第2章 - 网络分层模型

嗨，朋友！上一章我们了解了什么是计算机网络，这一章我要带你揭开网络分层的神秘面纱。

说实话，很多人一听到"OSI 七层模型"就头大，觉得这东西太抽象、太难理解。但其实，网络分层就像寄快递一样简单！我用一个生活中的例子，保证让你一听就懂。

🤔 为什么要分层？

寄快递的例子 📦

假设你要给远在北京的朋友寄一个礼物，整个过程是这样的：

你（发件人）
    ↓ ① 打包礼物，写收件人信息
快递员上门取件
    ↓ ② 送到本地快递站
本地快递站
    ↓ ③ 分拣，送到转运中心
转运中心
    ↓ ④ 装车，运输到北京
北京转运中心
    ↓ ⑤ 分拣，送到目标快递站
北京快递站
    ↓ ⑥ 派件员送货上门
朋友（收件人）
    ↓ ⑦ 拆包，拿到礼物

你发现没有？整个快递过程被分成了多个步骤，每个步骤有不同的人负责，互不干扰：

  • 你只需要打包，不需要知道快递怎么运输
  • 快递员只负责取件，不需要知道礼物是什么
  • 转运中心只负责运输，不需要知道收件人是谁

这就是分层的好处：职责清晰，互不干扰，易于维护和升级。

网络分层的道理一样！

计算机网络也是这样：

  • 应用层：就像你打包礼物（准备数据）
  • 传输层：就像快递公司（保证送达）
  • 网络层：就像物流路线（找到最佳路径）
  • 数据链路层：就像具体的运输工具（火车、飞机、汽车）
  • 物理层：就像实际的道路（光纤、网线、无线信号）

🏛️ OSI 七层模型

OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）是国际标准化组织（ISO）制定的一个网络分层标准，把网络分成了 7 层。

OSI 七层模型图解

┌─────────────────────────┐
│  7. 应用层 (Application) │  ← 用户直接接触的层（浏览器、邮件）
├─────────────────────────┤
│  6. 表示层 (Presentation)│  ← 数据格式转换（加密、压缩）
├─────────────────────────┤
│  5. 会话层 (Session)     │  ← 建立和管理会话
├─────────────────────────┤
│  4. 传输层 (Transport)   │  ← 端到端的数据传输（TCP、UDP）
├─────────────────────────┤
│  3. 网络层 (Network)     │  ← 路由选择（IP 地址）
├─────────────────────────┤
│  2. 数据链路层 (Data Link)│  ← 相邻节点传输（MAC 地址）
├─────────────────────────┤
│  1. 物理层 (Physical)    │  ← 比特流传输（电信号、光信号）
└─────────────────────────┘

记忆口诀 🎯

从下往上记：物数网传会表应
从上往下记：应表会传网数物

更有趣的记法：Please Do Not Throw Sausage Pizza Away
(Physical、Data Link、Network、Transport、Session、Presentation、Application)

各层详解

1. 物理层（Physical Layer）⚡

作用：负责传输原始的比特流（0 和 1）

类比：快递运输的"道路"

设备：网线、光纤、集线器（Hub）、中继器

举例：

  • 网线传输电信号
  • 光纤传输光信号
  • WiFi 传输无线电波
数据: Hello
转成二进制: 01001000 01100101 01101100 01101100 01101111
物理层: 通过电信号或光信号传输这些 0 和 1

2. 数据链路层（Data Link Layer）🔗

作用：在相邻的两个节点之间可靠地传输数据

类比：快递的"运输工具"（汽车、火车、飞机）

设备：交换机（Switch）、网卡、网桥

关键技术：

  • MAC 地址（设备的物理地址）
  • 帧（Frame）
  • 差错检测

举例：

数据链路层给数据加上"信封"：

┌──────────────────────────┐
│ 目标MAC地址 | 源MAC地址   │  ← 信封（帧头）
├──────────────────────────┤
│      数据内容             │  ← 信件内容
├──────────────────────────┤
│      校验码               │  ← 防止传输错误
└──────────────────────────┘

3. 网络层（Network Layer）🌐

作用：负责数据包从源地址到目的地址的路由和转发

类比：快递的"路线规划"

设备：路由器（Router）

关键技术：

  • IP 地址（网络地址）
  • 路由选择
  • 数据包（Packet）

举例：

你在上海，朋友在北京：

路由器：分析目标 IP 地址 → 选择最佳路径
路径1: 上海 → 南京 → 北京（500公里）
路径2: 上海 → 西安 → 北京（1000公里）
选择路径1（更短、更快）

4. 传输层（Transport Layer）🚚

作用：提供端到端的可靠数据传输

类比：快递的"物流公司"（保证送达）

协议：TCP、UDP

关键技术：

  • 端口号（区分不同应用）
  • 流量控制
  • 差错控制

举例：

TCP（可靠传输）：
发送方: "我发了第1个包"
接收方: "收到第1个包"
发送方: "我发了第2个包"
接收方: "收到第2个包"
→ 确保每个包都送达

UDP（不可靠传输）：
发送方: "我发了包，你收不收到我不管"
→ 速度快，但可能丢包

5. 会话层（Session Layer）🤝

作用：建立、管理和终止会话

类比：快递的"订单管理"

功能：

  • 会话的建立
  • 会话的维持
  • 会话的终止

举例：

你登录网站的过程：

1. 建立会话：输入用户名密码
2. 维持会话：保持登录状态（Session/Cookie）
3. 终止会话：点击退出登录

6. 表示层（Presentation Layer）🎨

作用：数据格式转换、加密解密、压缩解压

类比：快递的"包装方式"

功能：

  • 数据加密/解密
  • 数据压缩/解压
  • 格式转换

举例：

加密：
原始数据: "password123"
加密后: "a4f8d9e2b1c7..."

压缩：
原始大小: 10MB 的图片
压缩后: 2MB 的图片

7. 应用层（Application Layer）📱

作用：为用户提供网络服务

类比：快递的"寄件服务"（你直接接触的部分）

协议：HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS

举例：

浏览器访问网站：
1. 你在浏览器输入 www.baidu.com
2. 应用层使用 HTTP 协议
3. 发送请求给百度服务器
4. 接收响应并显示网页

📡 TCP/IP 四层模型

虽然 OSI 七层模型很完善，但实际应用中，TCP/IP 四层模型更常用。它把 OSI 的七层简化成了四层：

OSI 七层                 TCP/IP 四层
┌──────────────┐        ┌──────────────┐
│  7. 应用层    │        │              │
├──────────────┤        │  应用层       │
│  6. 表示层    │   →    │  (Application)│
├──────────────┤        │              │
│  5. 会话层    │        │              │
├──────────────┤        ├──────────────┤
│  4. 传输层    │   →    │  传输层       │
├──────────────┤        │  (Transport)  │
├──────────────┤        ├──────────────┤
│  3. 网络层    │   →    │  网络层       │
├──────────────┤        │  (Internet)   │
├──────────────┤        ├──────────────┤
│  2. 数据链路层│        │  网络接口层    │
├──────────────┤   →    │  (Network     │
│  1. 物理层    │        │   Interface)  │
└──────────────┘        └──────────────┘

TCP/IP 四层详解

层次名称功能协议示例
第4层应用层用户应用程序HTTP、FTP、DNS、SMTP
第3层传输层端到端通信TCP、UDP
第2层网络层路由选择IP、ICMP、ARP
第1层网络接口层硬件传输以太网、WiFi

🌟 数据封装过程（重要！）

当你在浏览器访问网站时，数据是如何一层层封装的？

发送数据的过程

┌─────────────────────────────────────┐
│  你在浏览器输入 www.example.com       │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  应用层: 生成 HTTP 请求                │
│  GET / HTTP/1.1                      │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  传输层: 加上 TCP 头部                 │
│  [TCP头部] + HTTP请求                 │
│  包含源端口、目标端口                  │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  网络层: 加上 IP 头部                  │
│  [IP头部] + [TCP头部] + HTTP请求      │
│  包含源IP地址、目标IP地址              │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  数据链路层: 加上帧头部和帧尾          │
│  [帧头] + [IP头] + [TCP头] + 数据 + [帧尾] │
│  包含源MAC地址、目标MAC地址            │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  物理层: 转成 0 和 1 的比特流          │
│  010101010101...                     │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
         通过网线/WiFi传输

接收数据的过程（反向解封装）

         通过网线/WiFi接收
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  物理层: 接收比特流                   │
│  010101010101...                     │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  数据链路层: 去掉帧头部和帧尾          │
│  检查MAC地址，校验数据                │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  网络层: 去掉 IP 头部                 │
│  检查IP地址，确定是发给自己的          │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  传输层: 去掉 TCP 头部                │
│  确认端口号，交给对应的应用程序        │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│  应用层: 解析 HTTP 响应               │
│  浏览器显示网页内容                   │
└─────────────────────────────────────┘

🎯 实际应用案例

案例1：浏览器访问网站（前端视角）

// 前端发送 HTTP 请求
fetch('https://api.example.com/users')
  .then(response => response.json())
  .then(data => console.log(data));

// 背后的分层过程：
// 应用层: HTTP 请求（GET /users）
// 传输层: TCP 连接（端口 443）
// 网络层: 找到服务器 IP 地址
// 数据链路层: 通过网卡发送
// 物理层: 网线或 WiFi 传输

案例2：Node.js 服务器（后端视角）

const express = require('express');
const app = express();

// 监听端口 3000（传输层）
app.listen(3000, () => {
  console.log('服务器运行在 3000 端口');
});

// 处理 HTTP 请求（应用层）
app.get('/users', (req, res) => {
  res.json({ message: 'Hello' });
});

// 背后的分层过程：
// 物理层: 接收网络信号
// 数据链路层: 解析帧
// 网络层: 检查 IP 地址
// 传输层: 检查端口 3000
// 应用层: Express 处理 HTTP 请求

案例3：运维配置防火墙

# 配置防火墙规则（网络层 + 传输层）

# 允许 80 端口（HTTP）
iptables -A INPUT -p tcp --dport 80 -j ACCEPT

# 允许 443 端口（HTTPS）
iptables -A INPUT -p tcp --dport 443 -j ACCEPT

# 禁止其他所有入站连接
iptables -A INPUT -j DROP

这些规则工作在：

  • 网络层：检查 IP 地址
  • 传输层：检查 TCP 协议和端口号

📊 各层对比表

层次OSI模型TCP/IP模型数据单位关键设备关键协议
7应用层应用层消息-HTTP、FTP、DNS
6表示层应用层消息-SSL、JPEG
5会话层应用层消息-RPC、SQL
4传输层传输层段/数据报网关TCP、UDP
3网络层网络层数据包路由器IP、ICMP
2数据链路层网络接口层帧交换机、网桥以太网、WiFi
1物理层网络接口层比特集线器、网线-

💡 长安的学习建议

  1. 理解最重要 - 不要死记硬背七层的名字，理解每层的作用
  2. 记住核心的 - TCP/IP 四层模型在实际工作中更常用
  3. 联系实际 - 想想你平时发 HTTP 请求，背后经历了哪些层
  4. 画图加深理解 - 试着自己画一遍数据封装的过程

📝 小结

这一章我们学习了：

✅ 为什么要分层：职责清晰、易于维护
✅ OSI 七层模型：物数网传会表应
✅ TCP/IP 四层模型：应用层、传输层、网络层、网络接口层
✅ 数据封装过程：一层层加头部，一层层去头部
✅ 实际应用：前端、后端、运维都在使用分层模型

🎯 下一步

现在你已经理解了网络分层，但是网络层的 IP 地址到底是什么？怎么用？下一章我们会详细讲解！

继续学习第3章：IP 地址详解 →

💪 练习题

  1. 用自己的话解释一下，为什么计算机网络要分层？
  2. 当你在浏览器输入网址按回车，数据会经过哪些层？
  3. TCP 协议工作在哪一层？HTTP 协议工作在哪一层？
答案提示

  1. 为什么要分层？

    • 降低复杂度：每层只关注自己的职责
    • 易于维护：某一层出问题，不影响其他层
    • 易于升级：可以替换某一层的技术，而不影响其他层
    • 便于标准化：不同厂商可以按照标准实现

  2. 数据经过的层次（从上到下）：

    • 应用层：浏览器生成 HTTP 请求
    • 传输层：TCP 协议建立连接
    • 网络层：IP 协议寻址和路由
    • 数据链路层：封装成帧
    • 物理层：转成比特流传输

  3. 协议所在层次：

    • TCP 协议：传输层
    • HTTP 协议：应用层
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Contributors: 王长安