应用层
应用层是最上层的,也就是我们能直接接触到的就是应用层(Application Layer) ,手机和电脑上的应用软件都是在应用层实现。当两个不同设备的应用需要通信的时候,应用就会把数据传输给下一层,也就是传输层
所以,应用层只需要专注于为用户提供应用功能,比如HTTP,FTP、Telnet、DNS、SMTP等
应用层不关心数据是如何传输的
应用层工作在操作系统中的用户态 ,传输层及以下工作在内核态
传输层
应用层的数据包会传给传输层,**传输层(Transport Layer)**是为应用层提供网络支持的
在传输层 有两个传输协议,分别是TCP和UDP
TCP的全称叫传输控制协议(Transmission Control Protocol) ,++大部分应用使用的是TCP传输层协议++,
比如HTTP应用层协议。TCP相比UDP多了很多特性,比如流量控制、超时重传、拥塞控制等 。这些都是为了保证数据包可能可靠地传输给对方。
UDP 相对来说更为简单,只负责发送数据包,不保证数据包能否抵达对方,但它实时性相对更好,传输效率也高。当然,UDP也可以实现可靠传输,把TCP的特性在应用层上实现就可以,不过要实现一个商用的可靠UDP传输协议,也是十分困难的。
应用需要传输的数据可能会非常大 ,如果直接传输会不好控制,因此当传输层的数据包大小超过MSS(TCP最大报文段长度) 就要将数据包分块,这样即使传输过程中有一个分块丢失或损坏了 ,只需要重新发送这一个分块,而不用重新发送整个数据包 ,在TCP协议中,我们把每一个分块称为一个TCP段(TCP Segment)
当设备作为接收方时,传输层则负责把数据包传给硬用,但是一台设备上可能会有多个应用在接受或传输数据,因此需要用一个编号将应用区分开来,这个编号就是端口
例如,80端口通常是Web服务器用的,22端口通常是远程登陆服务器用的。而对于浏览器(客户端)中的每个标签栏都是一个独立的进程,操作系统会为这些进程分配临时的端口号。
由于传输层的报文中会携带端口号,因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。
网络层
在将数据从一个设备传输到里一个设备时,经过的实际场景中的网络环节是错综复杂的,中间有各种各样的路线和分叉路口,如果一个设备的数据要传输给另一个设备,就需要在各种各样的路径和节点间进行选择,而传输层的设计理念是简单、高效、专注,也就是说传输层只需要服务好应用即可 ,让其作为应用数据传输的媒介,帮助实现应用到应用的通信,而实际的传输功能就交给下一层,也就是网络层(Internet Layer)
网络层最常用的是IP协议(Internet Protocol) ,IP协议会将传输层的报文作为数据部分 ,再加上IP包头组成IP报文 ,日常IP报文大小超过MTU(以太网中一般为1500字节) 就会进行再次分片,得到一个即将发送到网络的IP报文
网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备 ,为了区分设备 ,网络层需要有区分设备的编号。
我们一般用IP地址给设备进行编号,对于IP v4协议,IP地址共32位,分成四段,每段为8位。
IP地址分为两种意义:
一个是网络号,负责标识该IP地址是属于哪个子网的
一个是**主机号,**负责标识同一子网下的不同主机
配合子网掩码 就可以算出IP地址的网络号和主机号
将IP地址和子网掩码进行按位与运算,就可以得到网络号,如下图
在寻址过程中,先匹配到相同的网络号(找到同一个子网),才会去找对应的主机
除了寻址能力,IP协议还有另一个重要的能力就是路由 。在实际场景中,两台设备并不是用一条网线连接起来的,而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的,那么就会形成很多条网络路径,因此当数据包到达一个网络节点,就需要通过路由算法决定下一步走哪步路径。
路由器寻址工作中,就是要找到目标地址的子网,找到后进而把数据包转发给对应的网络内。
网络接口层
生成了IP头部之后,接下来要交给网络接口层(Link Layer) ,在IP头部的前面加上MAC头部,并封装成**数据帧(Data frame)**发送到网络上。
IP头部中的接收方IP地址表示网络包的目的地,通过这个地址我们就可以判断要将包发到哪里,但在以太网的世界中,这个思路是行不通的。
什么是以太网呢?电脑上的以太网接口,Wi-FI接口,以太网交换机、路由器上的千兆、万兆以太网口,还有网线,它们都是以太网的组成部分,以太网就是一种在局域网内,把附近的设备连接起来,使他们之间可以进行通讯的技术。
以太网在判断网络包目的地时和IP的方式不同,因此必须采用相匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地,而MAC头部就是干这个用的,因此,在以太网进行通讯要用的MAC地址。
MAC头部是以太网使用的头部,它包含了接收方和发送方的MAC地址等信息,我们可以通过ARP协议获取对方的MAC地址。
所以说,网络接口层主要为网络层提供链路级别传输的服务,负责在以太网、WiFi这样的底层网络上发送原始数据包,工作在网卡这个层次,使用MAC地址来标识网络上的设备。
总结
综上所述,TCP/IP网络通常是由上到下分为4层,分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层
网络接口层的传输单位是帧(frame)
IP层 的传输单位是包(packet)
TCP层的传输单位是段(segment)
HTTP 的传输单位则是消息或报文(message)
但这些名词没有什么本质的区分,可以统称为数据包。