大白話OSI七層協議

目錄

• 1、物理層
• 2、數據鏈路層
  • 2.1 以太網協議
  • 2.2 Mac地址
  • 2.3 廣播地址
• 3、網絡層
  • 3.1 IP協議詳解
    • 3.1.1 IP地址的兩部分
  • 3.2 子網掩碼詳解
  • 3.3 IP數據包詳解
  • 3.4 ARP協議詳解
• 4、傳輸層
  • 4.1 TCP協議
  • 4.2 UDP協議
  • 4.3 TCP報文
  • 4.4 TCP三次握手和四次揮手
• 5、應用層

互聯網的本質就是一系列的網絡協議，這個協議就叫OSI協議（一系列協議），按照功能不一樣，分工不一樣，人爲的分層七層。實際上這個七層是不存在的。沒有這七層的概念，只是人爲的劃分而已。區分出來的目的只是讓你明白哪一層是幹什麼用的。

每一層都運行不一樣的協議。協議是幹什麼的，協議就是標準。

實際上還有人把它劃成五層、四層。

七層劃分爲：應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。

五層劃分爲：應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。

四層劃分爲：應用層、傳輸層、網絡層、網絡接口層。

每層運行常見的物理設備

1、物理層

物理層功能：主要是基於電器特性發送高低電壓(電信號)，高電壓對應數字1，低電壓對應數字0

物理層字面意思解釋：物理傳輸、硬件、物理特性。在深圳的你與北京的朋友聊天，你的電腦必需要能上網，物理體現是什麼？是否是接一根網線，插個路由器，北京的朋友那邊是否是也有根網線，也得插個路由器。也就是說計算機與計算機之間的通訊，必需要有底層物理層方面的連通，就相似於你打電話，中間是否是必須得連電話線。

中間的物理連接能夠是光纜、電纜、雙絞線、無線電波。中間傳的是電信號，即010101...這些二進制位。

底層傳輸的010010101001...這些二進制位怎麼才能讓它有意義呢？

要讓這些010010101001...有意思，人爲的分組再適合不過了，8位一組，發送及接收都按照8位一組來劃分。接收到8位爲一組的話，那麼就能夠按照這8位數來作運算。若是沒有分組，對方接收的計算機根本就不知道從哪一位開始來作計算，也解析不了收到的數據。我發了16位你就按照16位來作計算嗎？我發100位你就按照100位作計算嗎？沒什麼意義是吧。所以要想讓底層的電信號有意義，必需要把底層的電信號作分組。我作好8位一組，那麼我收到數據，我就知道這幾個8位作一組，這幾個8位作一組。那麼每一個8位就能夠獲得一個肯定的數。分組是誰幹的活呢？物理層幹不了，這個是數據鏈路層乾的。

2、數據鏈路層

數據鏈路層由來：單純的電信號0和1沒有任何意義，必須規定電信號多少位一組，每組什麼意思

數據鏈路層的功能：定義了電信號的分組方式

2.1 以太網協議

早期的時候，數據鏈路層就是來對電信號來作分組的。之前每一個公司都有本身的分組方式，後來造成了統一的標準，即以太網協議ethernet

ethernet規定：一組電信號構成一個數據報，叫作'幀'，每一數據幀分紅：報頭head和數據data兩部分

• head包含：(固定18個字節)

  • 發送者／源地址，6個字節

  • 接收者／目標地址，6個字節

  • 數據類型，6個字節

• data包含：(最短46字節，最長1500字節)

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head	data

• 數據報的具體內容：head長度＋data長度＝最短64字節，最長1518字節，超過最大限制就分片發送

這就像寫信，發送者的地址（源地址）就是你家的地址，接收者地址（目標地址）就是對方的收信地址，你家的路由器就至關於郵局。其實在計算機通訊中的源地址和目標地址指的是Mac地址。

2.2 Mac地址

head中包含的源和目標地址由來：ethernet規定接入internet的設備都必須具有網卡，發送端和接收端的地址即是指網卡的地址，即Mac地址

• Mac地址：每塊網卡出廠時都被燒製上一個世界惟一的Mac地址，長度爲48位2進制，一般由12位16進制數表示（前六位是廠商編號，後六位是流水線號）

2.3 廣播地址

有了Mac地址之後，計算機就能夠通訊了，假設一個教室就是一個局域網（隔離的網絡），這個教室裏面有幾臺計算機，計算機的通訊和人的通訊是一個道理，把教室裏面的人都比做一個個計算機，假設教室裏面的人都是瞎子，其實計算機就是瞎子的，計算機通訊基本靠吼，如今我要找教室裏面的飛哥要戰狼2的片，而後我就吼一聲，說我要找飛哥要戰狼2的片，戰狼2的片就屬於個人數據，可是我在發的時候我是否是要標識我是誰，我要找誰，我是誰就是個人Mac地址，我要找誰就是飛哥的Mac地址，這兩個地址作數據包的頭部，再加上數據戰狼2的片就構成了一個數據幀。

這個數據包封裝好之後就往外發，到物理層之後就所有轉成二進制，往外發是怎麼發的呢？就是靠吼。即「我是nick，我找飛哥要戰狼2的片」。這麼吼了一嗓子之後，全屋子的人都能聽到，這就是廣播。

計算機底層，只要在一個教室裏（一個局域網），都是靠廣播的方式，吼。

廣播出去之後，全部人都聽得見，全部人都會拆開這個包，讀發送者是誰，接收者是誰，只要接收者不是本身就丟棄掉。對計算機來講，它會看本身的Mac地址，飛哥收到之後，他就會把片發給我，發送回來一樣採用廣播的方式了，靠吼。

同一個教室（同一個局域網）的計算機靠吼來通訊，那不一樣教室的計算機又如何？

好比說局域網1的pc1與局域網2的pc10如何通訊？你在教室1（局域網1）吼，教室2（局域網2）的人確定是聽不見的。這就是跨網絡進行通訊，數據鏈路層就解決不了這個問題了，這就得靠網絡層出面了。

注意：在講網絡層以前，其實基於廣播的這種通訊就能夠實現全世界通訊了，你吼一聲，若是全世界是一個局域網，全世界的計算機確定能夠聽得見，從理論上彷佛行得通，若是全世界的計算機都在吼，你想想，這是否是一個災難。所以，全世界不能是一個局域網。因而就有了網絡層。

3、網絡層

網絡層功能：引入一套新的地址用來區分不一樣的廣播域／子網，這套地址即網絡地址

網絡層的由來：有了ethernet、Mac地址、廣播的發送方式，世界上的計算機就能夠彼此通訊了，問題是世界範圍的互聯網是由 一個個彼此隔離的小的局域網組成的，那麼若是全部的通訊都採用以太網的廣播方式，那麼一臺機器發送的包全世界都會收到

• 對於上述的問題這就不只僅是效率低的問題了，這會是一種災難

爲了解決上述災難，網絡層定義了一個IP協議，

你想，我是這個教室的一個學生，我想找隔壁教室一個叫老王的學生，我也不認識老王，那怎麼辦，我吼？老王在另一個教室確定是聽不到的。找教室的負責人，這個教室的負責人就負責和隔壁教室的負責人說話，說咱們教室的有個學生要找大家教室的老王。往外傳的東西交給負責人就能夠了，內部的話上面已經提到，經過廣播的方式，對外的東西廣播失效。教室的負責人就是網關，網關即網絡關口的意思。

Mac地址是用來標識你這個教室的某個位置，IP地址是用來標識你在哪一個教室（哪一個局域網）。你要跨網絡發包你是否是要知道對方的IP地址，好比你要訪問百度，你確定得知道百度服務器的IP地址。計算機在發包前，會判斷你在哪一個教室，對方在哪一個教室，若是在一個教室，基於Mac地址的廣播發包就OK了；若是不在一個教室，即跨網絡發包，那麼就會把你的包交給教室負責人（網關）來轉發。Mac地址及IP地址惟一標識了你在互聯網中的位置。

數據鏈路層中會把網絡層的數據包封裝到數數據鏈路層的數據位置，而後再添加上本身的包頭，再發給物理層，物理層發給網關，網關再發給對方教室的網關，對方教室的網關收到後在那個教室作廣播。

在數據鏈路層看，數據封裝了兩層，跟玩俄羅斯套娃有點相似，一層套了一層。

最終變成

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以太網頭	IP頭	IP數據

如今來看另外一個問題，在吼以前怎麼知道對方的Mac地址？這就得靠ARP協議。

ARP協議的由來：在你找飛哥要片以前，你的先幹一件事，想辦法知道飛哥的Mac地址。即你的機器必須先發一個ARP包出去，ARP也是靠廣播的方式發，ARP發送廣播包的方式以下：

-	源Mac	目標Mac	源IP	目標IP	數據部分
發送端主機	發送端Mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	數據

局域網中怎麼獲取對方的Mac地址：

確定要知道對方的IP地址，這是最基本的，就像你要訪問百度，確定得知道百度的域名，域名就是百度的IP地址。本身的IP能夠輕鬆得到，本身的Mac也輕鬆獲取，目標Mac爲12個F，咱們叫廣播地址，表達的意思是我想要獲取這個目標IP地址172.16.10.11的機器的Mac地址。Mac爲12個F表明的是一種功能，這個功能就是獲取對方的Mac地址，計算機的Mac永遠不多是12個F。假設是在本教室廣播，一嗓子吼出去了，全部人開始解包，只有IP地址是172.16.10.11的這我的纔會返回他的Mac地址，其餘人所有丟棄。發回來源Mac改爲飛哥本身的Mac地址，同時把飛哥的Mac地址放在數據部分。

跨網絡怎麼獲取對方的Mac地址：

經過IP地址區分，計算機運算判斷出飛哥不在同一個教室，目標IP就變成了網關的IP了。網關的IP在計算機上配死了，能夠輕鬆獲取。

-	源Mac	目標Mac	源IP	目標IP	數據部分
發送端主機	發送端Mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	數據

-	源Mac	目標Mac	源IP	目標IP	數據部分
發送端主機	發送端Mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	網關地址	數據

-	源Mac	目標Mac	源IP	目標IP	數據部分
發送端主機	發送端Mac	網關Mac	172.16.10.10/24	飛哥的IP	數據

注意：網關幫你去找飛哥，但對用戶來講，因爲速度太快咱們根本就感受不到網關的存在。

3.1 IP協議詳解

規定網絡地址的協議叫IP協議，它定義的地址稱之爲IP地址，普遍採用的v4版本即IPv4，它規定網絡地址由32位2進製表示
範圍0.0.0.0-255.255.255.255

• 一個IP地址一般寫成四段十進制數，例：172.16.10.1

3.1.1 IP地址的兩部分

1. 網絡部分：標識子網

2. 主機部分：標識主機

• 注意：單純的IP地址段只是標識了IP地址的種類，從網絡部分或主機部分都沒法辨識一個IP所處的子網

例：172.16.10.1與172.16.10.2並不能肯定兩者處於同一子網

3.2 子網掩碼詳解

所謂」子網掩碼」，就是表示子網絡特徵的一個參數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分所有爲1，主機部分所有爲0。好比，IP地址172.16.10.1，若是已知網絡部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。

知道」子網掩碼」後，咱們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都爲1，運算結果爲1，不然爲0），而後比較結果是否相同，若是是的話，就代表它們在同一個子網絡中，不然就不是。

好比，已知IP地址172.16.10.1和172.16.10.2的子網掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網絡？二者與子網掩碼分別進行AND運算

• 172.16.10.1：10101100.00010000.00001010.000000001

  • 255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

  • AND運算得網絡地址結果：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0

• 172.16.10.2：10101100.00010000.00001010.000000010

  • 255.255.255.0:11111111.11111111.11111111.00000000

  • AND運算得網絡地址結果：10101100.00010000.00001010.000000000->172.16.10.0

• 結果都是172.16.10.0，所以它們在同一個子網絡。

總結一下，IP協議的做用主要有兩個，一個是爲每一臺計算機分配IP地址，另外一個是肯定哪些地址在同一個子網絡。

3.3 IP數據包詳解

IP數據包也分爲head和data部分，無須爲IP包定義單獨的欄位，直接放入以太網包的data部分

• head：長度爲20到60字節

• data：最長爲65,515字節

注意：以太網數據包的"數據"部分，最長只有1500字節。所以，若是IP數據包超過了1500字節，它就須要分割成幾個以太網數據包，分開發送了。

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以太網頭	IP頭	IP數據

有了Mac地址+IP地址，咱們就能肯定世界上獨一無二的一臺計算機。

3.4 ARP協議詳解

arp協議由來：計算機通訊基本靠吼，即廣播的方式，全部上層的包到最後都要封裝上以太網頭，而後經過以太網協議發送，在談及以太網協議時候，我門瞭解到：通訊是基於Mac的廣播方式實現，計算機在發包時，獲取自身的Mac是容易的，如何獲取目標主機的Mac，就須要經過arp協議

arp協議功能：廣播的方式發送數據包，獲取目標主機的Mac地址

協議工做方式：每臺主機IP都是已知的，例如：主機172.16.10.10/24訪問172.16.10.11/24

1.首先經過IP地址和子網掩碼區分出本身所處的子網

場景	數據包地址
同一子網	目標主機Mac，目標主機IP
不一樣子網	網關Mac，目標主機IP

2.分析172.16.10.10/24與172.16.10.11/24處於同一網絡(若是不是同一網絡，那麼下表中目標IP爲172.16.10.1，經過arp獲取的是網關的Mac)

-	源Mac	目標Mac	源IP	目標IP	數據部分
發送端主機	發送端Mac	FF:FF:FF:FF:FF:FF	172.16.10.10/24	172.16.10.11/24	數據

3.這個包會以廣播的方式在發送端所處的自網內傳輸，全部主機接收後拆開包，發現目標IP爲本身的，就響應，返回本身的Mac

4、傳輸層

傳輸層的由來：網絡層的IP幫咱們區分子網，以太網層的Mac幫咱們找到主機，而後你們使用的都是應用程序，你的電腦上可能同時開啓qq，暴風影音，等多個應用程序。

那麼咱們經過IP和Mac找到了一臺特定的主機，如何標識這臺主機上的應用程序，答案就是端口，端口即應用程序與網卡關聯的編號。

傳輸層功能：創建端口到端口的通訊

補充：端口範圍0-65535，0-1023爲系統佔用端口

• 有了Mac地址+IP地址+端口，咱們就能肯定世界上獨一無二的一臺計算機上的應用程序

4.1 TCP協議

• 可靠傳輸，TCP數據包沒有長度限制，理論上能夠無限長，可是爲了保證網絡的效率，一般TCP數據包的長度不會超過IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包沒必要再分割。

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以太網頭	IP頭	TCP頭	數據

4.2 UDP協議

• 不可靠傳輸，」報頭」部分一共只有8個字節，總長度不超過65,535字節，正好放進一個IP數據包。

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以太網頭	IP頭	UDP頭	數據

4.3 TCP報文

4.4 TCP三次握手和四次揮手

5、應用層

應用層由來：用戶使用的都是應用程序，均工做於應用層，互聯網是開發的，你們均可以開發本身的應用程序，數據多種多樣，必須規定好數據的組織形式

應用層功能：規定應用程序的數據格式。

• 例：TCP協議能夠爲各類各樣的程序傳遞數據，好比Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不一樣協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了」應用層」。

注意：數據通過以上幾層的折騰，已經不成樣子了。