第一章 06 OSI参考模型、TCP\IP模型（王道）

一、OSI 参考模型

1.1 OSI 参考模型

OSI Reference Model = OSI参考模型 OSI = Open Systems Interconnection

七层结构从上到下：

1. Application Layer = 应用层
2. Presentation Layer = 表示层
3. Session Layer = 会话层
4. Transport Layer = 传输层
5. Network Layer = 网络层
6. Data Link Layer = 数据链路层
7. Physical Layer = 物理层

相关术语：

• Open Systems Interconnection = 开放系统互连
• Protocol Data Unit (PDU) = 协议数据单元
• Encapsulation = 封装
• Decapsulation = 解封装
• Peer-to-peer communication = 对等通信
• Service Access Point (SAP) = 服务访问点

1.2 关于个别术语的说明

1.3 OSI 模型的顺序 – “物联网叔会使用”

• 记忆口诀：”物联网书会使用”对应七层模型（物理层-数据链路层-网络层-传输层-会话层-表示层-应用层），其中：
  • “物”：物理层（Physical Layer）
  • “连”：数据链路层（Data Link Layer，谐音记忆）
  • “网”：网络层（Network Layer）
  • “书”：传输层（Transport Layer）
  • “会”：会话层（Session Layer）
  • “使”：表示层（Presentation Layer，谐音记忆）
  • “用”：应用层（Application Layer）

1.4 常见网络设备的功能层次

• 设备实现层次：
  • 主机：实现全部1-7层功能
  • 路由器：实现1-3层（物理层+数据链路层+网络层）
  • 交换机：实现1-2层（物理层+数据链路层）
  • 集线器：仅实现第1层（物理层）
  • 传输介质：视为第0层（如网线、光纤）

1.5 OSI参考模型：1#物理层

• 物理层的核心任务：实现相邻节点间比特流（0/1）的传输
• 具体功能：
  • 接口规范：定义电路接口参数（形状/尺寸/引脚数等）
  • 信号定义：规定高低电平与二进制对应关系（如5V=1，1V=0）
  • 时序控制：确定比特持续时间（如0.1ms/bit）
• 传输缺陷：易受噪声干扰导致比特错误，无法自行检测错误

1.6 OSI参考模型：2#链路层

• 核心任务：确保相邻节点间逻辑无差错传输
• 关键功能：
  • 差错控制（最核心的功能）：通过校验编码技术 实现检错+纠错，或检错+丢弃+重传
    • 示例：8bit数据附加2bit校验信息形成10bit帧
  • 流量控制：协调收发双方速率（如限制发送方不超过接收方处理能力）
• 传输单位：帧（Frame），含多个比特

1.7 OSI参考模型：3#网络层

• 核心任务：实现分组从源节点到目的节点的转发
• 主要功能：
  • 路由选择（规划分组转发最优路径）：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径
  • 分组转发：将“分组”从合适的端口转发出去
  • 拥塞控制：监测并缓解网络拥塞（类似交通疏导）
  • 网际互联：实现异构网络互联，屏蔽异构网络差异（如以太网/令牌环网）
• 其他功能：
  • 差错控制：确保分组全局正确（补充链路层的帧级校验）
  • 流量控制：分组级速率协调
  • 虚电路：通过连接建立实现有序、不重复传输
  • 可靠传输：接收方需要返回分组确认消息

1.8 OSI参考模型：#4传输层

• 核心任务：实现端到端（进程间）通信
• 关键机制：
  • 端口映射：通过端口号标识进程（如微信=8899，QQ=6537）
  • 复用分用：发送方多进程复用传输服务，接收方分发给对应进程
• 传输单位：报文段（Segment），可拆分为多个分组
• 保障功能：
  • 报文段级的差错控制/流量控制
  • 连接建立与释放
  • 可靠传输管理（确认机制）

1.9 OSI参考模型：#5-#7 传输层（会话层、表示层、应用层）

会话层

• 核心任务：管理进程间会话
• 典型功能：
  • 检查点机制：通信中断后可从最近检查点恢复（如1GB文件传输500MB中断后可续传）

表示层

• 核心任务：数据的格式转换，解决信息表示差异
• 主要功能：
  • 数据转换：编码格式转换（如GBK↔UTF-8）
  • 数据处理：压缩解压/加密解密

应用层

• 核心任务：实现特定网络应用
• 典型协议：HTTP等应用层协议
• 特点：功能根据应用程序需求灵活设计

1.10 各层数据传输单位

• 单位变化规律：越上层数据传输单位越大（报文），越下层单位越小（比特），呈现”上大下小”的规律
• 分段过程：
  • 应用层：以完整报文(Message)为单位传输，如传输整个文件
  • 传输层：将报文拆分为多个报文段(Segment)
  • 网络层：将报文段拆分为分组/数据报(Packet)
  • 数据链路层：将分组拆分为帧(Frame)
  • 物理层：以比特(bit)为单位传输
• 重装过程：接收方将底层小块数据逐层重组为原始报文
• 功能实现：网络层、数据链路层、物理层都需要实现数据分段与重装功能

1.11 总结

• 记忆口诀：”物联网书会使用”（物1理层→联2路层→网3络层→输4层→会5话层→示6表层→用7层）
• 层次功能区别：
  • 传输层：针对报文段实现端到端通信，主要功能包括复用分用、差错控制、流量控制等
  • 网络层：针对分组实现路由选择、分组转发，功能对象与传输层不同
  • 数据链路层：针对帧实现相邻节点无差错传输
• 核心考点：
  • 各层顺序记忆（口诀）
  • 各层主要功能（表格中标红内容）
  • 相似功能的层次区别（如传输层与网络层的控制功能差异）

二、TCP/IP模型

• 记忆要求：掌握TCP/IP模型各层名称和顺序
• 理解要求：了解TCP/IP与OSI模型的区别及各层功能差异

2.1 记住各层的名称和顺序

• 层次结构：
  • 第1层：网络接口层（对应OSI物理层+数据链路层）
  • 第2层：网络层（与OSI网络层对应）
  • 第3层：传输层（与OSI传输层对应）
  • 第4层：应用层（整合OSI会话层、表示层、应用层）

• 记忆口诀：”接网输用”对应：
  • 接：网络接口层
  • 网：网络层
  • 输：传输层
  • 用：应用层
• 记忆故事：年轻人问”物联网谁会使用”，大叔回答”接网输用”（只要接上网络，书就可以使用物联网）

2.2 TCP / IP模型：应用层

• 设计理念：
  • 将OSI表示层和会话层功能整合到应用层
  • 灵活性：应用可根据需求选择是否实现特定功能（如数据格式转换、会话管理）
  • 对比OSI：OSI模型强制所有应用经过表示层和会话层处理，缺乏灵活性
  • 实现方式：通过应用层特定协议实现个性化功能需求

2.3 TCP / IP模型：网络接口层

• 设计特点：
  • 仅规定基本任务：实现相邻节点间数据传输（为网络层传输分组）
  • 不限制实现细节：不规定具体传输方式，保持技术开放性
  • 优势：
    • 支持多种网络硬件和技术创新
    • 适应通信技术快速发展
    • 厂商可自由研发先进通信设备

2.4 TCP / IP模型：网络层

• 网络层可靠性:
  • OSI：提供有连接可靠服务(虚电路)和无连接不可靠服务(数据报)
  • TCP/IP：仅提供无连接不可靠服务(尽最大努力交付)

2.4 TCP / IP模型：传输层

• 传输层服务:
  • OSI：仅提供有连接可靠服务
  • TCP/IP：提供TCP(有连接可靠)和UDP(无连接不可靠)两种服务
• 应用场景适应性:
  • TCP/IP更适应现代网络需求，如直播等可容忍部分数据丢失的应用

2.5 总结:TCP/IP 各层功能

• 应用层: 实现特定网络应用
• 传输层: 实现端到端通信，提供复用/分用、差错控制、流量控制等功能
• 网络层: 路由选择、分组转发、拥塞控制等核心功能
• 网络接口层: 无具体规定，由设备商自由实现

2.6 OSI参考模型 vs TCP/IP 模型

2.6.1 层次结构的区别

• 高层对应: OSI的会话层、表示层对应TCP/IP的应用层
• 低层对应: OSI的物理层和数据链路层对应TCP/IP的网络接口层
• 设计哲学: OSI追求完整规范，TCP/IP追求实用性和灵活性

2.6.2 设计理念的区别

• 服务类型:
  • OSI网络层：支持虚电路(可靠)和数据报(不可靠)两种服务
  • TCP/IP网络层：仅支持数据报服务
• 可靠性保障:
  • OSI：在网络层和传输层都实现可靠性控制
  • TCP/IP：仅在传输层实现可靠性控制

2.6.3 功能的区别

• 路由器简化: 网络层功能简化降低路由器负载和复杂度
• 性能提升: 网络核心部分专注于分组转发，性能大幅提升
• 成本优势: 路由器功能简化带来造价降低
• 边缘计算: 将可靠性保障任务交给终端主机，符合现代网络发展趋势