计算机网络的分层模型

摘要：本文主要介绍计算机网络的分层模型，包括为什么分层、有哪些分层模型以及 5 层参考模型的简要介绍。

1. 计算机网络的分层

在计算机网络体系中，采用层次化的思想，将通信协议中必要的功能进行分层，每一层都接收由它下一层所提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定的服务。上下层之间进行交互所遵循的约定叫做『接口』，同一层之间进行交互所遵循的约定叫做『协议』。

• 『接口』即相邻两层之间交换位置的连接点，是上层使用下层服务的入口。
• 『协议』即通信双方所做的一些约定，比如怎么开始通信、信息的格式与顺序、怎么结束通信等。协议非常重要，我们在学习计算机网络过程中，重点就是理解各种协议，如 HTTP、DNS、TCP 等。只有通信双方同时支持相同协议，才能进行通信。就像人类之间通信交流一样，假如一个人只会英文，那么给他说中文，就会不知所云。

计算机网络为什么要采用分层模型呢？主要原因在于分层存在以下优势：

• 分层是软件设计中的一个常见套路，它也是一种常见解耦的思路，可以有效减少程序中出现『牵一发而动全身』的情况。将每个分层独立使用，灵活性更强，即使系统中某些分层发生变化，也不会波及整个系统。
• 分层也可以将复杂的网络问题分解为许多比较小的、界线比较清晰简单的部分来处理，从而更易于单独实现每个分层的协议，并界定各个分层的具体责任和义务。

当然也不是分层越多越好，即分层可能也存在一些劣势，比如有时可能会过分模块化，使处理变得更加沉重以及不同模块可能要处理相似的逻辑，从而出现冗余等问题。

2. 常见参考模型

在计算机通信的初期，每家计算机厂商都生产各自的网络产品来实现计算机通信。而由于缺乏标准化，不同厂商设定的各种协议之间不兼容，无法跨厂商通信，非常不方便。

为了解决上述问题，国际标准化组织 ISO 制定了一个国际标准 OSI 参考模型 ，将计算机网络体系划分为 7 层，对通信系统进行了标准化。此模型概念清晰，但非常复杂，实现较为困难，并没有得到普及。

出于实用的目的， ARPA 提出了 TCP/IP 参考模型（其实比 OSI 模型出现更早），将计算机网络划分为 4 层。此模型在标准制定过程中将真正能够实现通信的技术作为首要任务（更看重的是如何实现，而不是理论），并且一旦发现有什么问题，就及时修改程序、协议或相应文档，模型更加简洁，且实用性更强，最终成为了业界标准。但是 TCP/IP 最下面的网络接口层概念并不清晰，没有什么具体内容。

为了方便理解计算机网络原理，在计算机网络教程中，通常综合 OSI 7 层模型和 TCP/IP 4 层模型的优缺点，将计算机网络分为 5 层，既简洁又能将概念阐述更加清楚（当然实际上应用的还是 TCP/IP 模型）。

几种计算机网络参考模型的示意图如下：

3. 5 层参考模型简介

• 应用层

  应用层的传输单位是报文，任务是完成特定网络应用，比如传输电子邮件、传送文件、请求与响应 Web 文档等具体网络功能，用户直接接触到的就是这一层，常见协议有 HTTP、FTP、DNS、SMTP。

• 传输层

  传输层的传输单位是报文段，任务是为不同进程之间提供通信服务。一台主机上可能运行着很多进程（比如用户可能一边听着歌，一边聊着天，运行着不同的进程，那么就需要知道数据应该发送给哪个进程），通过端口号进行区分。常见协议有 TCP、UDP。

• 网络层

  网络层的传输单位是数据报（包），任务是为不同网络主机之间提供通信服务，把数据从源端传到目的端。使用 IP 地址来标识网络上的设备。除了寻址之外还需要进行路由选择，从主机 A 向主机 B 传输数据的时候，有很多条可以选择的路由，网络层利用相应的路由算法计算出⼀条合适的道路。常见协议有 IP、ICMP。

• 数据链路层

  数据链路层的传输单位是帧，任务是为物理层面上互连的、同一链路上的不同节点（主机或路由器）之间提供通信服务。例如与 1 个以太网相连的 2 个节点之间的通信。使用 MAC 地址来标识网络上的设备。数据链路层还提供流量控制、差错控制等功能。

  网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起，因此互联网也称为『网络的网络』。通常把单个的网络简化成一条链路，数据链路层服务于同一个链路中的不同节点。

  通信链路分为多种（如以太网、WIFI、电缆接入网），由不同类型的物理媒体组成（如光纤、双绞线、同轴电缆）。不同网络主机之间可能相距很远，之间跨越很多条链路。就像我们从北京公司去南京老家，可能会经过高速公路、城市道路、乡村小道等不同道路。

• 物理层

  物理层的传输单位是⽐特，任务是透明的传输比特流（0/1 信号）。（透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送）

当两台计算机在进行通信的过程中，数据将会经过计算机网络的不同层级。发送端在层与层之间传输数据时，每经过一层都会添加一个该层所属的首部信息（封装），比如传输层会加上源端口号和目的端口号等信息、网络层会加上源 IP 地址和目标 IP 地址等信息、数据链路层会加上源 MAC 地址和目标 MAC 地址。反之，接收端在层与层传输数据时，每经过一层时会把对应的首部消去（解封装）。

这就类似于寄快递，商家寄件的时候会加上包装盒、包装袋、寄件信息贴纸等，一层层包装，而消费者收件的时候则需要一层层去掉包装，得到最终的商品。

参考文献：

1. 《图解 HTTP》
2. 《图解 TCP/IP》
3. 《计算机网络（第 7 版）》