TCP/IP入门（二）-五层模型

内容来自Introduction to TCP/IP
这篇介绍的是 TCP/IP五层模型，我们从应用层开始，经过传输层、网络层、数据链路层到物理层逐一介绍。

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五层模型概览

五层模型中的每一层都有自己的职责，互相不越界，但互相依赖完成互联网中端到端的通讯。

• 应用层：是应用程序发起网络通讯的地方，比如Email客户端、浏览器，它们使用传输层发送连接请求
• 传输层：为运行在不同主机上的应用建立连接，TCP用来建立可靠连接，UDP用来建立快速连接。它使用端口来区分应用中的进程
• 网络层：负责创建在网络中传送的数据包(Packet)，使用IP地址来标识数据包的源和目标
• 数据链路层：负责创建在网络中传送的帧(Frame)，帧封装了数据包，使用MAC地址标识源和目标
• 物理层：对帧中的位进行编解码，作为收发器处理网络中的信号

tcp_ip层级概览

数据的逐层封装

• 应用层：生成请求信息，比如下载一个网页
• 传输层：在上层的基础上添加TCP或UDP消息头，包括源和目标的地址、端口，如果是TCP还包括数据包的序列号。传输层生成的数据，如果是给TCP使用称为Segment，如果是给UDP使用称为Datagram
• 网络层：在上层的基础上添加的消息头包括源和目标的IP地址，这时数据称为数据包
• 数据链路层：在上层的基础上添加MAC地址信息作为消息头，这时数据称为帧，帧被送到物理层以比特的形式传送出去

transmit_data.png

五层模型涉及到的一些术语总结如下，每层都有对应的协议，数据在不同协议下有专有名称，反过来，通过专用名称也能知道目前数据处在哪一层。

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应用层

这是网络结构中最上面一层，规定应用程序的数据格式，发起网络连接请求

传输层

传输层使用TCP或UDP在主机之间创建了虚拟连接，

• TCP通过错误检查、重传、确认等机制保障连接是可靠的，数据是不会丢失的
• UDP不可靠，会丢失数据，优点是速度快、开销小
• 浏览器是典型的使用TCP连接的应用，语音电话是典型 的使用UDP的应用
• TCP只能点对点的单播，UDP可以多播或广播

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传输层添加的消息头中包含的不仅仅是端口号，下图列出了详细信息，可见TCP消息头要比UDP复杂的多

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网络层

当从传输层收到需要发送的数据，网络层添加包含IP地址的消息头，打包成Packet发给数据链路层。但从链路层收到Packet，网络层需要检查主机是否包含目标IP地址，因为一个主机有时不止一个IP地址，所以是包含，如果是的再传给传输层。路由就是在此层处理IP地址相关工作。下图是IPv4数据包消息头格式

IPv4_heade.png

链路层

链路层使用Media Access Controller (MAC)生成要传送的帧(Frame)，MAC控制着物理传送媒介，WIFI使用的无线传送媒介和以太网使用的有线传输媒介有着不同的要求，因此需要不同的MAC和PHY，上层应用既不会感知到也不会受到物理接口差别的影响

和传输层类似，将发送的数据添加MAC地址消息头发给物理层，当收到数据，检查目标MAC与主机是否匹配，是的话发送传输层。交换机就是在此层处理MAC地址相关的工作。以太网和WIFI使用的协议不一样，下图列出了两者详细的格式。所以同时支持有线和无线的设备至少有两个MAC地址

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物理层

通过在网线或天线上发送或接受信号来传送帧中的比特

小结

从上面的介绍能看出来传输层和网络层内容比较多，其所对应的TCP和IP也比较复杂，它们是网络通讯的重点和代表，这也是为什么TCP/IP经常出现在网络编程中