網絡基礎知識講座之三：理解OSI網絡分層

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??? 在上一次課程里我們介紹了子網的概念和子網的劃分。現(xiàn)在該談到OSI(開放系統(tǒng)互連)參考模型了。網絡協(xié)議棧具有重要的意義。但是，還沒有重要到你應該首先學習的程度。許多所謂的網絡課程都是從教你記住OSI模型中的每一個層的名字和這個模型中包含的每一個協(xié)議開始的。這樣做是不必要的。甚至第5層和第6層是完全可以忽略的。

　　國際標準組織(ISO)制定了OSI模型。這個模型把網絡通信的工作分為7層。1至4層被認為是低層，這些層與數據移動密切相關。5至7層是高層，包含應用程序級的數據。每一層負責一項具體的工作，然后把數據傳送到下一層。

　　物理層(也即OSI模型中的第一層)在課堂上經常是被忽略的。它看起來似乎很簡單。但是，這一層的某些方面有時需要特別留意。物理層實際上就是布線、光纖、網卡和其它用來把兩臺網絡通信設備連接在一起的東西。甚至一個信鴿也可以被認為是一個1層設備(參見RFC 1149)。網絡故障的排除經常涉及到1層問題。我們不能忘記用五類線在整個一層樓進行連接的傳奇故事。由于辦公室的椅子經常從電纜線上壓過，導致網絡連接出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況。遺憾的是，這種故障是很常見的，而且排除這種故障需要耗費很長時間。

　　第2層是以太網等協(xié)議。請記住，我們要使這個問題簡單一些。第2層中最重要的是你應該理解網橋是什么。交換機可以看成網橋，人們現(xiàn)在都這樣稱呼它。網橋都在2層工作，僅關注以太網上的MAC地址。如果你在談論有關MAC地址、交換機或者網卡和驅動程序，你就是在第2層的范疇。集線器屬于第1層的領域，因為它們只是電子設備，沒有2層的知識。第2層的相關問題在本網絡講座中有自己的一部分，因此現(xiàn)在先不詳細討論這個問題的細節(jié)。現(xiàn)在只需要知道第2層把數據幀轉換成二進制位供1層處理就可以了。

　　在往下講之間，你應該回過頭來重新閱讀一下上面的內容，因為經驗不足的網絡管理員經常混淆2層和3層的區(qū)別。

　　如果你在談論一個IP地址，那么你是在處理第3層的問題，這是“數據包”問題，而不是第2層的“幀”。IP是第3層問題的一部分，此外還有一些路由協(xié)議和地址解析協(xié)議(ARP)。有關路由的一切事情都在第3層處理。地址解析和路由是3層的重要目的。

　　第4層是處理信息的傳輸層。第4層的數據單元也稱作數據包（packets）。但是，當你談論TCP等具體的協(xié)議時又有特殊的叫法，TCP的數據單元稱為段（segments）而UDP協(xié)議的數據單元稱為“數據報（datagrams）”。這個層負責獲取全部信息，因此，它必須跟蹤數據單元碎片、亂序到達的數據包和其它在傳輸過程中可能發(fā)生的危險。理解第4層的另一種方法是，第4層提供端對端的通信管理。像TCP等一些協(xié)議非常善于保證通信的可靠性。有些協(xié)議并不在乎一些數據包是否丟失，UDP協(xié)議就是一個主要例子。

　　現(xiàn)在快要到7層了，我們很想知道第5層和第6層有些什么功能。可以說，它們都是沒有用的。

　　有一些應用程序和協(xié)議在5層和6層。但是，對于理解網絡問題來說，談論這些問題沒有任何益處。請大家注意，第7層是“一切”。7層也稱作“應用層”，是專門用于應用程序的。如果你的程序需要一種具體格式的數據，你可以發(fā)明一些你希望能夠把數據發(fā)送到目的地的格式，并且創(chuàng)建一個第7層協(xié)議。SMTP、DNS和FTP都是7層協(xié)議。

　　學習OSI模型中最重要的事情是它實際代表什么意思。

　　假如你是一個網絡上的操作系統(tǒng)。在1層和2層工作的網卡將通知你什么時候有數據到達。驅動程序處理2層幀的出口，通過它你可以得到一個發(fā)亮和閃光的3層數據包(希望是如此)。作為操作系統(tǒng)，你將調用一些常用的應用程序處理3層數據。如果這個數據是從下面發(fā)上來的，你知道那是發(fā)給你的數據包，或者那是一個廣播數據包(除非你同時也是一個路由器，不過，暫時不用擔心這個問題)。如果你決定保留這個數據包，你將打開它，并且取出4層數據包。如果它是TCP協(xié)議，這個TCP子系統(tǒng)將被調用并打開這個數據包，然后把這個7層數據發(fā)送給在目標端口等待的應用程序。這個過程就結束了。

　　當要對網絡上的其它計算機做出回應的時候，每一件事情都以相反的順序發(fā)生。7層應用程序將把數據發(fā)送給TCP協(xié)議的執(zhí)行者。然后，TCP協(xié)議在這些數據中加入額外的文件頭。在這個方向上，數據每前進一步體積都要大一些。TCP協(xié)議在IP協(xié)議中加入一個合法的TCP字段。然后，IP協(xié)議把這個數據包交給以太網。以太網再把這個數據作為一個以太網幀發(fā)送給驅動程序。然后，這個數據通過了這個網絡。這條線路中的路由器將部分地分解這個數據包以獲得3層文件頭，以便確定這個數據包應該發(fā)送到哪里。如果這個數據包的目的地是本地以太網子網，這個操作系統(tǒng)將代替路由器為計算機進行地址解析，并且把數據直接發(fā)送給主機。

　　這個過程確實簡化了。但是，如果你能夠按照這個進程來做，并且理解數據包在每一個階段都會發(fā)生什么事情，你就征服了理解網絡的相當大的一部分問題。當你開始討論每一個協(xié)議實際上做什么的時候，一切都會變得非常復雜。如果你剛剛開始學習，在你理解復雜的事情在設法完成什么任務之前，請你先忽略這些復雜的事情。這樣會提高你的學習熱情。

　　在以后的文章里，我們將沿著網絡棧向上旅行，通過討論常用的協(xié)議和這些協(xié)議的工作原理來詳細研究每一層。

　　小結

　　?與其苦鉆OSI模型中的各協(xié)議不如好好理解路由器和主機如何利用網絡棧傳輸數據

　　?2層數據稱作幀，不包含IP地址。IP地址和數據包在3層，MAC地址在2層。

　　?除非你是一臺路由器，通過網絡棧向上發(fā)來的數據是給你的，通過網絡棧向下發(fā)送的數據是你發(fā)送的。