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OSI 七层模型


我们一般使用的网络数据传输由下而上共有七层,分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层,也被依次称为 OSI 第一层、第二层、⋯⋯、 第七层。


如下图:


 

各层功能简介


▶1.物理层(Physical Layer)

　　

物理层位于 OSI 参考模型的最低层,它直接面向原始比特流的传输。


为了实现原始比特流的物理传输,物理层必须解决好包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声等在内的一系列问题。


另外,物理层标准要给出关于物理接口的机械、 电气、功能和规程特性,以便于不同的制造厂家既能够根据公认的标准各自独立地制造设备,又能使各个厂家的产品能够相互兼容。


▶2.数据链路层(Data Link Layer)

　　

在物理层发送和接收数据的过程中,会出现一些物理层自己不能解决的问题。


例如, 当两个节点同时试图在一条线路上发送数据时该如何处理?节点如何知道它所接收的数据是否正确?如果噪声改变了一个分组的目标地址,节点如何察觉它丢失了本应收到的分组呢?这些都是数据链路层所必须负责的工作。

　　

数据链路层涉及相邻节点之间的可靠数据传输,数据链路层通过加强物理层传输原始比特的功能,使之对网络层表现为一条无错线路。


为了能够实现相邻节点之间无差错的数据传送,数据链路层在数据传输过程中提供了确认、差错控制和流量控制等机制。


▶3.网络层(Network Layer)

　　

网络中的两台计算机进行通信时,中间可能要经过许多中间结点甚至不同的通信子网。 网络层的任务就是在通信子网中选择一条合适的路径,使发送端传输层所传下来的数据能 够通过所选择的路径到达目的端。

　　

为了实现路径选择,网络层必须使用寻址方案来确定存在哪些网络以及设备在这些网络中所处的位置,不同网络层协议所采用的寻址方案是不同的。


在确定了目标结点的位置后, 网络层还要负责引导数据包正确地通过网络,找到通过网络的最优路径,即路由选择。


如果子网中同时出现过多的分组,它们将相互阻塞通路并可能形成网络瓶颈,所以网络层还需要提供拥塞控制机制以避免此类现象的出现。


另外,网络层还要解决异构网络互连问题。


▶4.传输层(Transport Layer)

　　

传输层是 OSI 七层模型中唯一负责端到端节点间数据传输和控制功能的层。


传输层是 OSI 七层模型中承上启下的层,它下面的三层主要面向网络通信,以确保信息被准确有效地传输;它上面的三个层次则面向用户主机,为用户提供各种服务。

　　

传输层通过弥补网络层服务质量的不足,为会话层提供端到端的可靠数据传输服务。


它为会话层屏蔽了传输层以下的数据通信的细节,使会话层不会受到下三层技术变化的影响。但同时,它又依靠下面的三个层次控制实际的网络通信操作,来完成数据从源到目标的传输。


传输层为了向会话层提供可靠的端到端传输服务,也使用了差错控制和流量控制等机制。


▶5.会话层(Session Layer)

　　

会话层的功能是在两个节点间建立、维护和释放面向用户的连接。


它是在传输连接的基础上建立会话连接,并进行数据交换管理,允许数据进行单工、半双工和全双工的传送。会话层提供了令牌管理和同步两种服务功能。


▶6.表示层(Presentation Layer)

　　

表示层以下的各层只关心可靠的数据传输,而表示层关心的是所传输数据的语法和语义。


它主要涉及处理在两个通信系统之间所交换信息的表示方式,包括数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。


▶7.应用层(Application Layer)　


应用层是 OSI 参考模型的最高层,负责为用户的应用程序提供网络服务。


与 OSI 其他层不同的是,它不为任何其他 OSI 层提供服务,而只是为 OSI 模型以外的应用程序提供服务。包括为相互通信的应用程序或进行之间建立连接、进行同步,建立关于错误纠正和控 制数据完整性过程的协商等。应用层还包含大量的应用协议,如分布式数据库的访问、文件的交换、电子邮件、虚拟终端等。



其中物理层、数据链路层和网络层通常被称作媒体层，是网络工程师所研究的对象；

　

传输层、会话层、表示层和应用层则被称作主机层，是用户所面向和关心的内容。

  •  http协议   对应于应用层 

  •  tcp协议    对应于传输层  

  •  ip协议     对应于网络层 

 　　

三者本质上没有可比性。  何况HTTP协议是基于TCP连接的。 

 　　

TCP/IP是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输；而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。

　　

我们在传输数据时，可以只使用传输层（TCP/IP），但是那样的话，由于没有应用层，便无法识别数据内容，如果想要使传输的数据有意义，则必须使用应用层协议，应用层协议很多，有HTTP、FTP、TELNET等等，也可以自己定义应用层协议。


WEB使用HTTP作传输层协议，以封装HTTP文本信息，然后使用 TCP/IP 做传输层协议将它发送到网络上。Socket是对 TCP/IP 协议的封装，Socket 本身并不是协议，而是一个调用接口（API），通过Socket，我们才能使用TCP/IP 协议。


TCP/IP 模型


TCP/IP 模型是由美国国防部创建的,所以有时又称 DoD(Department of Defense)模型。 TCP/IP 模型分为四层,由下而上分别为网络访问层、网际层、传输层、应用层,如图所示。

　　

应该指出,TCP/IP 是 OSI 模型之前的产物,所以两者间不存在严格的层对应关系。 在 TCP/IP 模型中并不存在与 OSI 中的物理层与数据链路层相对应的部分,相反,由于 TCP/IP 的主要目标是致力于异构网络的互连,所以在 OSI 中的物理层与数据链路层相对应的部分没有作任何限定。

 

 

在 TCP/IP 模型中,网络访问层是 TCP/IP 模型的最低层,负责接收从网际层交来的 IP 数据报并将 IP 数据报通过底层物理网络发送出去,或者从底层物理网络上接收物理帧,抽出 IP 数据报,交给互联网层。


网络访问层使采用不同技术和网络硬件的网络之间能够互联, 它包括属于操作系统的设备驱动器和计算机网络接口卡,以处理具体的硬件物理接口。

　　

网际层负责独立地将分组从源主机送往目标主机,涉及为分组提供最佳路径的选择和 交换功能,并使这一过程与它们所经过的路径和网络无关。


这好比你寄信时,你并不需要知道它是如何到达目的地的,而只关心它是否到达了。TCP/IP 模型的互联网层在功能上非常类似于 OSI 参考模型中的网络层。

　　

传输层的作用与 OSI 参考模型中传输层的作用是类似的,即在源结点和目的结点的两个对等实体间提供可靠的端到端的数据通信。为保证数据传输的可靠性,传输层协议也提供了确认、差错控制和流量控制等机制。


另外,由在一般的计算机中,常常是多个应用程序同时访问网络,所以传输层还要提供不同应用程序的标识。

　　

应用层涉及为用户提供网络应用,并为这些应用提供网络支撑服务。由于 TCP/IP 将所有与应用相关的内容都有归为一层,所以在应用层要处理高层协议、数据表达和对话控制等任务。

 

OSI 模型和 TCP/IP 模型的区别



OSI 模型包括了七层,而 TCP/IP 模型只有四层。虽然它们具有功能相当的网络层、传输层和应用层,但其它层并不相同。

　　

TCP/IP 模型中没有专门的表示层和会话层,它将与这两层相关的表达、编码和会话控制等功能包含到了应用层中去完成。另外,TCP/IP 模型还将 OSI 的数据链路层和物理层包括到了一个网络访问层中。

　　

OSI 模型在网络层支持无连接和面向连接的两种服务,而在传输层仅支持面向连接的服 务。TCP/IP 模型在互联网层则只支持无连接的一种服务,但在传输层支持面向连接和无连 接两种服务。

　　

TCP/IP 由于有较少的层次,因而显得更简单,并且作为从因特网(INTERNET)上发展起来的协议,已经成了网络互连的事实标准。但是,目前还没有实际网络是建立在 OSI 七层模型基础上的,OSI 仅仅作为理论的参考模型被广泛使用。


Http和Socket连接区别


▶短连接 

连接->传输数据->关闭连接 

　

HTTP是无状态的，浏览器和服务器每进行一次HTTP操作，就建立一次连接，但任务结束就中断连接。 

　

也可以这样说：短连接是指 Socket 连接后发送后接收完数据后马上断开连接。 


▶长连接 


连接->传输数据->保持连接 -> 传输数据-> 。。。 ->关闭连接。 

　

长连接指建立 Socket 连接后不管是否使用都保持连接，但安全性较差。 


▶http的长连接  　


HTTP也可以建立长连接的，使用Connection:keep-alive，HTTP 1.1默认进行持久连接。HTTP1.1和HTTP1.0相比较而言，最大的区别就是增加了持久连接支持(貌似最新的 http1.0 可以显示的指定 keep-alive),但还是无状态的，或者说是不可以信任的。


▶什么时候用长连接，短连接？   　


长连接多用于操作频繁，点对点的通讯，而且连接数不能太多情况。每个TCP连接都需要三步握手，这需要时间，如果每个操作都是先连接，再操作的话那么处理 速度会降低很多，所以每个操作完后都不断开，次处理时直接发送数据包就OK了，不用建立TCP连接。例如：数据库的连接用长连接， 如果用短连接频繁的通信会造成 Socket 错误，而且频繁的 Socket 创建也是对资源的浪费。 


而像WEB网站的http服务一般都用短链接，因为长连接对于服务端来说会耗费一定的资源，而像WEB网站这么频繁的成千上万甚至上亿客户端的连接用短连接 会更省一些资源，如果用长连接，而且同时有成千上万的用户，如果每个用户都占用一个连接的话，那可想而知吧。所以并发量大，但每个用户无需频繁操作情况下需用短连好。 


总之，长连接和短连接的选择要视情况而定。

 

1、http连接


HTTP协议即超文本传送协议(HypertextTransfer Protocol )，是Web联网的基础，也是手机联网常用的协议之一，HTTP协议是建立在TCP协议之上的一种应用。

　　

HTTP连接最显著的特点是客户端发送的每次请求都需要服务器回送响应，在请求结束后，会主动释放连接。从建立连接到关闭连接的过程称为“一次连接”。

　　

1）在HTTP 1.0中，客户端的每次请求都要求建立一次单独的连接，在处理完本次请求后，就自动释放连接。

　　

2）在HTTP 1.1中则可以在一次连接中处理多个请求，并且多个请求可以重叠进行，不需要等待一个请求结束后再发送下一个请求。

　　

由于HTTP在每次请求结束后都会主动释放连接，因此HTTP连接是一种“短连接”，要保持客户端程序的在线状态，需要不断地向服务器发起连接请求。


通常的做法是即时不需要获得任何数据，客户端也保持每隔一段固定的时间向服务器发送一次“保持连接”的请求，服务器在收到该请求后对客户端进行回复，表明知道客 户端“在线”。若服务器长时间无法收到客户端的请求，则认为客户端“下线”，若客户端长时间无法收到服务器的回复，则认为网络已经断开。


2、Socket


Socket 是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。首先让我们通过一张图知道Socket在哪里？



▶a、套接字（Socket）概念

　　

套接字（Socket）是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种信息：连接使用的协议，本地主机的IP地址，本地进程的协议端口，远地主机的IP地址，远地进程的协议端口。

　　

应用层通过传输层进行数据通信时，TCP会遇到同时为多个应用程序进程提供并发服务的问题。多个TCP连接或多个应用程序进程可能需要通过同一个 TCP协议端口传输数据。


为了区别不同的应用程序进程和连接，许多计算机操作系统为应用程序与TCP／IP协议交互提供了套接字(Socket)接口。应用层可以和传输层通过Socket接口，区分来自不同应用程序进程或网络连接的通信，实现数据传输的并发服务。


▶b 、建立Socket连接

　　

建立 Socket 连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket。

　　

套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。

　　

服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。

　　

客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。

　　

连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

 

▶c、Socket连接与TCP连接

　　

创建Socket连接时，可以指定使用的传输层协议，Socket可以支持不同的传输层协议（TCP或UDP），当使用TCP协议进行连接时，该Socket连接就是一个TCP连接。


▶ d、Socket连接与HTTP连接

　　

由于通常情况下 Socket 连接就是TCP连接，因此 Socket 连接一旦建立，通信双方即可开始相互发送数据内容，直到双方连接断开。


但在实际网络应用中，客户端到服务器之间的通信往往需要穿越多个中间节点，例如路由器、网关、防火墙等，大部分防火墙默认会关闭长时间处于非活跃状态的连接而导致 Socket 连接断连，因此需要通过轮询告诉网络，该连接处于活跃状态。

　　

而HTTP连接使用的是“请求—响应”的方式，不仅在请求时需要先建立连接，而且需要客户端向服务器发出请求后，服务器端才能回复数据。

　　

很多情况下，需要服务器端主动向客户端推送数据，保持客户端与服务器数据的实时与同步。


此时若双方建立的是Socket连接，服务器就可以直接将数据传送给 客户端；若双方建立的是HTTP连接，则服务器需要等到客户端发送一次请求后才能将数据传回给客户端，因此，客户端定时向服务器端发送连接请求，不仅可以保持在线，同时也是在“询问”服务器是否有新的数据，如果有就将数据传给客户端。

 

tcp和udp的区别


TCP是面向连接的、传输可靠(保证数据正确性且保证数据顺序)、用于传输大量数据(流模式)、速度慢，建立连接需要开销较多(时间，系统资源)。

　　

TCP是一种流模式的协议，是面向连接的，也就是说，在连接持续的过程中，Socket 中收到的数据都是由同一台主机发出的（劫持什么的不考虑），因此，知道保证数据是有序的到达就行了，至于每次读取多少数据不关心。

　　

TCP：面向连接、传输可靠(保证数据正确性,保证数据顺序)、用于传输大量数据(流模式)、速度慢，建立连接需要开销较多(时间，系统资源)。

　　

UDP：面向非连接、传输不可靠、用于传输少量数据(数据包模式)、速度快。

　　

关于TCP是一种流模式的协议，UDP是一种数据报模式的协议，这里要说明一下，TCP是面向连接的，也就是说，在连接持续的过程中，socket 中收到的数据都是由同一台主机发出的（劫持什么的不考虑），因此，知道保证数据是有序的到达就行了，至于每次读取多少数据自己看着办。

　　

而UDP是无连接的协议，也就是说，只要知道接收端的IP和端口，且网络是可达的，任何主机都可以向接收端发送数据。这时候，如果一次能读取超过一个报文的数据，则会乱套。比如，主机A向发送了报文P1，主机B发送了报文P2，如果能够读取超过一个报文的数据，那么就会将P1和P2的数据合并在了一 起，这样的数据是没有意义的。


TCP三次握手和四次挥手


相对于SOCKET开发者，TCP创建过程和连接拆除过程是由 TCP/IP 协议栈自动创建的。因此开发者并不需要控制这个过程。但是对于理解TCP底层运作机制，相当有帮助。

　　

因此在这里详细解释一下这两个过程。


▶TCP三次握手

　　

所谓三次握手(Three-way Handshake)，是指建立一个TCP连接时，需要客户端和服务器总共发送3个包。

　　

三次握手的目的是连接服务器指定端口，建立TCP连接,并同步连接双方的序列号和确认号并交换 TCP 窗口大小信息.在 Socket 编程中，客户端执行connect()时。将触发三次握手。 



首先了解一下几个标志，SYN（synchronous），同步标志，ACK (Acknowledgement），即确认标志，seq应该是Sequence Number，序列号的意思，另外还有四次握手的fin，应该是final，表示结束标志。

　　

第一次握手：客户端发送一个TCP的SYN标志位置1的包指明客户打算连接的服务器的端口，以及初始序号X,保存在包头的序列号(Sequence Number)字段里。

　　

第二次握手：服务器发回确认包(ACK)应答。即SYN标志位和ACK标志位均为1同时，将确认序号(Acknowledgement Number)设置为客户的序列号加1以，即X+1。

　　

第三次握手：客户端再次发送确认包(ACK) SYN标志位为0，ACK标志位为1。并且把服务器发来ACK的序号字段+1，放在确定字段中发送给对方.并且在数据段放写序列号的+1。


▶tcp四次挥手

　　

TCP的连接的拆除需要发送四个包，因此称为四次挥手(four-way handshake)。客户端或服务器均可主动发起挥手动作，在socket

　　

编程中，任何一方执行close()操作即可产生挥手操作。



其实有个问题，为什么连接的时候是三次握手，关闭的时候却是四次挥手？

　　

因为当Server端收到Client端的SYN连接请求报文后，可以直接发送SYN+ACK报文。其中ACK报文是用来应答的，SYN报文是用来 同步的。


但是关闭连接时，当Server端收到FIN报文时，很可能并不会立即关闭SOCKET，所以只能先回复一个ACK报文，告诉Client端，” 你发的FIN报文我收到了”。只有等到我Server端所有的报文都发送完了，我才能发送FIN报文，因此不能一起发送。故需要四步握手。


tcpsocket和udpsocket的具体实现

　　

▶tcp和udp的socket是有区别的，这里给出这两种的设计框架


基本TCP客户—服务器程序设计基本框架

 

基本UDP客户—服务器程序设计基本框架流程图

 


常用的Socket类型有两种：流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的 Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式 Socket 是一种无连接的 Socket ，对应于无连接的UDP服务应用。


TCP/IP模型的简单解释

TCP/IP模型是互联网的基础。想要理解互联网，就必须理解这个模型。但是，它不好懂，我就从来没有搞懂过。


前几天，BetterExplained上有一篇文章，很通俗地解释了这个模型。我读后有一种恍然大悟的感觉，第一次感到自己理解了互联网的总体架构。


下面，我按照自己的理解，写一下互联网到底是怎么搭建起来的。说得不对的地方，欢迎指正。


什么是TCP/IP模型?


TCP/IP模型是一系列网络协议的总称，这些协议的目的，就是使计算机之间可以进行信息交换。

所谓”协议”可以理解成机器之间交谈的语言，每一种协议都有自己的目的。TCP/IP模型一共包括几百种协议，对互联网上交换信息的各个方面都做了规定。


TCP/IP模型的四层结构


这些协议可以大致分成四个层次，上一层的协议都以下一层的协议为基础。就像下面这张图：


从下到上的四层，分别为连接层(Link Layer)、网络层(Internet Layer)、传输层(Transport Layer)、应用层(Application Layer)。


可以这样理解它们的作用：

  • 连接层负责建立电路连接，是整个网络的物理基础，典型的协议包括以太网、ADSL等等;

  • 网络层负责分配地址和传送二进制数据，主要协议是IP协议;

  • 传输层负责传送文本数据，主要协议是TCP协议;

  • 应用层负责传送各种最终形态的数据，是直接与用户打交道的层，典型协议是HTTP、FTP等。


理解这个结构的关键，在于理解科学家在70年代设计互联网的原始目的，就是为了传输文本。所有协议最初都是为了这个目标而设计的，互联网架构的核心就是文本对话。


实例：用Telnet建立HTTP对话


为了观察文本在互联网上是如何传输的，我们做一个小实验。


第一步：在”开始”菜单中，点击”运行”命令，输入”telnet google.com 80″：


telnet命令本身就是一个应用层协议，它的作用是在两台主机间，建立一个TCP连接，也就是打开两台主机间文本传输的一个通道。


“telnet google.com 80″表示建立本机与google.com在80端口的一个文本传输通道。所谓”端口”其实是TCP协议的一个参数，用来帮助TCP协议判断对方主机传来的文本，到底使用的是哪一种应用层协议。80端口是HTTP协议的端口，就是我们平时浏览网页的端口。常见端口列表可以参考这里。


另外，与Windows 2000和Windows XP不同，Vista系统默认没有安装Telnet客户端，大家可以参考微软公司的安装说明自行安装。如果你使用的是Linux系统，那么可以直接在命令行窗口中，输入上面的命令。


第二步：打开本地显示。(非Windows系统跳过此步。)


请按以下步骤操作：在Telnet窗口中按下”Ctrl+]”;然后，输入”set localecho”命令，再连续按下两次回车键。


好了，这个时候你就可以直接同google.com主机进行对话了。


第三步：你可以试着同Google随便说句话，看看有什么反应。


我输入了”Hello World!”。


结果，Google的回答是这样的：


“400 Bad Request”说明Google看不懂你的发言。这是毫不奇怪的，因为这时你是在TCP文本通道中，进行HTTP对话。所以，你的发言必须遵守HTTP协议，这样Google才能看懂。


第四步：输入”GET / HTTP/1.1″，表示向google索要首页根文件，使用的协议是HTTP的1.1版本。


Google的回应如下：


“200 OK”表示要求数据成功。在头部信息的下面，就是google在浏览器中显示的首页文件的源代码。


总结


上面这个例子用的是HTTP协议，如果要使用其他”应用层协议”与主机进行对话，你只要改变端口就行了。比如，”telnet ftp.website.com 21″，表示用ftp协议进行对话。


所有这些对话的底层协议，都是TCP协议，因为这是负责文本传输的协议;而TCP协议又必须依靠IP协议，进行二进制数据的传输;而二进制数据的传输，离不开最底层负责网络连接的物理协议。


所以，通过这样四层的网络架构，就实现了整个互联网的通信。