深入理解OSI网络模型（1）-Intro&物理层

 

目录

1. Intro&物理层
2. 数据链路层
3. 网络层
4. 传输层
5. 详解TCP/IP
6. DNS
7. 详解HTTP
8. LVS／Nginx 负载均衡

Intro

作为程序员，我们往往只关注OSI模型的上层应用部分；编写的接口通常都是Restful接口或者直接用TCP传输完整对二进制内容，很少了解底层原理，这就导致遇到网络问题时不知如何下手，无法分析出问题的本质；也造成了很多误解。本文将带你自底向上了解网络传输对原理，OSI模型中对每一层负责什么功能。

首先要推荐Ben Eater的这个视频教学：Networking tutorial ，从底层到应用讲的极为清楚，看了这个系列视频使我对网络基础恍然大悟。本文很多内容都是视频里所讲解的。他的其他视频例如8-bit计算机的原理，也非常精彩！

常见误区

首先说一个最常见的误解，例如我们经常看到这样的图：

这个图本身是讲OSI模型的对等性，每一层发送的数据，以相同层去接收的时候，获得的数据是一模一样的。但是我们可能会误以为每一层与每一层是独立交互互不影响的，其实不然，每一层在发送或接收数据时都是调用了下一层一协议。

OSI模型如同我们做项目时把庞大的项目分项目分模块一样，是把网络传输这种复杂的功能分成了不同层，每一层完成不同粒度的功能，每一层提供统一接口供上层调用。这么做让不同层对协议可以互相兼容，有了规范就可以实现很好对复用了。

例如我们在浏览器里输入一个网址，完成的调用过程是这样的：浏览器把我们的地址封装成一个HTTP（7层）报文->HTTP调用TCP建立TCP连接（4层）-> TCP调用IP协议，把目标地址加到IP协议（3层）头上->IP协议调用Ethernet协议，把目标的MAC地址加到Ethernet协议（2层）头上->Ethernet协议调用网卡的硬件接口，把二进制数据写入网卡（1层）->网卡根据所接的网络速度，把二进制数据变成可以在网线上传输的数字信号，发给目标机器。

而服务器的网卡（1层）接收到数字信号，解析成二进制数据，逐层向上传递，上层逐层解析。最后服务器的HTTP服务（7层）拿到了请求，将用户需要的内容回发给用户（又是一次完整的从7层至1层调用，从1层至7层解析的过程）。

 

也就是说，我们理解OSI模型时，需要按如下这种图理解：

 

推荐一个完整的OSI模型涉及协议的图（图片来源：http://www.colasoft.com.cn/download/protocols_map.php）

 

请在新标签中看大图

 

好啦，下面我从物理层开始，逐层讲一下每一层负责什么，每一层的协议是如何解决传输问题的。

物理层

物理层解决的是最基本的二进制传输问题

例如小明要给小丽传输一个字符‘A’，如何传递呢？

我们都知道计算机使用的是数字信号，只有1和0，而1和0在计算机里是用高电平（可理解为有电）和低电平（可理解为没电）表示。例如小明在一个屋子里，有一个开关，可以控制另一个屋子里的灯泡；小明按下开关，导线通电，小丽所在的屋子里灯泡亮了，这就可以用来表示1，小明松开开关，小丽看到灯泡灭了，表示了0。这样小明就能给小丽传输1和0了。

计算机传递数字信号也是一样的道理，只要通过导线传递高低电平就可以了。

为了解决文字用二进制数据的表示，产生了ASCII码，A用ASCII码表示成二进制的值是：01000001

计算机发送数字信号，传输‘A’的过程，如果我把导线高电平和低电平的随时间变化用画成图来表示，就是如下这样子：

但是如果计算机收到来这个信号，他是否能成功解析成01000001呢？

不好说，因为很容易把同样的信号解析成0100001：

丢了一个0！

异步串口协议

第一种方案：为了解决这个问题，前辈们发明了时钟这个概念；例如速率为115200b/s的数据传输协议，每一位数据的周期约为8.6uf，在接收端使用与发送端相同的频率接收，即可获得完整的数据。（这就是异步串口协议AsyncSerial）

右侧的是串口卡，通常用来调试嵌入式设备，比如老式的摩托罗拉手机。左侧是逻辑分析仪，可以捕获数字信号。

如图我用串口芯片发送了一个‘A’，与ASCII码对应，传输速率（Sample Rate）是11520bit／s（新标签看大图）

但是网络传输速率很快，我们平时接触到的最慢网卡速率也是10Mb/s的，每一位的信号占用100ns的时间（100Mb/s网卡一位用10ns，我们现在电脑的标配有线网卡都是1000Mb/s的，也就是每一位传输用1ns），在这么快的速度，两个计算机的时间稍有误差一点点，数据就不对了！

同步串口协议

第二种方案，添加一条单独的时钟线。时钟线每一个采样发送一个由低电平到高电平的脉冲，接收端在收到时钟线的脉冲的同时去读数据线，这时数字线如果是高电平就是1，低电平就是0。这种方案在高速传输时是没有问题的。如下图所示：

第一条线是时钟，第二条线在此处忽略，第三条线便是数据，每次时钟触发读数据的操作。此处不详细解释这个协议。

那么这种方案可以用于网络传输码？答案依然是否定的，因为由于网络传输距离很长，几百米是常事，并且速率很高，由于线材的电容和电感会导致信号相位产生变化，也一样会导致数据传输错误。

物理层协议10BASE-T

而实际在网络传输过程中，物理层协议10BASE-T（10M网卡）规定所定义的编码方式是曼彻斯特编码，曼彻斯特编码把时钟和信号合在了一起，使用高到低的电平跳变表示1，用低到高的电平跳表表示0，实际信号是这个样子的：

视频中用示波器捕获网线上的发送线信号，物理层协议T568B（即我们平时用的网线，里面有八根线），橙和橙白是一对，用来数据发送。种协议数据里自带频率，网卡可以很准确对识别出数据。

信号的起始是这样的：

这时我们根据曼彻斯特编码来解析这段信号：

这样0和1组成的二进制数据就完美的传输了。

百兆协议100base-t使用4B/5b编码，千兆协议1000BASE-T使用8B/10B编码，更适合高速传输，在此处不再详细描述了。

所以说物理层所定义的不仅是物理设备，网线里有几个芯，网线头什么尺寸。最主要定义的是怎么保证二进制数据稳定传输。物理层定义的内容会直接在网卡里由硬件实现，网卡芯片向上对数据链路层提供完整对二进制数据，数据链路层不需要考虑10M／100M／1000M／光线网卡具体怎么传输二进制，一个数据链路层协议接哪一种物理层协议都是兼容的，因为接口是固定的，即二进制数据。

下节课讲数据链路层Ethernet协议，我再讲这一连串的1和0代表着什么。

thanks   ：）

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