問(wèn)大家，為什么要有 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型？

對(duì)于同一臺(tái)設(shè)備上的進(jìn)程間通信，有很多種方式，比如有管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、信號(hào)等方式，而對(duì)于不同設(shè)備上的進(jìn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是分層的，每一層都有各自的作用和職責(zé)，接下來(lái)就根據(jù)「 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模型」分別對(duì)每一層進(jìn)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(jī)使用的應(yīng)用軟件都是在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。那么，當(dāng)兩個(gè)不同設(shè)備的應(yīng)用需要通信的時(shí)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，比如 HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

應(yīng)用層是不用去關(guān)心數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)模皖愃朴冢覀兗目爝f的時(shí)候，只需要把包裹交給快遞員，由他負(fù)責(zé)運(yùn)輸快遞，我們不需要關(guān)心快遞是如何被運(yùn)輸?shù)摹?/p>

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(huì)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(huì)有兩個(gè)傳輸協(xié)議，分別是 TCP 和 UDP。

TCP 的全稱叫傳輸控制協(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(shí)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(duì)方。

UDP 相對(duì)來(lái)說(shuō)就很簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到只負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)包，不保證數(shù)據(jù)包是否能抵達(dá)對(duì)方，但它實(shí)時(shí)性相對(duì)更好，傳輸效率也高。當(dāng)然，UDP 也可以實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，把 TCP 的特性在應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)就可以，不過(guò)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)商用的可靠 UDP 傳輸協(xié)議，也不是一件簡(jiǎn)單的事情。

應(yīng)用需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能會(huì)非常大，如果直接傳輸就不好控制，因此當(dāng)傳輸層的數(shù)據(jù)包大小超過(guò) MSS（TCP 最大報(bào)文段長(zhǎng)度） ，就要將數(shù)據(jù)包分塊，這樣即使中途有一個(gè)分塊丟失或損壞了，只需要重新發(fā)送這一個(gè)分塊，而不用重新發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)包。在 TCP 協(xié)議中，我們把每個(gè)分塊稱為一個(gè) TCP 段（TCP Segment）。

當(dāng)設(shè)備作為接收方時(shí)，傳輸層則要負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)包傳給應(yīng)用，但是一臺(tái)設(shè)備上可能會(huì)有很多應(yīng)用在接收或者傳輸數(shù)據(jù)，因此需要用一個(gè)編號(hào)將應(yīng)用區(qū)分開來(lái)，這個(gè)編號(hào)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(yuǎn)程登錄服務(wù)器用的。而對(duì)于瀏覽器（客戶端）中的每個(gè)標(biāo)簽欄都是一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，操作系統(tǒng)會(huì)為這些進(jìn)程分配臨時(shí)的端口號(hào)。

由于傳輸層的報(bào)文中會(huì)攜帶端口號(hào)，因此接收方可以識(shí)別出該報(bào)文是發(fā)送給哪個(gè)應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)層

傳輸層可能大家剛接觸的時(shí)候，會(huì)認(rèn)為它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備，事實(shí)上它并不負(fù)責(zé)。

實(shí)際場(chǎng)景中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)是錯(cuò)綜復(fù)雜的，中間有各種各樣的線路和分叉路口，如果一個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)要傳輸給另一個(gè)設(shè)備，就需要在各種各樣的路徑和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇，而傳輸層的設(shè)計(jì)理念是簡(jiǎn)單、高效、專注，如果傳輸層還負(fù)責(zé)這一塊功能就有點(diǎn)違背設(shè)計(jì)原則了。

也就是說(shuō)，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)拿浇椋瑤椭鷮?shí)現(xiàn)應(yīng)用到應(yīng)用的通信，而實(shí)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(huì)將傳輸層的報(bào)文作為數(shù)據(jù)部分，再加上 IP 包頭組裝成 IP 報(bào)文，如果 IP 報(bào)文大小超過(guò) MTU（以太網(wǎng)中一般為 1500 字節(jié)）就會(huì)再次進(jìn)行分片，得到一個(gè)即將發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的 IP 報(bào)文。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備，世界上那么多設(shè)備，又該如何找到對(duì)方呢？因此，網(wǎng)絡(luò)層需要有區(qū)分設(shè)備的編號(hào)。

我們一般用 IP 地址給設(shè)備進(jìn)行編號(hào)，對(duì)于 IPv4 協(xié)議， IP 地址共 32 位，分成了四段（比如，192.168.100.1），每段是 8 位。只有一個(gè)單純的 IP 地址雖然做到了區(qū)分設(shè)備，但是尋址起來(lái)就特別麻煩，全世界那么多臺(tái)設(shè)備，難道一個(gè)一個(gè)去匹配？這顯然不科學(xué)。

因此，需要將 IP 地址分成兩種意義：

• 一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)號(hào)，負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)該 IP 地址是屬于哪個(gè)「子網(wǎng)」的；
• 一個(gè)是主機(jī)號(hào)，負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)同一「子網(wǎng)」下的不同主機(jī)；

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(hào)和主機(jī)號(hào)。

舉個(gè)例子，比如 10.100.122.0/24，后面的/24表示就是 255.255.255.0 子網(wǎng)掩碼，255.255.255.0 二進(jìn)制是「
11111111-11111111-11111111-00000000」，大家數(shù)數(shù)一共多少個(gè)1？不用數(shù)了，是 24 個(gè)1，為了簡(jiǎn)化子網(wǎng)掩碼的表示，用/24代替255.255.255.0。

知道了子網(wǎng)掩碼，該怎么計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址呢？

將 10.100.122.2 和 255.255.255.0 進(jìn)行按位與運(yùn)算，就可以得到網(wǎng)絡(luò)號(hào)，如下圖：

將 255.255.255.0 取反后與IP地址進(jìn)行進(jìn)行按位與運(yùn)算，就可以得到主機(jī)號(hào)。

大家可以去搜索下子網(wǎng)掩碼計(jì)算器，自己改變下「掩碼位」的數(shù)值，就能體會(huì)到子網(wǎng)掩碼的作用了。

那么在尋址的過(guò)程中，先匹配到相同的網(wǎng)絡(luò)號(hào)（表示要找到同一個(gè)子網(wǎng)），才會(huì)去找對(duì)應(yīng)的主機(jī)。

除了尋址能力， IP 協(xié)議還有另一個(gè)重要的能力就是路由。實(shí)際場(chǎng)景中，兩臺(tái)設(shè)備并不是用一條網(wǎng)線連接起來(lái)的，而是通過(guò)很多網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機(jī)等眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來(lái)的，那么就會(huì)形成很多條網(wǎng)絡(luò)的路徑，因此當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，就需要通過(guò)路由算法決定下一步走哪條路徑。

路由器尋址工作中，就是要找到目標(biāo)地址的子網(wǎng)，找到后進(jìn)而把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。

所以，IP 協(xié)議的尋址作用是告訴我們?nèi)ネ乱粋€(gè)目的地該朝哪個(gè)方向走，路由則是根據(jù)「下一個(gè)目的地」選擇路徑。尋址更像在導(dǎo)航，路由更像在操作方向盤。

網(wǎng)絡(luò)接口層

生成了 IP 頭部之后，接下來(lái)要交給網(wǎng)絡(luò)接口層（Link Layer）在 IP 頭部的前面加上 MAC 頭部，并封裝成數(shù)據(jù)幀（Data frame）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

IP 頭部中的接收方 IP 地址表示網(wǎng)絡(luò)包的目的地，通過(guò)這個(gè)地址我們就可以判斷要將包發(fā)到哪里，但在以太網(wǎng)的世界中，這個(gè)思路是行不通的。

什么是以太網(wǎng)呢？電腦上的以太網(wǎng)接口，Wi-Fi接口，以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器上的千兆，萬(wàn)兆以太網(wǎng)口，還有網(wǎng)線，它們都是以太網(wǎng)的組成部分。以太網(wǎng)就是一種在「局域網(wǎng)」內(nèi)，把附近的設(shè)備連接起來(lái)，使它們之間可以進(jìn)行通訊的技術(shù)。

以太網(wǎng)在判斷網(wǎng)絡(luò)包目的地時(shí)和 IP 的方式不同，因此必須采用相匹配的方式才能在以太網(wǎng)中將包發(fā)往目的地，而 MAC 頭部就是干這個(gè)用的，所以，在以太網(wǎng)進(jìn)行通訊要用到 MAC 地址。

MAC 頭部是以太網(wǎng)使用的頭部，它包含了接收方和發(fā)送方的 MAC 地址等信息，我們可以通過(guò) ARP 協(xié)議獲取對(duì)方的 MAC 地址。

所以說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)接口層主要為網(wǎng)絡(luò)層提供「鏈路級(jí)別」傳輸?shù)姆?wù)，負(fù)責(zé)在以太網(wǎng)、WiFi 這樣的底層網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送原始數(shù)據(jù)包，工作在網(wǎng)卡這個(gè)層次，使用 MAC 地址來(lái)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。

總結(jié)

綜上所述，TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通常是由上到下分成 4 層，分別是應(yīng)用層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。

再給大家貼一下每一層的封裝格式：

網(wǎng)絡(luò)接口層的傳輸單位是幀（frame），IP 層的傳輸單位是包（packet），TCP 層的傳輸單位是段（segment），HTTP 的傳輸單位則是消息或報(bào)文（message）。但這些名詞并沒有什么本質(zhì)的區(qū)分，可以統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)包。