IP协议五层模型网站首页 技术教程

【网络原理】TCP/IP协议五层模型

一只爱打拳的程序猿 2024-10-03 12:01:04

简介【网络原理】TCP/IP协议五层模型

?作者：一只爱打拳的程序猿，Java领域新星创作者，CSDN、阿里云社区优质创作者。

?专栏收录于：计算机网络原理

本期讲解协议、OSI七层模型、TCP/IP五层模型、网络设备所在的分层、数据的封装和分佣。

1. 什么要有协议？

假如网络通信过程中，我给别人发一条信息“你吃饭了吗？紧接着发了一个动图表情包。有一个问题，接收者是如何区分我发的是文字还是图片呢？

我们知道，数据传输的过程是通过 0和1 这样的二进制数据进行发送的。那么发送者和接受者如何区分传输的 0和1 二进制数据是关于文字的还是图片的呢？因此，我们可以通过协议来规定相应的格式。

2. 协议的分层

TCP/IP协议分层模型有：TCP/IP四层模型、TCP/IP五层模型、OSI七层模型。

对于我们程序猿来说，我们需要搞懂 TCP/IP五层协议 中的前四种协议即可。因为物理层主要是一些传输介质（网线等）类似于电脑的硬件部分，我们软件开发无需深入了解。

网络编程是通过应用层进行的，因此我们在后期 网络编程 的学习中，把应用层的一些规范与使用深入学习即可，而其他层我们只需要了解它们是什么就足够了。

2.1 协议分层的好处

分层最大的好处，类似于面向接口编程：定义好两层间的接口规范，让双方遵循这个规范来对接。

调用方，当调用方使用这些接口时候不关心接口具体是怎么实现的。

提供方，提供方利用封装的特性，隐藏了协议实现的细节，只需要开放接口即可。

3. OSI七层模型

OSI：即Open System Interconnection，开放系统互连。它分为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层（由低到高）。

应用层：针对特定引用的协议。

表示层：设备固有数据格式和网络标准数据格式的转换。

会话层：通信管理，负责建立和断开通信连接，管理传输层以下的分层。

传输层：管理两个节点之间的数据传输，负责可靠的数据传输。

网络层：地址管理与路由选择。

数据链路层：互联设备之间传送和识别数据帧。

物理层：传输 0、1 这样的代表高低电平数据，通过特定的传输介质来传输。

OSI七层模型是教科书级别的。我们作为一名程序猿，只需要掌握TCP/IP五层协议即可。

4. TCP/IP协议五层模型

作为一名程序猿，对于TCP/IP五层协议，应掌握应用层和熟悉传输层，特别是以下两层对应协议：

应用层：HTTP协议、FTP协议、SMTP协议和POP3协议等。这些协议是应用程序与网络的接口，程序猿需要了解其通信过程和数据格式，从而编写适合的程序进行数据交互。
传输层：TCP和UDP协议。TCP协议可确保传输的数据完整性和顺序性，使用范围较广；UDP协议传输速度更快，但无法保证数据的完整性和顺序性。

应用层：负责程序之间的沟通，简单的电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议等（Telent）等。我们程序员网络编程就是针对应用层来进行的。

传输层：负责两台主机之间的数据传输。如传输控制协议 (TCP)，能够确保数据可靠的从源主机发

送到目标主机。

网络层：负责地址管理和路由选择。例如在IP协议中，通过IP地址来标识一台主机，并通过路由表

的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路（路由）。路由器（Router）工作在网路层。

数据链路层：负责设备之间的数据帧的传送和识别。例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作。有以太网、令牌环网，无线LAN等标准。交换机（Switch）工作在数据链路层。

物理层：负责光/电信号的传递方式。比如现在以太网通用的网线(双绞线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤，现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）工作在物理层。

举例说明：我在网上买一个物品，需要卖家信息（源IP地址）、我的信息（目的IP地址）。物流（协议）要历经广州，长沙，武汉。运输路径可以是空运（广州直达武汉）、慢达（广州、长沙、武汉）。

应用层：告诉快递站，卖家要快递给我的货物是什么，根据货物的类型好用相应的包装发送。

应用层负责程序之间的沟通，规定使用的格式。

传输层：我和卖家都不关注中间是怎么传输的，只关心起点和终点对应的就是源IP地址与目的IP地址。

传输层主要关注源IP地址与目的IP地址，不考虑中间路径。

网络层：发货地址是长沙，收获地址是武汉。长沙到武汉可以空运、火车，网络层可选择合适的路径进行运输。

网络层主要负责两个遥远节点之间的路径规划。

数据链路层：运输路径选择了慢达，广州到长沙使用的是货车，长沙再到武汉使用的火车。

数据链路层主要负责两个相邻节点之间的传输。

物理层：网络通信的基础设施，也就是一些网线、光纤、网络接口，也就是网络上的告诉公路。

5、网络设备所在分层

何为网络设备，就是联网所需要的设备，如电脑主机、路由器、交换机、集线器等。

主机：主机，它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容，对应的TCP/IP五层模型的下四层即：传输层、网络层、数据链路层、物理层。

路由器：路由器，它实现了从网络层到物理层，对应的是TCP/IP五层模型的下三层即：网络层、数据链路层、物理层。

交换机：交换机，它实现从了从数据链路层到物理层，对应的是TCP/IP五层模型的下两层。

集线器：集线器，只实现了物理层。

我们日常生活中所说的交换机也称为 二层交换机 工作在 TCP/IP五层模型中的下两层（数据链路层、物理层）。

路由器也称为 三层路由器 工作在 TCP/IP五层模型中的下三层（网络层、数据链路层、物理层）。

6、封装和分用

在协议被分层好的情况下，数据是怎样通过网络传输的的呢？答案是通过封装和分用。

发送方发送数据，要把数据从上到下，依次交给对应层次的协议，进行封装。

接收方收到数据，要把数据从下到上，依次也交给对应层次的协议，进行分用（解封装）。

假设我给张三发一条信息：“你吃饭了吗？”。模拟这条信息，在各个层次进行封装与分用的效果。

6.1 封装

（1）应用层

应用层拿到“你吃饭了吗？”这条信息，进行封装，封装成应用层数据包。一个应用层数据包大概分为发送方，接收方，时间，发送内容这四个模块。

当然，以上的信息会变成一个字符串。通过 + 号进行连接。如1234;6698;2023061510503;"你吃饭了吗?"，分别对应的是发送方、接收方、时间、发送内容。真实开发中，这些数据包可能封装得更难，在此大家理解即可。

（2）传输层

传输层在拿到应用层的数据包后，把该数据包再次封装成传输层对应的数据包。传输层对应的协议比较多，最典型的是 TCP 和 UDP。

在本篇博文中以 UDP 协议为例，UDP 会提供一个 UDP 数据报头里面包含源端口和目的端口。源端口即发送方程序的端口号，目的端口即接收方程序的端口号。

本质上，加上了UDP数据报头也相当于字符串拼接。

（3）网络层

传输层已经把数据封装成带有 UDP 数据报头的数据包了，接下来网络层就要把数据包加上 IP 协议报头。

源IP地址就是表示这次传输过程中的起点，目的IP就是表示这次传输过程中的终点。加上了 IP 协议报头，也是通过字符串拼接的。

（4）数据链路层

网络层把数据包交给数据链路层，此时会用到以太网帧，此时涉及到mac地址。mac地址也叫做物理地址，描述的是主要在网络中的位置，跟IP地址很像，但比IP地址更详细。

IP地址是两个较远节点之间交互，mac地址是相邻节点之间交互。在本文 4. TCP/IP协议五层模型中有详细介绍。

注意，以太网帧分为帧头和帧尾，目前我们只需要掌握帧头即可。帧头包括源mac地址和目的mac地址。mac地址是和网卡进行绑定的，每个设备都会有一个唯一标识的 mac 地址（理论上）。

（5）物理层

物理层在接受到上层以太网的数据帧后，就把数据包所拼接的字符串 0和1 这样的二进制数据转换为光信号/电信号等信号进行传输了。

6.1 分用

通过上述讲解，我们知道了封装是从应用层到物理层，而分用恰好相反，从物理层到应用层。

（1）物理层

把光信号/电信号进行解析，还原成 0和1 的二进制序列。交给数据链路层。

（2）数据链路层

把得到 0和1 二进制序列当作一个以太网帧。把以太网帧头、帧尾去掉，得到中间的载荷再往上把数据包交给网络层。

以太网数据帧头有一个消息类型，根据这个类型，网络层就能知道数据包开头是IP协议了。

（3）网络层

网络层得到数据包后，也是进行去IP报头，以及取出剩余载荷，把数据包上传给传输层。

IP报头也有一个消息类型，标识当前数据包对应的是传输层的哪个协议。

（4）传输层

传输层得到是 UDP 报头，因此去掉 UDP 报头，得到载荷把数据包传给应用层。

传输层会标识端口号，这样应用层就能区分程序所在位置。

（5）应用层

最后应用层的工作，就是把数据包放到对应的程序当中。取出数据包中的信息，显示在界面中。

注意：

不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段(segment)，在网络层叫做数据报(datagram)，在链路层叫做帧(frame)。
应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部(header)，称为封装(Encapsulation)。
首部信息中包含了一些类似于首部有多长，载荷(payload)有多长，上层协议是什么等信息。
数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，根据首部中的 "上层协议字段" 将数据交给对应的上层协议处理。

关于封装和分用在程序上，实际各层就是把数据用字符串拼接的方式进行传输。在现实传输中更为复杂，涉及到模电以及物理相关知识。在我们程序猿的眼中，知道知道传输的过程大致是什么样即可。