1.1、OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型

OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型中，每層的功能如下：

• 應(yīng)用層：人與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)交互的窗口。
• 表示層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)格式的封裝，如加密、壓縮、編解碼等。
• 會(huì)話層：建立、終止、管理不同端間的會(huì)話連接。
• 傳輸層：提供端到端（兩臺(tái)機(jī)器）之間的傳輸機(jī)制，以及提供流量控制、出錯(cuò)效驗(yàn)。
• 網(wǎng)絡(luò)層：邏輯尋址，IP地址，在下兩層的基礎(chǔ)上向資源子網(wǎng)提供服務(wù)。
• 數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)建立和管理節(jié)點(diǎn)間的鏈路，將數(shù)據(jù)封裝成幀，進(jìn)行可靠傳輸。
• 物理層：在介質(zhì)媒體上傳輸比特流。

在TCP/IP體系中，將原本OSI體系中的應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層合并為了應(yīng)用層，將數(shù)據(jù)鏈路層和物理層合并為了數(shù)據(jù)鏈路層，因此TCP/IP體系中只存在四層結(jié)構(gòu)。

注意點(diǎn)：在最初因?yàn)榧夹g(shù)問(wèn)題，因此數(shù)據(jù)傳輸必須建立在物理實(shí)體介質(zhì)的基礎(chǔ)之上，但如今無(wú)線電的電磁波技術(shù)也可以做到利用空氣作為介質(zhì)，從而達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)的目的。

在OSI分層體系中，上三層：應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層組成資源子網(wǎng)，下三層：網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層組成通信子網(wǎng)。

1.1.1、OSI模型的通信的封裝與解析過(guò)程

? ?在網(wǎng)絡(luò)通信中，通信雙方都必須是對(duì)等的，并且雙方都遵守相同協(xié)議的，這樣才可通信。好比舉個(gè)例子：

竹子想發(fā)微信信息給熊貓，喊熊貓出來(lái)玩，但雙方之間的通信基礎(chǔ)必須對(duì)等，也就是說(shuō)，熊貓的手機(jī)上也必須要安裝了微信，否則竹子無(wú)法通過(guò)微信與熊貓出來(lái)玩。
但如果竹子說(shuō)的是英語(yǔ)，熊貓只能懂漢語(yǔ)，雙方并未遵守相同的“協(xié)議”，那兩者之間自然也無(wú)法進(jìn)行通信。因此，通信的另一要素則是：通信雙方都必須遵守相同的協(xié)議。

而在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)器進(jìn)行通信時(shí)，其過(guò)程主要包含數(shù)據(jù)的封裝與解封：

如上圖，左側(cè)是發(fā)送端，右側(cè)是接收端，當(dāng)發(fā)送端的應(yīng)用嘗試傳輸一條數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)，從上至下依次封裝，每層都對(duì)數(shù)據(jù)做一定的處理，最后在物理層轉(zhuǎn)換為比特流（二進(jìn)制數(shù)據(jù)），然后傳輸至接收端。
因?yàn)殡p方之間遵守的都是相同的協(xié)議體系（網(wǎng)絡(luò)模型），因此接收端會(huì)首先接收到比特流數(shù)據(jù)，然后從下至上依次解封數(shù)據(jù)，最終在應(yīng)用層還原數(shù)據(jù)，從而達(dá)到通信的目的。

1.2、TCP/IP協(xié)議簇

? ?TCP/IP應(yīng)該是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中聽(tīng)的次數(shù)最多的詞匯，但它并非單純的指TCP和IP兩個(gè)協(xié)議，而是一組協(xié)議的代名詞，指由許許多多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一同組成的“協(xié)議簇”，TCP/IP協(xié)議簇主要組成如下：

上面列出了一些TCP/IP協(xié)議簇中常用的一些協(xié)議，但整個(gè)協(xié)議簇是由大大小小上百個(gè)協(xié)議一同組成的（對(duì)于TCP/IP協(xié)議簇中的一些常用協(xié)議可參考：百度百科）。
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系中，每層都會(huì)存在多個(gè)協(xié)議，但一個(gè)協(xié)議只會(huì)隸屬于一層。同時(shí)，協(xié)議也可以由軟件、硬件兩個(gè)維度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

除開(kāi)最常見(jiàn)的TCP/IP協(xié)議簇外，還有一些其他的協(xié)議組，如IPX/SPX、NetBEUI、AppleTalk等協(xié)議組。

1.2.1、通信協(xié)議的基本概念

? ?前面的敘述中，更偏向于“空中樓閣”般的理論概念，比較生澀難懂，接下來(lái)我們以實(shí)際的TCP/IP協(xié)議出發(fā)，再對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)更進(jìn)一步闡述。

? ?TCP/IP通信協(xié)議是最完整、使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，它的魅力在于可使不同硬件結(jié)構(gòu)，不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相互通信，通信協(xié)議中定義多方之間發(fā)送/接收的報(bào)文格式、順序以及規(guī)則，其中語(yǔ)法定義了傳輸?shù)膱?bào)文格式，語(yǔ)義定義了報(bào)文傳輸規(guī)則，時(shí)序定義了報(bào)文傳輸順序，計(jì)算機(jī)通信的本質(zhì)就在于信息報(bào)文的相互交換。

1.2.2、協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)

? ?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系中，不同節(jié)點(diǎn)通信時(shí)交換的信息報(bào)文被稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），PDU主要由協(xié)議頭信息+數(shù)據(jù)（SDU）組成，數(shù)據(jù)是指發(fā)送端需要傳輸給接收端的信息，而協(xié)議頭信息中，則包含了完成傳輸所需的控制信息，如地址、長(zhǎng)度、序號(hào)、分段標(biāo)識(shí)、差錯(cuò)控制信息等。

? ?基于TCP/IP體系而言，PDU在不同層存在不同的稱呼，如下圖：

1.3、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系中各層綜述

? ?就目前而言，前面的闡述中已經(jīng)將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最常見(jiàn)的OSI、TCP/IP體系簡(jiǎn)單介紹明白了，但對(duì)于這些體系中，不同層的具體作用卻并沒(méi)有進(jìn)行探討。因此，接下來(lái)我們從自己設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系的角度出發(fā)，分別來(lái)探討網(wǎng)絡(luò)分層的必要性與每個(gè)分層的具體含義。

1.3.1、物理層

先來(lái)看最簡(jiǎn)單的通信模型：

如上圖，兩臺(tái)電腦之間通物理媒體連接，互相傳遞信息，從而達(dá)到通信的目的。

在這種最簡(jiǎn)單的直連通信模型中，想要實(shí)現(xiàn)雙方之間的通信，那應(yīng)該考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：

• ①連接兩臺(tái)電腦之間的傳輸媒體可以采用哪些介質(zhì)類型。
• ②連接兩臺(tái)電腦時(shí)，兩臺(tái)電腦應(yīng)該存在怎樣的物理接口。
• ③傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，使用何種信號(hào)表達(dá)比特流中的0和1。
• ④雙方之間通信時(shí)，不同的傳輸介質(zhì)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葮?biāo)準(zhǔn)又該是多少。

對(duì)于如上問(wèn)題，我們可以將其全部歸納到“物理層”來(lái)解決，在該層中定義標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，物理層主要任務(wù)是負(fù)責(zé)在介質(zhì)上正確的傳送比特流，并規(guī)定物理接口的各種特性和物理設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，如網(wǎng)線的接口類型、光纖的接口類型、各種傳輸介質(zhì)的傳輸速率等。

1.3.2、數(shù)據(jù)鏈路層

但一般現(xiàn)在不會(huì)存在直連型網(wǎng)絡(luò)，常用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都是由多臺(tái)機(jī)器共同組成的，如下：

在這種總線連接的通信模型中，當(dāng)一臺(tái)主機(jī)，比如A向D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)總線傳輸至總線上的所有主機(jī)，此時(shí)D如何知道該條數(shù)據(jù)是發(fā)給自己的呢？其他主機(jī)又如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)不是發(fā)給自己的呢？因此，對(duì)于這種多臺(tái)機(jī)器組成的網(wǎng)絡(luò)模型而言，我們也需要解決一系列問(wèn)題，如：

• ①編址問(wèn)題：如何區(qū)分總線上的各主機(jī)（如MAC地址），在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，帶上目標(biāo)主機(jī)的地址，其他主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)中的目標(biāo)地址確認(rèn)是否是發(fā)給自己的。
• ②當(dāng)其他主機(jī)收到傳遞的數(shù)據(jù)后，如何從比特流中正確區(qū)分出數(shù)據(jù)和目的地址。
• ③當(dāng)同時(shí)多臺(tái)主機(jī)共用主線時(shí)，如何協(xié)調(diào)各主機(jī)競(jìng)爭(zhēng)總線，避免數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞。

對(duì)于上述中的這些問(wèn)題，可以全部劃歸到鏈路層處理。

因此可以得出，數(shù)據(jù)鏈路層主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不可靠的物理線路上的可靠傳遞，負(fù)責(zé)提供物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、差錯(cuò)控制等功能，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

PS：對(duì)于這種總線型網(wǎng)絡(luò)早已淘汰，目前常用的則是以太網(wǎng)的交換式通信模型：

1.3.3、網(wǎng)絡(luò)層

到目前為止，解決了物理層及鏈路層中的問(wèn)題后，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)中的傳輸了。但實(shí)際每天都接觸的因特網(wǎng)是由無(wú)數(shù)個(gè)小網(wǎng)絡(luò)和路由器互連組成的，如下：

因此只解決前面所敘述的問(wèn)題還是無(wú)法在龐大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)通信，畢竟之前因?yàn)橹挥幸粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)，所以不需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。但在這種廣域網(wǎng)模型中，會(huì)存在大大小小無(wú)數(shù)個(gè)局域網(wǎng)，所以想要從一臺(tái)主機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給另一臺(tái)主機(jī)時(shí)，此時(shí)又該如何精準(zhǔn)定位到某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的具體主機(jī)呢？因此又產(chǎn)生了一系列的問(wèn)題需要加以解決：

• ①如何標(biāo)識(shí)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)（網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)共同編址問(wèn)題，如IP地址）。
• ②一臺(tái)主機(jī)向另一臺(tái)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在廣域網(wǎng)中往往存在多條鏈路可走，此時(shí)如何選擇最合適的路由。

而對(duì)于這些問(wèn)題我們都可以劃歸到網(wǎng)絡(luò)層處理。

所以，網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址，并通過(guò)路由選擇算法為數(shù)據(jù)的傳輸選擇最適當(dāng)?shù)穆窂?/strong>。