网络之TCP/IP 网络模型有哪几层

Posted 2022-10-25 余光、

TCP/IP 网络模型有哪几层

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。

一、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。

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、DNS、FTP、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。

二、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。

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。

三、网络层

传输层可能看了上一节的描述，会认为是它在负责将数据从一个设备传输到另一个设备，事实上并不是。

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）。，此时应用层 —— 网络层之间的关系应该是这样的：

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。

那么从应用要传输的消息体，经过应用层(1) -> 传输层(2) -> 网络层(3)后可能是这样的:

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：

• 网络号，负责标识该 IP 地址是属于哪个「子网」的；
• 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。

拿一个IP地址和子网掩码举例：

将10.100.122.2 和 255.255.255.0 进行按位与运算，就可以得到网络号和主机号

// IP
00001010 1100100 1111010 00000000
// 子网掩码
11111111 11111111 11111111 00000000
// 结果
00001010 1100100 1111010 00000000 // 这里前24为就是网络好，后8位就是主机号
// 10进制
10.100.122.0

那么在寻址的过程中，先匹配到相同的网络号（10.1.122），才会去找对应的主机（0）。

四、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。

注意，此时我们的模型已经达到四层，并应该是这个样子的：

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。

数据封装也应该是这样的：

写在最后

将四层网络模型作为《网络系列》的第一篇文章，它更像是一篇导读，可以发现里面有很多的概念和知识点可以延伸，不妨一起期待一下吧～