1.TCP/IP网络模型

1.四层TCP/IP网络模型

1.1 为什么要有TCP/IP网络模型

　　对于同一设备间的进程通信，可以通过管道、消息队列、共享内存、信号等方式进行通信；在Java中的线程通信中，可以使用管道流（字节流（PipedInputStream、PipedInputStream）、字符流（PipedReader、PipedWriter））、共享内存（volatitle）、消息传递（wait/notify，join）等方式进行通信。对于不同设备商的进程间通信需要网络通信，而设备多样化，因此为兼容多样化设备，就协商出一套通用网络协议进行不同设备间的进程间通信。网络协议是分层结构的，每一层都有其各自的作用和职责。

1.2 应用层

　　TCP/IP网络模型中最上层的网络就是应用层（Application Layer），我们电脑或手机使用的应用软件九十九与应用层实现的。当两个不同设备的应用进行通信时，应用层把应用层数据传输给下一层的传输层。应用层只需要专注于为用户提供应用功能，即HTTP、FTP、TELNET、DNS、SMTP等协议。

　　应用层不需要关注数据如何传输。应用层工作在操作系统的用户态，传输层及以下网络层工作在操作系统的内核态。

1.3 传输层

　　在传输层中有两个传输协议，分别是面向连接的可靠性协议TCP协议和无连接的不可靠协议UDP协议。TCP（传输控制协议（Transmission Controller Protocol））帮助很多应用层传输信息，如HTTP。TCP相对于UDP多了流量控制、超时重传、拥塞控制等特性，这些都是为了保证数据包可靠地传输给其他应用。UDP相对于TCP更加简捷，它只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达其他应用，但它相对与TCP实时性更好，传输效率也更高。其实UDP结合HTTP/3的QUIC协议也可以实现可靠传输，只不过现在还没有研究出好的方案。

　　当应用传输的数据非常大时，直接传输不好控制。当传输层的数据大小超过MSS（TCP最大报文段长度），就要将数据分段。分段后，及时一个分块丢失或损坏，只需要重新发送这一个分块即可，而不需要发送整个数据包。在TCP协议中，我们把每个分块称为一个TCPP段（TCP Segment）。结构如下图所示：

　　　当设备作为接收方时，传输层负责将数据包传给应用，但一台设备可能会有多个应用在接收或传输数据，因此需要端口来区分应用层。由于传输层的报文会携带端口号，因此接收方可以通过传输层的端口识别出报文发送给哪个应用。

 1.4 网络层

　　每一层网络模型都有各自的任务和功能，传输层只需要服务好应用层即可。而网络层的职责就是作为应用层的数据传输媒介，实现应用到应用的通信，真正实现传输功能。

 　　网络层最常使用的网络协议是IP协议（Internal Protocol），IP协议会将传输层的报文作为数据部分，在其头部加上IP包头组装成IP报文。如果IP报文大小超过MTU（最大传输单元，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，那它是如何找到它送往的设备呢？因此网络层需要区分设备编号。

　　一般使用IP地址给设备进行编号，对于IPV4协议，IP协议供32位，分成四段（如192.168.100.1），每段8位。只有一个单纯的IP地址只能做到区分设备，但是寻址麻烦。因此需要将IP地址分成两个部分：

• 一个是网络号：标识IP地址属于哪个[子网]
• 一个是主机号：标识统一[子网]下的不同主机

如何区分呢？我们需要子网掩码和目标IP地址才能计算出源IP地址的网络号和主机号。首先将目标IP地址与子网掩码按位与运算得到网络号，再将目标IP地址与取反的子网掩码按位与运算得到源IP地址的主机号。

　　在寻址过程中，先匹配到相同的网络号（即先找到同一子网），才会去找对应的主机。IP协议另一个功能是路由，实际数据传输过程中，设备是通过很多网关、路由器、交换机等网络设备以及网线连接起来的。因此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。路由器寻址过程中，需要找到目标地址子网，找到后进而把数据转发给对应的网络。

 　　IP协议寻址作用是告诉我们数据包去往下一个目的地该朝那个方向走；路由是根据[下一个目的地]选择路径。寻址更像导航，路由就是按照出发路线到达。

 1.5 网络接口层

　　在数据包头部加上IP头部后，接下来交给网络接口层，在其头部加上MAC头部，并封装成数据帧发送到网络上。数据传输流程如下：

　　Ip头部中的接收方IP地址表示网络包的目的地，通过该地址判断包发往哪里，但在以太网中，该思路行不通。电脑上的以太网接口、WIFI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组成以太网。以太网是一种在[局域网]内，将设备连接起来，使它们之间通讯的技术。

　　以太网判断网络包目的地时与IP方式不同，而MAC头部采用相匹配的方式在以太网中将包发往目的地，所以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，包含接收方和发送方的MAC地址信息。我们通过ARP协议获取对方MAC地址。

　　网络接口层为网络层提供[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地址标识网络上的设备。

2.参考博客

　　本人博客内容是基于小林coding的计算机网络写的，中间省略了部分内容，大家可以去小林coding博客看更详细的图解网络，链接为：小林coding (xiaolincoding.com)。