小林coding阅读笔记：计算机网络基础篇-TCPIP模型

Posted 2022-12-21 adventure.Li

前言

1. 参考/导流：
   小林coding - 2.1 TCP/IP 网络模型有哪几层？
2. 学习意义

• 学习分层设计思想
• 构建网络层次以及各层协议作用知识体系
• 为网络编程奠定理论基础，对于RPC框架or分布式系统通信都是极为重要的一节，是提升整个系统效率的关键所在，而非像单体时代去更多关注本地机器高并发。

3. 相关说明
   该篇博文是个人阅读的重要梳理，仅做简单参考，详细请阅读小林coding的原文！

一、TPC\\IP网络模型

问题引入

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【复用、抽象的体现，当写代码时出现大量重复的逻辑，可考虑封装工具类供大家使用】，就协商出了一套通用的网络协议。

注：分布式通信方式，消息传递、内存共享；Java采用内存共享（JMM）机制实现

常见的软件设计风格有：

• 主子程序式
• MVC
• 分层结构
• 面向对象式

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。【分层结构设计，设计清晰、易于理解，复用性好！但交互协议需要稳定】

个人理解：体现职责分离、分工，更好地复用性，分解复杂问题，避免通信混乱。

基本关键词： 分层 + 逐级封装\\拆解【对比过滤链设计】（在传递单位、数据对象体现） + 委托（在行为职责调用体现）

学习关键就在于：分析传递的数据结构、以及该数据是如何传递（各层如何去调用），附加考虑他们的可靠性、安全性、网络阻塞等的事情【也来源于人们某种需求，对信息的可靠性等等】，最后在此基础上去 分析、掌握各层的 关键 协议和实现原理。

TPC\\IP

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。

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。

而编程语言对其进行了封装，例如Java中的HttpUrlConnection,httpClient;对于大型软件，一般会在此基础上进行在此封装，例如RestTemplate之类。

• HttpUrlConnection
• HttpClientImpl

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，最终是交由网卡（对于网卡的笔记本），网卡通过电信号传至路由器。

在传输层会有两个传输协议（同样是 效率（速度） 和 可用性（可靠性） 的平衡取舍）

• TCP
• 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。

socket = ip:port →唯一标识 进程；主机间的通信实则为进程间的通信【那么思考为什么设计时，不是定位到ip建立连接呢？或者定位线程的粒度，继续来个subPort之类的呢？大概是一般一个应用处理一类目标，方便分工协作，刚好切分的粒度较好，以及历史发展原因，当初的线程设计还—】

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。

寻址能力

通过IP地址进行寻址，寻址到主机；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；

→

公网地址、私网地址；本地地址、广播地址、回环地址；

路由

通过IP地址，我们知道了目标在哪，带设备间是通过错综复杂的路由器和线路连接起来的。这时则需要用的 路由协议来实现。

• 静态路由算法（非自适应路由算法）
• 动态路由算法

（一）距离-向量路由算法（分散性）

描述：收敛速速慢，“坏消息”传的慢，导致网络问题。路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用（对比gossip的扩散传播）。
应用：RIP协议，它采用“跳数”作为距离的度量
1.路由选择表内容：
（1）每条路径的目的地（另一结点）
（2）路径的代价（也称距离）
2.更新路由表的条件：
（1）被通告一条新的路由，若该路由在本结点的路由表中不存在，则加入
（2）路由信息中有一条到达某个目的地的路由，该路由与当前使用的路由相比，有较短的距离（较小的代价）
3.缺点：容易出现路由环路问题（慢收敛导致路由器接受了无效的路由信息）

（二）链路状态路由算法（全局性）

描述：具有快速收敛的优点。所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息
1.应用：OSPF协议，用于大型的或路由信息变化聚敛的互联网环境
2.全网路由器的拓扑数据库是一致的
3.使用泛洪法向所有相邻的路由器发送信息，然后相邻路由器又向其他相邻路由器发送信息
4.每个路由器都得到网络的完整拓扑后，使用Dijkstra最短路径算法来找出它到其他路由器的路径长度。

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_45825865/article/details/126336494

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

生成了 IP 头部之后，接下来要交给**网络接口层，**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。

网卡将管理网卡的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。这个驱动程序以后就会告诉网卡，应当从存储器的什么位置上将局域网传送过来的数据块存储下来。