內容簡介
- 前言
- 如何通信
- OSI 七層模型
- 總結
1. 前言
上一課，我們初步了解了互聯網的一點歷史，也體會到了互聯網的重要性。
這一課我們就來學習：OSI 七層模型。
上一課說到，2019 年全球有近 44 億網民，大約每 2 人里就有一人使用互聯網，互聯網的規模已經是超乎想象般宏大。
你也許會問：
- 我們怎么實現在這么多的機器之間通信呢 ？
- 怎么才能不在這“數據的迷宮”里失去方向呢 ？
不用擔心，我們一起來學習，以期待找到問題的答案。
首先我們來理解互聯網是怎么創建的，以及使用什么規范來很好地組織這么多信息。
2. 如何通信
設想一下，假如你可以在任何時候和任何人通信，豈不是很棒 ？是的，這就是互聯網的初衷。
平時，當我們身處一個 10 人小組，會感到表達自己的觀點有些困難。如果是 100 人，就更困難。假如有 1000 人，那幾乎就聽不到你說話了。
但是互聯網就是要向不可能挑戰，要能夠做到：在任何時刻，同時和任何人通信。
當然了，要達到這個目的，必須要建立一個復雜的通信系統，使得各臺機器之間能夠相互對話。
但是這樣的一個通信模型如何構建呢？
我們可以從最熟悉的通信方式開始理解。
來盤點一下一般的通信方式吧：
- 說話
- 打電話
- 郵件
- 手機（通話、短信、微信等等）
- 飛鴿傳書（ →_→ ）
- 等等
接下來，讓我們試著來理解，在這些通信方式中，有哪些基本要素是我們通信活動所必不可少的。
在說話這種通信方式里，我們需要：
- 說話者
- 聽話者
- 傳聲媒介（空氣）
打電話的方式，跟說話是類似的，但我們還需要一個在說話和電子學之間的中介。
實際上，我們要把說話的聲音轉成電信號，電信號通過電話線等傳播介質到達接收者那一端，然后轉為聲音被聽見。在這里有一個信息的封裝。
我們可以舉郵件的例子來看一下這個封裝信息的系統，在郵件收發時我們需要：
- 寄件人
- 收件人
- 傳播介質（信）
- 容器（信封）
- 中介（郵局）
是不是慢慢能理解我們通信需要什么條件了？
那么問題又來了：
- 我們對電腦也能這樣應用嗎？
- 怎么才能讓大家可以同時發出訊息呢？
- 我們能夠即時和地球另一端的某人通信嗎？
接下來我們就看一下網絡的先驅者們如何把人類通信的原理“應用”到電腦的通信中。
他們把所有研究的成果重組，創立了一個標準，所有連到互聯網的人都要遵守，這個標準就是：OSI 七層模型。
3. OSI 七層模型
OSI 七層模型，聽上去是不是很帥？這個標準誕生在 1984 年，只比我早了 3 年出生（不小心暴露了自己的年齡…）。
聰明如你也許已經注意到了：這個標準比互聯網的出現晚了很久。
原因很簡單：
OSI 七層模型是在人們有了不少機器之間通信的經驗之后才能夠誕生的。因此這個標準不僅能夠適用于現有的通信，也適用于將來的通信及其可能的演進。它的目的是使通信標準化，以保證機器最大化的演進潛力和協同工作能力。
聽起來很不錯，但是到底 OSI 七層模型是什么?。?/p>
OSI 七層模型是一個標準，規定了機器（主要是電腦）之間如何通信。因此假如你想要讓你的洗碗機和洗衣機通信的話，就需要遵從 OSI 模型，或者至少從 OSI 模型獲得啟發。這意味著需要遵從分層的通信方式。
這里的層（“層”的英語是 layer）又是什么呢？
OSI 模型是一個分層的模型，就是說它分為幾個部分，每一部分稱為一層，每一層扮演固定的角色，就如下圖所示：
上圖中，我們可以看到 OSI 有 7 層，每一層名字都不一樣。從下到上分別是：
- Physical layer（物理層）
- Data Link layer（數據鏈路層）
- Network layer（網絡層）
- Transport layer（傳輸層）
- Session layer（會話層）
- Presentation layer（表示層）
- Application Layer（應用層）
暫時對這些名稱有點懵是正常的。但請放心，我們慢慢學習。
關于如何巧記這 7 層，有一個小口訣：
All People Seem To Need Data Processing
翻譯成英語是“似乎所有人都需要數據處理”。這一句話由七個英語單詞組成，每一個的首字母正好是按第 7 層到第 1 層的首字母的順序。
當然，除了這句話，也有人想出其它有意思的小口訣來幫助記憶 OSI七層模型。剛才那句話是從第 7 層到 第 1 層的順序，有人想出下面的這句話，是從第 1 層到第 7 層的：
Please Do Not Throw Sausage Pizza Away
翻譯成英語是“請不要扔掉香腸比薩”。這一句話由七個英語單詞組成，每一個的首字母正好是按第 1 層到第 7 層的首字母的順序。
好吧，你也可以自己想出喜歡的記憶方式。我個人還是比較喜歡第一個句子，畢竟提到了 data processing（數據處理），跟我們的 OSI 模型還比較貼合。
看到這里你也許又會發問：“為什么 OSI 模型是 7 層，不是 17 層或者 250 層？”
還記得之前提到的嗎？
我們知道：如果要通信，需要有固定數目的組分，比如 發送者，接收者，語言等等。
網絡的先驅者們設計了用于構建通信系統的主要元素，他們發現數目定為 7 最合適（“好吧，你厲害你說什么都對…”）。OSI 的每一層都有特定的分工，這 7 層合起來就可以使一臺機器和另一臺通信。
下面我們來看一下這 7 層各自的細節：
第 1 層或者物理層（Physical layer）：
- 名字：物理層
- 作用：為通信提供傳播媒介
- 輔助作用：沒有
- 相關設備：集線器（也就是常說的 Hub）
第 2 層或者數據鏈路層（Data Link layer）：
- 名字：數據鏈路層
- 作用：使局域網中的機器互相連接
- 輔助作用：偵測傳輸錯誤
- 相關設備：交換機（也就是常說的 Switch）
第 3 層或者網絡層（Network layer）：
- 名字：網絡層
- 作用：使各個網絡相互連接
- 輔助作用：分割傳輸的數據包
- 相關設備：路由器（也就是常說的 Router）
第 4 層或者傳輸層（Transport layer）：
- 名字：傳輸層
- 作用：管理應用程序的連接
- 輔助作用：保證連接的有效建立
- 相關設備：沒有
第 5 層或會話層（Session layer）：
- 我們不在乎！
是的，你沒有看錯：我們不在乎第 5 層。
在第 4 層以上的，除了第 7 層，我們都不在乎。當然了，我也有些夸大。但是第 5 層和第 6 層不在本課程考慮范圍之內。
原因很簡單：
OSI 七層模型是一個理論模型，今天的互聯網使用的實際模型是 TCP/IP 模型，而后者不使用 OSI 的第 5 層和第 6 層，因此我們無視它們。
好，我想你應該理解了。當然了，第 7 層我們需要考慮。其實正是為了這第 7 層上的應用程序我們才大費周章，構建這個模型。
是的，第 7 層就是“老大”，是“終極 Boss”，就得伺候著，就是這么任性…
第 7 層或者應用層（Application layer）：
- 名字：應用層
- 作用：沒有
- 輔助作用：沒有
- 相關設備：代理（也就是常說的 Proxy）
什么？第 7 層竟然沒有作用！那“伺候”它干嘛？說白了，這一層就是展示我們構建通信架構所要服務的所有應用程序。
因此，我們會把重心放在提供服務和引導數據傳遞的第 1 - 4 層，當然第 7 層也會花時間去講。其實，還有一種說法是把 1 - 4 層合稱為“網絡層”。因為正是這 4 層負責引導數據從一臺機器傳遞到另一臺機器，以供機器上的屬于第 7 層的應用程序使用。
在深入理解這 4 層之前，很有必要提一下使用 OSI 模型的兩個原則：
- 每一層都是相對獨立的；
- 每一層只能和相鄰的層通信。
1. 每一層都是相對獨立的：
其所產生的影響是某一層所用的信息不能被另一層使用。例如，對于某些有一定網絡知識的讀者來說，應該知道 IP 地址是屬于第 3 層的，就不能被另外的層所使用。
這樣規定的好處是可以方便通信方式的變革。
想象一下，今天你使用互聯網，雖然你可能并不了解它的原理，但實際上你使用的是第 3 層的 IPv4（Internet Protocol Version 4，互聯網協議第四版）這個協議。未來，我們將從 IPv4 演進到 IPv6（互聯網協議第六版。相比第四版的 32 位地址空間，可以達到 128 位地址空間）。這時，假如我們除了第 3 層以外，在另一些層中也用到了 IPv4，那我們除了要改第 3 層的協議，我們也要改其它凡是用到 IPv4 協議的層，就會很麻煩。
保持各層的相對獨立性可以使得我們改換一層所關聯的協議時，無需更改其它的層。
2. 每一層只能和相鄰的層通信：
為了理解這個原則，我們必須了解機器是怎么利用 OSI 模型來通信的。
想象以下場景：
你坐在電腦前，打開你的瀏覽器。你在瀏覽器的地址欄里輸入一個網址，按下回車鍵，那個網站就出現了。
雖然你并不知情，但其實你就在使用 OSI 模型。
大體來說，位于 OSI 第 7 層的應用程序（此處是瀏覽器），與第 1 - 4 層（合稱“網絡層”）對話，以便這 4 層把機器上的應用程序所要的信息從遠端的機器上（比如 google.com 的服務器）傳輸過來。
在一個傳輸過程中，我們會跨越 OSI 模型的各層，從上到下：
由此可見，多虧了第 2 個原則，我們能保證在信息的傳輸過程中，OSI 模型的各層都會被跨越，也就保證每一層的作用都能得到實現。當然了，差不多是這樣。因為實際上對于互聯網，OSI 模型是一個理論模型，第 7 層其實是跳過 5、6 層而直接和底下 4 層通信的。所以是 7 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 。
4. 總結
-
OSI 七層模型是一個規范，其規定了機器之間如何通信；
-
OSI 模型是一個理論模型，互聯網實際使用的是 TCP/IP 模型；
-
OSI 模型有 7 層；
-
每一層都有一個特定的作用；
-
第 1 - 4 層合稱為“網絡層”；
-
每一層相對獨立；
-
每一層只能和相鄰的層通信；
-
當傳輸數據時，我們從 OSI 的最上層遍歷到最下層；在另一個機器那里，則是相反的方向，從最下層到最上層。