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【环球新视野】TCP/IP 网络模型有哪几层?

来源:今日头条    时间:2023-06-01 08:41:16

问大家,为什么要有 TCP/IP 网络模型?

对于同一台设备上的进程间通信,有很多种方式,比如有管道、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,接下来就根据「 TCP/IP 网络模型」分别对每一层进行介绍。


(资料图片)

应用层

最上层的,也是我们能直接接触到的就是应用层(Application Layer),我们电脑或手机使用的应用软件都是在应用层实现。那么,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。

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。

应用层是不用去关心数据是如何传输的,就类似于,我们寄快递的时候,只需要把包裹交给快递员,由他负责运输快递,我们不需要关心快递是如何被运输的。

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

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。

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 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 相对来说就很简单,简单到只负责发送数据包,不保证数据包是否能抵达对方,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

传输层可能大家刚接触的时候,会认为它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。

实际场景中的网络环节是错综复杂的,中间有各种各样的线路和分叉路口,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进行选择,而传输层的设计理念是简单、高效、专注,如果传输层还负责这一块功能就有点违背设计原则了。

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 地址给设备进行编号,对于 IPv4 协议, IP 地址共 32 位,分成了四段(比如,192.168.100.1),每段是 8 位。只有一个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备,但是寻址起来就特别麻烦,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;

怎么分的呢?这需要配合子网掩码才能算出 IP 地址 的网络号和主机号。

举个例子,比如 10.100.122.0/24,后面的/24表示就是255.255.255.0子网掩码,255.255.255.0 二进制是「11111111-11111111-11111111-00000000」,大家数数一共多少个1?不用数了,是 24 个1,为了简化子网掩码的表示,用/24代替255.255.255.0。

知道了子网掩码,该怎么计算出网络地址和主机地址呢?

将 10.100.122.2 和 255.255.255.0 进行按位与运算,就可以得到网络号,如下图:

将 255.255.255.0 取反后与IP地址进行进行按位与运算,就可以得到主机号。

大家可以去搜索下子网掩码计算器,自己改变下「掩码位」的数值,就能体会到子网掩码的作用了。

那么在寻址的过程中,先匹配到相同的网络号(表示要找到同一个子网),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。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,就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。

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。

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。

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。

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,使它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,所以,在以太网进行通讯要用到 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成 4 层,分别是应用层,传输层,网络层和网络接口层。

再给大家贴一下每一层的封装格式:

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)。但这些名词并没有什么本质的区分,可以统称为数据包。

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