1.5　OSI模型的各层简介

1.物理层（Physical Layer）

物理层定义了机械的、电气的、规程的、功能性的标准。物理层的数据形式是二进制比特流（Bit Flowing），其中的设备主要有中继器（Repeater）、集线器（Hub）等。

物理层是网络存在的物理条件，主要定义了传输介质及其性质、接口形式和光电信号等。IEEE 802.3所定义的以太网是物理层最重要的协议，已形成了在LAN中的事实垄断。随着智能设备和移动设备的普及，间接促进了无线网络的普及，IEEE 802.11在移动端和消费市场的接入侧拥有绝对的领导地位。

2.数据链路层（Data Link Layer）

数据链路层定义了帧结构和物理流控。数据链路层的数据形式是帧（Frame），其中的设备主要有网桥（Bridge）和交换机（Switch）等。

在IEEE 802协议簇中，数据链路层被分为上层的LLC层和下层的MAC层。根据不同的传输介质及其组网拓扑，数据链路层规定了介质访问控制方式。简单来说，数据链路层可以概括为传输介质、组网拓扑、介质访问控制方式。

IEEE 802.3是有线网络的协议，有线网络使用的是带冲突检测的载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）。IEEE 802.11是无线网络的协议，无线网络使用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）。有线网络可以通过监听线路电压或电流的方式来监听载波是否空闲，而无线网络因为隐蔽站问题（Hidden Station Problem）和暴露站问题（Exposed Station Problem），只能通过冲突避免的方式来实现线路的分时共享。

以太网（Ethernet）标准在数据链路层封装上拥有绝对的优势地位。其他比较知名的封装标准还有点到点协议（Point to Point Protocol，PPP）和高级数据链路控制（High Data Link Control，HDLC）协议等，多用于广域网，但地位也受了以太网与传送网相结合的挑战。像异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）、综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）、帧中继（Frame Relay，FR）等，曾经也是比较知名的封装标准，但目前在网络中基本已经不再使用了。

3.网络层（Network Layer）

网络层定义了数据包结构、编址、寻址、路由计算等。网络层的数据形式是包（Packet），其中的设备主要有路由器和三层交换机等，但我们一般将这些设备统称为路由器。网络层的主要功能是计算并提供路由。

比较典型的路由协议有路由信息协议（Routing Information Protocol，RIP）、开放最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）协议、中间系统到中间系统（Intermediate System to Intermediate System，IS-IS）协议、内部网关路由协议（Interior Gateway Routing Protocol，IGRP）、边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）等；带有工具性质的协议主要有互联网控制消息协议（Internet Control Message Protocol，ICMP），以及提供单播IP地址到下一跳MAC地址映射关系的地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）协议。ICMP和ARP是网络层的两个非常重要的协议。RIP和BGP本质上是应用层协议，RIP使用的是UDP 520端口，BGP使用的是TCP 179端口。Integrated IS-IS协议本质上是链路层协议，其以太网类型是0x22F4，可以通过IEEE 802.3的格式直接封装在数据帧中。因为RIP、BGP和IS-IS协议都提供路由计算和选择，所以我们仍然把这三个协议归为网络层协议。实际上，将OSPF和ICMP看成网络层协议也是不完全准确的，因为OSPF和ICMP也需要IP封装，它们使用的IP协议号分别是89和1。

网络层中最重要的协议是互联网协议（Internet Protocol，IP），目前有两个版本，分别是IPv4和IPv6。IP提供数据包的封装和主机节点标识，只有被封装和标识的数据才可以被转发。

ICMP也是网络层的一个重要协议，但它的工具性质更明显一些，经常被其他协议和网络诊断工具调用，通过Type+Code的方式来标识消息的类型，可用来查询网络状态。

4.传输层（Transport Layer）

传输层也称为运输层，用于管理网络层连接，提供了可靠的包传递机制。传输层中的数据形式是分段或分片（Segment）。

传输层最重要的两个协议是传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）。设计TCP的初衷是高可靠性传输，这就需要封装比较复杂的协议报头，因此协议开销比较大，在没有添加任何选项的情况下，协议报头的大小通常是20 B，传输效率相对较低。设计UDP的初衷是高效传输，放弃了比较复杂的控制，需要封装的协议报头比较简单，只有8 B，但可靠性低。另外一个在传输层值得关注的协议是流控制传输协议（Stream Control Transmission Protocol，SCTP），它也是一个面向连接的协议，支持多宿主和多流，并且安全性更高，将来有望得到更多的应用和发展。

5.会话层（Session Layer）

会话层的主要作用是建立或拆除会话。

远程过程调用（Remote Procedure Call，RPC）是会话层中比较典型的一个协议。会话层在工业应用中并没有得到很好的发展，它的很多功能被应用层和传输层替代了。当然也可以说是被TCP/IP替代了。

6.表示层（Presentation Layer）

表示层的作用定义数据的结构和传输格式，编/解码、压缩/解压缩、加/解密等。

与会话层一样，表示层也是一个非常“难堪”的存在，它基本上被应用层替代了。本书作者认为主要原因是会话层和表示层在设计之初考虑不够周全，对工作任务分解不合理。

其实，数据格式原计划是放在会话层来实现的，但数据是应用程序产生的，应用层就顺便定义了数据格式。我产生的数据由你来定义格式，显然是不合理的，不利于合作和实现。

7.应用层（Application Layer）

应用层的作用是为终端用户的应用程序提供接口，为面向网络的应用程序提供服务。

各种各样的应用程序需求使得应用层的协议比其他层丰富得多，工作在应用层的协议是OSI模型中最多的，各种协议呈百花齐放之态，其中最值得一提的是超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol，HTTP），其应用广度无人能出其右；其次是超文本传输安全协议（Hyper Text Transfer Protocol Secure，HTTPS）、文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）、Telnet（用于远程连接）协议，安全外壳（Secure Shell，SSH，常用于远程连接）协议、简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）等。另外比较重要和常见的协议还有动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）、域名系统（Domain Name System，DNS）协议、简单邮件传输协议（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP）、邮局协议版本3（Post Office Protocol version 3，POP3）、互联网消息访问协议版本4（Internet Message Access Protocol 4，IMAP4）等。