OSI各层网络协议

OSI各层网络协议1.OSI模型网络协议是网络中两台计算机之间传输数据的标准语言。各种计算机系统使用OSI（OpenSystemsInterconnection）模型规定的标准相互通信。OSI模型有七个抽象层，每个层都有不同的职责和协议。下图显示了OSI模型中每一层的功能。每一层都为其上层提供一类功能，并由其下层为其提供服务。应用层应用层最接近终端用户。大多数应用程序都位于这一层。我们从后端服务器请求数据，无需了解数据传输的具体细节。这一层的协议包括HTTP、SMTP、FTP、DNS等。表现层这一层处理数据编码、加密和压缩，为应用层准备数据。例如，HTTPS利用TLS（TransportLayerSecurity）实现客户端与服务器之间的安全通信。会话层该层用于打开和关闭两个设备之间的通信。如果数据量较大，会话层就会设置检查点，避免从头开始重新发送。传输层该层处理两个设备之间的端到端的通信。它在发送方将数据分解成段，然后在接收方重新组装。这一层有流量控制，以防止拥塞。这一层的主要协议是TCP和UDP。网络层这一层实现不同网络之间的数据传输。它进一步将网段或数据报分解成更小的数据包，并使用IP地址找到通往最终目的地的最佳路由。数据链路层这一层允许在同一网络的设备之间传输数据。数据包被分解成帧，这些帧被限制在局域网内。物理层这一层通过电缆和交换机发送比特流，因此与设备之间的物理连接密切相关。与OSI模型相比，TCP/IP模型只有4层。在讨论网络协议的层次时，必须明确上下文。2.OSI封装既然我们已经了解了每一层的职责，那就让我们用下图来总结一下数据传输过程。这就是所谓的封装（encapsulation）和去封装（decapsulation）。封装是指在数据向目的地传输的过程中为数据添加报头。解封装会移除这些报头，以获取原始数据。步骤1：当设备A使用HTTP通过网络向设备B发送数据时，最初会在应用层添加一个HTTP报头。步骤2：在数据中添加TCP或UDP报头。它在传输层被封装成TCP段。报头包含源端口、目的端口和序列号。步骤3：然后在网络层用IP报头对这些段落进行封装。IP报头包含源IP地址和目的IP地址。步骤4：在数据链路层为IP数据报添加MAC报头，其中包含源MAC地址和目的MAC地址。步骤5：封装帧被发送到物理层，并作为比特流在网络上发送。步骤6-10：设备B从网络接收到比特流后，会启动去封装过程，这与封装过程相反。报头逐层去除，直到设备B可以访问原始数据。请注意，每一层都使用报头来处理指令，而不需要解封上一层的数据。3.常用网络协议下面的动图展示了常用的一些网络协议及其使用场景。1.HTTPHTTP是一种用于获取HTML文档等资源的协议。它是网络数据交换的基础，也是一种客户端-服务器协议。2.HTTP/3HTTP/3是HTTP的下一个重要修订版本。它在QUIC上运行。QUIC是一种新的传输协议，专为移动互联网而设计。它依赖于UDP而不是TCP，这使得网页响应速度更快。VR应用程序需要更多带宽来迅速呈现虚拟场景的复杂细节，因此迁移到由QUIC支持的HTTP/3会从中受益。3.HTTPSHTTPS扩展了HTTP，并使用加密技术实现安全通信。4.WebSocketWebSocket是一种通过TCP提供全双工通信的协议。客户端通过建立WebSocket从后端服务接收实时更新。与总是"拉取"数据的REST不同，WebSocket可以"推送"数据。在线游戏、股票交易和消息应用程序等都利用WebSocket进行实时通信。5.TCPTCP设计用于在互联网上发送数据包，确保数据和信息在网络上成功传递。许多应用层协议都建立在TCP协议之上。6.UDPUDP直接向目标计算机发送数据包，无需先建立连接。UDP通常用于对时间敏感的通信，因为这种情况下偶尔丢弃数据包比等待更好。语音和视频应用通常使用此协议发送数据。7.SMTPSMTP是一种标准协议，用于将电子邮件从一个用户传输到另一个用户。8.FTPFTP用于在客户端和服务器之间传输计算机文件。它有独立的控制通道和数据通道连接。我们来把这些网络协议放到分布式系统中看看它们的典型应用。

计算机网络OSI七层模型详细今天是计算机网络总结的最后一节，主要是讲OSI七层模型相关的知识点，还有就是面试过程中会遇到的一些问题进行了汇总，这章内容算是计算机网络的全集了，相信有了这篇文章，大家的复习过程中就一定会提高效率。大家都知道在面试过程中，不管是校招还是社招，计算机网络肯定是必考项，如果准备的不够充分，后果可想而知，。能看到这篇文章的，我相信不是学弟学妹，就是刚参加工作不久的，一是不知道计算机网络该从哪儿看起，也不知道哪里是重点，二是时间不允许系统的去复习计算机网络，所以我会将面试中遇到的高频考点都罗列出来供大家学习。可以点赞收藏，以免着急使用而找不到。希望大家都能在求职过程中拿到自己满意的offer！那就开始正文喽~

TCP/IP与OSI都是为了使网络中的两台计算机能够互相连接并实现通信与回应，但他们最大的不同在于，OSI是一个理论上的网络通信模型，而TCP/IP则是实际上的网络通信标准。一、OSI七层模型：1、物理层实现计算机节点之间比特流的透明传输，规定传输媒体接口的标准，屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异，使数据链路层不必关心网络的具体传输介质，按照物理层规定的标准传输数据就行。2、数据链路层通过差错控制、流量控制等方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路。数据链路层的几个基本方法：数据封装成帧、透明传输、差错控制、流量控制。封装成帧：把网络层数据报加头和尾，封装成帧，帧头中包括源MAC地址和目的MAC地址。透明传输：零比特填充、转义字符。差错控制：接收者检测错误,如果发现差错，丢弃该帧，差错控制方法有CRC循环冗余码。流量控制：控制发送的传输速度，使得接收方来得及接收。传输层TCP也有流量控制功能，但TCP是端到端的流量控制，链路层是点到点（比如一个路由器到下一个路由器）。3、网络层实现网络地址与物理地址的转换，并通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径。网络层最重要的一个功能就是：路由选择。路由一般包括路由表和路由算法两个方面。每个路由器都必须建立和维护自身的路由表，一种是静态维护，也就是人工设置，适用于小型网络；另一种就是动态维护，是在运行过程中根据网络情况自动地动态维护路由表。4、传输层提供源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输，传输层协议为不同主机上运行的进程提供逻辑通信。网络层协议负责的是提供主机间的逻辑通信；传输层协议负责的是提供进程间的逻辑通信。5、会话层是用户应用程序和网络之间的接口，负责在网络中的两节点之间建立、维持、终止通信。6、表示层处理用户数据的表示问题，如数据的编码、格式转换、加密和解密、压缩和解压缩。7、应用层为用户的应用进程提供网络通信服务，完成和实现用户请求的各种服务。二、TCP/IP模型TCP/IP协议模型（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol），包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议。TCP/IP协议族按照层次由上到下，层层包装。数据进入协议栈时的封装过程上图表示了TCP/IP协议中每个层的作用，而TCP/IP协议通信的过程其实就对应着数据入栈与出栈的过程。入栈的过程，数据发送方每层不断地封装首部与尾部，添加一些传输的信息，确保能传输到目的地。出栈的过程，数据接收方每层不断地拆除首部与尾部，得到最终传输的数据。1、网络层实现网络地址与物理地址的转换，并通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径。1.1、IP地址与物理地址物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址，其中ARP协议将IP地址转换成物理地址。1.2、ARP地址解析协议的工作原理ARP是根据IP地址获取MAC地址的一种协议，核心原理就是广播发送ARP请求，单播发送ARP响应。每个主机都在自己的ARP缓冲区中建立一个ARP列表，以表示IP地址和MAC地址之间的对应关系。当源主机要发送数据时，先检查ARP列表中是否有该IP地址对应的MAC地址，如果有，则直接发送数据；如果没有，就向本网段的所有主机发送ARP数据包，用于查询目的主机的MAC地址，该数据包包括的内容有：源主机IP地址，源主机MAC地址，目的主机的IP。当本网络的所有主机收到该ARP数据包时，首先检查数据包中的IP地址是否是自己的IP地址，如果不是，则忽略该数据包，如果是，则首先从数据包中取出源主机的IP和MAC地址写入到ARP列表中，如果已经存在，则覆盖，然后将自己的MAC地址写入ARP响应包中，告诉源主机自己是它想要找的MAC地址。源主机收到ARP响应包后，将目的主机的IP和MAC地址写入ARP列表，并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。1.3、RARP逆地址解析协议RARP是逆地址解析协议，作用是完成硬件地址到IP地址的映射，主要用于无盘工作站，因为给无盘工作站配置的IP地址不能保存。工作流程：在网络中配置一台RARP服务器，里面保存着MAC地址和IP地址的映射关系，当无盘工作站启动后，就封装一个RARP数据包，里面有其MAC地址，然后广播到网络上去，当服务器收到请求包后，就查找对应的MAC地址的IP地址装入响应报文中发回给请求者。因为需要广播请求报文，因此RARP只能用于具有广播能力的网络。1.4、DHCP协议动态主机配置协议，对IP地址进行集中管理和分配，提升地址的使用率，通过DHCP协议，可以使客户机自动获得服务器分配的lP地址和子网掩码。DHCP数据发送过程1.5、ICMP协议因特网控制报文协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息（控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由器是否可用等网络本身的消息），确认IP包是否成功到达目标地址。因为IP协议并不是一个可靠的协议，它不保证数据被送达，当传送IP数据包发生错误，比如主机不可达、路由不可达等等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机，给主机一个处理错误的机会。ICMP报文有两种：差错报告报文和询问报文。以下是4种常见的ICMP差错报告报文：终点不可达路由器不知道如何转发某数据报，丢弃该数据报，并向源站发送“终点不可达”报文。主机收到无法交付给应用进程的数据报，将其丢弃，向源站发送“终点不可达”报文。时间超过路由器丢弃生存时间TTL为0的数据报，并向源站发送“时间超过”报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部分片时，就把已收到的分片都丢弃，并向源站发送“时间超过”报文。参数问题当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有些字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源站发送“参数问题”报文。改变路由（重定向）路由器把“改变路由”报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另一个路由器，这样可以通过更好的路由。1.6、交换机与路由器的区别工作所处的OSI层次不一样，交换机工作在OSI第二层数据链路层，路由器工作在OSI第三层网络层。寻址方式不同：交换机根据MAC地址寻址，路由器根据IP地址寻址。转发速率不同：交换机的转发速度快，路由器转发速度相对较慢。1.7、路由选择协议内部网关协议IGP：RIP(RoutingInformationProtocol）：是一种动态路由选择协议，基于距离矢量算法，使用“跳数”来衡量到达目标地址的路由距离，并且只与自己相邻的路由器交换信息，范围限制在15跳之内。OSPF：开放最短路径优先协议，使用Dijskra算法计算出到达每一网络的最短路径，并在检测到链路的情况发生变化时（如链路失效），就执行该算法快速收敛到新的无环路拓扑。外部网关协议：BGP：边界网关协议，BGP是力求寻找一条能够到达目的网络且较好的路由，而并非要寻找一条最佳路由。BGP采用路径向量路由选择协议。2、传输层：传输层主要提供不同主机上进程间“逻辑通信+可靠传输”或者“不可靠传输”的功能。2.1、传输控制协议TCP与用户数据报协议UDP的区别TCP是面向字节流的，基本传输单位是TCP报文段；UDP是面向报文的，基本传输单位是用户数据报。面向字节流：应用程序和TCP的交互是一次一个数据块（大小不等），但TCP把应用程序看成是一连串的无结构的字节流。TCP有一个缓冲，当应用程序传送的数据块太长，TCP就可以把它划分短一些再传送。面向报文：面向报文的传输方式是应用层交给UDP多长的报文，UDP就照样发送。因此，应用程序必须选择合适大小的报文。TCP注重安全可靠性，连接双方在进行通信前，需进行三次握手建立连接。UDP是无连接的，使用最大努力交付，即不保证可靠交付。UDP不需要连接等待，所以数据传输快，而TCP传输效率相对较低。TCP首部开销是20个字节；UDP的首部开销是8个字节，这也是减少网络传输开销的一方面。TCP有拥塞控制和流量控制，而UDP没有拥塞控制和流量控制。TCP支持点对点通信，提供全双工通信，不提供广播或多播服务；UDP支持一对一、一对多、多对一、多对多的通信模式。2.2、TCP和UDP的使用场景当对网络通讯质量要求不高时，并且要求网络通讯速度能尽量的快，这时就可以使用UDP。比如及时通信：语音、视频、直播等。当对网络通讯质量有要求时，要求整