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之前寫了那么多網(wǎng)絡(luò)的文章，竟然發(fā)現(xiàn)對「網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層」做詳細(xì)介紹，這次就把這一塊補(bǔ)上。

要摸清網(wǎng)絡(luò)，那么第一步肯定是要清楚網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，看分層結(jié)構(gòu)相當(dāng)于從上帝視角來看網(wǎng)絡(luò)，這樣后續(xù)針對每一個(gè)層深入學(xué)習(xí)就不會(huì)摸不著頭腦。

對于同一臺(tái)設(shè)備上的進(jìn)程間通信，有很多種方式，比如有管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、信號等方式，而對于不同設(shè)備上的進(jìn)程間通信，就需要網(wǎng)絡(luò)通信，而設(shè)備是多樣性的，所以要兼容多種多樣的設(shè)備，就協(xié)商出了一套通用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

這個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是分層的，每一層都有各自的作用和職責(zé)，接下來就分別對每一層進(jìn)行介紹。

應(yīng)用層

最上層的，也是我們能直接接觸到的就是應(yīng)用層(Application Layer)，我們電腦或手機(jī)使用的應(yīng)用軟件都是在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。那么，當(dāng)兩個(gè)不同設(shè)備的應(yīng)用需要通信的時(shí)候，應(yīng)用就把應(yīng)用數(shù)據(jù)傳給下一層，也就是傳輸層。

所以，應(yīng)用層只需要專注于為用戶提供應(yīng)用功能，不用去關(guān)心數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)?，就類似于，我們寄快遞的時(shí)候，只需要把包裹交給快遞員，由他負(fù)責(zé)運(yùn)輸快遞，我們不需要關(guān)心快速是如何被運(yùn)輸?shù)摹?/p>

而且應(yīng)用層是工作在操作系統(tǒng)中的用戶態(tài)，傳輸層及以下則工作在內(nèi)核態(tài)。

傳輸層

應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包會(huì)傳給傳輸層，傳輸層(Transport Layer)是為應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)支持的。

在傳輸層會(huì)有兩個(gè)傳輸協(xié)議，分別是 TCP 和 UDP。

TCP 的全稱叫傳輸層控制協(xié)議(Transmission Control Protocol)，大部分應(yīng)用使用的正是 TCP 傳輸層協(xié)議，比如 HTTP 應(yīng)用層協(xié)議。TCP 相比 UDP 多了很多特性，比如流量控制、超時(shí)重傳、擁塞控制等，這些都是為了保證數(shù)據(jù)包能可靠地傳輸給對方。

UDP 就相對很簡單，簡單到只負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)包，不保證數(shù)據(jù)包是否能抵達(dá)對方，但它實(shí)時(shí)性相對更好，傳輸效率也高。當(dāng)然，UDP 也可以實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，把 TCP 的特性在應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)就可以，不過要實(shí)現(xiàn)一個(gè)商用的可靠 UDP 傳輸協(xié)議，也不是一件簡單的事情。

應(yīng)用需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能會(huì)非常大，如果直接傳輸就不好控制，因此當(dāng)傳輸層的數(shù)據(jù)包大小超過 MSS(TCP 最大報(bào)文段長度) ，就要將數(shù)據(jù)包分塊，這樣即使中途有一個(gè)分塊丟失或損壞了，只需要重新這一個(gè)分塊，而不用重新發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)包。在 TCP 協(xié)議中，我們把每個(gè)分塊稱為一個(gè) TCP 段(TCP Segment)。

當(dāng)設(shè)備作為接收方時(shí)，傳輸層則要負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)包傳給應(yīng)用，但是一臺(tái)設(shè)備上可能會(huì)有很多應(yīng)用在接收或者傳輸數(shù)據(jù)，因此需要用一個(gè)編號將應(yīng)用區(qū)分開來，這個(gè)編號就是端口。

比如 80 端口通常是 Web 服務(wù)器用的，22 端口通常是遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器用的。而對于瀏覽器(客戶端)中的每個(gè)標(biāo)簽欄都是一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，操作系統(tǒng)會(huì)為這些進(jìn)程分配臨時(shí)的端口號。

由于傳輸層的報(bào)文中會(huì)攜帶端口號，因此接收方可以識(shí)別出該報(bào)文是發(fā)送給哪個(gè)應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)層

傳輸層可能大家剛接觸的時(shí)候，會(huì)認(rèn)為它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備，事實(shí)上它并不負(fù)責(zé)。

實(shí)際場景中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)是錯(cuò)綜復(fù)雜的，中間有各種各樣的線路和分叉路口，如果一個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)要傳輸給另一個(gè)設(shè)備，就需要在各種各樣的路徑和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇，而傳輸層的設(shè)計(jì)理念是簡單、高效、專注，如果傳輸層還負(fù)責(zé)這一塊功能就有點(diǎn)違背設(shè)計(jì)原則了。

也就是說，我們不希望傳輸層協(xié)議處理太多的事情，只需要服務(wù)好應(yīng)用即可，讓其作為應(yīng)用間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋瑤椭鷮?shí)現(xiàn)應(yīng)用到應(yīng)用的通信，而實(shí)際的傳輸功能就交給下一層，也就是網(wǎng)絡(luò)層(Internet Layer)。

網(wǎng)絡(luò)層最常使用的是 IP 協(xié)議(Internet Protocol)，IP 協(xié)議會(huì)將傳輸層的報(bào)文作為數(shù)據(jù)部分，再加上 IP 包頭組裝成 IP 報(bào)文，如果 IP 報(bào)文大小超過 MTU(以太網(wǎng)中一般為 1500 字節(jié))就會(huì)再次進(jìn)行分片，得到一個(gè)即將發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的 IP 報(bào)文。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備，世界上那么多設(shè)備，又該如何找到對方呢?因此，網(wǎng)絡(luò)層需要有區(qū)分設(shè)備的編號。

我們一般用 IP 地址給設(shè)備進(jìn)行編號，對于 IPv4 協(xié)議， IP 地址共 32 位，分成了四段，每段是 8 位。只有一個(gè)單純的 IP 地址雖然做到了區(qū)分設(shè)備，但是尋址起來就特別麻煩，全世界那么多臺(tái)設(shè)備，難道一個(gè)一個(gè)去匹配?這顯然不科學(xué)。

因此，需要將 IP 地址分成兩種意義：

• 一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)號，負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)該 IP 地址是屬于哪個(gè)子網(wǎng)的;
• 一個(gè)是主機(jī)號，負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)同一子網(wǎng)下的不同主機(jī);

怎么分的呢?這需要配合子網(wǎng)掩碼才能算出 IP 地址 的網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號。那么在尋址的過程中，先匹配到相同的網(wǎng)絡(luò)號，才會(huì)去找對應(yīng)的主機(jī)。

除了尋址能力， IP 協(xié)議還有另一個(gè)重要的能力就是路由。實(shí)際場景中，兩臺(tái)設(shè)備并不是用一條網(wǎng)線連接起來的，而是通過很多網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機(jī)等眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來的，那么就會(huì)形成很多條網(wǎng)絡(luò)的路徑，因此當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，就需要通過算法決定下一步走哪條路徑。

所以，IP 協(xié)議的尋址作用是告訴我們?nèi)ネ乱粋€(gè)目的地該朝哪個(gè)方向走，路由則是根據(jù)「下一個(gè)目的地」選擇路徑。尋址更像在導(dǎo)航，路由更像在操作方向盤。

數(shù)據(jù)鏈路層

實(shí)際場景中，網(wǎng)絡(luò)并不是一個(gè)整體，比如你家和我家就不屬于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，所以數(shù)據(jù)不僅可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間進(jìn)行傳輸，也可以跨網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

一旦數(shù)據(jù)需要跨網(wǎng)絡(luò)傳輸，就需要有一個(gè)設(shè)備同時(shí)在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，這個(gè)設(shè)備一般是路由器，路由器可以通過路由表計(jì)算出下一個(gè)要去的 IP 地址。

那問題來了，路由器怎么知道這個(gè) IP 地址是哪個(gè)設(shè)備的呢?

于是，就需要有一個(gè)專門的層來標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，讓數(shù)據(jù)在一個(gè)鏈路中傳輸，這就是數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)，它主要為網(wǎng)絡(luò)層提供鏈路級別傳輸?shù)姆?wù)。

每一臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)卡都會(huì)有一個(gè) MAC 地址，它就是用來唯一標(biāo)識(shí)設(shè)備的。路由器計(jì)算出了下一個(gè)目的地 IP 地址，再通過 ARP 協(xié)議找到該目的地的 MAC 地址，這樣就知道這個(gè) IP 地址是哪個(gè)設(shè)備的了。

物理層

當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備要從設(shè)備發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成電信號，讓其可以在物理介質(zhì)中傳輸，這一層就是物理層(Physical Layer)，它主要是為數(shù)據(jù)鏈路層提供二進(jìn)制傳輸?shù)姆?wù)。

總結(jié)

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常是由上到下，分成 5 層，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

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