现在就是公网映射转到本机IP

 

转换后就轻松了。按照ARP请求到E机器的MAC地址，然后发报即可。

 

小结

以上内容皆是自己查看一些博主的总结，通过学习后，能够加深自己对OIS模型、以及TCP、IP、ARP

这些非常重要的协议的一个认识。以及了解到不同层级下面。两台电脑如何完成一个通行。这里讲的比较浅，

互联网的奥妙不是那么容易就可以理解透的。还是那句，不要停止学习的脚步。就好

 

参考：

• ARP请求 https://baike.baidu.com/item/ARP/609343?fr=aladdin
• 不同子网内两台机器的通信方式 https://blog.csdn.net/qq_28657577/article/details/82258141
• OSI 参考模型 https://blog.csdn.net/taotongning/article/details/81390979
• 内网端口与外网端口的理解 https://blog.csdn.net/chendian_yue/article/details/79272181
• 网络地址转换协议：https://baike.baidu.com/item/%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%9C%B0%E5%9D%80%E8%BD%AC%E6%8D%A2