计算机网络-TCP/IP网络模型

计算机网络-TCP/IP网络模型

TCP/IP网络模型介绍

对于同⼀台设备上的进程间通信，有很多种⽅式，⽐如有管道、消息队列、共享内存、信号等⽅式，⽽对于不同设
备上的进程间通信，就需要⽹络通信，⽽设备是多样性的，所以要兼容多种多样的设备，就协商出了⼀套通⽤的⽹
络协议。

为了更方便的对其进行实现，此网络协议是分层实现的，每一层都有每一层的作用和职责，下面来一一介绍。

应用层

应用层在最上层，主要是为用户直接提供网络服务，比如web服务，提供了各种应用程序的协议，例如HTTP协议，FTP协议，SMTP协议，DNS协议，POP3协议，DHCP协议等等。

当两个不同设备中的应用进行通信的时候，应用层就把要传输的数据传给下一层，也就是传输层。所以应用层只专注于为用户提供服务，并不关心数据是如何在不同的设备之家进行传输的，在不同设备之间进行传输由下层实现。

应用层是工作在计算机中的用户态，而传输层及以下层是工作在核心态。

传输层

传输层主要是为了进行端到端之间的数据传输，主要是为两台主机设备上的应用程序提供端到端的通信。

也就是说，应用层只负责为用户提供服务，传输层负责将用户产生的数据端到端的传输到目的方，至于数据包是如何在网络中进行中转的，传输层并不关心，这是下层需要关心的事。

传输层有两个协议，分别是TCP和UDP

• TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）为应用层提供可靠的、面向连接的和基于流（stream）的服务。TCP协议使用超时重传、数据确认等方式来确保数据包被正确地发送至目的端，因此TCP服务是可靠的。TCP服务是基于流的。基于流的数据没有边界（长度）限制，它源源不断地从通信的一端流入另一端。发送端可以逐个字节地向数据流中写入数据，接收端也可以逐个字节地将它们读出。
• UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）则与TCP协议完全相反，它为应用层提供不可靠、无连接和基于数据报的服务。不可靠意味着如何数据发生任何问题，并不会重新发送或者做其他处理，只会通知发送方数据发送失败。UDP协议是无连接的，即通信双方不保持一个长久的联系，因此应用程序每次发送数据都要明确指定接收端的地址（IP地址等信息）。基于数据报的服务，是相对基于流的服务而言的。每个UDP数据报都有一个长度，接收端必须以该长度为最小单位将其所有内容一次性读出，否则数据将被截断。

TCP与UDP的区别：

• 是否面向连接 ：UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。而 TCP 提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。

• 是否是可靠传输：远地主机在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认，并且不保证数据不丢失，不保证是否顺序到达。TCP 提供可靠的传输服务，TCP 在传递数据之前，会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认、窗口、重传、拥塞控制机制。通过 TCP 连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。

• 是否有状态 ：这个和上面的“是否可靠传输”相对应。TCP 传输是有状态的，这个有状态说的是 TCP 会去记录自己发送消息的状态比如消息是否发送了、是否被接收了等等。为此 ，TCP 需要维持复杂的连接状态表。而 UDP 是无状态服务，简单来说就是不管发出去之后的事情了

• 传输效率 ：由于使用 TCP 进行传输的时候多了连接、确认、重传等机制，所以 TCP 的传输效率要比 UDP 低很多。

• 传输形式 ： TCP 是面向字节流的，UDP 是面向报文的。

• 首部开销 ：TCP 首部开销（20 ～ 60 字节）比 UDP 首部开销（8 字节）要大。

• 是否提供广播或多播服务 ：TCP 只支持点对点通信，UDP 支持一对一、一对多、多对一、多对多；

网络层

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，在接触传输层的时候，大家可能会认为传输层就是将数据从一个主机传输到另一个主机，其实并不是，传输层只是端到端的传输数据到不同主机中的应用程序。

网络中的错综复杂的，中间有各种各样的线路和分岔路口，如果一个设备的数据要传输给另一个设备，需要在各种线路中进行选择，如果传输层还负责这方面，这一层就会显得臃肿了。

而实际在网络中传输的是网络层，网络层的一个任务就是选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能通过网络层中的路由器找到目的主机。

网络层的协议：

IP:网际协议 ：网际协议 IP 是TCP/IP协议中最重要的协议之一，也是网络层最重要的协议之一，IP协议的作用包括寻址规约、定义数据包的格式等等，是网络层信息传输的主力协议。目前IP协议主要分为两种，一种是过去的IPv4，另一种是较新的IPv6，目前这两种协议都在使用，但后者已经被提议来取代前者。

ARP 协议 ：ARP协议，全称地址解析协议（Address Resolution Protocol），它解决的是网络层地址和链路层地址之间的转换问题。因为一个IP数据报在物理上传输的过程中，总是需要知道下一跳（物理上的下一个目的地）该去往何处，但IP地址属于逻辑地址，而MAC地址才是物理地址，ARP协议解决了IP地址转MAC地址的一些问题。

NAT:网络地址转换协议 ：NAT协议（Network Address Translation）的应用场景如同它的名称——网络地址转换，应用于内部网到外部网的地址转换过程中。具体地说，在一个小的子网（局域网，LAN）内，各主机使用的是同一个LAN下的IP地址，但在该LAN以外，在广域网（WAN）中，需要一个统一的IP地址来标识该LAN在整个Internet上的位置。

数据链路层

在实际中，网络并不是一个整体，而是由多个网络链接而成的， 所以数据不应该可以在同一个网络中进行传输，也可以在不同的网络中进行传输。一旦需要跨网络传输，就需要一个设备链接两个网络，这个设备就是路由器，路由器可以根据路由表找出要去的下一个ip地址，但是并不知道这个ip地址是哪个设备的，这时就需要一个标识来唯一的标识设备。

有人说为什么ip不能唯一标识一个设备，因为ip地址是逻辑地址，任何人都可以进行修改，所以并不可以标识一个设备，这就需要数据链路层中的mac地址来唯一的标识网络中的一个网络设备，提供链路级别的服务。

物理层

当数据要从设备发送到网络时，需要将数据包转换为电信号，让其可以在物理介质中进行传输，这就是物理层的作用，实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。