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OSI七层模型

1. 什么是OSI模型

  • 开放系统互连参考模型,是国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的开放系统互连参考
    模型。
  • 目的:为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架和参考。
  • 这里所说的开放系统，实质上指的是遵循OSI参考模型和相关协议能够实现互连的具有各种应用目的的计算机系
    统。
  • OSI采用了分层的结构化技术，共分七层：
    物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

2. OSI的七层介绍

应用层

  • 应用层是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口，其功能是直接向用户提供服务，完成用户希望在
    网络上完成的各种工作。
  • 应用层为用户提供的服务和协议：文件传输服务（FTP）、远程登录服务（ssh）、网络管理服等。
  • 上述的各种网络服务由该层的不同应用协议和程序完成。
  • 应用层的主要功能如下：
    • 用户接口：应用层是用户与网络，以及应用程序与网络间的直接接口，使得用户能够与网络进行交互式联系。
    • 实现各种服务：该层具有的各种应用程序可以完成和实现用户请求的各种服务。

表示层

  • 表示层是对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传送给会话层。
  • 其主要功能是处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换和加密解密等。
  • 表示层的具体功能如下：
    • 数据格式处理：协商和建立数据交换的格式，解决各应用程序之间在数据格式表示上的差异。
    • 数据的编码：处理字符集和数字的转换。
    • 压缩和解压缩：为了减少数据的传输量，这一层还负责数据的压缩与解压缩。
    • 数据的加密和解密：可以提高网络的安全性。

会话层

  • 会话层是用户应用程序和网络之间的接口，主要任务是：组织和协调两个会话进程之间的通信，并对数据交换进行管理。
  • 当建立会话时，用户必须提供他们想要连接的远程地址。

传输层

  • OSI上3层：应用层、表示层、会话层的主要任务是数据处理——资源子网
  • OSI下3层：网络层、数据链路层、物理层的主要任务是数据通讯——通讯子网
  • 传输层是OSI模型的第4层，它是通信子网和资源子网的接口和桥梁，起到承上启下的作用
  • 传输层的主要任务是：向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输

报文：报文(message)是网络中交换与传输的
报文段:组成报文的每个分组。我们将运输层分组称为报文段(segment)

网络层

  • 主要任务是：数据链路层的数据在这一层被转换为包，然后通过路径选择、分段组合、顺序、进/出路由等控制，将信息从一个网络设备传送到另一个网络设备。
  • 一般情况下，数据链路层是解决同一网络(局域网)内节点之间的通信，而网络层主要解决不同子网间的通信。

数据链路层

在计算机网络中由于各种干扰的存在，物理链路是不可靠的。因此，这一层的主要功能是:

  • 在物理层提供的比特流的基础上，通过差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路，即向网络层提供可靠的通过物理介质传输数据的方法。
  • 具体工作是：接收来自物理层的位流（比特流）形式的数据，通过差错控制等方法传到网络层；同样，也将来自上层的数据，封装成 3 转发到物理层；并且，还负责处理接收端发回的确认帧的信息，以便提供可靠的数据传输。

帧：帧(frame)是数据链路层的传输单元。将上层传入的数据添加一个头部和尾部，组成了帧。

物理层

  • 主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。

3. 总结

  • 在7层模型中，每一层都提供一个特殊的网络功能。
  • 从网络功能的角度观察：
    • 物理层、数据链路层、网络层：主要提供数据传输和交换功能，即节点到节点之间通信为主；
    • 传输层（第4层）：作为上下两部分的桥梁，是整个网络体系结构中最关键的部分；
    • 会话层、表示层和应用层：以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。

TCP/IP协议模型

1. 什么是TCP/IP模型

  • TCP/IP协议模型（Transmission Control Protocol/Internet Protocol），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，通过20多年的发展已日渐成熟，并被广泛应用于局域网和广域网中，目前已成为一种国际标准。
  • TCP/IP协议簇是一组不同层次上的多个协议的组合，该协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求，与OSI的七层模型相对应。
  • 尽管通常称该协议族为TCP/IP，但TCP和IP只是其中的两种协议而已（该协议族的另一个名字是Internet协议族(Internet Protocol Suite)）

2. TCP/IP的分层结构

TCP/IP的分层结构

TCP/IP的分层结构

链路层

OSI的物理层和数据链路层

  • ARP（地址解析协议IP-MAC）和RARP（逆地址解析协议MAC-IP）是某些网络接口（如以太网）使用的特殊协议，用来转换IP层和网络接口层使用的地址。

网络层

  • 也称作互联网层或网际层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。
  • 在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（Internet互联网控制报文协议），以及IGMP协议（Internet组管理协议）。
    • IP是一种网络层协议，提供的是一种不可靠的服务，它只是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点，但是并不提供任何可靠性保证。同时被TCP和UDP使用。
    • TCP和UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互联网中进行传输。
    • ICMP是IP协议的附属协议。IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。它主要是用来提供有关通向目的地址的路径信息。Ping和Traceroute工具，它们都使用了ICMP协议。
    • IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。该协议运行在主机和组播路由器
      之间。

运输层

主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）

  • TCP协议：为两台主机提供高可靠性的数据通信。TCP是面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要断开连接，由于TCP是面向连接的所以只能用于端到端的通讯。
    TCP提供的是一种可靠的数据流服务，采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。也就是TCP数据包中包括
    序号（seq）和确认（ack），所以未按照顺序收到的包可以被排序，而损坏的包可以被重传。

  • UDP协议：则为应用层提供一种非常简单的服务。它是面向无连接的通讯协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。 UDP通讯时不需要接收方确认，不保证该数据报能到达另一端，属于不可靠的传输，可能会出现丢包现象。UDP与TCP位于同一层，但它不管数据包的顺序、错误或重发。

应用层

OSI会话层、表示层、应用层

应用层负责处理特定的应用程序细节。

HTTP、FTP、SSH、DHCP、DNS…..

3. 数据封装过程

  • 数据格式

    TCP数据信息：TCP头部+实际数据（TCP头包括源和目标主机端口号、顺序号、确认号、校验字等）

    IP数据包：IP头部+TCP数据信息（IP头包括源和目标主机IP地址、类型、生存期等）

    数据帧：帧头+IP数据包+帧尾 （帧头包括源和目标主机MAC初步地址及类型，帧尾是校验字）

  • 数据的封装与解封装

    封装：数据要通过网络进行传输，要从高层一层一层的向下传送，如果一个主机要传送数据到别的主机，先把数据装到一个特殊协议报头中，这个过程叫—–封装。

    解封装：上述的逆向过程当数据以TCP/IP协议传输时的封装与街封装过程如下图：

    解封装

TCP/IP三次握手四次断开

1. 了解相关名词

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序列号：Seq序号，占32位，用来标识从TCP源端向目的端发送的字节流，发起方发送数据时对此进行标记。

确认序号：Ack序号，占32位，只有ACK标志位为1时，确认序号字段才有效，Ack=Seq+1。

常见的标志位：
    ACK：确认序号有效。
    SYN：发起一个新连接。
    FIN：释放一个连接。

2. 了解netstat中的网络状态

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CLOSED 
初始（无连接）状态。

LISTEN 
侦听状态，等待远程机器的连接请求。

SYN_SEND
在TCP三次握手中，主动连接端发送了SYN包后，进入SYN_SEND状态，等待对方的ACK包。

SYN_RECV
在TCP三次握手中，主动连接端收到ACK包后，进入SYN_RECV状态。

ESTABLISHED
完成TCP三次握手后，主动连接端进入ESTABLISHED状态。此时，TCP连接已经建立，可以进行通信。

FIN_WAIT_1 
在TCP四次断开时，主动关闭端发送FIN包后，进入FIN_WAIT_1状态。

FIN_WAIT_2 
在TCP四次断开时，主动关闭端收到ACK包后，进入FIN_WAIT_2状态。

TIME_WAIT 
在TCP四次断开时，主动关闭端发送了ACK包之后，进入TIME_WAIT状态。

CLOSE_WAIT 
在TCP四次断开时，被动关闭端收到FIN包后，进入CLOSE_WAIT状态。

LAST_ACK 
在TCP四次断开时，被动关闭端发送FIN包后，进入LAST_ACK状态，等待对方的ACK包。

3. TCP/IP三次握手

TCP/IP三次握手 

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TCP三次握手的过程如下：

1. 客户机A端（主动连接端）发送一个SYN包给服务器B端（被动连接端）；

2. 服务器B端（被动连接端）收到SYN包后，发送一个带ACK和SYN标志的包给客户机A端（主动连接端）；

3. 客户机A端（主动连接端）发送一个带ACK标志的包给服务器B端（被动连接端），握手动作完成。

4.TCP/IP四次断开

TCP/IP四次断开 

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TCP四次断开的过程如下：

1. 客户机A端（主动连接端）发送一个FIN包给服务器B端（被动连接端）请求断开连接；

2. 服务器B端（被动连接端）收到FIN包后，发送一个ACK包给客户机A端（主动连接端）；

3. 服务器B端（被动连接端）发送了ACK包后，再发送一个FIN包给客户机A端（主动连接端）确认断开；

4. 客户机A端（主动连接端）收到FIN包后，发送一个ACK包，当服务器B端（被动连接端）收到ACK包后，四次断开动作完
成，连接断开。