【大话存储】学习笔记（7章）， OSI模型

任何系统之间，如果需要通信，都需要一套自己的协议系统。这个协议系统一般要定义互相通信的语言，以及硬件。

OSI是被提取抽象出来的系统间通信模型，中文意思是“开放式系统互联”，是描述多个系统之间交流的通用模型。

OSI模型

OSI初步

在讲OSI之间，我们首先看一个例子，PC a向PC b发送数据包的过程如下：

• a在内存中通过定义的语言生成数据包
• 将数据包通过总线传给TCP/IP协议处理单元，告诉对方的IP地址、UDP还是TCP、端口号
• TCP/IP处理模块收到包之后，封装，通过总线发送给以太网卡
• 以太网卡再进行编码，变成高低电平震荡发给交换机
• 交换机将数据包交换到b的接口
• b输送到以太网卡的解码芯片，去掉以太网头然后产生中断，将数据包送到内存
• TCP/IP处理模块提取IP头和TCP头，以便区分应该输送到哪个应用程序的缓冲区内存。
• 送到b的应用程序缓冲区内存

可以发现里面最重要的就是三个元素

• 连：通信双方需要连通起来。
• 找：指的是通信双方必须能区分自己和对方。
• 发：定义了如何将数据发到对方。

OSI的七个层次

OSI模型将系统通信划分为了7个层次，最上面的三个层次可以归属到应用层。这个层不需要关心如何将数据传送到对方，只关心如何组织和表达数据。

应用层

应用层是OSI的最上层，表示一个系统对另一个系统要传达的最终消息。

只关注数据， 不关注指令如何发送

表示层

表示层就是对应用层数据的一种表示。

发送方必须用双方规定好的格式来表示信息：可以嵌入在实体数据中。

会话层

会话层：建立会话交互机制。实际是双方的应用程序之间的交互。

应用层、表示层、会话层的数据内容都被封装起来，交给押运员传输层。

TCP/IP只有4层：应用层、传输层、网络层、物理链路层，它将OSI的应用层、表示层、会话层合并为一层，即应用访问层。意思是这个层全部与应用程序相关的逻辑，与网络通信无关。应用程序只需要调用下层的接口就可以完成通信。

下四层的作用是把上三层的数据成功送到目的地。

传输层

典型的传输层程序如下：

• TCP协议的作用是保证上层数据能传输到目的地。类似货运公司的押运员，不管通过什么渠道（直达还是下一跳），不管物理链路的类型，只要送到即可。
• 如果出现错误，需要重新发送。每件货物到了目的地必须找收件人签字（TCP的ACK应答包）或者一批货物到了以后一次性签收。（滑动窗口）
• 最后回公司登记

TCP主要处理拥塞和流量控制。路由器是调度中心，它可以决定走哪条路。TCP不能调度，它只是在发生了拥挤就只能通知后续的货物慢点发。如果道路畅通，则通知后面的货物加速发送。

那么TCP是怎么知道链路是否拥塞呢？它可以通过接收方返回的ACK应答来判断链路拥挤的。如果半天都没收到对方的签字，说明拥塞，有丢失

** 传输层的程序一定运行在通信双方的终端设备上。**而不是在中间的互联设备上。

因为传输层是一种端到端的保障机制，必须保证成功收到了并成功处理数据，才算发送成功了。如果只到了对方的网卡，但是断电了，也不叫端到端保障。

具体的可以再看从输入网址到浏览器返回内容（二），TCP/IP篇

网络层

上面说到了传输层其实只是一个押运员，它并不能进行调度，那么如何选路就交给了网络层。

同样以客户寄货物为例，当客户把货物交给货运公司的时候，会填写目的地址，至于应该走哪条路，统统不管，全部交给网络层处理。

• 货运公司为每件货物贴上IP头地址标签
• 货运公司掌握了全球范围的地址信息（路由表）
• 选择了一条路就上路。
• 货物每中转到一个地方就交给那个地方的调度，由调度来决定下一站到哪里。
• 旧调度不必告诉新调度最终的目的怎么走，因为所有调度都知道最终的目的。

总结一下就是，客户寄送货物的时候需要给出最终的目的地址，不管这个货物途径哪个中转站，所有的中转站都会知道最终的目的地址。

比如，要从新疆将货物寄到青岛，但是新疆到青岛没有直到的火车，所以只能去北京转出。

那么新疆的调度会去查找路由表，发现必须先到北京。注意此时在货物上贴上的还是青岛的标签，而不是北京的标签，但是会将货物发到去北京的火车上。

货物到北京，查看最终的目的地，会查找北京调度中心的路由表，此路由表与新疆的表不同。于是将货物送到去青岛的火车。

可以看出** 路由器就是调度的角色**

比如从青岛访问北京的服务器，具体步骤如下：

• 首先必须知道服务器的IP地址，用这个IP地址作为最终目的地址组装成数据包，发送给青岛的Internet提供商（下面叫运营商）的路由器
• 运营商的路由器解析目的IP地址，发现应该从1号端口发送出，于是发到了河北的另一台路由器。
• 河北路由器根据目的IP查找路由表，发现需要从8口出
• 多次中转以后，发到了北京的路由器。
• 最终到了北京的服务器，将这个包传送到这台服务器的网卡，并提交到TCP/IP协议处理的内存空间。
• 发现是一个TCP握手数据包，所以返回一个确认包，三次握手完成后，就可以向服务器发送HTTP请求来获取网页资源。

在中转的过程中，目的IP并不会改变，改变的只是MAC地址，也就是说会将MAC地址改为下一站的地址。

数据链路层

数据链路层：连通两个设备之间的链路，将上层的数据包再次打包成对应链路特定的格式。按照对应链路的规则在链路上传输给对方。

数据链路就好比交通规则：上路之前还需要看公路的质量怎么样，和对方商量传输的事宜。

链路层的作用：

• 协商链路参数：双工、速率、链路质量
• 打包成帧，加上同步头，一次传输一句或者一个字符一个字符（取决于上层的选择）
• 链路层程序调用物理层提供的接口，将帧交给物理层。
• 提供一些保障机制，在每个帧之后加一个校验字段。如果不符说明链路干扰，直接丢弃，不过不会报告错误，因为上层对链路层的错误不关心。接收方的传输层会感知某个包没有到达，重新传送不完整的包。链路层只侦错，不纠错。

两台PC之间的通信和两个路由器之间通信是有区别的。

路由间的通信：

简单的路由设备工作在OSI的第三层，即网络层，没有上4层的处理逻辑。

所以收到包之后，只检查包中的IP地址，不改变IP头之上的其他内容。

如果有NAT功能的路由器，会对IP包的源或者目的IP地址做修改。

下图为通信路径上各个设备所作用的层次示意图：

• PC A上的浏览器要访问PC B上的Web服务，首先调用WinSock接口，访问OS内核中的TCP/IP协议栈，将目的IP和目的端口以及数据（HTTP GET请求）告诉TCP/IP协议栈
• 协议栈发现与PC B不存在链接，所以通过三次握手与B的协议栈建立连接。（A的协议栈组装第一次握手包，发给OS的内核缓冲区，调用网卡驱动从缓冲区将IP包编码并传递出去，因为握手包很小，所以只需要一个帧。）
• 帧到达路由器A的缓冲区，产生中断信号，去掉以太网头，发送到路由器A的内存，等待IP转发逻辑块处理（IP路由协议计算模块），分析出IP包的头部目的IP地址，查找路由表确定出去的端口号，所以IP路由运算一定要高效。
• 查找出后，从网卡2出发送到路由器B的网卡2.通过同样的过程，发送到PC B的网卡缓冲区，网卡产生中断，通过总线传送到TCP/IP的协议栈缓冲区内存。
• PC B的协议栈分析出IP是自己的，端口号是80，同时握手标识位是二进制1，就知道是从源设备向Web服务程序所监听的端口发起的握手连接。所以回复IP包给 PC A，PC A再回一个最终确认的包。
• 握手成功，PC A的协议栈将缓冲区中有浏览器发送过来的HTTP GET请求数据组装成TCP/IP数据包发送给PC B。PC B获得数据包之后，分析TCP 端口号，根据对应关系将数据放到监听这个端口的应用程序的缓冲区内存。
• 应用程序收到GET请求后，触发Web服务逻辑流程，返回Web数据。同样由B的协议栈发送给PC机 A。

未收到确认的包会放到缓冲区中，不会删除，直到收到对方的确认。

所以即使中途的设备把包丢弃了，运行在两端的TCP/IP协议依然会重传，这就是端到端的保障，因为设备中途网络设备不会缓存发送的数据，更不会自动重传。

现在我们来对比一下IP头和TCP头的区别：

• IP头是个标签，用来查看是谁发的货物。
• TCP头是用来确认由哪个上层应用程序来处理收到的包。（用端口号来决定）

物理层

物理层：在一种介质上将数据编码发送给对方。

注意链路层是控制物理层的。

我们可以把物理层看做传送带，不会进行货物分批，所以需要链路层给每批货物加标志性的头，接收方看到标志了以后就知道新一批货物来了。

经过物理层编码后，最终变成了一串bit流。通过电路振荡传输给对方，收到bit流之后，提交给链路层程序，剥去链路层同步头、帧头帧尾、控制字符。

MTU ,最大传输单元：每种链路都有自己最合适的分批大小

如果一次传输传送大于这个大小的货物，超过了链路接收放的处理吞吐量，会造成缓冲区溢出。

不过TCP和IP协议都会给货物分批。TCP会首先给货物分批，到了IP层，会按照链路层的分批大小来进行分批，如果TCP的分批大小已经小于链路层的分批，不会再分。

被IP层分批的货物，最终会由接受方的IP层再组装，但是由TCP分批的货物，接收方的TCP层不会合并。对货物的处理分析全部交由上层的应用程序来处理