Java八股文——计算机网络「网络模型篇」

什么是OSI七层模型？

面试官您好，OSI（Open Systems Interconnection）七层模型，是由国际标准化组织（ISO）提出的一个网络互联的开放式参考模型。

它是一个理论上的、概念性的框架，其核心目的，是将一个极其复杂的网络通信过程，逻辑上划分为七个独立的、功能明确的层次。每一层都只关心自己的任务，并为上一层提供服务，同时使用下一层提供的服务。

这种分层设计，就像我们软件工程中的“高内聚、低耦合”思想，极大地简化了网络协议的设计和实现，并促进了不同厂商设备之间的互操作性。

下面我来从高到低，逐一介绍这七个层次以及它们各自的职责：

高层（应用层协议）—— 面向用户和应用程序

7. 应用层 (Application Layer)
- 职责：这是我们用户和应用程序直接交互的最高层。它负责定义各种应用程序之间通信的规则。
- 协议示例：我们最熟悉的HTTP（网页访问）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件发送）、DNS（域名解析）等，都工作在这一层。
- 数据单位：通常是报文（Message）。
6. 表示层 (Presentation Layer)
- 职责：可以看作是应用程序的“翻译官”和“格式转换器”。它负责处理数据的表示方式，确保发送方和接收方能够正确理解彼此的数据。
- 主要工作：数据的加密与解密、压缩与解压缩、以及数据格式的转换（比如将ASCII码转换为EBCDIC码）。
5. 会话层 (Session Layer)
- 职责：负责建立、管理和终止应用程序之间的会话（Session） 或连接。
- 主要工作：提供会话的检查点（Checkpointing）和恢复机制，实现断点续传等功能。

低层（网络层协议）—— 面向数据传输

4. 传输层 (Transport Layer)
- 职责：这是整个网络协议栈的核心，它负责提供端到端（End-to-End） 的、可靠或不可靠的数据传输服务。
- 主要工作：
  - 端口号：通过端口号来区分不同的应用程序进程。
  - 数据分段与重组：将上层应用的大块数据，分割成更小的数据段（Segment），并在接收端重新组装。
  - 流量控制与拥塞控制。
- 两大核心协议：
  - TCP (Transmission Control Protocol)：提供面向连接的、可靠的数据传输。
  - UDP (User Datagram Protocol)：提供无连接的、不可靠的数据传输，但速度更快。
- 数据单位：段（Segment）。
3. 网络层 (Network Layer)
- 职责：负责在多个网络之间，为数据包选择最佳的传输路径，并进行逻辑地址（IP地址） 的寻址。
- 核心设备：路由器（Router）。
- 核心协议：IP (Internet Protocol)。
- 数据单位：包（Packet）或数据报（Datagram）。
2. 数据链路层 (Data Link Layer)
- 职责：负责在同一个局域网内的、相邻的两个节点之间，进行物理地址（MAC地址） 的寻址和数据的可靠传输。
- 核心设备：交换机（Switch）。
- 主要工作：将网络层的数据包，封装成帧（Frame），并进行差错校验。
- 数据单位：帧（Frame）。
1. 物理层 (Physical Layer)
- 职责：这是最底层，负责在物理媒介（如网线、光纤）上，传输原始的二进制比特流（0和1）。
- 主要工作：定义了接口的电气特性、电压、线缆标准等。
- 核心设备：集线器（Hub）、中继器。
- 数据单位：比特（Bit）。

总结

值得一提的是，OSI七层模型是一个理论上非常完美的模型，但在实际的互联网世界中，我们使用得更多的是一个更简化、更实用的模型——TCP/IP四层模型（或五层模型）。它将OSI的应用层、表示层、会话层合并为了一个应用层，将数据链路层和物理层合并为了网络接口层（或分别保留），形成了 “应用层 -> 传输层 -> 网络层 -> 网络接口层” 这样一个更贴近实践的结构。

什么是TCP/IP模型

面试官您好，TCP/IP模型，也叫TCP/IP协议簇（Protocol Suite），它不是一个单一的协议，而是一整套网络通信协议的集合。

与OSI七层模型不同，TCP/IP模型并不是一个纯粹的理论框架，而是源于实践、并最终成为互联网事实标准的一套模型。它更简化、更核心，直接定义了今天互联网是如何工作的。

TCP/IP模型通常被划分为四层（也有划分为五层的，主要是将最底层再细分），我按照最经典的四层模型来介绍一下：

1. 应用层 (Application Layer)

对应OSI模型：相当于OSI的应用层、表示层、会话层的合体。
职责：直接面向用户和应用程序，负责定义应用程序之间通信的规则。它决定了我们能用网络来做什么。
核心协议：
- HTTP/HTTPS：用于Web网页浏览。
- FTP：用于文件传输。
- SMTP/POP3/IMAP：用于电子邮件的发送和接收。
- DNS：用于将域名解析为IP地址。
- Telnet/SSH：用于远程登录。
数据单位：通常是报文（Message）。

2. 传输层 (Transport Layer)

对应OSI模型：与OSI的传输层功能基本一致。
职责：负责提供端到端（End-to-End）的、应用程序进程之间的数据传输服务。它为上层应用屏蔽了底层网络的复杂性。
核心协议（两大支柱）：
- TCP (Transmission Control Protocol, 传输控制协议)
  - 特点：面向连接、可靠的、基于字节流的传输。
  - 为什么可靠？ 它通过三次握手建立连接，通过序列号、确认应答（ACK）、超时重传、流量控制、拥塞控制等一系列复杂机制，来保证数据能够不重、不丢、不乱地、按顺序地到达对方。
  - 适用场景：对数据可靠性要求极高的场景，如文件传输、邮件、Web浏览。
- UDP (User Datagram Protocol, 用户数据报协议)
  - 特点：无连接、不可靠的、尽力而为的传输。
  - 为什么快？ 它不建立连接，不保证数据能否到达、是否按序，只是简单地把数据包“扔”出去。
  - 适用场景：对实时性要求高、能容忍少量丢包的场景，如在线视频、语音通话、DNS查询。
数据单位：TCP中称为段（Segment），UDP中称为数据报（Datagram）。

3. 网络层 (Internet Layer)

对应OSI模型：与OSI的网络层功能一致。
职责：负责在整个互联网范围内，将数据包从源主机发送到目标主机。它主要解决的是路由和寻址的问题。
核心协议：
- IP (Internet Protocol, 网际协议)：这是整个TCP/IP协议簇的核心。它定义了IP地址，并负责将传输层的数据段封装成IP数据包（Packet），然后根据路由表，在不同的网络之间进行转发。
- ICMP (Internet Control Message Protocol)：用于在IP主机、路由器之间传递控制消息，比如我们常用的ping命令，就是基于ICMP。
- ARP (Address Resolution Protocol)：用于将IP地址解析为物理的MAC地址。
数据单位：包（Packet）。