TCP/IP网络模型

目录

前言

计算机网络的两种分层体系模型

分层体系的意义

OSI网络模型

TCP/IP网络模型

各层级中的设备

各层级中的协议

TCP/IP网络模型

应用层

传输层

网络层

数据链路层

物理层


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。

(图片来自网络)

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。

(图片来自网络)

       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

(图片来自网络)

各层级中的协议

(图片来自网络)

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。

(图片来自网络)

       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。

物理层

       当数据准备要从设备发送到网络时,需要把数据包转换成电信号,让其可以在物理介质中传输,这⼀层就是物理层(Physical Layer),它主要是为数据链路层提供⼆进制传输的服务。

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