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TCP/IP是什么？OSI又是什么？

news 2025/11/3 11:58:48

相信不少学过计算机网络的小伙伴对TCP/IP与OSI都不陌生，但很多时候有很混淆，他俩都是什么，有什么区别，为什么会有两套不同的体系，下面让我带大家通俗的理解一下。

1、TCP/IP是什么？

TCP/IP 是互联网的核心通信体系，由多种协议组成，用于定义计算机在网络中如何寻址、传输和交换数据。它以 TCP（传输控制协议）和 IP（网际协议）为核心，包含从底层的网络接口到上层的应用服务的完整协议族，是现代网络通信的基础标准。

2、OSI又是什么，与TCP/IP的关系是什么？

OSI 是一种理论性的七层网络模型，用于指导网络协议设计，定义的是功能层次和通信原则，但并没有具体规定协议实现。而 TCP/IP 是其实际应用的四层实现体系，是一套真正实现了这些功能的协议体系。两者的功能大体对应，但 TCP/IP 将 OSI 的表示层和会话层合并进应用层，并在工程上更简化高效。如今互联网普遍采用 TCP/IP 协议族，OSI 主要作为学习和参考模型存在。因此两者的功能大体对应，但协议并非一一对应关系。具体如下图

3、集线器

起初，两台电脑或设备之间只需一根网线即可直接通信，但随着连接的设备数量不断增加，这种点对点的连接方式使网络拓扑变得复杂，且每台电脑都需要多个网口来连接其他设备。为了解决这一问题，人们发明了集线器（Hub）。集线器能够集中连接多台电脑，使它们通过一台设备互相通信。当其中一台电脑发送数据时，集线器会将数据广播到所有端口，由目标设备自行判断是否接收。它工作在OSI模型的物理层（第一层），不具备识别或转发数据帧的能力。

那怎么知道数据是谁发给谁的呢，这里就引入了MAC的概念，MAC 地址（媒体访问控制地址）是网卡在局域网中的唯一硬件标识，用于数据链路层通信。通常为 48 位（6 字节）十六进制表示，前 3 字节表示厂商，后 3 字节由厂商分配。关于MAC有以下注意事项：

设备适用性：
凡是具有网络接口的设备都会有 MAC 地址，包括电脑、有线/无线网卡、路由器、交换机、IoT 设备，甚至虚拟网卡。
数量与对应关系：
一台电脑可以有多个 MAC 地址，对应其不同的网卡或网络接口（有线网卡、无线网卡、蓝牙、虚拟网卡等）。每块物理网卡通常只有一个 MAC 地址，但虚拟接口或软件修改可产生多个 MAC。
注意点：
“电脑的 MAC”并不是唯一标识，实际指某个网卡的 MAC。MAC 地址可以通过软件修改，但物理网卡出厂时通常唯一。

有了MAC后，在发送数据包时会在包头加入源MAC地址和目标MAC地址，集线器广播后每台设备都会收到并解析来判断是不是自己的。虽然集线器大大简化了网络连接，但由于其广播方式会导致带宽共享和冲突问题，后来逐渐被功能更强的交换机（Switch）所取代。

4、交换机

当一台电脑向另一台电脑发送以太网帧时，交换机会先读取帧头中的 源 MAC 地址，并把这个地址与接收到该帧的端口对应关系记录到自己的 MAC 地址表 中。随后，它检查帧头中的 目标 MAC 地址：

如果目标 MAC 已经在表中，交换机就只把该帧转发到对应的端口（称为单播转发）；
如果表中还没有这个 MAC 地址（未知目的地址），交换机会将帧广播到除源端口外的所有端口；
如果目标是广播或组播地址，则会根据情况进行全网广播或组播转发。

这样，随着通信的进行，交换机逐渐学习到整个局域网中各设备的 MAC 地址分布，从而实现点对点的数据转发，而不再像集线器那样把所有数据都发给所有设备。

交换机（Switch）是工作在 OSI 数据链路层（第2层） 的网络设备，用于局域网中帧的智能转发和流量管理。它根据 MAC 地址表 决定帧的转发端口，实现点对点通信，替代集线器（Hub）的广播方式，提高网络性能。

核心功能与算法

MAC 地址学习（Learning）
- 记录每个源 MAC 与入端口映射
- 动态维护 MAC 表，适应网络拓扑变化
转发与泛洪（Forwarding / Flooding）
- 目的 MAC 已知 → 单播转发
- 目的 MAC 未知 → 泛洪到其他端口
老化机制（Aging）
- 超时未活跃的 MAC 表项自动删除
- 保证表项更新与拓扑适应性

常用协议与机制

协议 / 机制	功能	OSI 层
STP（Spanning Tree Protocol）	消除冗余链路环路，生成无环拓扑	数据链路层
VLAN / 802.1Q	将物理端口划分为逻辑网络，实现广播域隔离	数据链路层
LACP / 802.3ad	链路聚合，提高带宽与冗余	数据链路层
IGMP Snooping	监听三层组播报文，只转发到需要端口	数据链路层/三层协作
LLDP / CDP	交换机邻居发现，用于网络拓扑管理	数据链路层

高级交换机（多层交换机）

三层交换机：在二层功能基础上增加 IP 路由能力，可进行 VLAN 间路由
四层交换机：能识别 TCP/UDP 端口，实现负载均衡和流量控制

交换机的出现使局域网内部的设备能通过MAC地址高效通信，但它只能在同一网段内转发数据，无法识别IP地址，也无法隔离广播域。当网络规模扩大、需要连接不同子网或访问外网时，仅靠交换机就不够用了。于是引入了路由器，它工作在网络层，根据IP地址和路由表决定数据的转发路径，能隔离广播域、实现不同网络之间的通信，并成为局域网通向互联网的关键设备。

5、路由器

当一个数据包到达路由器时，路由器首先解封装链路层帧，读取其中的 目标 IP 地址。然后，它在自己的 路由表 中查找这段地址所属的网段，判断应该从哪个端口（或下一跳）转发出去。如果目标地址就在本地直连网段内，路由器就通过 ARP 表 找到目标设备的 MAC 地址，重新封装成新的以太网帧后发送出去；如果目标不在本地网段，则根据路由表指向的“下一跳路由器”继续转发。每经过一台路由器，数据包都会被重新封装一次，以太网头部的源和目的 MAC 地址都会变化，但 IP 地址保持不变，直到最终到达目标主机。

一、路由表的建立方式

路由器的 路由表（Routing Table） 记录了“到哪个网段，应该从哪个端口或下一跳发送”的信息。它的建立有三种方式：

直连路由（Direct Route）
当路由器的接口配置了 IP 地址并启用后，会自动知道该接口所在的网段。
例如：接口 eth0 配置为 192.168.1.1/24，路由器自动生成一条路由：
```
192.168.1.0/24 直连  via eth0
```
静态路由（Static Route）
由管理员手动配置，用于指定特殊的转发路径。
例如：
```
ip route add 10.0.0.0/24 via 192.168.1.254
```
动态路由（Dynamic Route）
通过动态路由协议（如 RIP、OSPF、BGP）自动学习和更新，能根据网络变化自动调整路径。

二、路由表的一般格式

路由表通常包含以下字段（简化版）：

目标网络（Destination）	子网掩码/前缀	下一跳（Next Hop）	出口接口（Interface）	距离或优先级（Metric）
192.168.1.0	/24	—（直连）	eth0	0
10.0.0.0	/24	192.168.1.254	eth1	1
0.0.0.0	/0	192.168.1.1	eth2	10（默认网关）

当有数据包到来时，路由器会在表中寻找**最精确匹配（最长前缀匹配）**的条目，决定从哪个端口转发。

三、ARP 表的建立方式

ARP 表（Address Resolution Protocol Table） 记录了“IP 地址 ↔ MAC 地址”的映射，用于在链路层封装时找到目标的物理地址。

当路由器需要向本地子网设备发送包但不知道其 MAC 地址时，会发出 ARP 请求广播。
目标主机收到后返回 ARP 应答，告诉路由器自己的 MAC。
路由器就把这对 IP–MAC 关系存入 ARP 表（有超时时间，会自动老化）。

示例：

IP 地址	MAC 地址	接口
192.168.1.10	00:11:22:33:44:55	eth0

四、核心算法与协议（简要概述）

最长前缀匹配算法（Longest Prefix Match）
查路由表时选择匹配掩码最长的条目，即最精确的路径。
路由算法（动态协议使用）
- RIP（距离矢量算法）：根据跳数判断路径优劣，简单但效率低。
- OSPF（链路状态算法）：每台路由器广播链路状态，构建完整拓扑，使用 Dijkstra 算法求最短路径。
- BGP（路径向量算法）：用于互联网自治系统之间的路由选择。
ARP 协议：解析 IP→MAC。
ICMP 协议：用于诊断（如 ping、路由错误反馈等）。