前言：

最近一个项目用到了SmartLink配网， 涉及到了UDP的广播和组播，所以就想着回顾总结了下ISO参考模型的相关知识。

OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互连。 一般都叫OSI参考模型，是ISO组织在1985年研究的网络互连模型。

该体系结构标准定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层），所以我们也称作OSI七层模型。

这些模型中的每一层都为下一层提供服务，通过分层的方式，网络互联模型简化了网络设计和故障排除的过程。

数据在各层的形式叫PDU（Protocol Data Unit， 协议数据单元），每层有不同的称呼和封装方式。

• 应用层（Application Layer）​​​​​​​​​​​​​​

功能：为用户和网络应用程序提供各种网络服务，如文件传输、电子邮件、远程登录等，这部分协议主要是规定应用软件如何去进行通信的。

协议：HTTP（Hypertext Transfer Protocol）、FTP（File Transfer Protocol）、SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）、DNS（Domain Name System）等。

数据单元名称：报文/数据（Data），一般指完整的信息，格式由应用程序定义，如HTTP请求、SMTP邮件等。

• 表示层（Presentation Layer）

功能：对数据进行表示和转换，确保数据在应用层之间的传输具有一致性。这包括数据的加密、解密、压缩、解压缩以及数据格式的转换等。

协议：MIME（Multipurpose Internet Mail Extensions）、ASCII（American Standard Code for Information Interchange）等。

• 会话层（Session Layer）

功能：负责建立、管理和终止会话，以及同步不同设备上的应用程序之间的对话。

协议：会话层通常不单独使用协议，而是利用其他层次提供的服务来实现其功能。

• 传输层（Transport Layer）

功能：提供端到端的通信连接，确保数据的可靠传输，实现流量控制和差错控制。

协议：TCP（Transmission Control Protocol，提供可靠传输）、UDP（User Datagram Protocol，提供无连接不可靠传输）等。

TCP数据单元名称：报文段（Segment）， 包括TCP头部和数据部分，TCP头部包含源端口、目标端口、序列号、确认号等控制信息。如果应用层数据长度超过了TCP最大分段长度（MSS, Maximum Segment Size），则会进行分段。由于网络层基于链路MTU（最大传输单元，通常是1500字节），会将数据分为若干分片进行传输，因此为了避免在网络层可能的IP分片，MSS值通常会设置为略小于MTU的值，以确保分段后的数据段不用再分片就可以传输了。

UDP数据单元名称：数据报（Datagram），包括UDP头部和数据部分，UDP头部包含源端口、目标端口、数据报长度、校验和等控制信息。

有时候，我们会把传输层的数据单元统称为数据段，但请注意，这个术语可能在不同的上下文中具有不同的含义。例如，在操作系统或内存管理的上下文中，“数据段”通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。

• 网络层（Network Layer）

功能：负责数据包的路由选择和转发，实现不同网络之间的通信，同时提供拥塞控制和分片等功能。

协议：主要是IP协议（Internet Protocol，互联网协议，它定义了IP数据包的格式和寻址方式），以及其他如ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议）、IGMP（Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议）等辅助协议。

数据单元名称：数据包/IP包（Packet），对于IPv4，数据包包括IPv4头部和数据部分。IPv4头部包含版本、头部长度、总长度、TTL（生存时间）、协议类型、源IP地址、目标IP地址等字段。对于IPv6，数据包的格式有所不同，但总体结构类似。

IP分片：如果IP头信息加上数据报文后的长度大于链路MTU，就会对数据进行分片，使每一片的长度都小于或等于MTU，在IP头部有四个字节标识分片信息，这些分片会在目标系统中进行重组。需要注意的是，IP分片可能会带来一些问题。例如，由于IP层没有超时重传机制，如果某个分片在传输过程中丢失，那么整个数据报文都需要重传，这可能会降低传输效率。因此，在可能的情况下，应该尽量避免IP分片的发生。

• 数据链路层（Data Link Layer）

功能：在物理层的基础上，建立、维护和管理数据链路，提供数据帧的封装/解封装、差错控制和流量控制等功能。

协议：以太网（Ethernet）、点对点协议（PPP）、高级数据链路控制（HDLC）等。

数据单元名称：数据帧（Frame），帧通常包括帧头、数据部分和帧尾。帧头和帧尾包含必要的控制信息，如同步信息、地址信息、差错控制信息等。数据部分则包含来自网络层的IP包报文。不同的数据链路层协议（如以太网、PPP等）可能有不同的帧格式。

• 物理层（Physical Layer）

功能：处理物理信道上传输的原始比特流，包括比特流的同步、传输和物理接口的相关特性。

协议：不涉及具体的协议，但包括线缆规范、集线器、中继器、网桥、调制解调器等硬件设备。

数据单元名称：数据位/比特流（Bit），没有特定的格式。

虽然OSI模型在理论上被广泛讨论，理解它的层次结构有助于我们更深入地理解网络通信，但在实际网络环境中，TCP/IP四层模型更为常见和实用，也是事实上的工业标准，有时也表述为TCP/IP协议栈。

如下图所示的两种模型的对应关系(最下面是第一层)：

有了上面的基本概念，我们通过UDP和TCP通信的实际应用，来认识OSI参考模型每一层的主要作用。

这里特别说明一下，会话层和表示层的功能并不像理论模型中那样明显，特别是在TCP/IP四层模型中被合并到了应用层，所以例子中都省略了这两层。另外为了方便描述，这里不考虑数据段分段和IP分片，假设每次通信用户数据报文只需要一个IP包就可以发完。 

UDP通信

发送方发送字符串 "Hello,Wolrd"

应用层：

将用户的数据（有效载荷）封装成应用层协议数据单元，并传给下一层。在应用层我们一般会使用DiagramSocket进行发送和接收，DiagramSocket是一个抽象层，它位于应用层和传输层之间，为应用程序提供了一套接口。

传输层：

传输层负责建立、维护和终止端到端的连接。对于UDP协议，连接是无连接的，即不建立专门的通信链路。

接收来自应用层的数据，并为这些数据添加UDP头部信息（8字节），包括源端口号、目的端口号、长度和校验和等。

将封装好的UDP数据报传递给网络层。

网络层：

接收来自传输层的UDP数据报后，添加IP头部信息，包括源IP地址、目标IP地址、生存时间（TTL）等。

源IP地址通常是发送数据的主机的网络接口卡（NIC）的IP地址，由主机自动处理的，不需要用户干预，如果主机有多个网络接口和IP地址，操作系统通常会根据路由表和特定的策略来选择使用哪个IP地址作为源IP地址。

目标IP是如何获取呢？按照理论模型，应用层不会将目标IP传递到传输层，也就传递不到网络层，但是在实现程序中会传入了目标IP和目标端口，比如在创建socket的时候需要传入目标IP和目标端口。所以只要有socket句柄，就能获取到目标IP。

将封装好的IP数据包传递给数据链路层。

数据链路层：

接收来自网络层的IP数据包后，添加帧头部和尾部信息。

帧头部信息包括源MAC地址、目标MAC地址等。帧尾部通常包含校验和等信息。

将帧数据传递给物理层。

物理层：

物理层是OSI模型中的最低层，负责将来自数据链路层的帧转换为适合在传输介质上传输的比特流。

数据封装过程：

接收方

当UDP数据包到达目标主机时，上述过程在接收方以相反的顺序进行。

物理层：

接收比特流并将其组装为数据帧(根据数据帧中的控制信息和校验信息来判断接收是否完成)，然后传递给数据链路层。

数据链路层：

处理帧信息(一般只会接受目标MAC地址是本地MAC的数据帧)，去除帧头和帧尾后将解析到的IP数据包传递给网络层。

网络层：

处理IP头部信息，检查其中的目标IP地址是否是发送给本机的，如果是则继续将解析出的UDP数据报递给传输层。

传输层：

处理UDP头部信息，报头中包括源端口号，找到该端口对应的应用程序，然后将数据部分交给应用程序来处理数据。

应用层：

应用程序根据协议处理数据，读取到了"Hello,Wolrd"字符串。

经过上述过程，用户数据已经从发送方传输到了目标主机。

我们应该也注意到了在网络通信中传输数据报文时，数据链路层使用的是目标主机的MAC地址，而不是其IP地址。

那这个MAC地址是如何获取到的呢？

ARP（Address Resolution Protocol， 址解析协议）

ARP协议是一个在TCP/IP协议栈中用于解析IP地址到MAC地址的协议。虽然在功能上跨越了网络层和数据链路层，但我认为更适合将其归类为数据链路层的一部分，因为它直接涉及到MAC地址的解析和使用，而MAC地址是数据链路层的关键组成部分。

ARP协议的工作原理：

当源设备需要获取目标设备的MAC地址时，会先在自己的ARP缓存表中查找IP对应的MAC。ARP缓存表记录了之前解析过的IP地址和MAC地址映射关系。

如果没有找到，那么它会发送一个ARP请求广播到局域网中的所有设备，问这个IP地址是谁的。目标设备收到ARP请求后，会检查请求中的IP地址是否与自己的IP地址匹配。如果匹配，目标设备就会将自己的MAC地址封装在一个ARP响应报文中，并发送给源设备。

源设备收到ARP响应后，会将目标IP地址和MAC地址的映射关系存储在ARP缓存表中，以便后续使用。然后，源设备就可以根据目标设备的MAC地址发送数据包了。

TCP通信

TCP 和上面的UDP有几个关键区别：

1.连接性

TCP是面向连接的协议，在发送数据之前，必须首先建立连接（三次握手），并在数据发送完毕后关闭连接（四次挥手）。

UDP则是无连接的协议，它不需要建立连接就可以直接发送数据。

2.可靠性

TCP提供可靠的数据传输服务。它确保数据按序、可靠地传输到目的端。如果数据在传输过程中丢失或损坏，TCP会负责重传，比如发出了报文段，然后一定时间内没有收到ACK确认，就会重传。

UDP不保证数据的可靠传输。它不提供数据排序、确认或重传机制，因此UDP通常用于那些不需要可靠传输的应用，如实时多媒体流或DNS查询。

3.头部开销

TCP的头部开销较大，因为它需要更多的字段来确保数据的可靠传输（如序列号、确认号、窗口大小等）。

UDP的头部开销较小，只有8个字节（包括源端口、目的端口、长度、校验和）。

4.传输效率

由于TCP需要建立连接、确认和重传等机制，因此其传输效率相对较低。

UDP没有这些机制，因此其传输效率更高，延迟更小，但也可能导致数据丢失或乱序。

5.流控制和拥塞控制

TCP具有流控制和拥塞控制机制。流控制用于防止发送方发送过多数据导致接收方缓冲区溢出，而拥塞控制则用于防止网络拥塞。

具体来说，TCP在发送端会预留一个发送窗口，表示发送端可以不断发送数据。在接收端接收数据并发回确认报文之前，发送端不会停止发送数据。当接收端收到数据后，会发回一个带有ACK的确认报文，并在报文中告知当前可用的接收窗口大小。发送端在收到这个确认报文后，会根据接收窗口的大小来调整自己的发送窗口，从而控制发送数据的速率。

UDP没有这些机制。

所以，只要是需要可靠传输的场合，都采用TCP通信。

相对UDP而言， TCP还是比较复杂的，在开始分析TCP报文在OSI网络模型中的传输过程之前，有必要先了解一些TCP协议的核心知识。

TCP报文段数据结构

TCP头部 (20字节) + TCP数据

序列号（seq）： 

发送数据时，用来标记报文段的顺序，TCP把连接中发送的所有数据字节都编上一个序号，第一个字节的编号由本地随机产生；给字节编上序号后，就给每一个报文段指派一个序号；序列号就是这个报文段中的第一个字节的数据编号。 序列号会随着发送的字节而增加。

确认号（ack）：

期待收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号。序列号表示报文段携带数据的第一个字节的编号，而确认号指的是期望接收到下一个报文段的第一个字节的编号。

因此当前报文段最后一个字节的编号+1即为确认号（比如序号是1000， 数据长度为100个字节，那么ack就为1000+100=1100）。 仅当控制位ACK=1时，确认号字段才有效，即。(注意：为了防止混淆确认号和ACK，一般确认号写作ack，而控制位ACK就写作ACK)

主要作用是解决丢包问题。当接收端收到一个数据段时，它会回复一个ACK（确认）数据段给发送端来确认接收。这个确认号通常是接收端已经接收到的数据的下一个字节的序号。发送端收到这个确认消息后，可以认为序号小于确认号的所有数据都已经被正常接收。

控制位:  

SYN位为1时表示这是一个连接请求，仅在三次握手过程中有效；

ACK位为1表示确认号字段有效，说明接收方成功收到了当前序号的数据，并期待从发送端接收的下一个字节的序号；

RST位为1是重新连接；

FIN位为1 是结束连接；

因为 TCP 是面向连接的，因此需要双方维护连接的状态，这些状态位的包会引起双方的状态变更。

窗口大小：TCP 要做流量控制，需要通信双方各声明一个窗口，标识自己当前的处理能力。

建立TCP连接

建立连接的三次握手示意图：

TCP服务器创建传输控制块TCB，进入监听LISTEN状态，准备接收请求。

第一次握手：客户端——请求（发送请求SYN)

客户端创建传输控制块TCB，进入监听LISTEN状态。

设置序列号seq=x，x是随机序列号。

设置SYN=1，表示这是握手报文。

发送报文段到服务器，此时客户端处于同步已发送（SYN-SENT）状态。

第二次握手：服务器——确认（发送应答SYN-ACK)

设置序列号seq=y，y是服务器端的随机系列号，接收端在回复ACK时，其序列号会是其接下来要发送的数据的序列号（如果接收端也要发送数据的话）。对于ACK本身来说，序列号不是重点。

设置ack=x+1，表示已收到客户端x之前的数据，希望下次数据从x+1开始。

设置ACK=1，表示确认应答。

设置SYN=1，表示握手报文。

发送报文段到客户端，此时服务器处于同步已接收（SYN-RCVD）状态

第三次握手：客户端——确认服务器的确认 （发送应答ACK)

设置ack=y+1，表示已收到服务器发来的序列号为seq=y的报文段，希望下次数据从y+1开始。

设置seq=x+1，表示接着上一个数据的字节序号seq=x继续发送。

设置ACK=1，表示确认应答

发送报文段到服务器，至此三次握手结束，连接建立。

TCP通信中OSI各层作用

发送方通过TCP发送"Hello,Wolrd"字符串

应用层：

将用户的数据（有效载荷）封装成应用层协议数据单元，并传给下一层。在应用层我们一般会使用Socket进行发送和接收，Socket是一个抽象层，它位于应用层和传输层之间，为应用程序提供了一套接口。

传输层：
创建TCP连接(三次握手)， 并维护和终止TCP连接。

接收来自应用层的数据，进行数据分段（前文有说过分段规则）、添加TCP头部信息（包括源端口、目标端口、序列号、确认号等）等操作，以确保数据能够按照正确的顺序到达目的地，并处理丢失或损坏的数据包，如重传。

将封装好的TCP报文段传递给网络层。

网络层、数据链路层、物理层就和UDP几乎一样了，所以此处我们省略。

接收方

当TCP数据包到达目标主机时，上述过程在接收方以相反的顺序进行。

在物理层、数据链路层、网络层的处理也和UDP一样，此处也省略， 直接看传输层。​​​​​​​

传输层：

从网络层接收数据包后，根据TCP协议进行数据包的组装、排序和重传等操作（发送方如果发送的数据被分段了，就会有多个数据包，到达接收方的顺序可能是错乱的）。

当收到的数据完整且正确后，找到报头中源端口对应的应用程序，然后将数据部分交给应用程序来处理数据。

应用层：

应用程序根据协议处理数据，读取到了"Hello,Wolrd"字符串。

 

在TCP/IP四层模型中，并没有一个独立的会话层来直接管理TCP连接。虽然TCP连接是由传输层的TCP协议管理的，但实际中通常由应用层协议（如HTTP）通过TCP协议来建立、管理和终止会话。