内容简介
- 前言
- 如何通信
- OSI 七层模型
- 总结
1. 前言
上一课，我们初步了解了互联网的一点历史，也体会到了互联网的重要性。
这一课我们就来学习：OSI 七层模型。
上一课说到，2019 年全球有近 44 亿网民，大约每 2 人里就有一人使用互联网，互联网的规模已经是超乎想象般宏大。
你也许会问：
- 我们怎么实现在这么多的机器之间通信呢 ？
- 怎么才能不在这“数据的迷宫”里失去方向呢 ？
不用担心，我们一起来学习，以期待找到问题的答案。
首先我们来理解互联网是怎么创建的，以及使用什么规范来很好地组织这么多信息。
2. 如何通信
设想一下，假如你可以在任何时候和任何人通信，岂不是很棒 ？是的，这就是互联网的初衷。
平时，当我们身处一个 10 人小组，会感到表达自己的观点有些困难。如果是 100 人，就更困难。假如有 1000 人，那几乎就听不到你说话了。
但是互联网就是要向不可能挑战，要能够做到：在任何时刻，同时和任何人通信。
当然了，要达到这个目的，必须要建立一个复杂的通信系统，使得各台机器之间能够相互对话。
但是这样的一个通信模型如何构建呢？
我们可以从最熟悉的通信方式开始理解。
来盘点一下一般的通信方式吧：
- 说话
- 打电话
- 邮件
- 手机（通话、短信、微信等等）
- 飞鸽传书（ →_→ ）
- 等等
接下来，让我们试着来理解，在这些通信方式中，有哪些基本要素是我们通信活动所必不可少的。
在说话这种通信方式里，我们需要：
- 说话者
- 听话者
- 传声媒介（空气）
打电话的方式，跟说话是类似的，但我们还需要一个在说话和电子学之间的中介。
实际上，我们要把说话的声音转成电信号，电信号通过电话线等传播介质到达接收者那一端，然后转为声音被听见。在这里有一个信息的封装。
我们可以举邮件的例子来看一下这个封装信息的系统，在邮件收发时我们需要：
- 寄件人
- 收件人
- 传播介质（信）
- 容器（信封）
- 中介（邮局）
是不是慢慢能理解我们通信需要什么条件了？
那么问题又来了：
- 我们对电脑也能这样应用吗？
- 怎么才能让大家可以同时发出讯息呢？
- 我们能够即时和地球另一端的某人通信吗？
接下来我们就看一下网络的先驱者们如何把人类通信的原理“应用”到电脑的通信中。
他们把所有研究的成果重组，创立了一个标准，所有连到互联网的人都要遵守，这个标准就是：OSI 七层模型。
3. OSI 七层模型
OSI 七层模型，听上去是不是很帅？这个标准诞生在 1984 年，只比我早了 3 年出生（不小心暴露了自己的年龄…）。
聪明如你也许已经注意到了：这个标准比互联网的出现晚了很久。
原因很简单：
OSI 七层模型是在人们有了不少机器之间通信的经验之后才能够诞生的。因此这个标准不仅能够适用于现有的通信，也适用于将来的通信及其可能的演进。它的目的是使通信标准化，以保证机器最大化的演进潜力和协同工作能力。
听起来很不错，但是到底 OSI 七层模型是什么啊？
OSI 七层模型是一个标准，规定了机器（主要是电脑）之间如何通信。因此假如你想要让你的洗碗机和洗衣机通信的话，就需要遵从 OSI 模型，或者至少从 OSI 模型获得启发。这意味着需要遵从分层的通信方式。
这里的层（“层”的英语是 layer）又是什么呢？
OSI 模型是一个分层的模型，就是说它分为几个部分，每一部分称为一层，每一层扮演固定的角色，就如下图所示：
上图中，我们可以看到 OSI 有 7 层，每一层名字都不一样。从下到上分别是：
- Physical layer（物理层）
- Data Link layer（数据链路层）
- Network layer（网络层）
- Transport layer（传输层）
- Session layer（会话层）
- Presentation layer（表示层）
- Application Layer（应用层）
暂时对这些名称有点懵是正常的。但请放心，我们慢慢学习。
关于如何巧记这 7 层，有一个小口诀：
All People Seem To Need Data Processing
翻译成英语是“似乎所有人都需要数据处理”。这一句话由七个英语单词组成，每一个的首字母正好是按第 7 层到第 1 层的首字母的顺序。
当然，除了这句话，也有人想出其它有意思的小口诀来帮助记忆 OSI七层模型。刚才那句话是从第 7 层到 第 1 层的顺序，有人想出下面的这句话，是从第 1 层到第 7 层的：
Please Do Not Throw Sausage Pizza Away
翻译成英语是“请不要扔掉香肠比萨”。这一句话由七个英语单词组成，每一个的首字母正好是按第 1 层到第 7 层的首字母的顺序。
好吧，你也可以自己想出喜欢的记忆方式。我个人还是比较喜欢第一个句子，毕竟提到了 data processing（数据处理），跟我们的 OSI 模型还比较贴合。
看到这里你也许又会发问：“为什么 OSI 模型是 7 层，不是 17 层或者 250 层？”
还记得之前提到的吗？
我们知道：如果要通信，需要有固定数目的组分，比如 发送者，接收者，语言等等。
网络的先驱者们设计了用于构建通信系统的主要元素，他们发现数目定为 7 最合适（“好吧，你厉害你说什么都对…”）。OSI 的每一层都有特定的分工，这 7 层合起来就可以使一台机器和另一台通信。
下面我们来看一下这 7 层各自的细节：
第 1 层或者物理层（Physical layer）：
- 名字：物理层
- 作用：为通信提供传播媒介
- 辅助作用：没有
- 相关设备：集线器（也就是常说的 Hub）
第 2 层或者数据链路层（Data Link layer）：
- 名字：数据链路层
- 作用：使局域网中的机器互相连接
- 辅助作用：侦测传输错误
- 相关设备：交换机（也就是常说的 Switch）
第 3 层或者网络层（Network layer）：
- 名字：网络层
- 作用：使各个网络相互连接
- 辅助作用：分割传输的数据包
- 相关设备：路由器（也就是常说的 Router）
第 4 层或者传输层（Transport layer）：
- 名字：传输层
- 作用：管理应用程序的连接
- 辅助作用：保证连接的有效建立
- 相关设备：没有
第 5 层或会话层（Session layer）：
- 我们不在乎！
是的，你没有看错：我们不在乎第 5 层。
在第 4 层以上的，除了第 7 层，我们都不在乎。当然了，我也有些夸大。但是第 5 层和第 6 层不在本课程考虑范围之内。
原因很简单：
OSI 七层模型是一个理论模型，今天的互联网使用的实际模型是 TCP/IP 模型，而后者不使用 OSI 的第 5 层和第 6 层，因此我们无视它们。
好，我想你应该理解了。当然了，第 7 层我们需要考虑。其实正是为了这第 7 层上的应用程序我们才大费周章，构建这个模型。
是的，第 7 层就是“老大”，是“终极 Boss”，就得伺候着，就是这么任性…
第 7 层或者应用层（Application layer）：
- 名字：应用层
- 作用：没有
- 辅助作用：没有
- 相关设备：代理（也就是常说的 Proxy）
什么？第 7 层竟然没有作用！那“伺候”它干嘛？说白了，这一层就是展示我们构建通信架构所要服务的所有应用程序。
因此，我们会把重心放在提供服务和引导数据传递的第 1 - 4 层，当然第 7 层也会花时间去讲。其实，还有一种说法是把 1 - 4 层合称为“网络层”。因为正是这 4 层负责引导数据从一台机器传递到另一台机器，以供机器上的属于第 7 层的应用程序使用。
在深入理解这 4 层之前，很有必要提一下使用 OSI 模型的两个原则：
- 每一层都是相对独立的；
- 每一层只能和相邻的层通信。
1. 每一层都是相对独立的：
其所产生的影响是某一层所用的信息不能被另一层使用。例如，对于某些有一定网络知识的读者来说，应该知道 IP 地址是属于第 3 层的，就不能被另外的层所使用。
这样规定的好处是可以方便通信方式的变革。
想象一下，今天你使用互联网，虽然你可能并不了解它的原理，但实际上你使用的是第 3 层的 IPv4（Internet Protocol Version 4，互联网协议第四版）这个协议。未来，我们将从 IPv4 演进到 IPv6（互联网协议第六版。相比第四版的 32 位地址空间，可以达到 128 位地址空间）。这时，假如我们除了第 3 层以外，在另一些层中也用到了 IPv4，那我们除了要改第 3 层的协议，我们也要改其它凡是用到 IPv4 协议的层，就会很麻烦。
保持各层的相对独立性可以使得我们改换一层所关联的协议时，无需更改其它的层。
2. 每一层只能和相邻的层通信：
为了理解这个原则，我们必须了解机器是怎么利用 OSI 模型来通信的。
想象以下场景：
你坐在电脑前，打开你的浏览器。你在浏览器的地址栏里输入一个网址，按下回车键，那个网站就出现了。
虽然你并不知情，但其实你就在使用 OSI 模型。
大体来说，位于 OSI 第 7 层的应用程序（此处是浏览器），与第 1 - 4 层（合称“网络层”）对话，以便这 4 层把机器上的应用程序所要的信息从远端的机器上（比如 google.com 的服务器）传输过来。
在一个传输过程中，我们会跨越 OSI 模型的各层，从上到下：
由此可见，多亏了第 2 个原则，我们能保证在信息的传输过程中，OSI 模型的各层都会被跨越，也就保证每一层的作用都能得到实现。当然了，差不多是这样。因为实际上对于互联网，OSI 模型是一个理论模型，第 7 层其实是跳过 5、6 层而直接和底下 4 层通信的。所以是 7 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 。
4. 总结
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OSI 七层模型是一个规范，其规定了机器之间如何通信；
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OSI 模型是一个理论模型，互联网实际使用的是 TCP/IP 模型；
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OSI 模型有 7 层；
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每一层都有一个特定的作用；
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第 1 - 4 层合称为“网络层”；
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每一层相对独立；
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每一层只能和相邻的层通信；
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当传输数据时，我们从 OSI 的最上层遍历到最下层；在另一个机器那里，则是相反的方向，从最下层到最上层。