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前言

如果你對網(wǎng)絡(luò)分層不太了解，當(dāng)聽到三層協(xié)議、五層協(xié)議時是不是一頭霧水?不知道所謂的層是什么，所謂的協(xié)議是什么?甚至對網(wǎng)絡(luò)通信都知之甚少，那么這篇文章一定能夠讓你快速學(xué)到，如果沒有收獲就別點贊。

網(wǎng)絡(luò)、通信、協(xié)議

在深入學(xué)習(xí)之前，先了解一些基本的概念。

網(wǎng)絡(luò)是什么?網(wǎng)絡(luò)是用物理鏈路將工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的。這里的物理鏈路不僅僅指的是我們能夠看得到的雙絞線、光纖，也可能是無線電波。

網(wǎng)絡(luò)通信，狹義的講，可以理解為計算機(jī)與計算機(jī)之間基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)然，這個過程中也有人與計算機(jī)的交互。

就像人與人溝通一樣，既然想“聊天”，最起碼得有一個基本條件，比如都使用漢語或英語，這算是一個比較寬泛的協(xié)議了。而在計算機(jī)通信當(dāng)中，也差不多，就是約定好咱們交互時的數(shù)據(jù)格式是什么，每個數(shù)據(jù)項什么意思，然后你收到之后應(yīng)該怎么處理或怎么回應(yīng)。

暫且不管官方的定義，簡單來說，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議就是在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)的規(guī)則。當(dāng)然，協(xié)議是非常多的，比如TCP、UDP、IP協(xié)議、FTP協(xié)議等等。而使用這些協(xié)議最基本的要求就是發(fā)送方和接收方所使用的協(xié)議必須一致，否則不就雞同鴨講了嘛。

當(dāng)我們說幾層協(xié)議時，一般來說：一臺設(shè)備上的第X層與另一臺設(shè)備上的第X層進(jìn)行通信的規(guī)則就是第X層協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)分層模型

就像一家公司，有老板、經(jīng)理、組長、成員，不同層面的人有不同的溝通方式，但最終還是從上而下的進(jìn)行實施。老板與老板的溝通就相當(dāng)于應(yīng)用層之間的溝通，而老板的目標(biāo)又需要下面經(jīng)理的支持，就像應(yīng)用層需要傳輸層的支持一樣。

理解了網(wǎng)絡(luò)分層的基本作用，來看看網(wǎng)絡(luò)分層的幾種方式。標(biāo)準(zhǔn)的七層網(wǎng)絡(luò)分層，也就是OSI七層模型。TCP/IP五層模型和TCP/IP四層模型是從OSI七層優(yōu)化而來。

通常，作為用戶來講，使用最多的就是應(yīng)用層了，大多數(shù)情況下可能都感知不到其他層的存在。

那么，為什么要分層呢?這樣與我們設(shè)計軟件架構(gòu)的思想差不多，就是要具有高內(nèi)聚、低耦合、復(fù)用、擴(kuò)展性等特性。試想一下，如果沒有分層，當(dāng)一個業(yè)務(wù)或協(xié)議需要改變時，我們只能針對整個系統(tǒng)做修改或擴(kuò)展。而分層之后，便可以很方便的把不同功能的模塊抽離出來，修改對應(yīng)的模塊即可。而且不同層還可以被復(fù)用，只要確保按照這個層的協(xié)議來處理就可以了。

后面呢，我們就主要針對TCP/IP五層模型來進(jìn)行逐個講解。

網(wǎng)絡(luò)分層與協(xié)議

上面了解了協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)分層，這里通過一張圖來對照一下常見的協(xié)議都位于哪個層。

網(wǎng)絡(luò)分層與物理設(shè)備

通過一張圖，看一下不同網(wǎng)絡(luò)分層通常對應(yīng)的硬件設(shè)備：

物理層

了解了上面的基礎(chǔ)知識，我們下面就來看看每層的作用，而通過功能的關(guān)聯(lián)性來記憶網(wǎng)絡(luò)的分層是一個非常好的記憶方法。我們首先來看物理層。

這一層就是把各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來，讓其可以傳輸0 1 0 1的電信號

物理層，顧名思義，用物理手段將電腦連接起來，基本上是用雙絞線、光纖、無線電波的方式來實現(xiàn)物理層。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來之后，就可以基于它來發(fā)送高低電壓(電信號)進(jìn)行通信，高電壓對應(yīng)數(shù)字1，低電壓對應(yīng)數(shù)字0。0、1信號本身沒有任何的現(xiàn)實意義，所有需要用另一層用來規(guī)定不同0、1組合的意義。

數(shù)據(jù)鏈路層

單純的電信號0和1沒有任何意義，必須規(guī)定電信號多少位一組，每組什么意思。數(shù)據(jù)鏈路層的功能就是通過規(guī)定一套協(xié)議來定義電信號的分組方式，以及規(guī)定不同的組代表什么意思，從而雙方計算機(jī)都能夠進(jìn)行識別，這個協(xié)議就是“以太網(wǎng)協(xié)議”。

以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定，一組電信號構(gòu)成一個數(shù)據(jù)包，我們把這個數(shù)據(jù)包稱之為幀。每一個楨由包頭(Head)和數(shù)據(jù)(Data)兩部分組成。

其中Head包含數(shù)據(jù)包的一些說明信息，包括發(fā)送者、接收者、數(shù)據(jù)類型;Data則是數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。

Head部分包含固定的18個字節(jié)：

• 發(fā)送者/源地址，6個字節(jié);
• 接收者/目標(biāo)地址，6個字節(jié);
• 數(shù)據(jù)類型，6個字節(jié)。

Data部分的長度，最短為46字節(jié)，最長為1500字節(jié)。因此，整個”幀”最短為64字節(jié)，最長為1518字節(jié)。如果數(shù)據(jù)很長，就必須分割成多個幀進(jìn)行發(fā)送。

有了數(shù)據(jù)包的定義，那么計算機(jī)是如何標(biāo)識誰是誰?以及如何知道對方的地址呢?這就涉及到MAC地址和廣播。

MAC地址

以太網(wǎng)規(guī)定，連入網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備都必須具有網(wǎng)卡。數(shù)據(jù)包的發(fā)送地址和接收地址指的就是網(wǎng)卡地址，也就是MAC地址。

MAC地址作為網(wǎng)絡(luò)中計算機(jī)設(shè)備的唯一標(biāo)識，從計算機(jī)在廠商生產(chǎn)出來就被十六進(jìn)制的數(shù)標(biāo)識為MAC地址，MAC地址理論上是獨一無二的。這也是為什么很多軟件校驗設(shè)備唯一性時，會用到MAC地址。

MAC地址長度為48位2進(jìn)制，通常由12位16進(jìn)制數(shù)表示(前六位是廠商編號，后六位是流水線號)。

有了MAC地址，那么兩臺機(jī)器之間是找到對方進(jìn)行通信的呢?

廣播

有了MAC地址，在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的兩臺主機(jī)就可以通信了。

在同一個子網(wǎng)中，計算機(jī)1要向計算機(jī)4發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含接收方的MAC地址。計算機(jī)1向本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計算機(jī)都發(fā)送(以廣播的方式)，這時同一子網(wǎng)中的每臺計算機(jī) (包括2、3)都會收到這個數(shù)據(jù)包的。然后每臺計算機(jī)都會把數(shù)據(jù)包的MAC地址取出來，與自身的MAC地址進(jìn)行對比，如果兩者相同，則接受這個數(shù)據(jù)包，否則就丟棄這個數(shù)據(jù)包。計算機(jī)4發(fā)現(xiàn)包含自己的MAC地址，于是就進(jìn)行響應(yīng)。

網(wǎng)絡(luò)層

以太網(wǎng)通過廣播這種很原始的形式，解決了兩臺計算機(jī)之間的通信問題。但很明顯，它不是把數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確的送達(dá)接收方，而是向網(wǎng)絡(luò)中所有的計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

而我們所處的網(wǎng)絡(luò)是由無數(shù)個子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。即便忽略掉子網(wǎng)的存在，如果所有的通信都采用以太網(wǎng)的廣播方式，那么一臺機(jī)器發(fā)送的包全世界都會收到，整個網(wǎng)絡(luò)是會奔潰的。

而實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)又是由無數(shù)個子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，以太網(wǎng)采用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，效率低且發(fā)送的數(shù)據(jù)只能局限在發(fā)送者所在的子網(wǎng)絡(luò)。

此時就需要另想辦法，如果是同一個子網(wǎng)絡(luò)，就采用廣播方式發(fā)送，如果不是在同一個子網(wǎng) ， 那就通過網(wǎng)關(guān)和路由向不同廣播域/子網(wǎng)分發(fā)數(shù)據(jù)包。所以就有了網(wǎng)絡(luò)層，它是處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動，比如分組的選路。

網(wǎng)絡(luò)層引入一套新的協(xié)議用來區(qū)分不同的廣播域/子網(wǎng)，于是就有了IP 協(xié)議。

IP 協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)地址協(xié)議，叫做IP協(xié)議。相對于上面講到的MAC地址， IP 地址可以理解成邏輯地址，也就是說 MAC 地址是物理上的地址，是固定的。IP 地址是動態(tài)分配的，是不固定的?，F(xiàn)在廣泛采用的IPv4地址，同時IPv6也在不斷的發(fā)展壯大。

通過IP協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)，就叫做IP數(shù)據(jù)包，也分為“包頭”和“數(shù)據(jù)”兩個部分：“包頭”部分主要包括版本、長度、IP地址等信息;“數(shù)據(jù)”部分則是IP數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。IP數(shù)據(jù)包的”包頭”部分的長度為20到60字節(jié)，整個數(shù)據(jù)包的總長度最大為65535字節(jié)。

IPv4地址是由32位的二進(jìn)制數(shù)組成，一般把它分成4段的十進(jìn)制表示，地址范圍為0.0.0.0~255.255.255.255。

IP地址分成兩部分：網(wǎng)絡(luò)部分(標(biāo)識子網(wǎng))和主機(jī)部分(標(biāo)識主機(jī))。網(wǎng)絡(luò)部分和主機(jī)部分所占用的二進(jìn)制位數(shù)是不固定的。

IP地址段只是標(biāo)識了IP地址的種類，從網(wǎng)絡(luò)部分或主機(jī)部分都無法辨識一個IP所處的子網(wǎng)。如果兩個IP的網(wǎng)絡(luò)部分相同，則說明它們處于同一個子網(wǎng)中。例如192.168.33.1和192.168.33.2，如果它們的網(wǎng)絡(luò)部分為24位，主機(jī)部分為8位，網(wǎng)絡(luò)部分都為 192.168.33，處于同一個子網(wǎng)中。

但如果像192.16.10.1與192.16.10.2，并不知道網(wǎng)絡(luò)部分和主機(jī)部分各幾位，就不能確定是否處于同一子網(wǎng)。于是就有了子網(wǎng)掩碼。

子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)掩碼就是用來標(biāo)識同一局域網(wǎng)中的 IP 地址的信息的。子網(wǎng)掩碼也是由 32 個二進(jìn)制位組成的，但是只能用 0 或 1 來表示，如11111111.11111111.11111111.00000000。

子網(wǎng)掩碼的網(wǎng)絡(luò)部分全部為1，主機(jī)部分全部為0。兩臺計算機(jī)的 IP 地址分別和子網(wǎng)掩碼進(jìn)行一種AND 運(yùn)算(兩個數(shù)位都為1，運(yùn)算結(jié)果為1，否則為0)，如果結(jié)果相同，兩臺計算機(jī)就在同一局域網(wǎng)中，否則就不在同一局域網(wǎng)中。

比如IP地址為192.16.10.1，如果已知網(wǎng)絡(luò)部分是前24位，主機(jī)部分是后8位，那么子網(wǎng)絡(luò)掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進(jìn)制就是255.255.255.0。

假設(shè)192.168.33.1和192.168.33.2的子碼掩碼都為255.255.255.0，把IP與子碼掩碼相與，結(jié)果都為192.168.33.0，那么它們說明處于同一個子網(wǎng)中。

ARP協(xié)議

有了IP協(xié)議，可以判斷計算機(jī)屬于哪個子網(wǎng)了。在鏈路層時我們通過MAC地址進(jìn)行通信的，現(xiàn)在只有目標(biāo)的IP地址，如何才能拿到它的MAC地址呢?這就又要用到ARP協(xié)議。

ARP協(xié)議可以通過廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，獲取目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。具體實現(xiàn)為：發(fā)送端主機(jī)通過廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，所有主機(jī)接收后拆開包，如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)IP為自己就響應(yīng)，返回MAC地址。

數(shù)據(jù)包格式：(發(fā)送端的MAC地址，目標(biāo)MAC地址，發(fā)送端IP地址，目標(biāo)IP地址，數(shù)據(jù))。

傳輸層

經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的支持，我們已經(jīng)可以正常在兩臺計算機(jī)之間進(jìn)行通訊了，但是計算機(jī)會同時運(yùn)行著許多程序，比如同時開著QQ與WX，那么怎么區(qū)分消息是QQ的還是WX的呢?

通常我們會看到計算機(jī)上運(yùn)行的不同程序都會分配不同的端口，而傳輸層的功能就是建立端口到端口的通信，使得數(shù)據(jù)能夠正確的傳送給不同的應(yīng)用程序。

端口是每一個使用網(wǎng)卡的程序的編號，每一個端口號標(biāo)志一個可執(zhí)行程序。端口號是0到65535之間的一個整數(shù)，正好16個二進(jìn)制位，0-1023為系統(tǒng)占用端口，其他應(yīng)用程序只能選用大于1023的端口。

至此，用IP + 端口，已經(jīng)能實現(xiàn)唯一確定互聯(lián)網(wǎng)上一個程序，進(jìn)而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的程序通信了。

傳輸層最常見的兩大協(xié)議是 TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議) 協(xié)議和 UDP(User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議) 協(xié)議。

UDP協(xié)議就是在數(shù)據(jù)前面加上端口號，“包頭”部分主要定義了發(fā)出端口和接收端口，一共只有8個字節(jié)。“數(shù)據(jù)”部分就是具體的內(nèi)容?？傞L度不超過65,535字節(jié)，正好放進(jìn)一個IP數(shù)據(jù)包。

UDP協(xié)議簡單且容易實現(xiàn)，這是它的優(yōu)點。但同樣也有缺點，就是進(jìn)行通信時不知道對方是否接收到數(shù)據(jù)了。此時需要再定義一套規(guī)則，讓其可以和對方進(jìn)行確認(rèn)，那么TCP出現(xiàn)了。

TCP數(shù)據(jù)包沒有長度限制，理論上可以無限長，可是為了保證網(wǎng)絡(luò)的效率，通常TCP數(shù)據(jù)包的長度不會超過IP數(shù)據(jù)包的長度，也就是小于65,535字節(jié)，這也確保單個TCP數(shù)據(jù)包不必再分割。像我們通常說 TCP 三次握手和四次揮手，就是傳輸層完成的。關(guān)于TCP實現(xiàn)部分的內(nèi)容比較多，我們這里就不再拓展了。

TCP的優(yōu)點是能夠確保數(shù)據(jù)不會遺失，安全可靠的傳輸。缺點是過程復(fù)雜、實現(xiàn)困難、消耗較多的資源。

應(yīng)用層

終于說到應(yīng)用層了，應(yīng)用層算是我們最經(jīng)?？吹降囊粚恿恕?yīng)用層的功能就是規(guī)定了應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)格式。我們經(jīng)常用的電子郵件、HTTP協(xié)議以及FTP數(shù)據(jù)的格式，就是在應(yīng)用層定義的。

應(yīng)用層的主要協(xié)議有：FTP(文件傳送協(xié)議、21端口)、Telnet(遠(yuǎn)程登錄協(xié)議)、DNS(域名解析協(xié)議)、SMTP(郵件傳送協(xié)議、25端口)，POP3協(xié)議(郵局協(xié)議)，HTTP協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol、80端口)。

正反俄羅斯套娃

最后，我們以HTTP請求為例，來梳理一下整個網(wǎng)絡(luò)分層中各種的職責(zé)與處理流程。在整個通信過程中，就像俄羅斯套娃一樣，一層層的包裝起來，然后再一層層的打開。

小結(jié)

經(jīng)過這篇文章，我們從最下方的物理層到最上方的應(yīng)用層，按照故事性的形式進(jìn)行了講解，想必你已經(jīng)有一個感性的認(rèn)識了，是不是發(fā)現(xiàn)再也不用死記硬背網(wǎng)絡(luò)分層了?你就說值不值得來個贊?