OSI七層模型詳解（物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層…..應用層協議與硬體）

OSI七層模型與對應的裝置、協議是筆試選擇題的常考點，應該理解牢記

OSI 七層模型通過七個層次化的結構模型使不同的系統不同的網路之間實現可靠的通訊，因此其最主要的功能就是幫助不同型別的主機實現資料傳輸 。

完成中繼功能的節點通常稱為中繼系統。在OSI七層模型中，處於不同層的中繼系統具有不同的名稱。

一個裝置工作在哪一層，關鍵看它工作時利用哪一層的資料頭部資訊。網橋工作時，是以MAC頭部來決定轉發埠的，因此顯然它是資料鏈路層的裝置。
具體說:

物理層：網絡卡，網線，集線器，中繼器，調變解調器

資料鏈路層：網橋，交換機

網路層：路由器

閘道器工作在第四層傳輸層及其以上
 

集線器是物理層裝置,採用廣播的形式來傳輸資訊。

交換機就是用來進行報文交換的機器。多為鏈路層裝置(二層交換機)，能夠進行地址學習，採用儲存轉發的形式來交換報文.。

路由器的一個作用是連通不同的網路，另一個作用是選擇資訊傳送的線路。選擇通暢快捷的近路，能大大提高通訊速度，減輕網路系統通訊負荷，節約網路系統資源，提高網路系統暢通率。 

交換機和路由器的區別

交換機擁有一條很高頻寬的背部匯流排和內部交換矩陣。交換機的所有的埠都掛接在這條總線上，控制電路收到資料包以後，處理埠會查詢記憶體中的地址對照表以確定目的MAC（網絡卡的硬體地址）的NIC（網絡卡）掛接在哪個埠上，通過內部交換矩陣迅速將資料包傳送到目的埠，目的MAC若不存在則廣播到所有的埠，接收埠迴應後交換機會“學習”新的地址，並把它新增入內部MAC地址表中。
使用交換機也可以把網路“分段”，通過對照MAC地址表，交換機只允許必要的網路流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現，避免共享衝突。
交換機在同一時刻可進行多個埠對之間的資料傳輸。每一埠都可視為獨立的網段，連線在其上的網路裝置獨自享有全部的頻寬，無須同其他裝置競爭使用。當節點A向節點D傳送資料時，節點B可同時向節點C傳送資料，而且這兩個傳輸都享有網路的全部頻寬，都有著自己的虛擬連線。假使這裡使用的是10Mbps的乙太網交換機，那麼該交換機這時的總流通量就等於2×10Mbps＝20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps。
總之，交換機是一種基於MAC地址識別，能完成封裝轉發資料包功能的網路裝置。交換機可以“學習”MAC地址，並把其存放在內部地址表中，通過在資料幀的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使資料幀直接由源地址到達目的地址。

從過濾網路流量的角度來看，路由器的作用與交換機和網橋非常相似。但是與工作在網路物理層，從物理上劃分網段的交換機不同，路由器使用專門的軟體協議從邏輯上對整個網路進行劃分。例如，一臺支援IP協議的路由器可以把網路劃分成多個子網段，只有指向特殊IP地址的網路流量才可以通過路由器。對於每一個接收到的資料包，路由器都會重新計算其校驗值，並寫入新的實體地址。因此，使用路由器轉發和過濾資料的速度往往要比只檢視資料包實體地址的交換機慢。但是，對於那些結構複雜的網路，使用路由器可以提高網路的整體效率。路由器的另外一個明顯優勢就是可以自動過濾網路廣播。

集線器與路由器在功能上有什麼不同?

首先說HUB,也就是集線器。它的作用可以簡單的理解為將一些機器連線起來組成一個區域網。而交換機（又名交換式集線器）作用與集線器大體相同。但是兩者在效能上有區別：集線器採用的式共享頻寬的工作方式，而交換機是獨享頻寬。這樣在機器很多或資料量很大時，兩者將會有比較明顯的。而路由器與以上兩者有明顯區別，它的作用在於連線不同的網段並且找到網路中資料傳輸最合適的路徑。路由器是產生於交換機之後，就像交換機產生於集線器之後，所以路由器與交換機也有一定聯絡，不是完全獨立的兩種裝置。路由器主要克服了交換機不能路由轉發資料包的不足。

總的來說，路由器與交換機的主要區別體現在以下幾個方面：

（1）工作層次不同
最初的的交換機是工作在資料鏈路層，而路由器一開始就設計工作在網路層。由於交換機工作在資料鏈路層，所以它的工作原理比較簡單，而路由器工作在網路層，可以得到更多的協議資訊，路由器可以做出更加智慧的轉發決策。

（2）資料轉發所依據的物件不同
交換機是利用實體地址或者說MAC地址來確定轉發資料的目的地址。而路由器則是利用IP地址來確定資料轉發的地址。IP地址是在軟體中實現的，描述的是裝置所在的網路。MAC地址通常是硬體自帶的，由網絡卡生產商來分配的，而且已經固化到了網絡卡中去，一般來說是不可更改的。而IP地址則通常由網路管理員或系統自動分配。

（3）傳統的交換機只能分割衝突域，不能分割廣播域；而路由器可以分割廣播域
由交換機連線的網段仍屬於同一個廣播域，廣播資料包會在交換機連線的所有網段上傳播，在某些情況下會導致通訊擁擠和安全漏洞。連線到路由器上的網段會被分配成不同的廣播域，廣播資料不會穿過路由器。雖然第三層以上交換機具有VLAN功能，也可以分割廣播域，但是各子廣播域之間是不能通訊交流的，它們之間的交流仍然需要路由器。

（4）路由器提供了防火牆的服務
路由器僅僅轉發特定地址的資料包，不傳送不支援路由協議的資料包傳送和未知目標網路資料包的傳送，從而可以防止廣播風暴。

物理層
在OSI參考模型中，物理層（Physical Layer）是參考模型的最低層，也是OSI模型的第一層。
物理層的主要功能是：利用傳輸介質為資料鏈路層提供物理連線，實現位元流的透明傳輸。
物理層的作用是實現相鄰計算機節點之間位元流的透明傳送，儘可能遮蔽掉具體傳輸介質和物理裝置的差異。使其上面的資料鏈路層不必考慮網路的具體傳輸介質是什麼。“透明傳送位元流”表示經實際電路傳送後的位元流沒有發生變化，對傳送的位元流來說，這個電路好像是看不見的。

資料鏈路層
資料鏈路層（Data Link Layer）是OSI模型的第二層，負責建立和管理節點間的鏈路。該層的主要功能是：通過各種控制協議，將有差錯的物理通道變為無差錯的、能可靠傳輸資料幀的資料鏈路。
在計算機網路中由於各種干擾的存在，物理鏈路是不可靠的。因此，這一層的主要功能是在物理層提供的位元流的基礎上，通過差錯控制、流量控制方法，使有差錯的物理線路變為無差錯的資料鏈路，即提供可靠的通過物理介質傳輸資料的方法。
該層通常又被分為介質訪問控制（MAC）和邏輯鏈路控制（LLC）兩個子層。

MAC子層的主要任務是解決共享型網路中多使用者對通道競爭的問題，完成網路介質的訪問控制；

LLC子層的主要任務是建立和維護網路連線，執行差錯校驗、流量控制和鏈路控制。
資料鏈路層的具體工作是接收來自物理層的位流形式的資料，並封裝成幀，傳送到上一層；同樣，也將來自上層的資料幀，拆裝為位流形式的資料轉發到物理層；並且，還負責處理接收端發回的確認幀的資訊，以便提供可靠的資料傳輸。

網路層
網路層（Network Layer）是OSI模型的第三層，它是OSI參考模型中最複雜的一層，也是通訊子網的最高一層。它在下兩層的基礎上向資源子網提供服務。其主要任務是：通過路由選擇演算法，為報文或分組通過通訊子網選擇最適當的路徑。該層控制資料鏈路層與傳輸層之間的資訊轉發，建立、維持和終止網路的連線。具體地說，資料鏈路層的資料在這一層被轉換為資料包，然後通過路徑選擇、分段組合、順序、進/出路由等控制，將資訊從一個網路裝置傳送到另一個網路裝置。
一般地，資料鏈路層是解決同一網路內節點之間的通訊，而網路層主要解決不同子網間的通訊。例如在廣域網之間通訊時，必然會遇到路由（即兩節點間可能有多條路徑）選擇問題。

在實現網路層功能時，需要解決的主要問題如下：
定址：資料鏈路層中使用的實體地址（如MAC地址）僅解決網路內部的定址問題。在不同子網之間通訊時，為了識別和找到網路中的裝置，每一子網中的裝置都會被分配一個唯一的地址。由於各子網使用的物理技術可能不同，因此這個地址應當是邏輯地址（如IP地址）。
交換：規定不同的資訊交換方式。常見的交換技術有：線路交換技術和儲存轉發技術，後者又包括報文交換技術和分組交換技術。
路由演算法：當源節點和目的節點之間存在多條路徑時，本層可以根據路由演算法，通過網路為資料分組選擇最佳路徑，並將資訊從最合適的路徑由傳送端傳送到接收端。
連線服務：與資料鏈路層流量控制不同的是，前者控制的是網路相鄰節點間的流量，後者控制的是從源節點到目的節點間的流量。其目的在於防止阻塞，並進行差錯檢測。

傳輸層
OSI下3層的主要任務是資料通訊，上3層的任務是資料處理。而傳輸層（Transport Layer）是OSI模型的第4層。因此該層是通訊子網和資源子網的介面和橋樑，起到承上啟下的作用。
該層的主要任務是：向用戶提供可靠的端到端的差錯和流量控制，保證報文的正確傳輸。傳輸層的作用是向高層遮蔽下層資料通訊的細節，即向用戶透明地傳送報文。該層常見的協議：TCP/IP中的TCP協議、Novell網路中的SPX協議和微軟的NetBIOS/NetBEUI協議。
傳輸層提供會話層和網路層之間的傳輸服務，這種服務從會話層獲得資料，並在必要時，對資料進行分割。然後，傳輸層將資料傳遞到網路層，並確保資料能正確無誤地傳送到網路層。因此，傳輸層負責提供兩節點之間資料的可靠傳送，當兩節點的聯絡確定之後，傳輸層則負責監督工作。綜上，傳輸層的主要功能如下：
傳輸連線管理：提供建立、維護和拆除傳輸連線的功能。傳輸層在網路層的基礎上為高層提供“面向連線”和“面向無接連”的兩種服務。
處理傳輸差錯：提供可靠的“面向連線”和不太可靠的“面向無連線”的資料傳輸服務、差錯控制和流量控制。在提供“面向連線”服務時，通過這一層傳輸的資料將由目標裝置確認，如果在指定的時間內未收到確認資訊，資料將被重發。
監控服務質量。
會話層
會話層（Session Layer）是OSI模型的第5層，是使用者應用程式和網路之間的介面，主要任務是：向兩個實體的表示層提供建立和使用連線的方法。將不同實體之間的表示層的連線稱為會話。因此會話層的任務就是組織和協調兩個會話程序之間的通訊，並對資料交換進行管理。
使用者可以按照半雙工、單工和全雙工的方式建立會話。當建立會話時，使用者必須提供他們想要連線的遠端地址。而這些地址與MAC（介質訪問控制子層）地址或網路層的邏輯地址不同，它們是為使用者專門設計的，更便於使用者記憶。域名（DN）就是一種網路上使用的遠端地址例如：www.3721.com就是一個域名。會話層的具體功能如下：
會話管理：允許使用者在兩個實體裝置之間建立、維持和終止會話，並支援它們之間的資料交換。例如提供單方向會話或雙向同時會話，並管理會話中的傳送順序，以及會話所佔用時間的長短。
會話流量控制：提供會話流量控制和交叉會話功能。
定址：使用遠端地址建立會話連線。l
出錯控制：從邏輯上講會話層主要負責資料交換的建立、保持和終止，但實際的工作卻是接收來自傳輸層的資料，並負責糾正錯誤。會話控制和遠端過程呼叫均屬於這一層的功能。但應注意，此層檢查的錯誤不是通訊介質的錯誤，而是磁碟空間、印表機缺紙等型別的高階錯誤。
表示層
表示層（Presentation Layer）是OSI模型的第六層，它對來自應用層的命令和資料進行解釋，對各種語法賦予相應的含義，並按照一定的格式傳送給會話層。其主要功能是“處理使用者資訊的表示問題，如編碼、資料格式轉換和加密解密”等。表示層的具體功能如下：
資料格式處理：協商和建立資料交換的格式，解決各應用程式之間在資料格式表示上的差異。
資料的編碼：處理字符集和數字的轉換。例如由於使用者程式中的資料型別（整型或實型、有符號或無符號等）、使用者標識等都可以有不同的表示方式，因此，在裝置之間需要具有在不同字符集或格式之間轉換的功能。
壓縮和解壓縮：為了減少資料的傳輸量，這一層還負責資料的壓縮與恢復。
資料的加密和解密：可以提高網路的安全性。

應用層
應用層（Application Layer）是OSI參考模型的最高層，它是計算機使用者，以及各種應用程式和網路之間的介面，其功能是直接向用戶提供服務，完成使用者希望在網路上完成的各種工作。它在其他6層工作的基礎上，負責完成網路中應用程式與網路作業系統之間的聯絡，建立與結束使用者之間的聯絡，並完成網路使用者提出的各種網路服務及應用所需的監督、管理和服務等各種協議。此外，該層還負責協調各個應用程式間的工作。
應用層為使用者提供的服務和協議有：檔案服務、目錄服務、檔案傳輸服務（FTP）、遠端登入服務（Telnet）、電子郵件服務（E-mail）、列印服務、安全服務、網路管理服務、資料庫服務等。上述的各種網路服務由該層的不同應用協議和程式完成，不同的網路作業系統之間在功能、介面、實現技術、對硬體的支援、安全可靠性以及具有的各種應用程式介面等各個方面的差異是很大的。應用層的主要功能如下：
使用者介面：應用層是使用者與網路，以及應用程式與網路間的直接介面，使得使用者能夠與網路進行互動式聯絡。
實現各種服務：該層具有的各種應用程式可以完成和實現使用者請求的各種服務。

OSI7層模型的小結
由於OSI是一個理想的模型，因此一般網路系統只涉及其中的幾層，很少有系統能夠具有所有的7層，並完全遵循它的規定。
在7層模型中，每一層都提供一個特殊的網路功能。從網路功能的角度觀察：下面4層（物理層、資料鏈路層、網路層和傳輸層）主要提供資料傳輸和交換功能，即以節點到節點之間的通訊為主；第4層作為上下兩部分的橋樑，是整個網路體系結構中最關鍵的部分；而上3層（會話層、表示層和應用層）則以提供使用者與應用程式之間的資訊和資料處理功能為主。簡言之，下4層主要完成通訊子網的功能，上3層主要完成資源子網的功能。

以下是TCP/IP分層模型
┌────——────┐┌─┬─┬─-┬─┬─-┬─┬─-┬─┬─-┬─┬─-┐
　　│　　　　　　　　││Ｄ│Ｆ│Ｗ│Ｆ│Ｈ│Ｇ│Ｔ│Ｉ│Ｓ│Ｕ│　│
　　│　　　　　　　　││Ｎ│Ｉ│Ｈ│Ｔ│Ｔ│Ｏ│Ｅ│Ｒ│Ｍ│Ｓ│其│
　　│第四層，應用層　││Ｓ│Ｎ│Ｏ│Ｐ│Ｔ│Ｐ│Ｌ│Ｃ│Ｔ│Ｅ│　│
　　│　　　　　　　　││　│Ｇ│Ｉ│　│Ｐ│Ｈ│Ｎ│　│Ｐ│Ｎ│　│
　　│　　　　　　　　││　│Ｅ│Ｓ│　│　│Ｅ│Ｅ│　│　│Ｅ│它│
　　│　　　　　　　　││　│Ｒ│　│　│　│Ｒ│Ｔ│　│　│Ｔ│　│
　　└───────——─┘└─┴─┴─-┴─┴─-┴─┴─-┴─┴─-┴─┴-─┘
　　┌───────—–─┐┌─────────——-┬──——–─────────┐
　　│第三層，傳輸層　││　　　ＴＣＰ　　　│　　　　ＵＤＰ　　　　│
　　└───────—–─┘└────────——-─┴──────────——–─┘
　　┌───────—–─┐┌───—-──┬───—─┬────────——-──┐
　　│　　　　　　　　││　　　　　│ＩＣＭＰ│　　　　　　　　　　│
　　│第二層，網間層　││　　　　　└──—──┘　　　　　　　　　　│
　　│　　　　　　　　││　　　　　　　ＩＰ　　　　　　　　　　　 │
　　└────────—–┘└────────────────────————-─-┘
　　┌────────—–┐┌─────────——-┬──────——–─────┐
　　│第一層，網路介面││ＡＲＰ／ＲＡＲＰ　│　　　　其它　　　　　│
　　└────────——┘└─────────——┴─────——–──────┘
　　　　　　 TCP/IP四層參考模型

　　TCP/IP協議被組織成四個概念層，其中有三層對應於ISO參考模型中的相應層。ICP/IP協議族並不包含物理層和資料鏈路層，因此它不能獨立完成整個計算機網路系統的功能，必須與許多其他的協議協同工作。
　　TCP/IP分層模型的四個協議層分別完成以下的功能：
　　第一層:網路介面層
　　包括用於協作IP資料在已有網路介質上傳輸的協議。實際上TCP/IP標準並不定義與ISO資料鏈路層和物理層相對應的功能。相反，它定義像地址解析協議(Address Resolution Protocol,ARP)這樣的協議，提供TCP/IP協議的資料結構和實際物理硬體之間的介面。
　　第二層:網間層
　　對應於OSI七層參考模型的網路層。本層包含IP協議、RIP協議(Routing Information Protocol，路由資訊協議)，負責資料的包裝、定址和路由。同時還包含網間控制報文協議(Internet Control Message Protocol,ICMP)用來提供網路診斷資訊。
　　第三層:傳輸層
　　對應於OSI七層參考模型的傳輸層，它提供兩種端到端的通訊服務。其中TCP協議(Transmission Control Protocol)提供可靠的資料流運輸服務，UDP協議(Use Datagram Protocol)提供不可靠的使用者資料報服務。
　　第四層:應用層
　　對應於OSI七層參考模型的應用層和表達層。因特網的應用層協議包括Finger、Whois、FTP(檔案傳輸協議)、Gopher、HTTP(超文字傳輸協議)、Telent(遠端終端協議)、SMTP(簡單郵件傳送協議)、IRC(因特網中繼會話)、NNTP（網路新聞傳輸協議）等，這也是本書將要討論的重點