摸清網(wǎng)絡(luò)的第一步！
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」做詳細介紹，這次就把這一塊補上。
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)相當于從上帝視角來看網(wǎng)絡(luò)，這樣后續(xù)針對每一個層深入學習就不會摸不著頭腦。
對于同一臺設(shè)備上的進程間通信，有很多種方式，比如有管道、消息隊列、共享內(nèi)存、信號等方式，而對于不同設(shè)備上的進程間通信，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。
這個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是分層的，每一層都有各自的作用和職責，接下來就分別對每一層進行介紹。
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），我們電腦或手機使用的應(yīng)用軟件都是在應(yīng)用層實現(xiàn)。那么，當兩個不同設(shè)備的應(yīng)用需要通信的時候，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)模皖愃朴?，我們寄快遞的時候，只需要把包裹交給快遞員，由他負責運輸快遞，我們不需要關(guān)心快速是如何被運輸?shù)摹?/span>
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。
在傳輸層會有兩個傳輸協(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，簡單到只負責發(fā)送數(shù)據(jù)包，不保證數(shù)據(jù)包是否能抵達對方，但它實時性相對更好，傳輸效率也高。當然，UDP 也可以實現(xiàn)可靠傳輸，把 TCP 的特性在應(yīng)用層上實現(xiàn)就可以，不過要實現(xiàn)一個商用的可靠 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)可能會非常大，如果直接傳輸就不好控制，因此當傳輸層的數(shù)據(jù)包大小超過 MSS（TCP 最大報文段長度） ，就要將數(shù)據(jù)包分塊，這樣即使中途有一個分塊丟失或損壞了，只需要重新這一個分塊，而不用重新發(fā)送整個數(shù)據(jù)包。在 TCP 協(xié)議中，我們把每個分塊稱為一個 TCP 段（TCP Segment）。
當設(shè)備作為接收方時，傳輸層則要負責把數(shù)據(jù)包傳給應(yīng)用，但是一臺設(shè)備上可能會有很多應(yīng)用在接收或者傳輸數(shù)據(jù)，因此需要用一個編號將應(yīng)用區(qū)分開來，這個編號就是端口。
比如 80 端口通常是 Web 服務(wù)器用的，22 端口通常是遠程登錄服務(wù)器用的。而對于瀏覽器（客戶端）中的每個標簽欄都是一個獨立的進程，操作系統(tǒng)會為這些進程分配臨時的端口號。
由于傳輸層的報文中會攜帶端口號，因此接收方可以識別出該報文是發(fā)送給哪個應(yīng)用。
網(wǎng)絡(luò)層
傳輸層可能大家剛接觸的時候，會認為它負責將數(shù)據(jù)從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備，事實上它并不負責。
實際場景中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)是錯綜復雜的，中間有各種各樣的線路和分叉路口，如果一個設(shè)備的數(shù)據(jù)要傳輸給另一個設(shè)備，就需要在各種各樣的路徑和節(jié)點進行選擇，而傳輸層的設(shè)計理念是簡單、高效、專注，如果傳輸層還負責這一塊功能就有點違背設(shè)計原則了。
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?，幫助實現(xiàn)應(yīng)用到應(yīng)用的通信，而實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)議會將傳輸層的報文作為數(shù)據(jù)部分，再加上 IP 包頭組裝成 IP 報文，如果 IP 報文大小超過 MTU（以太網(wǎng)中一般為 1500 字節(jié)）就會再次進行分片，得到一個即將發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的 IP 報文。
網(wǎng)絡(luò)層負責將數(shù)據(jù)從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€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，全世界那么多臺設(shè)備，難道一個一個去匹配？這顯然不科學。
因此，需要將 IP 地址分成兩種意義：
-
一個是網(wǎng)絡(luò)號，負責標識該 IP 地址是屬于哪個子網(wǎng)的；
-
一個是主機號，負責標識同一子網(wǎng)下的不同主機；
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)號和主機號。那么在尋址的過程中，先匹配到相同的網(wǎng)絡(luò)號，才會去找對應(yīng)的主機。
除了尋址能力， IP 協(xié)議還有另一個重要的能力就是路由。實際場景中，兩臺設(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、交換機等眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來的，那么就會形成很多條網(wǎng)絡(luò)的路徑，因此當數(shù)據(jù)包到達一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，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€目的地該朝哪個方向走，路由則是根據(jù)「下一個目的地」選擇路徑。尋址更像在導航，路由更像在操作方向盤。
數(shù)據(jù)鏈路層
實際場景中，網(wǎng)絡(luò)并不是一個整體，比如你家和我家就不屬于一個網(wǎng)絡(luò)，所以數(shù)據(jù)不僅可以在同一個網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間進行傳輸，也可以跨網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。
一旦數(shù)據(jù)需要跨網(wǎng)絡(luò)傳輸，就需要有一個設(shè)備同時在兩個網(wǎng)絡(luò)當中，這個設(shè)備一般是路由器，路由器可以通過路由表計算出下一個要去的 IP 地址。
那問題來了，路由器怎么知道這個 IP 地址是哪個設(shè)備的呢？
于是，就需要有一個專門的層來標識網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，讓數(shù)據(jù)在一個鏈路中傳輸，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)。
每一臺設(shè)備的網(wǎng)卡都會有一個 MAC 地址，它就是用來唯一標識設(shè)備的。路由器計算出了下一個目的地 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 IP 地址是哪個設(shè)備的了。
物理層
當數(shù)據(jù)準備要從設(shè)備發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)時，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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