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TCP/IP网络模型分层

应用层

应用层是最上层的,也就是我们能直接接触到的就是应用层(Application Layer),手机和电脑上的应用软件都是在应用层实现。当两个不同设备的应用需要通信的时候,应用就会把数据传输给下一层,也就是传输层

所以,应用层只需要专注于为用户提供应用功能,比如HTTP,FTP、Telnet、DNS、SMTP等

应用层不关心数据是如何传输的

应用层工作在操作系统中的用户态,传输层及以下工作在内核态

传输层

应用层的数据包会传给传输层,传输层(Transport Layer)是为应用层提供网络支持的

应用层

传输层有两个传输协议,分别是TCP和UDP

TCP的全称叫传输控制协议(Transmission Control Protocol),大部分应用使用的是TCP传输层协议

比如HTTP应用层协议。TCP相比UDP多了很多特性,比如流量控制、超时重传、拥塞控制等。这些都是为了保证数据包可能可靠地传输给对方

UDP相对来说更为简单,只负责发送数据包,不保证数据包能否抵达对方,但它实时性相对更好,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,也是十分困难的。

应用需要传输的数据可能会非常大,如果直接传输会不好控制,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,这样即使传输过程中有一个分块丢失或损坏了只需要重新发送这一个分块,而不用重新发送整个数据包,在TCP协议中,我们把每一个分块称为一个TCP段(TCP Segment)

TCP段

当设备作为接收方时,传输层则负责把数据包传给硬用,但是一台设备上可能会有多个应用在接受或传输数据,因此需要用一个编号将应用区分开来,这个编号就是端口

例如,80端口通常是Web服务器用的,22端口通常是远程登陆服务器用的。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

在将数据从一个设备传输到里一个设备时,经过的实际场景中的网络环节是错综复杂的,中间有各种各样的路线和分叉路口,如果一个设备的数据要传输给另一个设备,就需要在各种各样的路径和节点间进行选择,而传输层的设计理念是简单、高效、专注,也就是说传输层只需要服务好应用即可,让其作为应用数据传输的媒介,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

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包头组成IP报文,日常IP报文大小超过MTU(以太网中一般为1500字节)就会进行再次分片,得到一个即将发送到网络的IP报文

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网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备,为了区分设备,网络层需要有区分设备的编号

我们一般用IP地址给设备进行编号,对于IP v4协议,IP地址共32位,分成四段,每段为8位。

IP地址分为两种意义:

一个是网络号,负责标识该IP地址是属于哪个子网的

一个是主机号,负责标识同一子网下的不同主机

配合子网掩码就可以算出IP地址的网络号和主机号

将IP地址和子网掩码进行按位与运算,就可以得到网络号,如下图

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在寻址过程中,先匹配到相同的网络号(找到同一个子网),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。在实际场景中,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路径,因此当数据包到达一个网络节点,就需要通过路由算法决定下一步走哪步路径。

路由器寻址工作中,就是要找到目标地址的子网,找到后进而把数据包转发给对应的网络内。

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网络接口层

生成了IP头部之后,接下来要交给网络接口层(Link Layer),在IP头部的前面加上MAC头部,并封装成数据帧(Data frame)发送到网络上。

网络接口层

IP头部中的接收方IP地址表示网络包的目的地,通过这个地址我们就可以判断要将包发到哪里,但在以太网的世界中,这个思路是行不通的。

什么是以太网呢?电脑上的以太网接口,Wi-FI接口,以太网交换机、路由器上的千兆、万兆以太网口,还有网线,它们都是以太网的组成部分,以太网就是一种在局域网内,把附近的设备连接起来,使他们之间可以进行通讯的技术。

以太网在判断网络包目的地时和IP的方式不同,因此必须采用相匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地,而MAC头部就是干这个用的,因此,在以太网进行通讯要用的MAC地址。

MAC头部是以太网使用的头部,它包含了接收方和发送方的MAC地址等信息,我们可以通过ARP协议获取对方的MAC地址。

所以说,网络接口层主要为网络层提供链路级别传输的服务,负责在以太网、WiFi这样的底层网络上发送原始数据包,工作在网卡这个层次,使用MAC地址来标识网络上的设备。

总结

综上所述,TCP/IP网络通常是由上到下分为4层,分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层

tcpip参考模型.drawio

网络接口层的传输单位是帧(frame)

IP层的传输单位是包(packet)

TCP层的传输单位是段(segment)

HTTP的传输单位则是消息或报文(message)

但这些名词没有什么本质的区分,可以统称为数据包。

封装


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