计算机网络体系结构划分

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-02-16 15:28 13阅读 0赞

> 网上浏览视频，听歌，聊天，计算机是怎么在“你”、“我”之间传送数据？

## 一、什么是TCP/IP协议？ ##

首先我们看下什么是**协议**？ **协议（Protocol）**是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。用于不同系统中实体间的通信。两个实体要想通信，必须有**同一种语言**，而且，对于通信内容，怎样通信和何时通信，都必须遵守一定的规定，这些规定就是**协议**。  
  在互联网通信中，最重要和著名的就是TCP、IP两个协议，但是我们现在常说的TCP/IP协议并不是单指着两种协议，而是整个**TCP/IP协议族**。

## 二、计算机网络体系结构 ##

既然有了协议，那么协议作用的实体是什么呢？ 换言之网络中通信的实体各不相同，应该怎样各司其职？答案就是把现有网络体系抽象，**划分为不同层**，每一层各自遵循相应的网络**协议**，完成相应的功能。  
  就好比一个互联网公司划分了技术部、产品部、运营部、市场部、人力资源部等，各部门既**相互协作**又**各司其职**，更好的完成完成公司的各项任务。  
  现有计算机网络体系结构有三种划分形式：**OSI七层协议、TCP/IP四层协议结构、五层协议结构**。

![计算机网络体系结构][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2ljXzEwMjQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

OSI的七层协议体系结构概念清楚，理论也比较完整，但是它太复杂而且不实用。TCP/IP体系结构已经得到了非常广泛使用，但是其中网际接口层与数据链路层、物理层并没有什么区别，所以，现在计算机网络理论采取了折中方案，这也就是五层协议体系。

![五层体系结构][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2ljXzEwMjQ_size_10_color_FFFFFF_t_70]

## 三、每层的作用 ##

到这里，我们已经清楚了网络的分层结构，那么每一层各自的职责和使用的协议是什么呢？

### 1）应用层 ###

应用层协议定义的是**应用进程间通信和交互的规则**。进程就是主机上正在运行的程序。比如我们电脑上开着的QQ、微信等。**不同的网络应用需要有不同的应用层协议**，比如浏览器使用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传送的FTP协议等等。应用层交互的数据单元成为**报文**（message）。

### 2）运输层 ###

运输层的任务就是负责**向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务**。应用层进程产生的**报文**就是使用运输层进行传输。运输层是通用的，它不针对某个特定的网络应用。多种应用是可以同时使用同一个运输层。一台电脑上可以同时运行着多个进程，多个应用层进程可以同时使用同一个运输层发送数据，同时，运输层可以把收到的信息分别交付给上面应用层进程。  
   运输层主要使用的协议是**TCP**和**UDP**:

*  **传输控制协议TCP**（Transmission Control Protocol）—提供面向连接的，可靠的数据传输服务，数据运输单元是**报文段**
 *  **用户数据报协议UDP**（User Datagram Protocol）—提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，不保证数据传输的可靠性，数传输单位是**用户数据报**

那么什么时候使用**TCP**,什么时候使用**UDP**呢？我们先看下使用TCP和UDP的各种应用和应用协议：

<table style="width:690px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th style="width:250px;">应用</th> 
   <th style="width:254px;">应用层协议</th> 
   <th style="width:183px;">运输层协议</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">域名转换</td> 
   <td style="width:254px;">DNS(域名系统)</td> 
   <td style="width:183px;">UDP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">文件传送</td> 
   <td style="width:254px;">FTP(文件传送协议)</td> 
   <td style="width:183px;">TCP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">路由选择协议</td> 
   <td style="width:254px;">RIP(路由信息协议)</td> 
   <td style="width:183px;">UDP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">IP地址配置</td> 
   <td style="width:254px;">DHCP(动态主机配置协议)&nbsp;</td> 
   <td style="width:183px;">UDP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">网络管理</td> 
   <td style="width:254px;">SNMP(简单网络管理协议)</td> 
   <td style="width:183px;">UDP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">远程网络文件服务器</td> 
   <td style="width:254px;">NFS(网络文件协议)</td> 
   <td style="width:183px;">UDP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">流式多媒体通信</td> 
   <td style="width:254px;">专用协议</td> 
   <td style="width:183px;">UDP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">远程终端接入</td> 
   <td style="width:254px;">TELNET(远程终端协议)</td> 
   <td style="width:183px;">TCP</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;"> <p>万维网</p> </td> 
   <td style="width:254px;">HTTP(超文本协议)&nbsp;</td> 
   <td style="width:183px;"> <p>TCP&nbsp;</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:250px;">电子邮件</td> 
   <td style="width:254px;">SMTP(简单邮件传送协议)</td> 
   <td style="width:183px;">TCP</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

UDP在传送数据之前不需要先建立连接，目的主机在收到UDP报文后，不需要给出任何确认。发送数据结束时也没有任何连接可释放，因此UDP减少了开销和发送数据之前的时延。主机间不需要维持复杂的状态连接。  
   同时UDP对应用程序交下来的**报文**，不做拆分，也不做合并，应用层交下来的报文多长，UDP加上必要的控制信息后就交付下一层。UDP也没有拥塞控制，网络拥塞不会使源主机发送速率降低。综合来看，UDP适合实时性要求很高的应用，比如视频通话，语音通话等。

![应用层报文][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2ljXzEwMjQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

TCP则是面向连接的，TCP建立连接时需要**三次握手**，断开时需要**四次挥手**，TCP保证数据的可靠性，保证数据的无差错、不丢失、不重复，按顺序到达。应用层和TCP交互的是一次一个数据块，TCP把应用程序交下来的数据块分割成了字节序列包装成报文段。

![TCP报文序列][TCP]

运输层还有一个重要的概念—**端口(port)**,因为主机上的进程都是动态创建和撤销的，把进程作为通信的最后终点是不可行的，所以要使用**端口**标识一个进程来进行通信。无论是TCP还是UDP，在它们的首部中都会有**源端口**和**目的端口**这两个字段。比如我们熟悉的HTTP应用使用的80端口，FTP使用的21端口，TELNET使用的23端口，SMTP使用的25端口等等。

### 3）网络层 ###

网络层把运输层产生的**报文段**或**用户数据报**封装成**IP数据报（packet）**进行传送。同时还负责选择合适的路由，使源主机**运输层**所传下来报文段或包能通过网络中的路由器找到目的主机。  
   网络层向上提供的是简单灵活的、无连接的、不可靠数据交付。也即是说**包**在网络上传递会有丢失、出错、重复和顺序错乱。这也就是我们常说的**网络丢包**。

![网路层][20191013205027857.png]

网络层使用了我们熟悉的**IP协议**。**源主机**和**目的主机**的**IP地址**被封装到**IP首部**内。

### 4）数据链路层 ###

数据链路层把网络交下来的IP数据报组装成**帧**，然后在两个相邻节点的链路上传送**帧**。通常称为**MAC帧**，因为帧在传送时使用的**源地址**和**目的地址**都是计算机硬件地址，封装在**帧首部**信息里。

###    5）物理层 ###

物理层将数据链路层交下来的的**帧**，按照**比特流**进行传送，也即是二进制0和1形式进行传送。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2ljXzEwMjQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

所以总结起来，计算机之间的数据传输就是**数据通过各层之间的封装与解封装**过程。就好比有一封信从最高层（**源主机**）向下传，每经过一层就包上一个新的信封，信封上写好必要的，下一层要处理的信息（**首部、尾部等**）。包着多个信封的信件到达**目的地**（目标主机）之后，从第1层起，每层拆开一个信封后（**按照固定协议协议**），交给它的上一层。传到最高层（应用层）后，取件人（进程）最终取出信，读取内容。

————————————————  
[原文链接][Link 1]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2ljXzEwMjQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191013163010873.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2ljXzEwMjQ=,size_16,color_FFFFFF,t_70
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[TCP]: https://img-blog.csdnimg.cn/2019101319562537.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21hZ2ljXzEwMjQ=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[20191013205027857.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191013205027857.png
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[Link 1]: https://blog.csdn.net/magic_1024/article/details/102379580