[网络协议]1 - 计算机网络体系结构

计算机网络的分层结构体系

对于同一台设备上的进程间通信，有很多种方式，比如管道、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，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。

这个网络协议是分层的，每一层都有各自的作用和职责，下面我们就对每一层进行介绍

分层的好处：

• 各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。这样整个问题的复杂程度就下降了
• 灵活性好。当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，这层以上或以下各层均不受影响。排除问题时也只需啊哟考虑这一层单独的问题即可。
• 易于实现和维护。进行调试和维护时，可以对每一层进行单独的测试，发现问题所在。

OSI模型

计算机网路体系结构有两种国际标准

• 国际标准OSI标准，未得到市场的认可
• 非国际标准TCP/IP，得到了市场的广泛认可，可用看做事实上的国际标准

OSI定义了网络互联的七层框架：物理层。数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。

TCP/IP协议族

• TCP/IP协议和OSI参考模型的关系
  
• TCP/IP主要的协议栈
  
• 原理体系模型各层数据传递的单位
  

下面来详细学习一下TCP/IP协议中相关的层级

应用层

我们电脑或手机使用的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时候，应用层就把应用数据传给下一层，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，不用去关心数据是如何传输的。

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

应用层的数据包会传给传输层，传输层是为应用层提供网络支持的。

在传输层有两个传输协议，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相比于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能可靠地传输给对方。

UDP就相对简单，只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对象，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，也不是一件简单的事情。

应用需要传输的数据可能会非常大，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，我们把每个分块称为一个TCP段（TCP Segment）

当设备作为接受方时，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受或者传输数据，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，因此接受方可以识别出该报文是发送给哪个应用的。

网络层

传输层并不是简单的字面意思，负责将数据从一个设备传输到另一个设备，事实上它并不负责这个问题。

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间的通信，而实际的传输功能就交给下一层，也就是网络层。

网络层最常使用的是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，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，我们又该如何找到我们需要进行传输的设备呢？因此，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，但是寻址总不能和全世界那么多设备一个一个去匹配，这显然不合理。

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地址是属于哪个子网的；
• 一个是主机号，负责标识统一子网下的不同主机。

怎么进行的区分？这需要配合子网掩码才能算出IP地址的网络号和主机号。那么在寻址的过程中，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。实际场景汇总，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，比如你家和我家就不属于一个网络，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

路由器怎么知道这个IP地址是哪个设备呢？

于是就需要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，它主要为网络层提供链路级别传输的服务。

每一台设备都会有一个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的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，它主要是为了数据链路层提供二进制传输的服务。