网络协议(TCP/IP模型)

目录

网络初识

网络协议

协议分层

协议拆分

分层

协议分层的优势

1.封装效果

2.解耦合 

TCP/IP五层模型

 协议之间配合工作（详解）

网络初识

网络核心概念：

局域网：若干电脑连接在一起，通过路由器进行组网。

广域网：把很多很多局域网进一步相连，构成更复杂的网络体系。

路由器/交换机：组建网络的基础设备。

IP地址：区分主机。

交换机：区分主机上的不同程序。

网络协议

网络协议，是通信双方对于通信规则的约定，这个约定一定是得到双方认可的约定。进行网络通信的时候，一定需要通信协议的，即使两个用来通信的主机设备，不同的软件，不同的操作系统，不同的应用 程序，即使上述内容不同，通信也能够正确进行，进行网络通信 的时候，通信协议是非常关键的环节。

协议分层

协议拆分

网络通信是一个非常复杂的事情，这个过程中会涉及到非常多的细节问题，如果使用一个协议来约定上述所有的细节，这个协议就会非常庞大，非常复杂。此时就可以把一个功能复杂的协议拆分成多个功能更单一的协议。

一个复杂的方法，可以拆分为多个方法。

一个复杂的类，可以拆分成多个类。

一个复杂的文件，可以拆分成多个文件。

拆分是为了管理复杂程度，不让这个东西太复杂，让每个部分负责一个功能。

 对协议进行拆分后，就要进行分类，此时就要进行分层的组织结构。

分层

协议分层，就是把很多协议按照功能分成不同的层级，每个层级都有对应的主线任务，上层协议会调用下层协议的功能，下层协议会给上层协议提供服务，但是不能越级调用。

协议分层的优势

1.封装效果

某一层协议，不需要知道其他协议的细节，降低学习成本。

例如两个人在打电话时，不需要知道电话通信的原理，只需要拨号通信即可。

2.解耦合 

任意层次的协议都是可以灵活替换的。这就给整个网络体系的升级和迭代带来了很大的便利。

 同样对于打电话的人来说，可以使用不同的语言协议来进行通话，对整个通话体系的功能来说没有变化，都是一样进行通信。

TCP/IP五层模型

现实世界采取的网络分层模型，目前接触到的网络大部分都是TCP/IP模型，4G/5G通信有着一套专门的模型协议。

五层协议

物理层：关注的是硬件上的相关约定,如网线，网口等物理设备的约定。

数据链路层：关注的是通信过程中两个相邻节点之间的通信。

网络层：关注的是通信中通信路径的规则，规划出的路径就决定了数据要经过那些节点，是“点到点的的传输”。

传输层：关注的是通信双方的“起点”和“终点”，是“端到端的传输”。

应用层：和具体的应用程序直接相关，比如传输的数据作用和意义是这一层关注的。

 协议之间配合工作（详解）

协议的层和层之间，上层协议调用下层协议，下层协议给上层提供服务。

假设A给B发送消息，利用上面模型进行分析：

第一层——应用层：A通过聊天软件给B发送hello，点击发送，聊天软件里就会有一个应用层的网络协议，规定了传输数据的格式，聊天程序就会把上述要传递的内容组织成“应用层数据包”，并且是按照应用层协议来进行组织。

网络上传输的数据，本质上是二进制的字符串，更准确的来说是二进制的bit流，因此，要传输的发送人/接收人/消息时间/内容....就要组织到一个字符串中，组织的时候就需要按照一定的格式来组织。不同的协议数据组织的格式不同。

此时，，聊天软件把数据组织后（发送人/接收人/发送时间/发送正文）:

 这样组织后的数据包就是一个结构化的数据(包含很多属性和字段)。

结构化数据 -> 字符串/二进制字符串，称为序列化。

字符串/二进制字符串 -> 结构化数据，称为反序列化。

 第二层——传输层：通过应用层协议得到的应用层数据包有了，应用层接下来就要把数据交给传输层，传输层提供了api(这种api称为socket api)，让应用程序去调用，通过调用这样的api，就会把刚才应用层的数据交给传输层。

传输层拿到应用层数据包之后，就会对这个数据包进一步封装，构成传输层数据包。

传输层有两个典型的协议TCP和UDP，这里以UDP作为传输层协议。

此时使用UDP协议进行封装，会在数据上加上UDP的报头，报头中包含着UDP的相关属性(发送人和收件人的端口号)，原来的数据包成为了UDP数据包的载荷：

传输层构建数据完成之后，会继续把数据包交给网络层，这个过程是传输层调用网络层提供的api，这个调用过程都是系统内核负责。 

 第三层——网络层：UDP数据包进入网络层后，会被网络层协议进行进一步封装。网络层协议最典型的是IP协议,同样的在数据包上加入IP报头(包含发送者的IP地址和收件人的IP地址)，UDP数据包作为IP数据包的载荷。

 数据封装完成，，进一步调用数据链路层的api，把上述IP数据包，交给数据链路层协议，同样由系统内核完成。

第四层——数据链路层：典型的协议：以太网。

拿到上面的IP数据包后对数据进行进一步的封装:

 数据封装完成就进入到了网卡驱动中，然后进行发送。

第五层——物理层：以太网帧，本质上还是二进制数据，通过硬件设备把上述二进制数据转成光信号/电信号。电磁波才会进行真正的发射。

在上述层次中不断包装数据，不停的加数据报头的过程，称为“封装”。

上述数据并不是A发送后直接到达B，而是要先到达和A连接的交换机/路由器，经过一系列转发之后，最终到达B。当数据到达B之后，进行上述的”逆过程“。

对于接收方B：

第一层——物理层：收到一系列光信号，把信号转成二进制数据，交给数据链路层。

第二层——数据链路层：按照以太网协议，对数据进行解析(解析报头中的关键信息)，解析出来的载荷数据交给网络层：

 第三层——网络层：拿到IP数据包，按照IP协议格式进一步解析，解析出报头关键信息，取出载荷，进一步交给上层（传输层）：

 第四层——传输层：拿到UDP数据包，按照UDP格式进一步进行解析，解析出关键信息（要交给那个端口号对应的进程），解析出载荷数据，最后交给应用程序：

 第五层——应用层：聊天软件拿到了数据包，按照自己的协议格式进行解析，拿到这里的结构化数据（反序列化），显示到界面上。

在A发送数据时，中间的路由器和交换机也会进行封装和复用，也是上述过程。

交换机封装分用到数据链路层，即可知道下一步如何转发（工作在数据链路层）。

路由器封装分用到网络层即可知道下一步如何转发（工作在网络层）。