计算机网络的分层结构

目录

1、为什么分层

2、OSI七层参考模型

3、TCP/IP参考模型

4、五层参考模型

1、应用层

2、传输层

3、网络层

4、数据链路层

5、物理层

5、各层的常见协议

6、各层对数据包的处理

1、为什么要切分数据

1、谁在切分数据

2、为什么数据链路层需要限制数据大小

3、将大数据包切分成小数据包的好处

4、数据包做多大合适

2、各层对数据包的封装

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1、为什么分层

计算机网络诞生的初期，两台计算机之间使用网线连接，就可以通过指定的方式交互数据，此时显然不用太考虑分层。

随着网络的发展，简单来说存在着这些问题：

• 我是网络应用的开发者，如何便捷地利用网络交互数据

• 一台计算机上的不同进程如果都有网络需求，如何知道哪些是给自己的数据，如何能实现网络中进程之间的相互通信

• 两台计算机如何进行识别，如何知道对方的地址，一台计算机如何通过目标IP地址路由到远端的计算机上，找到一条最优的传输数据的路径

• 网络数据的物理传输介质应该选什么材料，使用什么物理接口

解决这些问题不难，只需要规定一个网络协议，某几位是具体的数据，某几位是用于物理传输的差错检测，某几位是IP地址和端口号等。

但是这样解决后，存在两个问题：

• 网络的这些功能全部耦合在一个协议中，这个协议太过庞大，而且修改空间很小，只能随着网络的发展不断地加字段，直到完全无法使用
• 开发者需要直面这么复杂的网络数据，手动处理从物理传输差错检测，到同一次通信的数据包合并这类细节，开发效率很低

所以更合理的方式是，规范一套网络分层结构：

• 网络上的通信，基本可以自顶向下拆分成这几个步骤：

  网络应用提供数据、向目标主机的目标进程发送数据、数据在网络中经过路由器和交换机、数据经过网卡和计算机交互、数据在物理介质上传输

• 因为从底向上分别是面向物理介质、相邻的两个网络设备、主机到主机（源IP到目的IP）、源进程到目标进程。

• 这样，服务于不同功能的网络设备就被划分到了不同的层级之中，规定每个层级做的事情，其他就可以由设备来自行实现了。

  所以网络分层也屏蔽了网络设备的异构性差异。

2、OSI七层参考模型

• 应用层：负责给应用提供统一的接口来使用网络
• 表示层：负责把网络数据转换成兼容其他系统识别的格式
• 会话层：负责建立、管理和中断表示层实体之间的通信会话
• 传输层：负责端到端的数据传输（主机的进程之间）
• 网络层：负责数据的路由、转发、分片
• 数据链路层：负责数据的封装成帧和差错检测、MAC寻址
• 物理层：负责在物理介质中传输比特流数据帧

只是理论概念上的分层，没有给出具体的解决方案

3、TCP/IP参考模型

4、五层参考模型

综合了OSI和TCP/IP的优点，提出了五层模型。这是应用最广的参考模型。

自顶向下，通信的目标越来越清晰。自底向上，通信的目标变得越来越笼统。

1、应用层

应用层的任务：

• 在网络上不同主机之间传递网络应用的数据
• 只需要提供符合双方应用层协议的数据即可

应用层工作在操作系统的用户态，而传输层及以下则工作在内核态，中间借助Socket来交接数据。

2、传输层

传输层的任务：

• 在网络上两台主机的进程间提供数据传输服务。
• 借助源端口号和目的端口号进行识别

3、网络层

网络层的任务：

• 在网络上选择合适的网间路由和交换节点，为数据链路层指明路径
• 借助源IP和目的IP进行识别

网络层本身没有传输数据包的能力，它只是给每台网络设备额外分配了一个可修改的、逻辑上的地址，用于找到不同的子网，借助数据链路层来实现数据包传输。

寻址与路由

网络层负责在两个网络设备间传输数据，如何找到目标设备？使用IP地址。

遍历全世界所有的网络设备来匹配IP地址显然不现实，所以IP地址分成了两部分，类似于索引：

• 网络号，负责表示该IP属于哪个子网
• 主机号，负责表示同一子网下的不同主机

4、数据链路层

数据链路层的任务：

• 在一个网络内，把数据包转发到目标MAC地址。借助源MAC地址和目的MAC地址进行识别
• 负责物理传输的差错检测

如何获取到MAC地址

在跨网络传输数据时，就需要有一个设备同时处于多个网络之间，通常是路由器。

那么路由器就需要了解网络中的每一个设备，否则没办法通过IP地址定位到网络设备。

每一台网络设备都有一个网卡，网卡具有唯一的MAC地址。

路由器通过路由表得知下一个目的的IP地址，再通过“ARP协议”找到目的地MAC地址，就能对应到唯一的设备。

数据链路层如何传输数据

在相邻的两个节点间传输数据时，数据链路层将网络层的“IP数据报”组装成“帧”，在两个相邻节点间的链路上传送帧。

5、物理层

物理层的任务：

• 实现相邻节点间比特流的透明传输，屏蔽具体的传输介质和传输方式

不过物理层没有办法给比特流赋予意义，也不存在什么网络协议，只存在一些物理介质间的传输协议。

5、各层的常见协议

• 应用层：HTTP、DNS、FTP
• 传输层：TCP、UDP
• 网络层：IP、RIP、ICMP、DHCP
• 数据链路层：ARP、RARP
• 物理层

6、各层对数据包的处理

1、为什么要切分数据

1、谁在切分数据

本质原因：

• 数据实际上是通过物理介质传输的，物理介质本身只会传输数据，而不会对数据进行处理
• 数据链路层将数据交给物理层传输，所以是数据链路层指定了数据包的大小
• 由于是网络层在利用数据链路层传输数据，所以由网络层对数据进行分片，保证符合数据链路层的大小要求

2、为什么数据链路层需要限制数据大小

如果将一个很大的数据包直接丢进网络中传输，存在这些问题：

• 该数据包体积很大，会长时间占用源主机的网络设备资源，在发送它的期间，别的网络应用完全不能发送数据

  因为如果污染了这个数据包的数据，接收方就无法正常解析

• 由于网络存在带宽限制，所以它完全传输到目标主机需要很长时间

  这期间的路由器需要将它完全接收才能对它进行校验，然后转发出去

  这意味着大数据包不仅会造成网络严重拥堵，还会占用路由器的缓存资源，如果路由器缓存不够，大数据包就无法被完全接收，无法到达目标主机

• 这种一蹴而就的方式会额外加大传输延迟在整个通信延迟中的比重

3、将大数据包切分成小数据包的好处

• 小数据包能连续发送，相当于流水线机制，很好地利用沿途网络设备的资源，降低传输延迟在整个通信延迟中的比重
• 拆分数据势必要给每个小数据包进行编号，这就允许能够穿插发送多个不用通信中的数据包，具备了多路复用的并发通信能力
• 数据包具备编号之后就可以做到，如果某个包出现错误或丢失，可以只重传出问题的数据包，不用重传整个大数据包，节约网络资源

4、数据包做多大合适

• 如果数据包太大，已经讨论过了
• 如果数据包太小，由于数据包必须具有头部信息，数据部分太小会造成实际数据在整个数据包的长度中占比太小，降低了网络的利用率

折中来选择，以太网的一个帧的实际数据部分最大是1500，最小是64。

一个标准的以太网帧的大小是1518，其中的18个字节给了帧头和帧尾，剩下1500字节用来存放实际数据

2、各层对数据包的封装

• 应用层：原始数据被封装进协议，变成应用层报文，此时数据包称为报文（message）
• 传输层：给应用层报文加上传输层头部，包含源端口号和目的端口号，以及协议字段，此时数据包称为段（segment）
• 网络层：对数据包进行切分，给每一片加上网络层头部，包括源IP和目的IP，以及协议字段，此时数据包称为包（packet）
• 数据链路层：给数据包加上帧头和帧尾，包括源MAC地址和目的MAC地址，以及校验序列，此时数据包称为帧（frame）