OSI七层模型详解：从物理层到应用层的网络通信原理
OSI七层模型详解：从物理层到应用层的网络通信原理
OSI（开放系统互连参考模型）是理解计算机网络工作原理的重要框架。本文详细介绍了OSI模型的七层结构及其功能，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。通过阅读本文，读者可以全面了解每一层的功能、数据传输方式以及相关的技术细节。
物理层
物理层负责将比特（0和1的二进制）通过不同媒介（如电线、光纤、无线电）传输出去。数据从网络接口出去后，会经过不同的网络拓扑结构（总线型、星型、环型、树状、网状）。在中途网络传输过程中，需要中继器和集线器对数据信号进行重新发送或转发，以扩大网络传输距离。
数据链路层
数据链路层将比特封装成帧，并在封装时加上MAC地址（物理地址）。全球的物理地址都是唯一的，每个网卡都有独立的MAC地址。通过MAC地址可以对不同设备进行数据传输，例如二层交换机内部有MAC地址映射表，通过映射表可以知道接收端的MAC地址。
交换机常用传输模式
- 全双工：同一时间可以同时收发数据，例如双行道、打电话。
- 半双工：同一时间只能收数据或发数据，例如单行道、对讲机。
- 全双工/半双工自适应。
交换机常用数据流传递技术
- 单播：主机之间“一对一”的通讯模式，对数据进行定向发送。
- 组播：源主机向多个目标主机发送数据，将目标主机进行分组，发送的地址就是组播组的地址，这样该组的主机都可以接收到发送的数据。
- 广播：源主机将数据发送给局域网中所有的主机，包括源主机自己。
- 泛洪：源主机将数据发送给局域网中所有的主机，不包括源主机自己。
网络层
网络层使用IP逻辑地址进行寻址和路由。数据将被封装成包，路由器根据包中的IP地址进行路由转发。在同一网络下，每个设备必须拥有唯一的IP地址，不允许冲突。不同网络间设备不受此限制。通常在网络传输中，通过DNS域名解析定位到具体目标内网。
传输层
传输层负责服务器间端口到端口的网络传输，数据被封装成段。传输层有两种主要的传输方式：
- 可靠传输TCP（面向连接）：数据传输前建立可靠的三次握手连接，数据传输完毕后进行四次挥手关闭连接。当数据传输过程中发生数据丢包时，会进行重传，保证数据无差错且完整地发送至目标主机。适用场景包括文件和网页传输等。
- 不可靠传输UDP（面向无连接）：传输速度快，不考虑对方是否已经收到，只管数据发送。适用场景包括实时的语音和视频传输（TCP传输速度慢，无法做到实时，而UDP即使视音频传输过程中发生丢包掉帧也不影响正常使用）。
会话层
会话层主要负责建立、维护和管理会话（Session）。会话是指在两个或多个通信实体之间进行的一次完整的通信过程。当数据传输中出现问题导致数据传输中断时，会话层会记录当前同步点，之后基于当前同步点继续开始数据传输，从而减少数据的重复传输量，提高效率。基于会话层还可以实现流量控制。
表示层
表示层负责对数据的编码和解码，数据加密（例如HTTPS协议），还可以实现数据压缩。数据压缩分为无损压缩（例如zip）和有损压缩（例如mp3, jpeg），使得不同系统之间能够正确地理解和处理数据的格式。
应用层
应用层是直接面向用户的，主要涉及各种应用程序和服务。常见的HTTP协议用于网络数据交互。OSI模型的前三层（物理层、数据链路层、网络层）主要负责数据传输，数据传输格式为报文。