今天我們就來(lái)講講，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為什么要分層？分層模型有哪些？網(wǎng)絡(luò)各層的作用？并手畫(huà)了多張動(dòng)圖幫助大家理解，全程干貨滿滿，通俗易懂。

我們知道在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一般有OSI七層模型、TCP/IP四層模型和TCP/IP五層模型，這些模型將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程劃分為不同的層次，每一層次都有其特定的功能和協(xié)議，共同協(xié)作完成網(wǎng)絡(luò)通信。那這些模型分別是什么、相互之間有什么區(qū)別呢？

OSI七層模型產(chǎn)生的歷史

為了讓世界上各個(gè)國(guó)家或地區(qū)，各個(gè)不同計(jì)算機(jī)廠家，生產(chǎn)出的各個(gè)不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)設(shè)備，各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠互相通信(這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程)。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1977年提出了"開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型"，即著名的OSI模型, Open System Interconnection Model，一個(gè)試圖使各種不同的計(jì)算機(jī)或者設(shè)備在世界范圍內(nèi)互連為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)模型，使得計(jì)算機(jī)所依賴硬件和軟件技術(shù)跨越地理和政治界限協(xié)同工作，允許兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)通過(guò)基于當(dāng)前操作層的標(biāo)準(zhǔn)化接口或協(xié)議進(jìn)行通信，來(lái)在更大的范圍內(nèi)建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

OSI模型包括七個(gè)層次，自上而下依次為：應(yīng)用層（Application Layer）、表示層（Presentation Layer）、會(huì)話層（Session Layer）、傳輸層（Transport Layer）、網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link Layer）、物理層（Physics Layer）。

圖片

將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，是為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，將復(fù)雜的通信過(guò)程分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的層次。每一層都負(fù)責(zé)特定的功能，進(jìn)行跨軟件和硬件組件封裝每種類型的網(wǎng)絡(luò)通信，例如數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)傳輸控制、路由選擇等，這樣較高層可以直接使用較低層技術(shù)，而不必關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

TCP/IP四層模型和TCP/IP五層模型

我們?cè)賮?lái)看看，什么是TCP/IP四層模型和TCP/IP五層模型，它們其實(shí)都和OSI七層模型有關(guān)。

圖片

OSI模型提出時(shí)，英特網(wǎng)已搶先在全世界范圍內(nèi)廣泛流行起來(lái)，全部推倒重來(lái)已不可能，它使用TCP/IP協(xié)議族，通過(guò)與OSI模型的結(jié)合，從理論上補(bǔ)足了?絡(luò)接?層的缺失，最終演變成如今的TCP/IP四層模型，用于從理論上描述互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的工作方式。它包括四個(gè)層次：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層，其中應(yīng)用層由OSI模型的應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層合并而來(lái)，網(wǎng)絡(luò)接口層由OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層合并而來(lái)。

OSI七層模型雖然是理論上標(biāo)準(zhǔn)，但既復(fù)雜?不實(shí)?，部分功能在多個(gè)層次中重復(fù)出現(xiàn)，TCP/IP四層模型則是個(gè)更為實(shí)用的模型，也是如今事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，但最下?的?絡(luò)接?層并沒(méi)有具體內(nèi)容，所以我們用來(lái)學(xué)習(xí)或者講解的話，一般都采用TCP/IP五層模型，它在TCP/IP四層模型基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)接口層重新劃分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，更接近實(shí)際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

本文也將用TCP/IP五層模型來(lái)講述，許多初學(xué)者不理解這些層為什么要這樣劃分？我們接下來(lái)將這些層串起來(lái)，看看他們是如何互相配合作用的。

物理層

物理層，主要規(guī)定網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介的物理特性，來(lái)傳遞0和1的電信號(hào)，即它負(fù)責(zé)在傳輸媒介上傳輸原始比特流。物理層傳輸?shù)膯挝皇潜忍兀热?臺(tái)主機(jī)直接通過(guò)雙絞線電纜來(lái)連接，傳遞信號(hào)，但是如果隨著網(wǎng)絡(luò)中加入的主機(jī)變多，每臺(tái)直接相連，會(huì)讓接口數(shù)和網(wǎng)線數(shù)幾何式上升，布線變得異常復(fù)雜。所以引入中間設(shè)備，每個(gè)主機(jī)只需和這個(gè)中間設(shè)備相連即可，比如總線、集線器等，當(dāng)然這個(gè)中間設(shè)備需要足夠的穩(wěn)定，不然一旦掛了，會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

物理層確定傳輸媒介的接口特征：

• 機(jī)械特征：接口所用接線器的一些物理屬性如接口范圍，接口尺寸，引線數(shù)目及排列；
• 電氣特征：接口電纜的各條線上出現(xiàn)電壓的范圍，阻抗匹配，傳輸速度，距離等；
• 功能特征：某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓的意義，接口部件信號(hào)線的用途；
• 過(guò)程特征：對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序，定義各條物理線路的工作規(guī)程和時(shí)序關(guān)系。

物理層連接多個(gè)電腦設(shè)備的常用傳輸媒介有：集線器、同軸電纜、雙絞線電纜、光纖、光纜、無(wú)線電波等，這些媒介嚴(yán)格上不在物理層協(xié)議之內(nèi)的而是在物理層協(xié)議之下。

另外不同的傳輸媒介，需要選擇合適的編碼方式以及調(diào)制技術(shù)，來(lái)將原始比特流變換成相應(yīng)的電信號(hào)，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和抗干擾能力。

數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層，主要是解決數(shù)據(jù)包在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或一段一段的鏈路上可靠傳輸問(wèn)題。在物理層我們把各個(gè)主機(jī)物理上連在一起，現(xiàn)在需要解決的是信號(hào)如何傳遞給對(duì)應(yīng)主機(jī)，這個(gè)時(shí)候就需要來(lái)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)主機(jī)，這個(gè)叫做網(wǎng)卡(MAC)地址，是硬件的唯一標(biāo)識(shí)符。所以數(shù)據(jù)鏈路層也被稱為MAC層。

MAC地址: 設(shè)備的硬件地址，也是網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)，12位十六進(jìn)制的數(shù)，它由設(shè)備出廠時(shí)就決定了，一般無(wú)法修改。比如07:00:20:0A:6C:6D就是一個(gè)MAC地址，其中前6位16進(jìn)制數(shù)07:00:20代表網(wǎng)絡(luò)硬件制造商的編號(hào)，即組織唯一標(biāo)識(shí)符OUI，它由IEEE分配，而后6位16進(jìn)制數(shù)0A:6C:6D代表該制造商所制造的某個(gè)產(chǎn)品的系列號(hào)，即擴(kuò)展唯一標(biāo)識(shí)符EUI。以此來(lái)保證世界上每個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備都具有唯一的MAC地址。

圖片

集線器功能比較簡(jiǎn)單粗暴，只能將信息廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有主機(jī)上，各個(gè)主機(jī)在通過(guò)消息中的MAC地址，來(lái)確認(rèn)是否是發(fā)給自己的消息，這樣既不安全也浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)的帶寬。所以在數(shù)據(jù)鏈路層采用交換機(jī)，自學(xué)習(xí)維護(hù)一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表，來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)幀，記錄消息從哪里來(lái)，到哪里去，來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)接入控制

圖片

數(shù)據(jù)鏈路層還解決了數(shù)據(jù)包的封裝格式問(wèn)題，將數(shù)據(jù)包封裝成幀，同時(shí)負(fù)責(zé)建立和管理節(jié)點(diǎn)間的鏈路，通過(guò)各種控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。

數(shù)據(jù)鏈路層傳輸單位是幀frame，每幀的組成是由幀頭、數(shù)據(jù)、幀尾組成：

1. MAC子層幀頭構(gòu)成：目標(biāo)MAC地址（6字節(jié)），源MAC地址（6字節(jié)），類型（2字節(jié)），總的大小=6+6+2 = 14字節(jié)
2. FCS幀尾：提供了一種錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，用來(lái)驗(yàn)證幀在傳輸過(guò)程中的完整性（4個(gè)字節(jié)）
3. 數(shù)據(jù)，存放整個(gè)數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容，比如文件、字符串之類的，數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度最小至少為46個(gè)字節(jié)，最長(zhǎng)1500個(gè)字節(jié)；如果超過(guò)1500個(gè)字節(jié)就分割

圖片

數(shù)據(jù)鏈路層還實(shí)現(xiàn)了透明傳輸，不必考慮物理層如何實(shí)現(xiàn)比特傳輸?shù)募?xì)節(jié)，這個(gè)由物理層進(jìn)行保證

透明傳輸是指不管所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是什么樣的比特組合，都應(yīng)當(dāng)能夠在鏈路上傳送。盡可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異。通俗點(diǎn)講，就是鏈路層就“看不見(jiàn)”有什么妨礙數(shù)據(jù)傳輸?shù)臇|西

常用協(xié)議有：以太網(wǎng)（Ethernet）、高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP等，常用設(shè)備有：網(wǎng)橋、交換機(jī)

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層，對(duì)應(yīng)OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層，提供主機(jī)間的通信服務(wù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的路由和尋址(IP 地址)，確保數(shù)據(jù)可以在不同網(wǎng)絡(luò)間傳輸；也叫網(wǎng)際層或IP層

在數(shù)據(jù)鏈路層，我們實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)的通信，但在世界上各個(gè)不同的地理位置上，有幾十億個(gè)設(shè)備互相組成大大小小的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，要想把它們連在一起，交換機(jī)+MAC地址就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議就應(yīng)運(yùn)而生，提供的一種統(tǒng)一的地址格式，為互聯(lián)網(wǎng)上的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和每一臺(tái)主機(jī)分配一個(gè)邏輯地址，以此來(lái)屏蔽物理地址的差異，來(lái)解決多網(wǎng)絡(luò)互連的問(wèn)題。

IP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議棧中最核心的協(xié)議之一，通過(guò)IP地址(邏輯地址)，來(lái)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)中的各主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信的面向無(wú)連接和不可靠的傳輸功能。IP地址可以表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的子網(wǎng)的概念(子網(wǎng)掩碼)。

以常見(jiàn)的IPv4協(xié)議為例，IP地址共32位，分成了四段如192.168.0.1，IP地址得向IANA機(jī)構(gòu)申請(qǐng)，一旦分配后一般不會(huì)改變，IPv4總共有43億個(gè)地址，由于歐美的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，分到的IP地址資源非常豐富，我們國(guó)內(nèi)就嚴(yán)重不足，早在2011年IPv4地址就被分配完了。如今的解決辦法，是采用NAT技術(shù)或者IPv6(增加IP地址長(zhǎng)度)。

網(wǎng)絡(luò)層傳輸單位是包packet，在數(shù)據(jù)鏈路層的幀基礎(chǔ)上，繼續(xù)封裝數(shù)據(jù)包成IP數(shù)據(jù)包。

網(wǎng)絡(luò)層還有一個(gè)作用就是，路由選擇，通過(guò)路由選擇算法，為數(shù)據(jù)包選擇最適當(dāng)?shù)穆窂?，控制?shù)據(jù)鏈路層與傳輸層之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)，建立、維持和終止網(wǎng)絡(luò)的連接，將信息從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

常用設(shè)備：路由器，主要用來(lái)連接不同的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，交換機(jī)無(wú)法再維護(hù)龐大的轉(zhuǎn)發(fā)表，而路由器會(huì)自動(dòng)?成路由表，依據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包?下?個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

圖片

路由器的每個(gè)端口都會(huì)有一個(gè)自己的MAC地址。路由器能將一個(gè)IP分配給超多個(gè)主機(jī)使用，主機(jī)對(duì)外ip也是同一個(gè)。而交換機(jī)是可以將不同的主機(jī)連接起來(lái)，對(duì)外表現(xiàn)的IP也可各有不同;交換機(jī)隔離沖突域，但不隔離廣播域，而路由器既隔離沖突域又隔離廣播域，不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)廣播數(shù)據(jù)，減少?gòu)V播風(fēng)暴和安全漏洞。路由器還提供防火墻的服務(wù)。

常用協(xié)議：IP（IPv4、IPv6）、地址解析協(xié)議ARP、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP、網(wǎng)際組管理協(xié)議IGMP等。

傳輸層

傳輸層，對(duì)應(yīng)OSI模型的傳輸層，建立主機(jī)端到端的連接，為主機(jī)中的進(jìn)程之間通信，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，為應(yīng)用層提供端到端可靠且透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，包括全雙工或半雙工、流控制和錯(cuò)誤恢復(fù)服務(wù)，確保數(shù)據(jù)能完整的傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。

建立主機(jī)端到端的連接，這里的端是端口port，當(dāng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層獲取IP地址后，數(shù)據(jù)包可以通過(guò)IP地址找到對(duì)應(yīng)的主機(jī)，但是主機(jī)一般是多進(jìn)程，每一個(gè)進(jìn)程都是一個(gè)任務(wù)，那么如何確定是哪一個(gè)任務(wù)？

所以引入端口的概念，當(dāng)進(jìn)程需要網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)時(shí)，向操作系統(tǒng)申請(qǐng)一個(gè)端口，通過(guò)端口號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)這個(gè)進(jìn)程，從而讓網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包，分辨出主機(jī)中哪一個(gè)進(jìn)程是接收者。

傳輸層主要有兩個(gè)協(xié)議：

1. TCP傳輸控制協(xié)議，提供?向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，傳輸單位為報(bào)?段segment
2. UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，提供?連接的、盡最大努力交付(不可靠性)的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸單位為數(shù)據(jù)報(bào)Datagram

為什么在這層引入這2個(gè)協(xié)議呢？

這是因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)層上，IP協(xié)議沒(méi)法區(qū)分端口，UDP協(xié)議在IP協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了源端口和目的端口字段，這樣就可以區(qū)分端口了，另外IP協(xié)議又是無(wú)連接不可靠的，傳輸數(shù)據(jù)容易差錯(cuò)，引入TCP協(xié)議，通過(guò)三次握手四次揮手等一系列機(jī)制，來(lái)確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

傳輸層有復(fù)用和分用的功能，一個(gè)主機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，應(yīng)用進(jìn)程又可以利用傳輸層傳送應(yīng)用層報(bào)文：

• 復(fù)用就是多個(gè)應(yīng)用層進(jìn)程可同時(shí)使用下面的運(yùn)輸層的服務(wù)
• 分用就是把運(yùn)輸層收到的信息分別交付給上面應(yīng)用層中的響應(yīng)進(jìn)程

應(yīng)用層

應(yīng)用層，是最上層，也是我們用戶能夠直接接觸到的，比如手機(jī)、電腦、各種家庭設(shè)備等等，它對(duì)應(yīng)OSI的應(yīng)用層、表示層和會(huì)話層。

主要專注于為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，直接面對(duì)應(yīng)用程序，如文件傳輸、電子郵件、遠(yuǎn)程登錄等，它并不需要關(guān)心數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)?，但需要?shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換表示，讓目的應(yīng)用程序能看懂?dāng)?shù)據(jù)的內(nèi)容。

常用應(yīng)用層的協(xié)議有：網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求協(xié)議HTTP、文件傳輸協(xié)議FTP、簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議SMTP、域名解析協(xié)議DNS等。

應(yīng)用層傳輸單位是報(bào)文message，是對(duì)傳輸層的數(shù)據(jù)包進(jìn)一步封裝。

我們?cè)賮?lái)看看，TCP/IP模型的應(yīng)用層對(duì)應(yīng)OSI的應(yīng)用層、表示層和會(huì)話層，分別有什么作用：

1. 應(yīng)用層：為應(yīng)用程序或用戶請(qǐng)求提供各種請(qǐng)求服務(wù)。OSI參考模型最高層，也是最靠近用戶的一層，為計(jì)算機(jī)用戶、各種應(yīng)用程序以及網(wǎng)絡(luò)提供接口，也為用戶直接提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
2. 表示層：數(shù)據(jù)編碼、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密。提供各種用于應(yīng)用層數(shù)據(jù)的編碼和轉(zhuǎn)換功能,確保一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)能被另一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用層識(shí)別。如果必要，該層可提供一種標(biāo)準(zhǔn)表示形式，用于將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的多種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成通信中采用的標(biāo)準(zhǔn)表示形式。數(shù)據(jù)壓縮和加密也是表示層可提供的轉(zhuǎn)換功能之一。
3. 會(huì)話層：創(chuàng)建、管理和維護(hù)會(huì)話。接收來(lái)自傳輸層的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)建立、管理和終止表示層實(shí)體之間的通信會(huì)話，支持它們之間的數(shù)據(jù)交換。該層的通信由不同設(shè)備中的應(yīng)用程序之間的服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)組成。

最后筆者再吐血畫(huà)了張圖，幫助大家快速回顧，網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)分層的作用和重點(diǎn)信息：

圖片

補(bǔ)充：數(shù)據(jù)是如何傳遞的？

在上文，我們分別介紹了網(wǎng)絡(luò)的各層的特點(diǎn)，其中每層的數(shù)據(jù)單元大家是不是比較模糊，我們這就梳理HTTP報(bào)文傳輸過(guò)程，來(lái)將這些全部串起來(lái)，來(lái)體會(huì)在TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)封裝和分用過(guò)程中，數(shù)據(jù)包是如何網(wǎng)絡(luò)各層中傳遞的。

本文這里以一個(gè)HTTP請(qǐng)求的傳輸為例，請(qǐng)求從HTTP客戶端（如瀏覽器）和HTTP服務(wù)端應(yīng)用(比如QQ郵箱、知乎)的傳輸過(guò)程，如下圖所示：

數(shù)據(jù)在客戶端發(fā)送時(shí)在經(jīng)過(guò)每一層的時(shí)候都要被該層對(duì)應(yīng)的協(xié)議包裝(添加上對(duì)應(yīng)層的頭部，其中包含了協(xié)議標(biāo)識(shí))，這個(gè)過(guò)程叫封裝；而到達(dá)終端的時(shí)候，又要被一層一層的解包，這個(gè)過(guò)程叫分用。

另外在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，網(wǎng)絡(luò)包都必須是完整的，可以沒(méi)有上層只有下層，但一定不能只有上層而沒(méi)有下層，基礎(chǔ)不牢，大廈不穩(wěn)。

理解這些網(wǎng)絡(luò)分層模型，會(huì)讓我們對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的世界有更宏觀的認(rèn)識(shí)，后續(xù)再配合抓包工具，會(huì)對(duì)于我們進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，有非常不錯(cuò)的幫助。。