2024.12.14 TCP/IP 网络模型有哪几层?

2024.12.14 TCP/IP 网络模型有哪几层?

2024.12.14 今天周六 看到大伙都在考六级，我来复盘小林coding的计算机网络的知识点：

TCP/IP 网络模型有哪几层?

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。

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，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。

2… 传输层

传输层为应用层提供网络支持的。

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(TCPSegment)。

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(interet Layer)。

网络层最常使用的是IP 协议(intermet 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。

4…网络接口层

这一层明天再学啦！

总结

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

我们今天学习的是第一个应用层，我们电脑或手机使用的应用软件都是在应用层实现。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，也就是第二个知识点传输层。 传输层为应用层提供网络支持， 保证数据包能可靠地传输给对方，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。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。

接下来我们学习第三个网络层，传输层的设计理念是简单、高效、专注，因此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

作为应用间数据传输的媒介。但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，所以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，我们一般用 IP 地址给设备进行编号。IP 地址分成两种意义。一个是网络号，一个是主机号。 IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。根据IP地址，先找到IP号，再找到主机号，这样就可以找到设备了。