TCP/IP四层模型
TCP/IP四层模型是互联网通信的核心架构，定义了数据从发送端到接收端的传输流程。它通过分层设计将复杂的网络功能模块化，各层协同工作以实现高效、可靠的数据通信。理解该模型对网络编程、故障排查及协议设计至关重要。
四层模型结构
TCP/IP四层模型从下到上依次为：网络接口层、网络层、传输层、应用层。每层承担特定职责，并通过协议实现功能。
网络接口层（Network Interface Layer）
主要功能：
负责物理介质上的数据传输，包括将数据封装为帧、处理MAC地址寻址、管理网络硬件接口等。
关键协议：
以太网（Ethernet）：有线局域网标准，定义以太网帧格式和基于MAC地址的通信。
Wi-Fi（802.11）：无线局域网协议，支持无线设备接入与通信。
PPP（点对点协议）：用于拨号连接或直接设备间通信。
数据单元：
网络接口层的最小数据单元是帧（Frame），由帧头和数据负载组成，其中帧头包含源和目标MAC地址，数据负载指网络层封装后的数据；'
网络层（Internet Layer）
主要功能：
实现跨网络的路由和寻址，通过IP地址确定数据包的传输路径。
关键协议：
IP（IPv4/IPv6）：核心协议，定义数据包格式和路由规则；IPv4使用32位地址，是最常见的网络层协议，IPv6扩展至128位，以解决地址枯竭问题，目前正在大力推广中，IPv4和IPv6合称为双栈；
ICMP（Internet控制消息协议）：用于网络诊断，如当我们在命令行尝试ping百度判断是否可以上网时，实际上就是电脑网百度发出ICMP报文，然后通过是否收到百度的回复报文判断网络是否可达。
ARP（地址解析协议）：将IP地址解析为MAC地址；相同IP网段设备通信时是基于mac地址转发，设备发出数据前先发出包含目标IP地址的ARP请求，目标设备收到请求后回复带有自身mac地址的ARP报文；
数据单元：
网络层的最小数据单元是包（Packet），由包头和数据负载组成，其中包头包含源和目标IP地址，数据负载则是由传输层封装后的数据；
传输层（Transport Layer）
主要功能：
提供端到端的数据传输服务，确保数据可靠或高效传输。
关键协议：
TCP（传输控制协议）：面向连接，通过三次握手建立可靠连接再发送数据，并支持流量控制和拥塞控制，适用于对可靠性要求较高的场景。
UDP（用户数据报协议）：无连接，发送数据前无需经过三次握手，具有低延迟的优势，适用于实时音视频流、DNS查询等对可靠性要求不高的场景。
数据单元：
TCP报文被称为段（Segment），UDP报文则被称为数据报（Datagram）。
应用层（Application Layer）
主要功能：
直接为用户应用程序提供网络服务接口，处理数据包括文本、图片和视频，以及提供各种业务如门户网站、即时通讯（微信）、视频直播等等。
关键协议：
HTTP/HTTPS：网页传输协议，HTTPS通过SSL/TLS加密后传输数据保障安全；
FTP：文件传输协议，支持文件上传和下载；
DNS：域名解析服务，将容易记忆的固定的域名转换为难记且动态变化的IP地址；
telnet/ssh：电子邮件传输协议；
数据单元：应用数据，如HTML网页、下载的音频视频文件、直播的流媒体等等。
数据传输流程
以ftp下载视频文件为例，数据在各层的封装与解封装过程如下：
发送端
从上往下封装，逐层添加协议头，将应用层数据转换成比特流：
应用层：FTP服务器程序将视频文件切割称小文件，然后添加FTP协议头，封装成用户数据（data），然后交给下一层协议栈；
传输层：TCP协议栈将数据块（data）分段，添加TCP协议头包括TCP端口号和序列号，封装成数据段（segment），然后交给下一层协议栈；
网络层：IP协议栈添加IP协议头包括源/目标IP地址，封装为数据包（packet），然后交给下一层协议栈；
网络接口层：以太网协议栈添加以太网协议头包括源/目标MAC地址，封装成数据帧（frame），然后转换成比特流（bit）通过物理介质传输。
接收端
逆向解封装，逐层剥离协议头，最终由应用层获取原始数据：
网络接口层：接收比特流，转换成数据帧，解封装后剥离以太网协议头，然后交给上一层协议栈；
网络层：IP协议栈接收数据包，解封装后剥离IP协议头，然后交给上一层协议栈；
传输层：TCP协议栈接收数据段，解封装后获得目标端口号，剥离TCP协议头后根据端口号转发给对应应用程序即FTP客户端；
应用层：FTP客户端收到用户数据，缓存到本地目录，等传输完成后将所有数据重组还原成视频文件。
与OSI七层模型的对比
TCP/IP四层模型是对OSI七层模型的简化与实践优化，主要区别如下：
|--------------|-------------|----------------------------|
| TCP/IP四层模型 | OSI七层模型 | 核心差异 |
| 应用层 | 应用层、表示层、会话层 | TCP/IP合并OSI的高三层，更注重实际协议实现。 |
| 传输层 | 传输层 | 功能一致，均负责端到端通信。 |
| 网络层 | 网络层 | 功能一致，均处理路由和寻址。 |
| 网络接口层 | 数据链路层、物理层 | TCP/IP合并OSI的低两层，简化物理介质细节。 |
常见协议和技术
VLAN（虚拟局域网）
Virtual Local Area Network (虚拟局域网) 是通过IEEE 802.1Q标准在以太网帧中插入标签（VID），将物理网络逻辑划分为多个广播域，隔离流量并提升安全性，使不同地理位置的设备能灵活组网。支持Access（接入）、Trunk（干道）和Hybrid（混合）链路类型，适用于不同的设备的接入。例如电信光猫通常通过vlan区分不同的业务，上网业务走vlan41的WAN连接，IPTV业务走vlan44或vlan45的WAN连接，语音业务走vlan46的WAN连接。
ICMPv6（IPv6控制消息协议）
Internet Control Message Protocol for IPv6（互联网控制消息协议版本6）是IPv6协议栈的核心组成部分，功能远比IPv4中的ICMP强大。它不仅负责错误报告和网络诊断（如ping用的Echo请求/应答），还集成了邻居发现协议（替代ARP）、路径MTU发现，并承载了MLD协议以实现组播管理，是IPv6网络正常运作和自动配置的基础
TR-069（宽带网关管理协议）
TR069 (CPE WAN Management Protocol)基于HTTP/HTTPS和SOAP协议，由ACS（自动配置服务器）远程管理CPE设备，支持参数配置、固件升级和状态监控。采用XML交互，支持TLS加密，实现零配置部署和批量管理。例如电信运营商的光猫在开通后，运营商主要通过TR069协议对光猫进行远程维护和管理。
IGMP（因特网组管理协议）
Internet Group Management Protocol (互联网组管理协议) 管理IP组播组成员关系，能有效管理组播组的加入、离开和查询，从而控制组播流量转发。版本包括IGMPv1（仅加入组播组）、IGMPv2（支持离开报文）和IGMPv3（源过滤）。例如电信运营商的IPTV业务就是基于IGMP协议，当用户播放某个电视节目时，机顶盒就发出IGMP请求报文，IPTV服务器收到后就会下发视频媒体流，两者之间的交换机和路由器会建立组播转发表维持视频流的转发。
MLD（组播侦听发现协议）
Multicast Listener Discovery（组播侦听者发现协议）是用于IPv6网络的组播成员管理协议，可理解为IPv6版的IGMP。它运行在IPv6主机与其直连的组播路由器之间，通过查询和报告报文来建立和维护组播组成员关系，使路由器能了解哪些主机希望接收特定组播组的数据，从而实现高效的IPv6组播数据传输。
NTP（网络时间协议）
Network Time Protocol (网络时间协议) 用于同步设备时钟到某个参考时间源。它通过在网络上分发协调世界时（UTC），为各种应用提供高精度的时间同步，是互联网上最重要的时间同步协议之一。例如家用路由器的家长控制功能，按时间限制特定设备访问网络，就需要路由器通过NTP同步到精确的时间。
HTTP（超文本传输协议）
Hypertext Transfer Protocol (超文本传输协议) 是互联网上应用最广泛的协议，用于客户端和服务器之间的通信。它定义了请求和响应的格式，支持获取文本、图像、视频等资源，是万维网（WWW）的数据通信基础。大家用浏览器访问百度、腾讯、虎牙直播等等就是基于http协议。另外很多系统都提供http访问接口，包括交换机和路由器等。
FTP（文件传输协议）
File Transfer Protocol (文件传输协议) 用于在网络上进行客户端和服务器之间的文件传输。它使用单独的控制连接和数据连接，支持文件的上传、下载、删除和目录操作等基本文件管理功能。使用控制端口21和数据端口20（主动模式），被动模式随机开放端口，避免防火墙限制。很多网站就是通过FTP服务器分享资源，下载连接通常是ftp://开头。
TFTP（简单文件传输协议）
Trivial File Transfer Protocol（简单文件传输协议）是一种极其简化的文件传输协议。它基于UDP协议（端口69），仅支持最基本的文件读取和写入操作，没有目录浏览、用户认证等复杂功能。由于其实现简单、资源占用少，TFTP常用于网络设备的引导启动、配置文件备份恢复以及嵌入式设备的固件更新等特定场景。
TELNET（远程登录协议）
Teletype Network (远程终端协议) 是一种早期的网络协议，用于通过TCP/IP网络提供双向的、面向文本的通信功能。它允许用户通过网络以虚拟终端的形式登录到远程主机并进行操作。缺点是明文传输数据，易被窃听，逐渐被SSH取代。window内置telnet客户端，通过cmd命令行就可以telnet管理设备，仍是很多交换机和路由器的主要远程管理接口。
SSH（安全外壳协议）
Secure Shell (安全外壳协议) 是一种用于安全访问远程设备的网络协议。基于RSA/DSA密钥对，通过加密技术为远程登录会话和其他网络服务提供安全保护，有效防止信息泄露和攻击，已基本取代不安全的TELNET。windows系统没有内置ssh客户端，需要使用securityCRT等第三方软件。
SNMP（简单网络管理协议）
Simple Network Management Protocol (简单网络管理协议) 是专门用于管理和监控网络设备的协议。它由网络管理系统、被管理设备和代理组成，通过GET、SET和TRAP等操作来收集设备数据、修改配置和接收告警。版本包括SNMPv1（无加密）、SNMPv2c（团体名认证）和SNMPv3（加密和身份验证），是网络运维的核心工具。
OMCI（光线路终端管理控制接口）
(ONU Management and Control Interface, ONU管理控制接口) 是GPON网络中OLT（光线路终端）管理ONU（光网络单元）的标准协议。它在非对称的GPON架构中定义了一套高效的管理机制，用于配置、故障诊断和性能监控。是光纤接入网的核心管理协议。
NAT（网络地址转换）
Network Address Translation (网络地址转换) 是一种将私有IP地址转换为公有IP地址的技术。它有效缓解了IPv4地址短缺问题，并能隐藏内部网络细节，提升安全性。类型包括静态NAT（一对一）、动态NAT（地址池分配）和PAT（端口复用）。例如家用路由器的WAN连接通常需要启用NAT功能，手机和电脑同时发出上网的HTTP请求，经过路由器后，源IP会被转换成路由器的WAN口IP，这样网站就无法知道手机和电脑的网络地址，避免手机和电脑的网络信息暴露后被非法攻击。
ALG（应用层网关）
Application Layer Gateway (应用层网关) 是一种特殊代理，常用于网络地址转换（NAT）或防火墙中。它能识别并处理特定应用层协议（如FTP、SIP）的数据，解决NAT对这类协议穿透带来的兼容性问题。NAT技术只能转换网络层和传输层协议的IP和端口号，而部分应用层协议的数据也包含IP和端口号，就需要ALG功能来转换。例如FTP主动模式需ALG转换数据端口，确保传输正常，否则就出向ftp登陆成功，但下载文件失败的问题。
UPnP（通用即插即用）
Universal Plug and Play（通用即插即用）是一套网络协议集合，旨在让智能设备无缝接入网络并自动协同工作。设备加入网络后，能通过发现、描述、控制、事件通知等步骤，自动告知自身服务并发现其他设备，从而实现零配置的互联互通。常见于家庭网络中，方便智能设备、媒体服务器、P2P应用等自动完成端口转发，简化用户操作。
QoS（服务质量）
QoS（Quality of Service，服务质量）是一种网络管理机制，用于在带宽有限的网络环境中，通过优先级控制、流量管理等多种技术手段，为不同的业务数据流提供差异化的传输服务保障，从而解决网络延迟、拥塞和丢包等问题。在大部分场景，管理业务优先级最高，其次是语音业务，然后是IPTV等视频业务，最低是数据业务。
原创不易，你的支持是我最大的动力，欢迎大家点赞，收藏，关注！