7层网络协议

排查网络问题时，最常用的思路就是分层定位：网线通不通、IP 能不能 ping 通、端口有没有监听、应用返回了什么。这套思路的源头就是 OSI 七层模型。这里把七层各自解决的问题过一遍，作为自己的备忘。

先说为什么要分层。网络通信要处理的事情太多：信号怎么在介质上传输、出错了怎么办、跨网络怎么找到对方、应用之间怎么约定数据格式。把这些问题按职责切开，每一层只依赖下一层提供的服务，只向上一层暴露接口，各层就可以独立设计和替换。OSI 模型把整个过程切成七层，从下往上依次是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

物理层

解决两个硬件之间怎么通信的问题，常见的物理媒介有光纤、电缆、中继器等。它主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。

它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后在转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。

换句话说，物理层只关心电气特性和机械特性——电压多高算 1、接口长什么样、一秒能传多少比特，完全不理解传的内容是什么。网卡的物理接口、集线器都工作在这一层。

数据链路层

在计算机网络中由于各种干扰的存在，物理链路是不可靠的。该层的主要功能就是：通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。

它的具体工作是接收来自物理层的位流形式的数据，并封装成帧，传送到上一层；同样，也将来自上层的数据帧，拆装为位流形式的数据转发到物理层。这一层的数据叫做帧。

封装成帧之后，才有了"一段数据从哪开始、到哪结束"的边界，也才能在帧尾附加校验字段做差错检测，收到坏帧直接丢弃。这一层用 MAC 地址标识同一链路上的设备，以太网、交换机都工作在这一层，所以交换机也常被叫作二层设备。

网络层

计算机网络中如果有多台计算机，怎么找到要发的那台？如果中间有多个节点，怎么选择路径？这就是路由要做的事。

该层的主要任务就是：通过路由选择算法，为报文（该层的数据单位，由上一层数据打包而来）通过通信子网选择最适当的路径。这一层定义的是IP地址，通过IP地址寻址，所以产生了IP协议。

和链路层的区别在于作用范围：MAC 地址只在同一段链路内有效，IP 地址则是全网寻址。数据包每经过一个路由器，链路层的帧会被拆掉重新封装，但 IP 层的源地址和目的地址一路保持不变。要注意 IP 协议本身是"尽力而为"的——它只负责把包往目的地送，不保证送到、不保证顺序，可靠性问题留给上层解决。路由器就是典型的三层设备。

传输层

当发送大量数据时，很可能会出现丢包的情况，另一台电脑要告诉是否完整接收到全部的包。如果缺了，就告诉丢了哪些包，然后再发一次，直至全部接收为止。

简单来说，传输层的主要功能就是：监控数据传输服务的质量，保证报文的正确传输。

传输层还解决了另一个问题：IP 地址只能定位到一台主机，但一台主机上跑着很多进程，数据到底交给谁？答案是端口号，IP 加端口才能定位到具体的进程。这一层最有名的两个协议就是 TCP 和 UDP：TCP 面向连接，靠确认、重传、流量控制来保证可靠；UDP 无连接，不保证可靠但开销小，适合对时延敏感、丢一点也无所谓的场景。

会话层

虽然已经可以实现给正确的计算机，发送正确的封装过后的信息了。但我们总不可能每次都要调用传输层协议去打包，然后再调用IP协议去找路由，所以我们要建立一个自动收发包，自动寻址的功能。于是会话层出现了：它的作用就是建立和管理应用程序之间的通信。

它负责的是会话的建立、维持和终止——通信双方从"开始对话"到"结束对话"的整个过程由它管理。

表示层

表示层负责数据格式的转换，将应用处理的信息转换为适合网络传输的格式，或者将来自下一层的数据转换为上层能处理的格式。

典型的工作包括字符编码转换、数据的加密解密和压缩解压。两台机器内部表示数据的方式可能不同，表示层保证一方发出的数据在另一方能被正确理解。

应用层

应用层是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口，其功能是直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。

我们平时打交道最多的协议都在这一层：浏览网页的 HTTP、传文件的 FTP、发邮件的 SMTP、做域名解析的 DNS。

和 TCP/IP 模型的关系

OSI 是概念模型，实际互联网用的协议栈是 TCP/IP。TCP/IP 通常划成四层：网络接口层对应 OSI 的物理层和数据链路层，网际层对应网络层，传输层对应传输层，而会话层、表示层、应用层被合并成一个应用层。这也是为什么实际协议里很少见到独立的会话层、表示层协议——它们的职责大多由应用层协议或应用程序自己承担了。

踩坑与注意

1）各层数据单位容易记混：物理层是比特，数据链路层是帧，网络层是包（报文），传输层是段。排错和面试都常用到。

2）设备和层的对应关系值得记住：集线器工作在物理层，交换机工作在数据链路层，路由器工作在网络层。"二层交换机""三层交换机"的叫法就是从这里来的。

3）判断一个协议属于哪一层，看它解决的是什么问题，而不是望文生义。比如 DNS 虽然是基础设施，但它是应用层协议；ARP 做的是 IP 到 MAC 的映射，工作在网络层和链路层之间。

提示

按层定位问题的顺序可以固定下来：先看物理连通（网线、网卡灯），再看链路和 IP（ping 网关、ping 目标），再看传输层（端口是否监听、防火墙是否放行），最后看应用本身的日志。逐层排除比乱试快得多。

小结

七层模型的核心是职责分离：每一层只解决一类问题，向上提供服务，向下使用服务。物理层传比特，链路层保证一段链路可靠，网络层负责全网寻址和路由，传输层保证端到端的传输质量，上面三层则服务于应用本身。理解了每层解决什么问题，再看具体协议就知道它该放在哪里、排错时该从哪层查起。