2、OSI参考模型与TCP/IP模型

一、标准化组织

为了实现厂商之间的互操作，就需要标准化组织制订相应的通信标准，让各个厂商按照标准去执行，常见的标准化组织如下。

IETF：负责开发和推广互联网协议（特别是构成TCP/IP协议族的协议）的志愿组织，通过RFC发布新的或者取代老的协议标准。
IEEE：IEEE制定了全世界电子、电气和计算机科学领域30%左右的标准，比较知名的有IEEE 802.3、IEEE 802.11等。
ISO：在制定计算机网络标准方面，ISO是起着重大作用的国际组织，如OSI模型，定义于ISO/IEC 7498-1。

二、网络参考模型

1、OSI模型

OSI模型，由国际化标准组织ISO收录在ISO7489标准中并于1984年发布。OSI参考模型又被称为七层模型，由下至上依次为。

物理层：在设备之间传输比特流，规定了电平、速度和电缆针脚等物理特性。
数据链路层：将比特组合成字节，再将字节组合成帧，使用链路层地址（以太网使用MAC地址）来访问介质，并进行差错检测。
网络层：定义逻辑地址，供路由器确定路径，负责将数据从源网络传输到目的网络。
传输层：提供面向连接或非面向连接的数据传递以及进行重传前的差错检测。
会话层：负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。
表示层：提供各种用于应用层数据的编码和转换功能，确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。
应用层：OSI参考模型中最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务。

2、TCP/IP参考模型

因为OSI协议栈比较复杂，且TCP和IP两大协议在业界被广泛使用，所以TCP/IP参考模型成为了互联网的主流参考模型。

三、TCP/IP参考模型简介

1、物理层

数据到达物理层之后，物理层会根据物理介质的不同，将数字信号转换成光信号、电信号或者是电磁波信号。物理层的PDU被称为比特流，物理层位于模型的最底层，负责比特流在介质上的传输，规范了线缆、针脚、电压、接口等物理特性规范。常见的传输介质有：双绞线、光纤、电磁波等。

双绞线，当今以太网最常见的传输介质，按照抗电磁干扰能力还可以分为，STP屏蔽双绞线和UTP非屏蔽双绞线。
光纤传输，按照功能部件可分为光纤和光模块。光纤：光传输介质，简单的说，就是一根玻璃纤维，用于约束光传输的通道。光模块：将电信号与光信号互转的器件，产生光信号。
串口电缆在WAN中大规模使用，根据WAN线路类型不同，串口电缆在设备上连接的接口类型也不同：异/同步串口、ATM接口、POS接口、CE1/PRI接口等。
无线信号的传输可以通过电磁波进行，例如：无线路由器将数据通过调制以电磁波发送出去，移动终端的无线网卡将电磁波解调，得到数据，完成从无线路由器到移动终端的数据传输。

2、数据链路层

数据链路层位于网络层和物理层之间，可以向网络层的IP、IPv6等协议提供服务。数据链路层的PDU被称为Frame（帧），以太网是最常见的数据链路层协议。数据链路层位于网络层和物理层之间，向网络层提供“段内通信”。负责组帧、物理编址、差错控制等功能。常见的数据链路层协议有：以太网、PPPoE、PPP等。如图，A和B通过串行链路互联，此时组成了一个P2P网络，在一条链路上只有两台设备，所以A发送的数据B一定可以收到，P2P网络接入能力不强。

如图，为了确保四台PC能够互相通信，对于PC1来讲就需要有三个网口跟其他PC互联，PC的网口不能无限增加，如果新加一台PC5，PC5还需要拉四根线到其他的四台PC上，不利于扩展布线难度很大。为了解决这个问题，就可以将四台PC都拉一根网线到交换机上，交换机上的网口数量非常多，提供了超强的接入能力，接到同一台交换机上的PC就可以互相通信了，同时也解决了P2P网络接入能力弱的问题，此时PC和交换机组成的网络就是以太网。

如图，四台PC都接到了一台交换机上组成一个二层网络，为了实现PC1发送的数据包仅被PC2收到，不被PC3/PC4收到，可以通过mac地址实现。每台PC的网卡都有一个唯一的mac地址，mac地址用于二层网络通信，对于交换机来讲，会形成一张mac地址表用于报文的转发。mac地址由48比特（6个字节）长，12位的16进制数字组成。例如：48-A4-72-1C-8F-4F。如图，当PC1访问PC2时，PC1发送的报文会封装二层头部，二层头部有两部分组成，一个是源mac，标识数据是谁发的，一个是目的mac，标识数据是发给谁的。报文的smac A-A-A dmac B-B-B，当报文到了交换机上，交换机根据目的mac查mac地址表进行报文的转发，确保报文只让PC2收到，其他PC是收不到的。

3、网络层

网络层则负责数据从一台主机到另外一台主机之间的传递，网络层的PDU被称为Packet（包）。网络层为网络中的设备提供逻辑地址、负责数据包的寻径和转发，常见协议如IPv4，IPv6、ICMP，IGMP等。对于交换机来讲，mac地址表的形成需要流量的触发，比如PC1访问PC2，交换机会学习数据包的smac，将PC1的mac关联在1口上，然后根据dmac查mac地址表，因为交换机还没有学习到PC2的mac，交换机针对未知mac地址泛洪处理，此时PC2/PC3/PC4都会收到，但是只有PC2才会给PC1回复，因为dmac是发给PC2的，又不是发给PC3/PC4的，这时交换机才会从2口学习到PC2的mac地址。根据交换机的工作机制，如果让所有的PC都接到交换机上，通过mac地址进行通信的话，会造成资源的浪费。为了避免这种情况，就通过路由器进行隔离，将一个大的二层网络划分成多个小的二层网络，二层网络和二层网络之间的通信使用IP地址。

如图，当PC1访问PC3时，如果只封装数据链路层头部smac A-A-A dmac C-C-C，AR1收到数据包，因为dmac不是我，AR1直接将数据包丢弃。此时就需要额外封装网络层头部data | smac A-A-A dmac E-E-E | sip 192.168.1.1 dip 192.168.2.1，SW1根据dmac将报文发给AR1。AR1发现dmac是发给我的，就继续解封装看网络层头部，发现dip为192.168.2.1不是发给我的，根据dip查路由表从1口发出并重新封装二层，data | smac F-F-F dmac C-C-C | sip 192.168.1.1 dip 192.168.2.1。SW2根据dmac将报文发给PC3，PC3发现dmac是发给我的，就继续解封装看网络层头部，发现dip为192.168.2.1是发给我的，就继续解封装看到具体的数据。数据包在传递的过程中sip和dip是不会变的，但是每经过一个二层网络都会重写二层，因为mac地址只在二层网络内部生效。交换机转发数据包的依据就是mac地址表，路由器转发数据包的依据就是路由表，路由表的生成方式后续讨论。

4、传输层

传输层协议定义了通信两端之间是否需要建立可靠的连接关系，如果需要那么传输层就需要封装TCP的头部，如果不需要就封装UDP的头部。

对于PC1来讲，我怎么保证发出的数据包PC3一定收到了，此时额外封装一个TCP的头部，通过TCP的三次握手机制建立端到端的可靠连接，通过TCP头部中的Sequence number和Acknowledgement number，确保可靠性和有序性。

5、应用层

当PC3收到数据包之后，为了判断交给自己哪个应用程序去处理，PC1发出的数据包还需要额外封装一个应用层头部，如果封装的应用层头部是HTTP，那么PC3就交给自己的WEB浏览器去处理，如果封装的应用层头部是DNS，那么PC3就交给自己的DNS程序去处理。

四、数据通信的过程

1、发送方数据封装

假设你正在通过网页浏览器访问华为官网，当你输入完网址，敲下回车后，计算机内部会发生下列事情。

发送方为数据添加HTTP的应用层头部，此处省略。
再添加TCP的传输层头部提供可靠性。
再添加IP网络层头部，用于三层转发。
再添加数据链路层头部，用于二层转发。还会添加一个FCS字段，用于完整性的校验。
封装完毕之后，会将数据传递到物理层。
根据物理介质的不同，物理层负责将数字信号转换成电信号，光信号，电磁波（无线）信号等。
转换完成的信号在网络中开始传递。

2、中间网络数据传输

封装好的完整数据，将会在网络中被传递。网络中的二层设备（如以太网交换机）只会解封装数据的二层头部，根据二层头部的信息进行相应的“交换”操作。网络中的三层设备（如路由器）只会解封装到三层头部，并且根据三层头部的信息进行相应的“路由”操作。

3、接收方数据解封装

经过中间网络传递之后，数据最终到达目的服务器。根据不同的协议头部的信息，数据将被一层层的解封装并做相应的处理和传递，最终交由WEB服务器上的应用程序进行处理。