??作者：一只愛打拳的程序猿，Java領域新星創(chuàng)作者，CSDN、阿里云社區(qū)優(yōu)質創(chuàng)作者。

??專欄收錄于：計算機網絡原理

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本期講解協(xié)議、OSI七層模型、TCP/IP五層模型、網絡設備所在的分層、數(shù)據(jù)的封裝和分傭。

目錄

1. 什么要有協(xié)議？

2. 協(xié)議的分層

2.1 協(xié)議分層的好處

3. OSI七層模型

4. TCP/IP協(xié)議五層模型

5、網絡設備所在分層

6、封裝和分用

6.1?封裝

6.1 分用

1. 什么要有協(xié)議？

假如網絡通信過程中，我給別人發(fā)一條信息“你吃飯了嗎？緊接著發(fā)了一個動圖表情包。有一個問題，接收者是如何區(qū)分我發(fā)的是文字還是圖片呢？

我們知道，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程是通過 0和1 這樣的二進制數(shù)據(jù)進行發(fā)送的。那么發(fā)送者和接受者如何區(qū)分傳輸?shù)?0和1 二進制數(shù)據(jù)是關于文字的還是圖片的呢？因此，我們可以通過協(xié)議來規(guī)定相應的格式。

2. 協(xié)議的分層

TCP/IP協(xié)議分層模型有：TCP/IP四層模型、TCP/IP五層模型、OSI七層模型。

對于我們程序猿來說，我們需要搞懂 TCP/IP五層協(xié)議 中的前四種協(xié)議即可。因為物理層主要是一些傳輸介質（網線等）類似于電腦的硬件部分，我們軟件開發(fā)無需深入了解。

網絡編程是通過應用層進行的，因此我們在后期 網絡編程 的學習中，把應用層的一些規(guī)范與使用深入學習即可，而其他層我們只需要了解它們是什么就足夠了。

2.1 協(xié)議分層的好處

分層最大的好處，類似于面向接口編程：定義好兩層間的接口規(guī)范，讓雙方遵循這個規(guī)范來對接。

調用方，當調用方使用這些接口時候不關心接口具體是怎么實現(xiàn)的。

提供方，提供方利用封裝的特性，隱藏了協(xié)議實現(xiàn)的細節(jié)，只需要開放接口即可。

3. OSI七層模型

OSI：即Open System Interconnection，開放系統(tǒng)互連。它分為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層（由低到高）。

應用層：針對特定引用的協(xié)議。

表示層：設備固有數(shù)據(jù)格式和網絡標準數(shù)據(jù)格式的轉換。

會話層：通信管理，負責建立和斷開通信連接，管理傳輸層以下的分層。

傳輸層：管理兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，負責可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

網絡層：地址管理與路由選擇。

數(shù)據(jù)鏈路層：互聯(lián)設備之間傳送和識別數(shù)據(jù)幀。

物理層：傳輸 0、1 這樣的代表高低電平數(shù)據(jù)，通過特定的傳輸介質來傳輸。

OSI七層模型是教科書級別的。我們作為一名程序猿，只需要掌握TCP/IP五層協(xié)議即可。

4. TCP/IP協(xié)議五層模型

作為一名程序猿，對于TCP/IP五層協(xié)議，應掌握應用層和熟悉傳輸層，特別是以下兩層對應協(xié)議：

1. 應用層：HTTP協(xié)議、FTP協(xié)議、SMTP協(xié)議和POP3協(xié)議等。這些協(xié)議是應用程序與網絡的接口，程序猿需要了解其通信過程和數(shù)據(jù)格式，從而編寫適合的程序進行數(shù)據(jù)交互。
2. 傳輸層：TCP和UDP協(xié)議。TCP協(xié)議可確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整性和順序性，使用范圍較廣；UDP協(xié)議傳輸速度更快，但無法保證數(shù)據(jù)的完整性和順序性。

應用層：負責程序之間的溝通，簡單的電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、網絡遠程訪問協(xié)議等（Telent）等。我們程序員網絡編程就是針對應用層來進行的。

傳輸層：負責兩臺主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。如傳輸控制協(xié)議 (TCP)，能夠確保數(shù)據(jù)可靠的從源主機發(fā)

送到目標主機。

網絡層：負責地址管理和路由選擇。例如在IP協(xié)議中，通過IP地址來標識一臺主機，并通過路由表

的方式規(guī)劃出兩臺主機之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路（路由）。路由器（Router）工作在網路層。

數(shù)據(jù)鏈路層：負責設備之間的數(shù)據(jù)幀的傳送和識別。例如網卡設備的驅動、幀同步(就是說從網線上檢測到什么信號算作新幀的開始)、沖突檢測(如果檢測到沖突就自動重發(fā))、數(shù)據(jù)差錯校驗等工作。有以太網、令牌環(huán)網，無線LAN等標準。交換機（Switch）工作在數(shù)據(jù)鏈路層。

物理層：負責光/電信號的傳遞方式。比如現(xiàn)在以太網通用的網線(雙絞 線)、早期以太網采用的的同軸電纜(現(xiàn)在主要用于有線電視)、光纖，現(xiàn)在的wifi無線網使用電磁波等都屬于物理層的概念。物理層的能力決定了最大傳輸速率、傳輸距離、抗干擾性等。集線器（Hub）工作在物理層。

舉例說明：我在網上買一個物品，需要賣家信息（源IP地址）、我的信息（目的IP地址）。物流（協(xié)議）要歷經廣州，長沙，武漢。運輸路徑可以是空運（廣州直達武漢）、慢達（廣州、長沙、武漢）。

應用層：告訴快遞站，賣家要快遞給我的貨物是什么，根據(jù)貨物的類型好用相應的包裝發(fā)送。

應用層負責程序之間的溝通，規(guī)定使用的格式。

傳輸層：我和賣家都不關注中間是怎么傳輸?shù)?，只關心起點和終點對應的就是源IP地址與目的IP地址。

傳輸層主要關注源IP地址與目的IP地址，不考慮中間路徑。

網絡層：發(fā)貨地址是長沙，收獲地址是武漢。長沙到武漢可以空運、火車，網絡層可選擇合適的路徑進行運輸。

網絡層主要負責兩個遙遠節(jié)點之間的路徑規(guī)劃。

?數(shù)據(jù)鏈路層：運輸路徑選擇了慢達，廣州到長沙使用的是貨車，長沙再到武漢使用的火車。

數(shù)據(jù)鏈路層主要負責兩個相鄰節(jié)點之間的傳輸。

物理層：網絡通信的基礎設施，也就是一些網線、光纖、網絡接口，也就是網絡上的告訴公路。?

5、網絡設備所在分層

何為網絡設備，就是聯(lián)網所需要的設備，如電腦主機、路由器、交換機、集線器等。

主機：主機，它的操作系統(tǒng)內核實現(xiàn)了從傳輸層到物理層的內容，對應的TCP/IP五層模型的下四層即：傳輸層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

路由器：?路由器，它實現(xiàn)了從網絡層到物理層，對應的是TCP/IP五層模型的下三層即：網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

交換機：交換機，它實現(xiàn)從了從數(shù)據(jù)鏈路層到物理層，對應的是TCP/IP五層模型的下兩層。

集線器：集線器，只實現(xiàn)了物理層。

我們日常生活中所說的交換機也稱為?二層交換機?工作在 TCP/IP五層模型中的下兩層（數(shù)據(jù)鏈路層、物理層）。

路由器也稱為 三層路由器?工作在 TCP/IP五層模型中的下三層（網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層）。

6、封裝和分用

在協(xié)議被分層好的情況下，數(shù)據(jù)是怎樣通過網絡傳輸?shù)牡哪?？答案是通過封裝和分用。

發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)，要把數(shù)據(jù)從上到下，依次交給對應層次的協(xié)議，進行封裝。

接收方收到數(shù)據(jù)，要把數(shù)據(jù)從下到上，依次也交給對應層次的協(xié)議，進行分用（解封裝）。

假設我給張三發(fā)一條信息：“你吃飯了嗎？”。模擬這條信息，在各個層次進行封裝與分用的效果。

6.1?封裝

（1）?應用層

應用層拿到“你吃飯了嗎？”這條信息，進行封裝，封裝成應用層數(shù)據(jù)包。一個應用層數(shù)據(jù)包大概分為發(fā)送方，接收方，時間，發(fā)送內容這四個模塊。

當然，以上的信息會變成一個字符串。通過 + 號進行連接。如1234;6698;2023061510503;"你吃飯了嗎?"，分別對應的是發(fā)送方、接收方、時間、發(fā)送內容?。真實開發(fā)中，這些數(shù)據(jù)包可能封裝得更難，在此大家理解即可。

（2） 傳輸層

傳輸層在拿到應用層的數(shù)據(jù)包后，把該數(shù)據(jù)包再次封裝成傳輸層對應的數(shù)據(jù)包。傳輸層對應的協(xié)議比較多，最典型的是 TCP 和 UDP。

在本篇博文中以 UDP 協(xié)議為例，UDP 會提供一個 UDP 數(shù)據(jù)報頭里面包含源端口和目的端口。源端口即發(fā)送方程序的端口號，目的端口即接收方程序的端口號。

本質上，加上了UDP數(shù)據(jù)報頭也相當于字符串拼接。

（3）網絡層

傳輸層已經把數(shù)據(jù)封裝成帶有 UDP 數(shù)據(jù)報頭的數(shù)據(jù)包了，接下來網絡層就要把數(shù)據(jù)包加上 IP 協(xié)議報頭。

源IP地址就是表示這次傳輸過程中的起點，目的IP就是表示這次傳輸過程中的終點。加上了 IP 協(xié)議報頭，也是通過字符串拼接的。

?（4）數(shù)據(jù)鏈路層

網絡層把數(shù)據(jù)包交給數(shù)據(jù)鏈路層，此時會用到以太網幀，此時涉及到mac地址。mac地址也叫做物理地址，描述的是主要在網絡中的位置，跟IP地址很像，但比IP地址更詳細。

IP地址是兩個較遠節(jié)點之間交互，mac地址是相鄰節(jié)點之間交互。在本文 4. TCP/IP協(xié)議五層模型中有詳細介紹。

注意，以太網幀分為幀頭和幀尾，目前我們只需要掌握幀頭即可。幀頭包括源mac地址和目的mac地址。mac地址是和網卡進行綁定的，每個設備都會有一個唯一標識的 mac 地址（理論上）。?

（5）物理層

物理層在接受到上層以太網的數(shù)據(jù)幀后，就把數(shù)據(jù)包所拼接的字符串 0和1 這樣的二進制數(shù)據(jù)轉換為光信號/電信號等信號進行傳輸了。

6.1 分用

通過上述講解，我們知道了封裝是從應用層到物理層，而分用恰好相反，從物理層到應用層。

（1）物理層

把光信號/電信號進行解析，還原成 0和1 的二進制序列。交給數(shù)據(jù)鏈路層。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層

把得到 0和1 二進制序列當作一個以太網幀。把以太網幀頭、幀尾去掉，得到中間的載荷再往上把數(shù)據(jù)包交給網絡層。

以太網數(shù)據(jù)幀頭有一個消息類型，根據(jù)這個類型，網絡層就能知道數(shù)據(jù)包開頭是IP協(xié)議了。?

（3）網絡層

網絡層得到數(shù)據(jù)包后，也是進行去IP報頭，以及取出剩余載荷，把數(shù)據(jù)包上傳給傳輸層。

?IP報頭也有一個消息類型，標識當前數(shù)據(jù)包對應的是傳輸層的哪個協(xié)議。

（4）傳輸層

傳輸層得到是 UDP 報頭，因此去掉 UDP 報頭，得到載荷把數(shù)據(jù)包傳給應用層。

傳輸層會標識端口號，這樣應用層就能區(qū)分程序所在位置。

（5）應用層

最后應用層的工作，就是把數(shù)據(jù)包放到對應的程序當中。取出數(shù)據(jù)包中的信息，顯示在界面中。

注意：

• 不同的協(xié)議層對數(shù)據(jù)包有不同的稱謂，在傳輸層叫做段(segment)，在網絡層叫做數(shù)據(jù)報(datagram)，在鏈路層叫做幀(frame)。
• 應用層數(shù)據(jù)通過協(xié)議棧發(fā)到網絡上時，每層協(xié)議都要加上一個數(shù)據(jù)首部(header)，稱為封裝(Encapsulation)。
• 首部信息中包含了一些類似于首部有多長，載荷(payload)有多長，上層協(xié)議是什么等信息。
• 數(shù)據(jù)封裝成幀后發(fā)到傳輸介質上，到達目的主機后每層協(xié)議再剝掉相應的首部，根據(jù)首部中的 "上層協(xié)議字段" 將數(shù)據(jù)交給對應的上層協(xié)議處理。?

關于封裝和分用在程序上，實際各層就是把數(shù)據(jù)用字符串拼接的方式進行傳輸。在現(xiàn)實傳輸中更為復雜，涉及到模電以及物理相關知識。在我們程序猿的眼中，知道知道傳輸?shù)倪^程大致是什么樣即可。

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