進程間通信有多種方式，包括管道、消息隊列、共享內(nèi)存和信號等。然而，如果不同設備上的進程需要進行通信，就只能通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)。由于設備的多樣性，為了兼容各種設備，就需要一個統(tǒng)一通用的網(wǎng)絡協(xié)議。

學習網(wǎng)絡協(xié)議的關鍵是了解其分層結構。之前在計算機基礎專欄已經(jīng)提到過網(wǎng)絡分層的好處。因此，我們將從計算機網(wǎng)絡專欄開始，專注講解網(wǎng)絡協(xié)議中每一層的作用及其意義。

我們可以將網(wǎng)絡理解為寄快遞的過程。如果網(wǎng)絡沒有分層，就像你寄快遞沒有中間的快遞點一樣，直接將快遞拿到目標客戶手中，這樣會導致負擔過重。因此，快遞公司設置了快遞站點和中轉站，每一層都有自己的責任，例如加快分揀、運輸和提高效率等。網(wǎng)絡分層也是類似的道理。

現(xiàn)在，讓我們開始講解網(wǎng)絡協(xié)議吧。

OSI 標準模型

OSI (Open System Interconnect)是一個開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型。雖然實際上互聯(lián)網(wǎng)使用的模型比標準模型簡化了很多，但標準模型就像是法律規(guī)定的模型一樣。

互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議對應了模型中的7個層級中的某一個層級。通過這一點，我們可以了解協(xié)議在整個網(wǎng)絡模型中的作用。一般來說，各個層級的主要作用如下：

應用層是網(wǎng)絡通信中最高層的層級，它負責處理用戶的請求和響應。舉個例子，當你在瀏覽器中輸入一個網(wǎng)址并按下回車，瀏覽器就會發(fā)送一個HTTP請求到服務器上，請求獲取網(wǎng)頁的內(nèi)容。服務器收到請求后會返回一個HTTP響應，其中包含了網(wǎng)頁的內(nèi)容。瀏覽器接收到響應后，會將網(wǎng)頁內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶。

表示層是負責數(shù)據(jù)格式化和編碼的層級。在網(wǎng)絡通信中，數(shù)據(jù)需要按照一定的格式進行傳輸。表示層的任務就是將數(shù)據(jù)從應用層接收到的格式轉換為網(wǎng)絡傳輸所需的格式，或者將接收到的數(shù)據(jù)轉換為應用層可以處理的格式。舉個例子，當瀏覽器發(fā)送HTTP請求時，請求中的數(shù)據(jù)需要進行編碼，以確保在網(wǎng)絡上能夠正確傳輸（和物理層有區(qū)別）。

會話層是建立和管理應用程序之間會話的層級。在網(wǎng)絡通信中，應用程序之間需要進行連接和通信。會話層的任務就是確保應用程序之間能夠建立穩(wěn)定的連接，并進行數(shù)據(jù)的傳輸和交換。舉個例子，當瀏覽器發(fā)送HTTP請求時，會話層負責與服務器建立連接，并管理這個連接的狀態(tài)，以確保數(shù)據(jù)的正常傳輸。

傳輸層使用TCP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議）提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。當你下載文件時，傳輸層將文件分割為多個數(shù)據(jù)包，并確保它們按正確的順序到達。如果有任何數(shù)據(jù)包丟失或損壞，傳輸層將重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。

網(wǎng)絡層負責路由和轉發(fā)數(shù)據(jù)包。當你訪問一個網(wǎng)站時，網(wǎng)絡層將根據(jù)目標地址決定數(shù)據(jù)包的下一跳路由器，并將其轉發(fā)到正確的目的地。

數(shù)據(jù)鏈路層負責將數(shù)據(jù)包轉換為適合在物理媒介上傳輸?shù)母袷健＠?，?shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)包轉換為電信號，并使用以太網(wǎng)協(xié)議將其發(fā)送到局域網(wǎng)上的下一個設備。

物理層負責將數(shù)據(jù)以電信號的形式在物理媒介上傳輸。例如，物理層將電信號發(fā)送到網(wǎng)線或無線信號發(fā)送到無線網(wǎng)絡。

TCP/IP 網(wǎng)絡模型

TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議是一種分層結構的協(xié)議，通常被劃分為五個層級：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這種分層結構的設計是為了實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的可靠性、靈活性和可擴展性。其實這也是原理上的，是為了好講解，其實它實際上數(shù)據(jù)鏈路層和物理層統(tǒng)一叫網(wǎng)路接口層。是4層結構。

應用層

應用層是TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的最上層，也是我們能直接接觸到的層級。在應用層，我們使用的電腦或手機應用軟件實現(xiàn)了各種功能。當兩個不同設備的應用需要通信時，應用層將應用數(shù)據(jù)傳遞給下一層，即傳輸層。

因此，應用層只需要專注于為用戶提供應用功能，而不需要關心數(shù)據(jù)是如何傳輸?shù)摹？梢詫⑵漕惐葹槲覀兗目爝f時，只需要將包裹交給快遞員，由他負責運輸快遞，而不需要關心快遞是如何被運輸?shù)摹?/p>

值得一提的是，應用層工作在操作系統(tǒng)中的用戶態(tài)，而傳輸層及以下工作在內(nèi)核態(tài)。這意味著應用層具有更高的靈活性和可定制性，可以根據(jù)用戶的需求提供各種不同的應用功能。

傳輸層

傳輸層（Transport Layer）是為應用層提供網(wǎng)絡支持的層級。在傳輸層，存在兩種傳輸協(xié)議，即TCP和UDP。

TCP（Transmission Control Protocol）是傳輸層控制協(xié)議的全稱。大多數(shù)應用使用的是TCP傳輸層協(xié)議，比如HTTP應用層協(xié)議。相比UDP，TCP具有更多的特性，例如流量控制、超時重傳和擁塞控制等，這些特性都是為了確保數(shù)據(jù)包能夠可靠地傳輸給對方。

相對而言，UDP更加簡單，它只負責發(fā)送數(shù)據(jù)包，并不保證數(shù)據(jù)包能夠抵達對方。但UDP具有實時性更好和較高的傳輸效率。當然，UDP也可以實現(xiàn)可靠傳輸，只需在應用層上實現(xiàn)TCP的特性，但要實現(xiàn)一個商用的可靠UDP傳輸協(xié)議并不是一件簡單的事情。

應用層可能需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，如果直接傳輸，很難進行控制。因此，當傳輸層的數(shù)據(jù)包大小超過TCP的最大報文段長度（MSS），數(shù)據(jù)包就需要進行分塊。這樣即使中途有一個分塊丟失或損壞，只需要重新傳輸該分塊，而不需要重新發(fā)送整個數(shù)據(jù)包。在TCP協(xié)議中，我們將每個分塊稱為一個TCP段（TCP Segment）。

當設備作為接收方時，傳輸層需要將數(shù)據(jù)包傳遞給相應的應用程序。由于一臺設備上可能存在多個應用程序在接收或傳輸數(shù)據(jù)，因此需要使用一個編號來區(qū)分這些應用程序，這個編號就是端口。例如，80端口通常用于Web服務器，22端口通常用于遠程登錄服務器。而對于瀏覽器中的每個標簽頁，都是一個獨立的進程，操作系統(tǒng)會為這些進程分配臨時的端口號。

傳輸層的報文中攜帶有端口號，因此接收方可以識別出該報文是發(fā)送給哪個應用程序的。這樣，傳輸層能夠保證將數(shù)據(jù)準確傳遞給目標應用程序。

網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的一個重要層級，其主要任務是實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)包在各網(wǎng)絡之間的傳輸。

傳輸層在網(wǎng)絡協(xié)議中的角色常常被誤解，初學者可能會認為傳輸層是負責將數(shù)據(jù)從一個設備傳輸?shù)搅硪粋€設備的層級，但事實上傳輸層并不直接負責實際的數(shù)據(jù)傳輸。

在實際的網(wǎng)絡環(huán)境中，網(wǎng)絡結構復雜，存在著各種不同的線路和分叉路口。當一個設備的數(shù)據(jù)需要傳輸給另一個設備時，需要在網(wǎng)絡的路徑和節(jié)點中進行選擇。然而，傳輸層的設計理念是簡單、高效、專注，它的主要任務是服務好應用層，作為應用間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?。如果傳輸層還負責處理實際的數(shù)據(jù)傳輸功能，就有可能違背了設計原則。

換句話說，我們希望傳輸層協(xié)議不涉足太多的事情，只需要專注于為應用層提供服務。它的作用是幫助實現(xiàn)應用到應用的通信，而實際的數(shù)據(jù)傳輸功能則交給下一層，即網(wǎng)絡層（Internet Layer）來處理。

在網(wǎng)絡層中，最常使用的協(xié)議是IP（Internet Protocol）。IP協(xié)議將傳輸層的報文作為數(shù)據(jù)部分，加上IP包頭組裝成IP報文。如果IP報文大小超過MTU（在以太網(wǎng)中一般為1500字節(jié)），則會進行分片，得到多個IP報文進行發(fā)送。

網(wǎng)絡層的主要功能是將數(shù)據(jù)從一個設備傳輸?shù)搅硪粋€設備。由于世界上有如此多的設備，需要有一種方法來區(qū)分它們。因此，網(wǎng)絡層需要有設備的編號。

我們通常使用IP地址來對設備進行編號。對于IPv4協(xié)議，IP地址共有32位，分為四段，每段8位。雖然單獨的IP地址可以區(qū)分設備，但是在尋址過程中非常麻煩，全球有那么多設備，難道要一個一個匹配嗎？這顯然不現(xiàn)實。

因此，需要將IP地址分成兩個部分：

1. 網(wǎng)絡號：用于標識該IP地址屬于哪個子網(wǎng)。
2. 主機號：用于標識同一子網(wǎng)下的不同主機。

如何分割IP地址需要配合子網(wǎng)掩碼來計算出IP地址的網(wǎng)絡號和主機號。在尋址過程中，先匹配相同的網(wǎng)絡號，然后再找對應的主機。舉個例子，假設我們有一個IP地址為192.168.1.100，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。首先，我們需要將IP地址和子網(wǎng)掩碼轉換為二進制形式：

• IP地址：11000000.10101000.00000001.01100100
• 子網(wǎng)掩碼：11111111.11111111.11111111.00000000

然后，我們對IP地址和子網(wǎng)掩碼進行邏輯與操作，得到：11000000.10101000.00000001.00000000，所以，網(wǎng)絡號為192.168.1.0，主機號為0.0.0.100。

除了尋址能力，IP協(xié)議還具有另一個重要的功能，即路由。實際場景中，設備之間不是直接通過一條網(wǎng)線連接的，而是通過多個網(wǎng)關、路由器、交換機等網(wǎng)絡設備連接起來的。這樣就會形成許多網(wǎng)絡路徑。因此，當數(shù)據(jù)包到達一個網(wǎng)絡節(jié)點時，需要通過算法決定下一步應該選擇哪條路徑。

因此，IP協(xié)議的尋址作用是告訴我們?nèi)ネ乱粋€目的地應該朝哪個方向走，而路由則是根據(jù)"下一個目的地"選擇路徑。尋址更像是導航，而路由更像是操作方向盤。

總結

進程間通信有多種方式，包括管道、消息隊列、共享內(nèi)存和信號等。這些方式都是用于不同進程之間在同一設備上進行通信的。然而，如果不同設備上的進程需要進行通信，就只能通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)。由于設備的多樣性，為了兼容各種設備，就需要一個統(tǒng)一通用的網(wǎng)絡協(xié)議。

學習網(wǎng)絡協(xié)議的關鍵是了解其分層結構。在計算機網(wǎng)絡中，我們使用的是OSI標準模型和TCP/IP網(wǎng)絡模型。這些模型將網(wǎng)絡通信劃分為多個層級，每個層級都有不同的功能和作用。

在本章節(jié)中，我們主要講解了TCP/IP網(wǎng)絡模型的前三層：應用層、傳輸層和網(wǎng)絡層。應用層提供了各種應用程序之間的通信服務，例如HTTP、FTP和SMTP等。傳輸層主要負責將數(shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)段并進行可靠傳輸，其中TCP協(xié)議提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而UDP協(xié)議則提供了不可靠但效率高的傳輸方式。網(wǎng)絡層則負責將數(shù)據(jù)包從源主機傳輸?shù)侥繕酥鳈C，其中IP協(xié)議是最常用的網(wǎng)絡層協(xié)議。后面的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層將在下一篇文章中進行詳細講解。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-709855.html

到了這里，關于網(wǎng)絡協(xié)議的重要性與應用：理解進程間通信和網(wǎng)絡分層結構（上）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！