合集 - 网络(7)
1.从输入URL到页面加载发生了什么？2.计算机网络（一）
3.TCP/IP网络模型
4.OSI七层模型5.HTTP6.TCP & UDP7.网络层的协议
收起

为什么要有TCP/IP网络模型？

为了兼容多种多样的设备，需要协商出通用的网络协议。

一、应用层

专注于为用户提供应用功能，比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

应用层工作在操作系统的用户态，传输层及以下则工作在内核态。

二、传输层

应用层的数据包会传给传输层，传输层为应用层提供网络支持。有两个协议TCP、UDP。

大部分应用使用的是TCP协议，TCP比UDP多了很多特性，比如流量控制、超时重传、拥塞控制等，目的都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。

UDP只负责发送数据包，不管数据包能否抵达对方，但它的实时性更好，传输效率高。只要把TCP的特性在应用层上实现，也可以实现可靠的UDP协议。可以在应用层上设计一种自定义的协议，通过添加序列号、确认应答、超时重传、拥塞控制等机制来实现可靠传输。这需要在发送端和接收端的应用程序中进行协议的设计和实现。

  • 是否面向连接：UDP 在传送数据之前不需要先建立连接。而 TCP 提供面向连接的服务，在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。
  • 是否是可靠传输：远地主机在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认，并且不保证数据不丢失，不保证是否顺序到达。TCP 提供可靠的传输服务，TCP 在传递数据之前，会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认、窗口、重传、拥塞控制机制。通过 TCP 连接传输的数据，无差错、不丢失、不重复、并且按序到达。
  • 是否有状态：这个和上面的“是否可靠传输”相对应。TCP 传输是有状态的，这个有状态说的是 TCP 会去记录自己发送消息的状态比如消息是否发送了、是否被接收了等等。为此 ，TCP 需要维持复杂的连接状态表。而 UDP 是无状态服务，简单来说就是不管发出去之后的事情了（这很渣男！）。
  • 传输效率：由于使用 TCP 进行传输的时候多了连接、确认、重传等机制，所以 TCP 的传输效率要比 UDP 低很多。
  • 传输形式：TCP 是面向字节流的，UDP 是面向报文的。
  • 首部开销：TCP 首部开销（20 ～ 60 字节）比 UDP 首部开销（8 字节）要大。
  • 是否提供广播或多播服务：TCP 只支持点对点通信，UDP 支持一对一、一对多、多对一、多对多；

TCP:面向字节流的，提供可靠的网络传输协议。

UDP：面向报文的，不保证可靠的网络传输协议。

UDP面向报文指的是不会对消息进行拆分，TCP面向字节流指的是一个完整的消息可能会被分成多个TCP报文进行传输。也就是拆包，但是当两个消息的某个部分被分到同一个TCP报文时，就出现了粘包问题。有三种分包方式：

  • 固定长度的消息；
  • 特殊字符作为边界；
  • 自定义消息结构。

三、网络层

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。

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。

比如 10.100.122.0/24，后面的/24表示就是 255.255.255.0 子网掩码，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。

 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。

网络层使用的是IP协议，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就会再次进行分片，得到一个即将发送到网络的IP报文。

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）。

四、网络接口层

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。

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。