网络

学习 OSI 模型的基础

逐层讲解 OSI 模型的七层：数据单元、协议、设备、常见错误、一次 HTTP 请求的旅程，以及与 TCP/IP 的对比。

· 6 分钟阅读 · 难度 初级

1. OSI 模型简介

在网络计算的早期，并没有共同的规则来约束机器之间的通信。每个厂商都有自己的专有方案。问题在于，一个厂商的方案与另一个厂商的方案并不兼容。

OSI 模型通过将通信划分为七个层次来解决这个问题。

一个开放的、经全体厂商发布并接受的模型，使得能够搭建彼此兼容的网络。

2. OSI 模型描述了什么，又不描述什么

OSI 是 Open Systems Interconnection 的缩写，中文为“开放系统互连”。它是由 ISO（国际标准化组织）发布的一个参考模型：该参考模型于 1984 年以 ISO 7498 的编号问世，现行版本可追溯至 1994 年，编号为 ISO/IEC 7498-1，由 CEI（国际电工委员会）联合签署。这份文件不提供任何软件，也不提供任何线缆：它把让两台机器通信所要完成的工作，划分为七个不同的功能，从 1（最靠近物理介质）到 7（最靠近用户程序）依次编号。

其运作原理可用两句话概括。每一层都向其上方的层提供一项精确的服务，并依托其下方那一层的服务。每一层在逻辑上与对面机器上同一层级的层对话，方法是在收到的数据前加上一个头部，有时还补上一个块尾，例如以太网帧的校验和，发往这个对等层。

  • 层：一组网络功能的集合，之所以归为一组，是因为它们处理同一类型的问题。
  • 协议：两个同级的层为相互理解而遵循的一整套规则（消息格式、交换次序、允许的取值）。
  • 头部：由某一层加在数据前面、发往对等层的控制字节。
  • PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）：某一层所处理对象的通用名称。每一层都给它一个常用名称：第 1 层是比特，第 2 层是帧，第 3 层是包，第 4 层是段（TCP）或数据报（UDP）；再往上，只笼统称为数据，第 7 层称为消息。
  • 封装：将上层数据包裹进一个新单元的动作，方向是从第 7 层向第 1 层下行。

一开始就要说明一点：OSI 模型是一个描述框架，并不是让 Internet 运转的软件协议栈。一套完整的 OSI 协议栈曾经存在，但在实践中未被采用。真正在网络上流通的是 TCP/IP 家族的协议，而它们并不总能整齐地归入某个 OSI 分格。该模型之所以仍被讲授和使用，是因为它提供了一套共同的词汇和一种有序的诊断方法。

3. 底层各层：从信号到端到端的对话

第 1 至 4 层负责传送数据。它们并不解读所传送内容的含义：它们的工作是让一串字节从一个点到达另一个点，做到无检测到的错误，并在所选协议保证时保持正确的顺序。

第 1 层——物理层（Physical）

物理层传送比特，也就是被转换为真实信号的 0 和 1：铜线上的电压、光纤中的光脉冲、无线电波。它的数据单元是比特。它还定义连接器及其针脚排布、信号的编码、介质的最大长度和传输速率。这里有双绞线电缆、RJ45 连接器、可插拔光模块、中继器和集线器（hubs）——集线器会把信号原样复制到其所有其他端口，不做任何决策。1000BASE-T（双绞线上的以太网）标准，或 IEEE 802.11 标准的无线电部分，描述的就是这一层级。

此层级常见的错误：明明是硬件故障，却去找配置问题。操作系统报告某条链路为活动状态，只能证明检测到了信号，并不能证明介质完好。一根被压扁的电缆、一个脏污的光模块，或一次失败的速率协商，会让错误计数器不断攀升，服务时好时坏。对表现异常的网络，首要的排查始终是检查介质。

链路层在接入同一本地网络的两台设备之间传送帧（frames）。它的数据单元是帧。它引入了一种寻址方式：MAC 地址（Media Access Control），以 48 位编码、用十六进制表示，写在网络接口中。它按传统被划分为两个子层，MAC 负责接入介质，LLC（Logical Link Control）负责与上层的衔接。有代表性的协议是以太网（IEEE 802.3）、Wi-Fi（IEEE 802.11）和 PPP（Point-to-Point Protocol）。有代表性的设备是交换机（switch），它会学习哪个 MAC 地址位于哪个端口之后，并只把帧发往该端口；至于广播帧，以及目的地址尚未学习到的帧，则会被原样复制到所有其他端口。帧尾包含一个 FCS（Frame Check Sequence），即校验和：若不匹配，该帧会被丢弃，而不是被修复。加入帧中的 802.1Q 标签，使得多个虚拟网络（VLAN）能够共存于同一条电缆上。

此层级常见的错误：以为目的 MAC 地址就是远端服务器的地址。当目的地位于本地网络之外时，目的 MAC 地址是出口路由器的地址，即默认网关。MAC 地址在每一跳路由器处被重写，而 IP 地址则端到端保持不变，地址转换的情况除外。IP 地址与 MAC 地址之间的对应关系，在 IPv4 中由 ARP 协议（Address Resolution Protocol）建立，在 IPv6 中由 NDP（Neighbor Discovery Protocol）建立。

# état des interfaces et de leurs adresses MAC
ip link show

# table des correspondances IP vers MAC apprises sur le réseau local
ip neigh show

第 3 层——网络层（Network）

网络层把包从一个网络传送到另一个网络：这是路由的层级。它的数据单元是包。有代表性的协议是 IP（Internet Protocol），有第 4 版和第 6 版。此处一台机器由一个 IP 地址加上一个子网掩码来标识，掩码指明地址的哪一部分表示网络、哪一部分表示机器。每台机器查询一张路由表来决定把包发往何处，并对一切非本地的目标使用其默认网关。TTL 字段（Time To Live）在每经过一个路由器时递减，从而避免一个包无休止地打转。ICMP（Internet Control Message Protocol）用于报告包所遇到的错误；它也是 ping 命令通过其回显消息所使用的协议。有代表性的设备是路由器和防火墙；路由协议 OSPF（Open Shortest Path First）和 BGP（Border Gateway Protocol）用于自动构建路由表。

此层级常见的错误：从一次 ping 得出过于宽泛的结论。有响应，只能证明存在一条通往该机器的路径、且它响应 ICMP；它并不能说明应用服务的情况。反过来，没有响应也不能证明发生了故障，因为 ICMP 常被有意过滤。第二个常见错误：子网掩码设置错误。此时机器会以为目的地就在自己的网络上，于是尝试进行 ARP 解析而不经过网关，结果永远得不到响应。

# adresses et masques configurés sur les interfaces
ip address show

# table de routage, dont la route par défaut
ip route show

第 4 层——传输层（Transport）

传输层保障两个程序之间、而不再是两台机器之间的端到端对话。它的数据单元在 TCP 中称为段，在 UDP 中称为数据报。它引入了端口的概念，即一个介于 0 到 65535 之间的编号，用来标识机器上的目标进程：正是它让同一台服务器能够同时托管多个服务。TCP（Transmission Control Protocol）通过三次握手（SYN、SYN-ACK、ACK）建立连接，对字节编号，确认已收到的内容，重传缺失的部分，把数据重新排序，并调节速率。UDP（User Datagram Protocol）不建立连接，不重传任何内容，只用一个简短的头部：它尤其被 DNS、实时语音和视频所使用，也是 QUIC 协议的承载。

此层级常见的错误：从一个开放端口就断定服务正常运行。一个接受连接的端口，表明有一个进程在监听、且网络路径未被阻断；但应用仍可能返回一个错误，或什么都不返回。另一个常见的混淆：把惯用的端口号当成一种强制规定。一个服务可以监听任何空闲端口，惯用编号只是一种约定。最后，UDP 并不是一种“质量较差”的协议：对于实时流，重传一个到达过晚的包毫无意义，此时不重传反而成了优势。

# ports en écoute, en TCP et en UDP, affichés en numérique (option -n : aucune résolution des noms de services)
ss -tuln

4. 高层各层：数据的呈现与应用层对话

第 5 层——会话层（Session）

会话层负责开启、维持、同步并关闭两个应用之间的对话。它决定由谁发言，设立恢复点以便在传输中断后重新启动而无需从头再来，并在交换结束时释放资源。它的数据单元只是笼统地称为数据。很少有协议能整齐地归入此层；通常提到的是远程过程调用 RPC（Remote Procedure Call）和 NetBIOS 会话服务。没有哪种网络设备专门工作在这一层级。

此层级常见的错误：把 OSI 意义上的会话，与某个网站的“用户会话”（那种基于 cookie 或令牌的会话）相混淆。后一种机制完全由应用管理，属于第 7 层。另一个陷阱：非要在 TCP/IP 协议栈里指定一个第 5 层协议。实际上，会话功能在其中要么由 TCP 承担，要么直接由应用承担。

第 6 层——表示层（Presentation）

表示层负责数据的形式，使发送方所写的内容能被接收方以相同方式解读，即便两台机器并不以相同方式表示数据。它涵盖字符编码（ASCII、UTF-8）、诸如 JPEG 的文件格式、诸如 ASN.1（Abstract Syntax Notation One）的序列化规则、压缩和加密。它的数据单元同样笼统地称为数据。

此层级常见的错误：以为加密只属于、且仅属于这一层。加密存在于多个层级：WPA（Wi-Fi Protected Access）在第 2 层保护无线电链路，IPsec（Internet Protocol Security）在第 3 层保护包，TLS（Transport Layer Security）在传输层之上保护数据流。TLS 在 OSI 模型中的确切归类因作者而异，在第 5、6、7 层之间存有争议，因为 TLS 是为 TCP/IP 协议栈而非 OSI 设计的。知道 TLS 保护什么，比给它安一个编号更有用。

第 7 层——应用层（Application）

应用层为程序提供其访问网络的接口，并承载有用数据。它的数据单元是消息。有代表性的协议是用于 Web 的 HTTP（HyperText Transfer Protocol）、用于将名称翻译为 IP 地址的 DNS（Domain Name System）、用于发送电子邮件的 SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）、用于收取邮件的 IMAP（Internet Message Access Protocol）、用于远程管理的 SSH（Secure Shell），以及用于文件传输的 FTP（File Transfer Protocol）。

此层级常见的错误：把第 7 层与软件本身相混淆。浏览器不是第 7 层：第 7 层是该浏览器所讲的协议，本例中即 HTTP。这一区分有直接的实际后果。所谓“第 7 层”防火墙会读取应用协议的内容，例如所请求的主机名或所使用的 HTTP 方法，而第 4 层的过滤只能看到地址和端口号。

5. 一次 HTTP 请求穿越七层的旅程

以一台工作站向远端服务器请求一个网页为例。在请求发出之前，已经完成了一次完整的通信：DNS 解析，它把站点名称翻译为 IP 地址，同样要穿越七层，通常在 UDP 之上进行。地址一旦得知，传输层就建立 TCP 连接，随后请求出发。

去程：封装

  1. 第 7 层：浏览器编写一个 HTTP 请求，带有方法、路径和各个头部，其中包括指明所请求站点的 Host 头部。
  2. 第 6 层：字符按约定的字符集进行编码，在 HTTPS 中，内容由 TLS 加密。
  3. 第 5 层：该对话被挂接到当前连接上，连接充当此次交换的上下文。
  4. 第 4 层：TCP 把数据切分为若干段，并在每段前面放上一个头部，其中包含源端口（由系统在临时端口中自由选取）、目的端口、一个序列号和若干标志位。
  5. 第 3 层：IP 加上源地址、目的地址和一个 TTL。系统查询路由表：由于目的地非本地，包被导向默认网关。
  6. 第 2 层：以太网把本地接口的 MAC 地址作为源、把网关的 MAC 地址作为目的（通过 ARP 获得）加上，并以校验和 FCS 结束该帧。
  7. 第 1 层：帧被转换为信号，并在介质上发出。

沿途，每台设备只上溯到它所需要的层级。交换机读取第 2 层头部，查询其 MAC 地址表，把帧转发到正确的端口，不触及其余部分。路由器上溯到第 3 层：它递减 TTL，依据其路由表选择出口接口，然后销毁旧帧并制作一个新帧，配上适配下一段链路的新 MAC 地址。至于 IP 地址，则保持不变，除非施加了地址转换。这个循环在每一跳重复，直至到达服务器所在的网络。

到达与返回：解封装

在服务器上，过程反向进行，从第 1 层上溯到第 7 层。信号重新变回一串比特。接口核对校验和与目的 MAC 地址，随后去掉以太网头部。第 3 层核实目的 IP 地址确为自身，随后去掉 IP 头部。TCP 把各段重新排序，确认已收到的内容，索要缺失的部分，并把重建好的数据流交给监听所请求端口的进程。TLS 解密，随后 Web 服务器终于读到浏览器当初所写的 HTTP 请求。

响应遵循完全相同的机制，方向相反：服务器产生一个包含状态码和所请求内容的 HTTP 消息，该消息从第 7 层向第 1 层封装，源端口和目的端口对调，随后在工作站上解封装。一次流量抓包会把这一结果显示为层层嵌套的头部，从最外层的以太网，到最内层的 HTTP。

# afficher le détail d’un échange HTTP, en-têtes compris
curl -v https://example.com

# observer les paquets échangés sur le port 443
sudo tcpdump -n -i any port 443

6. OSI 与 TCP/IP：两个模型，两种用途

TCP/IP 模型（尤其由 RFC 1122 所描述）把同样的工作划分为四层，而非七层：网络接入层、Internet 层、传输层、应用层。它是基于已经运转的协议构建的，而 OSI 则是作为一个先行的理论框架而设计的。两者之间的大致对应如下。

  • 网络接入层（TCP/IP）对应 OSI 的第 1、2 层：物理介质与帧。
  • Internet 层对应第 3 层：IP 寻址与路由。
  • 传输层对应第 4 层：TCP 和 UDP、端口。
  • 应用层把第 5、6、7 层合在一起：会话、数据格式与应用协议。

在实践中，这两个模型并不相互竞争，而是服务于不同的用途。TCP/IP 描述真正运转的东西：正是它的协议被实现在操作系统和设备之中。OSI 则提供共享的词汇，以及在日常业务交流和厂商文档中使用的编号：一台“三层交换机”、一台“四层或七层负载均衡器”、一次“二层事故”，都指向明确的现实，对方能立刻理解。网络认证的参考体系同样依托 OSI 的编号。

不过这种对应有其局限，坦率地指出这些局限，比硬套分类更为诚实。TCP/IP 并不区分会话、表示和应用。像 TLS 或 QUIC 这样被广泛使用的协议，并没有一个取得共识的 OSI 分格。有些著作还讲授一种五层的混合模型，其中 OSI 的第 5 至 7 层被合并为单一的应用层。花大量时间去裁定某个协议的编号收益甚微；知道它解决什么问题则收益更大。

7. 小结与诊断方法

  • 第 1 层——物理：比特——电缆、光纤、光模块、中继器。
  • 第 2 层——数据链路：帧——以太网、Wi-Fi、MAC 地址、交换机。
  • 第 3 层——网络：包——IP、ICMP、路由器、路由表。
  • 第 4 层——传输：段（TCP）或数据报（UDP）——端口、连接。
  • 第 5 层——会话：数据——对话的开启、维持与关闭。
  • 第 6 层——表示：数据——编码、格式、压缩、加密。
  • 第 7 层——应用：消息——HTTP、DNS、SMTP、SSH、FTP。

该模型在运维中的主要价值，是提供一个排查的顺序。面对一个无法访问的服务，做法是逐层向上排查，而不是随意乱试：每一层只有在其下方各层已经正常时才能工作。

  1. 检查介质和链路状态：电缆、端口、接口是否活动、错误计数器。
  2. 检查本地邻居：机器能否看到它的网关、IP 到 MAC 的对应是否已学习到、VLAN 是否正确。
  3. 检查寻址与路由：地址、掩码、默认路由、某台远端设备是否响应。
  4. 检查传输：是否有进程在预期端口上监听、连接能否建立、是否有过滤将其阻断。
  5. 检查应用：协议是否响应、状态码是什么、错误消息是什么、服务器端日志如何。

8. 注意事项与后续路径

  • 各层之间的界限是一种描述工具，而非物理规则：多个日常使用的协议都跨越了这些界限。
  • 某一层有响应，绝不保证上层各层能正常工作；反之则成立，某个上层能工作，就证明其下方所有层都在工作。
  • MAC 地址在每一跳路由器处改变，IP 地址则端到端保持稳定，地址转换的情况除外。
  • 安全功能出现在多个层级：第 4 层的端口过滤、第 7 层的协议检查、第 2、3 层或传输层之上的加密。指明所涉及的层级，可以避免事故分析时的误解。

这份材料合乎逻辑的后续，是深入底层各层——正是它们引发最多的事故：第 3 层的 IP 寻址与子网划分，第 2 层的交换与 VLAN，然后借助一次流量抓包来观察一个真实的 TCP 连接，以便在字节中重新找到这里所描述的各个头部。

本文的原始文本未被网络存档保存：页面抓取在正文之前就中断了。仅其引言留存，在此作为开篇沿用。其余部分于 2026 年 9 月 9 日重新撰写，随后逐点校阅并订正。