当数据包从上层移动到下层时，OSI 模型中会发生什么?

当数据包（更准确地说，是协议数据单元 - PDU）从上层移动到下层（即从应用层向物理层方向传输）时，在 OSI 模型中发生的关键过程是封装。每一层都会为来自其上一层的数据添加本层特定的控制信息（主要是头部，有时还包括尾部），将其包装起来，以便执行本层的功能。

以下是每一步发生的详细过程：

1. 应用层 (Layer 7)：

   • 起始点：用户或应用程序生成要发送的原始数据（Data）。例如，一封电子邮件的内容、一个网页请求。
   • 动作：应用层协议（如 HTTP, FTP, SMTP）确定数据格式、语义并准备将其传递给表示层。

2. 表示层 (Layer 6)：

   • 输入：来自应用层的数据（Data）。
   • 动作：负责数据的表示方式。
     • 翻译/转换：如果需要，将数据从一种格式（如 Unicode）转换为另一种格式（如 ASCII），确保接收方应用能理解。
     • 加密/解密：如 TLS/SSL 的握手和密钥交换（虽然通常实现时与网络层绑定）。
     • 压缩/解压缩：减少传输的数据量。
   • 输出：将处理后的数据传递给会话层。表示层本身通常不添加明显的头部，但其转换/加密操作可以被视为对数据的“处理”。

3. 会话层 (Layer 5)：

   • 输入：来自表示层的数据（Data）。
   • 动作：建立、管理和终止应用程序之间的通信会话（对话）。
     • 建立连接：协调不同设备上应用程序之间的通信通道。
     • 管理对话：协调对话流程（谁在何时发送）、设置检查点（用于恢复）。
     • 同步：管理数据交换的顺序和状态。
   • 输出：将数据（有时可能带有会话控制信息）传递给传输层。会话层通常添加一个小的头部来管理会话。此时的数据单元常称为数据或会话 PDU。

4. 传输层 (Layer 4)：

   • 输入：来自会话层的数据（Data）。
   • 动作：提供端到端（源主机到目标主机上的应用程序）的可靠或不可靠数据传输服务。
     • 分段与重组：将来自上层的大块数据分割成更小的、适合网络传输的段。在接收端再重组。
     • 连接控制：面向连接（如 TCP）时建立、维护、终止连接；无连接（如 UDP）则直接发送。
     • 端到端流量控制：确保发送方不会压垮接收方。
     • 端到端错误控制：（主要在 TCP）通过序列号、确认和重传机制确保数据的可靠、按序交付。
     • 端口寻址：通过端口号标识主机上的具体应用进程（服务）。
   • 输出：为接收到的数据添加传输层头部（包含源端口、目标端口、序列号、确认号、控制标志、校验和等），形成段或数据报（Segment / Datagram）。这是封装的关键一步。将段传递给网络层。

5. 网络层 (Layer 3)：

   • 输入：来自传输层的段（Segment）。
   • 动作：负责数据在网络中的路由（选择最优路径）和逻辑寻址。
     • 逻辑寻址：使用逻辑地址（如 IP 地址）唯一标识网络中的主机和设备。
     • 路由：基于路由表确定数据包从源到目的地的最佳路径。
     • 分组：网络层处理的数据单元称为数据包。
   • 输出：为接收到的段添加网络层头部（如 IP 头部，包含源 IP 地址、目标 IP 地址、TTL、协议标识符等），形成数据包。将数据包传递给数据链路层。

6. 数据链路层 (Layer 2)：

   • 输入：来自网络层的数据包（Packet）。
   • 动作：负责在同一个物理网络段（局域网） 上的节点到节点（通常是相邻设备，如主机到交换机、交换机到路由器）的数据传输。
     • 物理寻址：使用物理地址（如 MAC 地址）标识本地网络上的设备。
     • 成帧：将网络层的数据包封装成帧（Frame），添加帧头和帧尾。
     • 物理介质访问控制：控制设备何时可以在共享介质（如以太网）上发送数据（如 CSMA/CD）。
     • 节点到节点的流量控制（可选）。
     • 节点到节点的错误检测（通过帧尾的校验和）。
   • 输出：
     • 添加帧头（包含源 MAC 地址、目标 MAC 地址、类型字段等）。
     • 添加帧尾（通常是校验和，如 FCS）。
     • 将数据包封装在帧头和帧尾之间，形成帧。将帧传递给物理层。

7. 物理层 (Layer 1)：

   • 输入：来自数据链路层的帧（Frame）。
   • 动作：负责在物理介质（铜缆、光纤、无线电波）上透明地传输原始的比特流。
     • 比特表示：定义电压电平、光脉冲、无线频率等如何表示二进制 0 和 1。
     • 物理连接：定义连接器、线缆类型、引脚用途。
     • 比特同步：确保发送方和接收方的时钟同步。
     • 线路编码：将二进制数据转换为适合在物理线路上传输的信号（如曼彻斯特编码、NRZ）。
     • 信号传输与接收：将数字比特流转换为物理信号并通过介质发送出去。在接收端，将物理信号转换回比特流。
   • 输出：将帧中的比特序列转换成适合在物理介质上传输的信号（电气、光、无线电波）。不再添加头部或尾部，是对比特流的物理表示。

总结关键点：

• 封装：当数据从上往下传递时，每一层都会在来自上层的数据前面（有时也在后面）添加自己的层特定头部信息。
• PDU 名称变化：
  • 应用/表示/会话层：数据
  • 传输层：段
  • 网络层：数据包
  • 数据链路层：帧
  • 物理层：比特流
• 目的：每一层添加的控制信息（头部/尾部）是为了实现该层的特定功能（如寻址、路由、错误检测、流量控制、会话管理等），并让对端的同一层在接收数据后进行相应的处理（解封装）。
• 解封装：在接收端，数据从下往上传递时发生相反的过程——解封装。每一层读取并处理其自身的头部信息，执行必要的操作（如错误检查、路由查找、重组等），然后移除该层包头，将剩余的数据传递给其上层。

简单来说，就像寄信：你写好信（数据），放进信封（传输层头），写上收寄信人地址（网络层头），再放进邮袋写上本地邮局信息（数据链路层头/尾），最后由邮车（物理层）运走。每一层信封都是为了完成特定的传递步骤而添加的。