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本文轉載自微信公眾號「小林coding」，作者小林coding。轉載本文請聯系小林coding公眾號。

之前寫了那么多網絡的文章，竟然發現對「網絡協議分層」做詳細介紹，這次就把這一塊補上。

要摸清網絡，那么第一步肯定是要清楚網絡協議的分層結構，看分層結構相當于從上帝視角來看網絡，這樣后續針對每一個層深入學習就不會摸不著頭腦。

對于同一臺設備上的進程間通信，有很多種方式，比如有管道、消息隊列、共享內存、信號等方式，而對于不同設備上的進程間通信，就需要網絡通信，而設備是多樣性的，所以要兼容多種多樣的設備，就協商出了一套通用的網絡協議。

這個網絡協議是分層的，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。

應用層

最上層的，也是我們能直接接觸到的就是應用層(Application Layer)，我們電腦或手機使用的應用軟件都是在應用層實現。那么，當兩個不同設備的應用需要通信的時候，應用就把應用數據傳給下一層，也就是傳輸層。

所以，應用層只需要專注于為用戶提供應用功能，不用去關心數據是如何傳輸的，就類似于，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，我們不需要關心快速是如何被運輸的。

而且應用層是工作在操作系統中的用戶態，傳輸層及以下則工作在內核態。

傳輸層

應用層的數據包會傳給傳輸層，傳輸層(Transport Layer)是為應用層提供網絡支持的。

在傳輸層會有兩個傳輸協議，分別是 TCP 和 UDP。

TCP 的全稱叫傳輸層控制協議(Transmission Control Protocol)，大部分應用使用的正是 TCP 傳輸層協議，比如 HTTP 應用層協議。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據包能可靠地傳輸給對方。

UDP 就相對很簡單，簡單到只負責發送數據包，不保證數據包是否能抵達對方，但它實時性相對更好，傳輸效率也高。當然，UDP 也可以實現可靠傳輸，把 TCP 的特性在應用層上實現就可以，不過要實現一個商用的可靠 UDP 傳輸協議，也不是一件簡單的事情。

應用需要傳輸的數據可能會非常大，如果直接傳輸就不好控制，因此當傳輸層的數據包大小超過 MSS(TCP 最大報文段長度) ，就要將數據包分塊，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，而不用重新發送整個數據包。在 TCP 協議中，我們把每個分塊稱為一個 TCP 段(TCP Segment)。

當設備作為接收方時，傳輸層則要負責把數據包傳給應用，但是一臺設備上可能會有很多應用在接收或者傳輸數據，因此需要用一個編號將應用區分開來，這個編號就是端口。

比如 80 端口通常是 Web 服務器用的，22 端口通常是遠程登錄服務器用的。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送給哪個應用。

網絡層

傳輸層可能大家剛接觸的時候，會認為它負責將數據從一個設備傳輸到另一個設備，事實上它并不負責。

實際場景中的網絡環節是錯綜復雜的，中間有各種各樣的線路和分叉路口，如果一個設備的數據要傳輸給另一個設備，就需要在各種各樣的路徑和節點進行選擇，而傳輸層的設計理念是簡單、高效、專注，如果傳輸層還負責這一塊功能就有點違背設計原則了。

也就是說，我們不希望傳輸層協議處理太多的事情，只需要服務好應用即可，讓其作為應用間數據傳輸的媒介，幫助實現應用到應用的通信，而實際的傳輸功能就交給下一層，也就是網絡層(Internet Layer)。

網絡層最常使用的是 IP 協議(Internet Protocol)，IP 協議會將傳輸層的報文作為數據部分，再加上 IP 包頭組裝成 IP 報文，如果 IP 報文大小超過 MTU(以太網中一般為 1500 字節)就會再次進行分片，得到一個即將發送到網絡的 IP 報文。

網絡層負責將數據從一個設備傳輸到另一個設備，世界上那么多設備，又該如何找到對方呢?因此，網絡層需要有區分設備的編號。

我們一般用 IP 地址給設備進行編號，對于 IPv4 協議， IP 地址共 32 位，分成了四段，每段是 8 位。只有一個單純的 IP 地址雖然做到了區分設備，但是尋址起來就特別麻煩，全世界那么多臺設備，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：

• 一個是網絡號，負責標識該 IP 地址是屬于哪個子網的;
• 一個是主機號，負責標識同一子網下的不同主機;

怎么分的呢?這需要配合子網掩碼才能算出 IP 地址 的網絡號和主機號。那么在尋址的過程中，先匹配到相同的網絡號，才會去找對應的主機。

除了尋址能力， IP 協議還有另一個重要的能力就是路由。實際場景中，兩臺設備并不是用一條網線連接起來的，而是通過很多網關、路由器、交換機等眾多網絡設備連接起來的，那么就會形成很多條網絡的路徑，因此當數據包到達一個網絡節點，就需要通過算法決定下一步走哪條路徑。

所以，IP 協議的尋址作用是告訴我們去往下一個目的地該朝哪個方向走，路由則是根據「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。

數據鏈路層

實際場景中，網絡并不是一個整體，比如你家和我家就不屬于一個網絡，所以數據不僅可以在同一個網絡中設備間進行傳輸，也可以跨網絡進行傳輸。

一旦數據需要跨網絡傳輸，就需要有一個設備同時在兩個網絡當中，這個設備一般是路由器，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 地址是哪個設備的呢?

于是，就需要有一個專門的層來標識網絡中的設備，讓數據在一個鏈路中傳輸，這就是數據鏈路層(Data Link Layer)，它主要為網絡層提供鏈路級別傳輸的服務。

每一臺設備的網卡都會有一個 MAC 地址，它就是用來唯一標識設備的。路由器計算出了下一個目的地 IP 地址，再通過 ARP 協議找到該目的地的 MAC 地址，這樣就知道這個 IP 地址是哪個設備的了。

物理層

當數據準備要從設備發送到網絡時，需要把數據包轉換成電信號，讓其可以在物理介質中傳輸，這一層就是物理層(Physical Layer)，它主要是為數據鏈路層提供二進制傳輸的服務。

總結

綜上所述，網絡協議通常是由上到下，分成 5 層，分別是應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。

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