网络协议入门：TCP/IP五层模型如何实现全球数据传输？

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网络初识

什么是网络？

你有没有想过，我们每天依赖的互联网，最初是如何诞生的？

从两个设备间最简单的电流信号，到办公室里的局域网，再到如今覆盖全球的互联网——这条连接之路，远比我们想象的更精彩。

最初，工程师们只是想让两台计算机"对话"，用简单的协议和物理线路传输数据；后来，随着设备增多，局域网（LAN）诞生了，让一个房间、一栋楼里的机器能彼此通信；而今天，TCP/IP协议族像一种"世界语"，让地球任意角落的设备都能瞬间连接。

关键概念

路由器：连接各个网络节点的中转器。

交换机：一般的路由器只有两三个插口，交换机是路由器的扩展器，可以增加路由器的接口数量，相当于“插排”的作用。

ip地址：在网络中一台设备的所在位置，这个地址并不固定。

端口号：一个设备中可能有多个程序同时使用网络，端口号的作用就是用来区分谁是谁。

认识协议

网络协议是通信双方对于发送/接受数据格式的约定，我的数据怎么发，你就怎么来解析，只有双方同时遵守同一个协议，通信才是有意义的。

通信就好像是两个人在沟通，我只会汉语，你只会阿拉伯语，我们双方通过自己的语言解析收到的是一团乱码，彼此之间谁也听不懂谁在说什么，而如果我们约定使用同一个语言，我们直接的交流才是有意义的。

五元组

进行一次网络通信，涉及到五个非常关键的信息：源IP、 源端口、目的IP、目的端口、协议类型。

网络通过信息知道此次通信中：信息从哪里来，要到哪里去，用的什么格式进行传输。

协议分层

一个大的协议往往需要包含很多的内容，为了管理起来方便，通常会将一个大的协议拆成功能单一的小协议来进行管理。而再将这些协议按照功能划分，就可以得到分层的效果。

分层之后，只有两个相邻的层次之间可以进行交互，上次协议可以调用下层协议，下层协议为上层协议提供服务，协议之间不能夸层交互。

优点：

封装：上层协议不需要了解下层协议的内容，用到下一层时只需要调用接口即可。
解耦合：如果某一层需要替换或者修改，对其他层影响较小

OSI七层模型

OSI：即Open System Interconnection，开放系统互连。

OSI将网络协议从逻辑上分为了七层，但是因为这套分层体系太复杂了，因此只存在于教科书上。

TCP/IP五层（四层）协议模型

TCP/IP五层（四层）协议模型是上一个模型的简化版，实际中使用的的也较多。

在协议模型中越接近硬件部分、系统内核部分就越底层，越软件越高层。

按照从低到高该模型分为：

物理层：

物理层规定了网络通信中的一些硬件设备符合的要求，例如：网线、wifi、光纤等。

数据链路层：

完成两个相邻的设备之间如何进行通信，通过网线把设备连到路由器/交换机上。

先考虑一小步，把两个设备连起来，数据链路层是基于物理层实现的。

网络层：

两个任意的设备如何进行通信，这两个设备可能隔着很多个交换机和路由器。

网络层基于数据链路层实现。

传输层：

任意两个设备之间的通信，不考虑中间过程，只看起点和终点。

应用层：

拿到包裹也就是传输信号后该怎么使用。

在应用时物理层我们考虑的⽐较少。因此很多时候会把数据链路层和物理层合在一起，也可以称为 TCP/IP四层模型。

各个设备涉及的层次

主机：物理层->应用层 通过应用程序满足通信要求。

路由器：物理层->网络层 组建局域网进行网络数据包的转发。

交换机：物理层->数据链路层 对路由器接口的扩展，不需要考虑组网的问题。

通信基本流程

传出数据

1.应用层

在获取用户的数据后，首先根据应用层的协议构造出一个应用层的数据包，应用层的协议往往是由程序员自己定义的，而这个数据也往往是结构化的数据，例如json格式的数据。

在发送和接受数据是要经过两个过程：

序列化： 把结构化的数据转换成二进制的比特流。

反序列化： 把二进制的比特流转换成结构化数据。

这么做的目的是为了数据可以进行传输，毕竟现在的数据传输都是二进制的嘛~

2.传输层

应用层将数据传递给传输层，传输层拿到数据之后，构造出“传输层数据包”，传输层的协议主要是TCP以及UDP。

这里假设我们使用的是TCP协议~

TCP数据包 = TCP报头 + TCP载荷。

tcp报头包含源端口/目的端口以及其他很多信息，并且记录应用层使用的协议，而TCP载荷则是应用层传给它的数据包。

3.网络层

传输层传给网络层后，网络层接着对数据包进行处理，网络层使用的最主要的协议是IP协议，处理方式与上述类似，继续增添标签。

IP数据包 = IP报头 + IP载荷。

ip报头包含源ip/目的ip以及其他很多信息，并且记录传输层用的什么协议，IP载荷则是整个传输层的数据包。

4.数据链路层

数据链路层在网络层的基础上继续加工，该层主要的协议是“以太网”协议，和之前不同的是它不仅加了一个头还加了一个尾巴。

以太网数据帧 = 帧头 + 载荷 + 帧尾。

每个协议并不会关心他们的载荷，只需要添加标签即可，这也是协议分层的好处之一。

5.物理层

网卡将上述的二进制数据以各种信号的形式传播出去。

上述过程虽然复杂，但是对于计算机来说是一个极快的过程。

知识补充

上述的关键性名词并不严谨。

TCP数据使用的是段，UDP使用的是报，IP使用的是包，而以太网使用的是帧。

工作中并不会明确区分这些概念，混用即可。

传入数据

如果说传出数据是从上到下的一个封装过程，那么传入数据就是一个封装的逆向过程。

1.物理层

数据被传入到网卡，解析为二进制数据，并将其传入到数据链路层。

2.数据链路层

根据以太网协议进行解析，将帧头和帧尾取出，将剩下的载荷往上传递给网络层。

3.网络层

按照IP协议进行解析，取出IP报头，剩下的继续传递给传输层。

4.传输层

按照TCP协议进行解析，取出TCP报头，剩下的继续传递给应用层。

5.应用层

解析应用层数据拿到关键信息，将其展示到界面上。

上述提到过每一层的报头会记录其上一层使用的协议类型，因此拿到数据时可以知道用什么协议进行解析。

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