【图解】TCP/IP网络模型_tcp 网络模型

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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，接下来就分别对每⼀层进⾏介绍。

1 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，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，我们不需要关⼼快速是如何被运输的。
       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。

2 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 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 最⼤报⽂段⻓度） ，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。

3 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，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。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᯿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。

4 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。
那问题来了，路由器怎么知道这个 IP 地址是哪个设备的呢？
       于是，就需要有⼀个专⻔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（Data LinkLayer），它主要为⽹络层提供链路级别传输的服务。

       每⼀台设备的⽹卡都会有⼀个 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 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。

5 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（Physical Layer），它主要是为数据链路层提供⼆进制传输的服务。