TCP/IP 协议及网络分层模型

互联网要互联连接,一条消息从发送到接受,都需要走一遍网络协议。我们讲讲 TCP/IP 协议以及网络分层模型

先看网络分层模型

网络分层模型

在网络分层模型中,有两种模型,一是 TCP/IP 标准,它提出的早,1970 年就被发明。它提出了分层概念,将网络通信份分为四层,分别是链接层、网络层、传输层、应用层

另一种是 OSI,全称叫开放式系统互联通信参考模型,是国际标准,用来统一各种网络协议,始于上世纪 70 年代后期。是网络分层的"空架子老大"

OSI 模型分成了七层,分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

两者的关系就好比手机系统的巨头是 iOS 和 Android,它们出了标准,因为话语强,所以国际标准以它们为核心再添加指定一些其他标准,但核心是 iOS 和 Android。其中 TCP/IP 就是网络分层模型中的老大,OSI 就像英国女王那样,是皇室象征,是国际标准

TCP/IP 网络分层模型

很有意思,TCP/IP 明明是网络通信协议的统称,却以其中两个核心协议为名字来称呼。它总共有四层,像搭积木一样,每一层需要下层的支撑,同时又支撑着上层。如图所示:

TCP/IP 网络分层模型

最底层也是第一层叫 网络访问(链接)层,Network Access(link)layer,负责在以太网、Wi-Fi 这样底层网络上发送原始数据包。使用 MAC 地址来标记网络上的设备,所以有时候也叫 MAC 层

第二层叫网络互连层,internet layer, IP 协议就处在这一层。因为 IP 协议定义了 IP 地址的概念,所以就在链接层的基础上,用 IP 地址取代 MAC 地址

第三层叫传输层,transport layer,负责保证数据在 IP 地址标记的两点之间可靠地传输,例如 TCP、UDP、SCTP 等

第四层叫应用层,顾名思义,是面向具体应用的协议,如 HTTP、SSH、FTP、SMTP、DNS 等

按照 TCP/IP 模型,网络通信是一层包着一层,发送端每通过一层则增加首部,接收端每通过一层则删除首部

数据传输过程

这里要注意的是:

  • MAC 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)

注:我们常说的丢包丢包丢的就是 IP 包

OSI 网络分层模型

官方定的分层模型叫 OSI,全称是开放式系统互联通信参考模型。你问我支不支持,我是支持的,但它又不是个强制标准,所以一直有四层(TCP/IP 模型)、七层(OSI 模型)之说。

OSI 网络分层模型

第一层:物理层,physical layer,网络的物理形式,例如电缆、光纤、网卡等;

第二层:数据链路层,data link layer,它基本相当于 TCP/IP 的链接层;

第三层:网络层,network layer,相当于 TCP/IP 的网络层;

第四层:传输层,transport layer,相当于 TCP/IP 的传输层;

第五层,会话层,session layer,维护网络中的连接状态,即保持会话和同步;

第六层,表示层,presentation layer,把数据转换为合适、可理解的语法和语义;

第七层,应用层,面向具体的应用传输数据

两个分层模型的映射关系

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第一层:物理层,TCP/IP 里无对应;

第二层:数据链路层,对应 TCP/IP 的网络访问(链接)层;

第三层:网络层,对应 TCP/IP 的网络互连层;

第四层:传输层,对应 TCP/IP 的传输层;

第五、六、七层:统一对应到 TCP/IP 的应用层。

TCP/IP 协议

上诉我们知道两个网络分层模型是什么,由什么组成,并且知道它们的映射关系。虽然有国际标准,但这个世界还是以 TCP/IP 协议为主要标准。你可以理解为先入为主,也可以理解为单极霸权,甚至可以联想一下 5G/6G 标准对世界话语权的重要性,总之,现阶段还是以 TCP/IP 协议为主。

四大层

网络访问(链接)层

MAC 地址,它表示的你的物理世界地址

网络层

IP 协议定义了 IP 地址

电影《黑客军团》中有个片段,被做成了程序员段子

dEl8QHe

A:你的地址是什么?

B: 173.168.15.10(IP 地址)

A:不,你的本地地址呢?

B: 127.0.0.1

A:我的意思是你的物理地址

B: 29:01:38:62:31:58(物理地址指的就是 MAC 地址)

你也可以通过 ipconfig /all 来查看你的所有地址

网络地址

传输层

具有代表性的是 TCP,可以说在 HTTP3 之前,传输层就是 TCP 的天下,它代表的就是传输层,可在 HTTP2 之后,发现影响性能瓶颈的地方成了 TCP 的队头阻塞,所以 UDP 开始活跃起来,真是此一时彼一时

关于 TCP 和 UDP ,这张图表能更好的对比分析

TCP 和 UDP

应用层

应用层有很多协议,例如 HTTP 协议、FTP 协议、SMTP 协议...

应用层协议应用
HTTP万维网
FTP文件传输
DNS域名转换
SMTP电子邮件
TELNET远程终端接入
......

参考资料

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Contributors: johan