TCP/IP网络模型

事后不诸葛

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分类专栏：计算机网络结构文章标签：网络 tcp/ip 网络协议

于 2022-01-08 14:15:35 首次发布

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前言

对于同⼀台设备上的进程间通信，有如管道、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，又设备是多样性的，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。

计算机网络的两种分层体系模型

分层体系的意义

分层隔离
灵活性好
易于实现和维护
促进标准化工作

OSI网络模型

OSI（Open Systems Interconnection Reference Model，开放系统互联基本参考模型），又称七层网络模型。

TCP/IP网络模型

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网协议），又称五层网络模型，以其中最重要的TCP协议和IP协议命名。

值得一提的是：OSI 模型由国际化标准组织制定，本应该在全球范围内推广，但由于OSI的设计过于理想不合实际，再加上当时应用TCP/IP模型的因特网（Internet）已经覆盖了全球大部分地区。种种原因，导致OSI并没有取得市场化的成功，仅仅是获得了理论上的研究成果。而 TCP/IP 模型则被作为了事实上的国际标准。

各层级中的设备

各层级中的协议

TCP/IP网络模型

应用层

用户能直接接触的为应用层（Application Layer）应用软件都是在应用层实现的。当两个不同设备的应用需要通信的时候，应用就把应用数据传给下一层，也就是传输层。而且应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。

传输层

传输层（Transport Layer）为应用层提供网络支持。在传输层会有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP。TCP 的全称叫传输层控制协议（Transmission Control Protocol），大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议，比如 HTTP 应用层协议。TCP 特性：流量控制、超时重传、拥塞控制等，这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。UDP 相对简单，简单到只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对方。UDP 特性：实时性相对更好，传输效率也高。当然，UDP 也可以实现可靠传输，把 TCP 的特性在应用层上实现就可以，不过要实现⼀个商用的可靠 UDP 传输协议，也不是⼀件简单的事情。
在传输过程中，应用可能需要传输的数据非常大，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度），就要将数据包分块，这样即使中途有⼀个分块丢失或损坏，只需要重传这一个分块，而不用重传整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为一个 TCP 段（TCP Segment）。
当设备作为接收方时，传输层则要负责把数据包传给应用，但是⼀台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据，因此需要用一个编号将应用区分开来，这个编号就是端口。比如 80 端口通常是 Web 服务器用的，22 端口通常是远程登录服务器用的。而对于浏览器（客户端）中的每个标签栏都是⼀个独立的进程，操作系统会为这些进程分配临时的端⼝号。由于传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。

网络层

传输层并不负责将数据从一个设备传输到另一个设备。它的设计理念是简单、高效、专注。也就是说，我们不希望传输层协议处理太多的事情，只需要服务好应用即可，让其作为应用间数据传输的媒介，帮助实现应用到应用的通信，而实际的传输功能就交给下一层，也就是网络层（Internet Layer）。
网络层最常用的是 IP 协议（Internet Protocol），IP 协议会将传输层的报文作为数据部分，再加上 IP 包头组装成 IP 报文，如果 IP 报文大小超过 MTU（以太网中⼀般为 1500 字节）就会再次进行分片，得到⼀个即将发送到网络的 IP 报文。

网络层负责将数据从⼀个设备传输到另⼀个设备，世界上那么多设备，又该如何找到对方呢？因此，网络层需要有区分设备的编号。我们⼀般用 IP 地址对设备进行编号，对于 IPv4 协议，IP 地址共 32 位，分成了四段，每段是 8 位。只有⼀个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来特别麻烦，全世界那么多台设备，难道⼀个⼀个去匹配？这显然不科学。因此，需要将 IP 地址分成两种意义：

⼀个是网络号，负责标识该 IP 地址属于哪个子网；
⼀个是主机号，负责标识同一子网下的不同主机；

配合子网掩码才能算出 IP 地址的网络号和主机号。所以在寻址的过程中，先匹配到相同的网络号，才会去找对应的主机。除了寻址能力， IP 协议还有另⼀个重要的能力就是路由。实际场景中，两台设备并不是用⼀条网线连接起来的，而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的，那么就会形成很多条网络的路径，因此当数据包到达⼀个网络节点，就需要通过算法决定下一步走哪条路径。所以，IP 协议的寻址作用是告诉我们去往下⼀个目的地该朝哪个方向走，路由则是根据「下⼀个目的地」选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作方向盘。

数据链路层

实际场景中，网络并不是⼀个整体，所以数据不仅可以在同⼀个网络中设备间进行传输，也可以跨网络进行传输。⼀旦数据需要跨网络传输，就需要有⼀个设备同时在两个网络当中，这个设备⼀般是路由器，路由器可以通过路由表计算出下⼀个要去的 IP 地址。那问题来了，路由器怎么知道这个 IP 地址是哪个设备的呢？于是，就需要有⼀个专门的层来标识网络中的设备，让数据在⼀个链路中传输，这就是数据链路层（Data Link Layer），它主要为网络层提供链路级别传输的服务。每⼀台设备的网卡都会有⼀个 MAC 地址，它就是用来唯⼀标识设备的。路由器计算出了下⼀个目的地 IP 地址，再通过 ARP 协议找到该目的地的 MAC 地址，这样就知道这个 IP 地址是哪个设备的了。