TCP/IP 五层协议模型

转载大佬文章

我们每天使用互联网，本质上是在传输/接收各种数据，具体如何传输则是按照一系列互联网协议进行的。我们常说的网络七层模型，五层模型，四层模型都是对数据传输过程做了细化的分层。

按照五层模型比较好理解，并且理解每一层的功能主要是理解每一层的协议，如图是从【客户端】发送数据，经过应用层–》传输层–》网络层–》数据链路层–》物理层这 五层协议的处理，转化为物理的光电信号传输。【服务端】接收到之后再逆向顺序按照每层的协议逆向分析出数据。

分层的意义是为了封装，每一层都有自己特有的功能，上层协议可以使用下层协议的功能，上层的变动完全不涉及下层的结构。

一、自下向上的系统的角度

1、物理层

将计算机用物理设备链接，使用网络物理方式传输0/1 序列，其中物理设备主要包含光缆、电缆、双绞线、无线电波等。

2、数据链路层

最终数据是按照0/1 序列进行传输的，0/1序列如何解读和分组，就是『数据链路层』的功能。
作用于该层功能的协议：以太网协议

3、网络层

每个计算机接入网络后都分配一个 IP 地址，我们如何找到具体的计算机节点就是『网络层』的功能。
作用于该层功能的协议：IP 协议、ARP协议、ICMP协议

4、传输层

每个计算机上都运行着多个程序，每个程序都有唯一的端口号，我们如何找到具体某个程序来接收和发送数据就是『传输层』的功能。
作用于该层功能的协议：TCP 协议、UDP协议

5、应用层

用户唯一能接触到的一层，应用之间的数据链接协议，规定应用程序的数据格式就是『应用层』的功能。例如浏览器向服务发送HTTP请求时，就必须按照Http 协议规定的格式发送数据。
作用于该层功能的协议：HTTP 协议、DHCP协议、FTP协议、SMTP协议

二、每层协议功能详细说明

1、物理层

将计算机用物理设备链接，使用网络物理方式传输0/1 序列。
其中物理设备主要包含光缆、电缆、双绞线、无线电波等。也是我们物理上能观察到的。

2、数据链路层

『数据链路层』的功能就是针对 0/1序列解读和分组。

1.以太网协议

以太网规定：一组0/1电信号构成一个数据包，叫做帧，每一帧包含标头（Head）和数据体（Data）

标头包含了数据类型，发送者和接受者等信息。
"标头"的长度，固定为18字节，"数据"的长度，最短为46字节，最长为1500字节，整个"帧"最短为64字节，最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。

2.MAC 地址

上面提到数据包标头中包含了发送者和接受者信息，发送和接受的设备都有其唯一标识(网卡地址，MAC地址)，每块网卡出厂的时候，都有唯一的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示，就可以定位网卡和数据包的路径了。

3.广播

如果都知道了发送和接受设备的MAC地址了，如何做到一对一准确传输呢？
以太网采用一种很"原始"的方式，他会向子网内的所有设备进行广播，接收的机器判断自己的 MAC 地址和标头中的 MAC 地址是否相等，相等则接收数据，否则丢弃数据。

上面广播方式时默认了发送者是知道接收者的MAC地址的。那如何获取接受者的 MAC 地址呢？这个是根据网络层的ARP 协议获取的。

3、网络层

数据链路层中以太网以广播的形式传输，如果北京和巴黎两台计算机处于同一子网内时，两者进行通信时，如果还是采用这种广播的方式，那就造成资源浪费和十分低效，所以两者肯定不能存在同一子网范围内 （只是包含了附近少量的设备）。那么如何区分多个设备是属于同一子网内呢？
我们知道，MAC 地址只与物理设备有关，与网络无关，所以这是网络层的功能。
网络层引进一套新的地址，使我们能够区分两台设备是否处于同一子网络，这个地址简称 『网络地址』。

1.IP 协议

IP 协议功能是为每一个计算机分配网络地址，并且判断哪些网络地址属于同一子网络。 它所定义分配的地址，就被称为IP地址。（注意：IP 地址是IP 协议定义的网络地址的称呼，IP 协议则是一套协议）。

IPv4规定，网络地址由32个二进制位组成，从0.0.0.0一直到255.255.255.255，互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机，如何区分哪部分是主机部分，需要用到另一个参数"子网掩码"，形式上等同于IP地址，网络部分全部为1，主机部分全部为0，将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中。

例如：
已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，结果都是172.16.254.0，因此它们在同一个子网络。

2.IP 数据包

根据 IP协议发送的数据包就成为IP 数据包，IP数据包也分为"标头"和"数据"两个部分。数据部分直接放进以太网数据包的"数据"部分 ，标头部分增加IP地址信息（完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构）。

3.ARP 协议

ARP 协议（地址解析协议）主要负责 IP 地址和 MAC 地址的映射关系解析。
ARP协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中，这里也体现了：上层协议可以使用下层协议的功能），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

4、传输层

有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。
但是每个计算机上都运行着多个程序，还需要一个参数表示每个程序的唯一性。这个参数就叫做"端口"（port）。

"端口"是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。

“网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信，“传输层"的功能是建立"端口到端口"的通信。那么如何将端口信息加到数据报中呢，使用了下面的协议。

1.UDP 协议

用户数据报协议，也是由"标头"和"数据"两部分组成，"标头"部分主要定义了发出端口和接收端口。"数据"部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的"数据"部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样。

2.TCP 协议

传输控制协议。
对比UDP协议，TCP 协议提供了建立连接的可靠传输，可靠性强，实现复杂。
详细内容后面讲。

5、应用层

应用层主要功能就是规定应用程序的数据格式。
举例来说，TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如 Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了"应用层"。

1. DHCP

计算机每次开机都会动态分配一个 IP 地址，DHCP 协议就是实现这个过程的（动态主机分配协议）。
该协议规定，子网内有一台计算机专门负责管理本网络的IP地址，这台主机称为 DHCP 服务器，每台计算机开始接入网络时，回动态的向服务器发送一个『DHCP数据包』来申请IP地址和相关的网络参数。

DHCP 协议是基于UDP协议的应用层协议，其『DHCP数据包』 格式如上：

（1）以太网标头中存放本机MAC 地址、DHCP服务器 MAC 地址(此时还不知道，设置为广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF)
（2）IP 标头中存放发出方和接收方的 IP 地址，两者都不知，前者：0：0：0：0，后者：255：255：255：255
（3）UDP标头中存放发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口

以太网是广播发送的，每台计算机都收到请求，拿到广播的 MAC 地址时，都不确定。所以必须要解析 IP地址，当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服务器知道"这个包是发给我的"，而其他计算机就可以丢弃这个包。

接下来，DHCP服务器解析这个包的数据，发送回去一个"DHCP响应"数据包，以同样的格式，分配的 IP 和网络信息都在 DATA 中。至此，新加入的计算机收到这个响应包，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。

2.HTTP协议

HTTP协议是基于 TCP 的应用层协议。

HTTP格式如下：

   GET / HTTP/1.1
　　Host: www.google.com
　　Connection: keep-alive
　　User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) …
　　Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,/;q=0.8
　　Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
　　Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
　　Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
　　Cookie: … …

我们假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。