网络核心｜OSI七层、TCP/IP五层模型，封装和分用详解
标签：#计算机网络 #OSI七层 #TCPIP五层 #封装分用 #网络分层
上一篇我们了解网络发展，IP、端口、五元组、协议的基础概念。本篇聚焦网络协议分层，这是计算机网络最核心的思想。
一、什么是协议分层？为什么要分层？
复杂的网络通信，如果全部做成一大套规则，代码会无比庞大，修改一个功能，可能牵动全部逻辑。于是人们想到分层设计。
类比打电话的例子：分成两层------语言层、通信设备层。
- 两个人说汉语沟通（语言层），底层设备可以换成座机、对讲机，上层语言逻辑不用改动。
- 底层设备不变，两个人换成说英语，底层通信硬件也不用改动。
分层的核心好处，和面向接口编程思想一模一样：
- 层与层之间只定义接口规范，下层对上层隐藏内部实现细节；
- 上层只调用下层提供的服务，不用关心下层怎么实现；
- 某一层技术升级替换，其他层不受影响，便于维护、扩展。
二、OSI七层参考模型
OSI全称开放系统互连模型，它是一套理论规范，没有真正落地实现，但是是所有网络的理论框架。
| 分层 | 名称 | 核心功能 |
|---|---|---|
| 7 | 应用层 | 针对应用的协议：邮件、文件传输、远程登录 |
| 6 | 表示层 | 数据格式转换，做编解码、加密解密 |
| 5 | 会话层 | 建立、管理、断开通信会话连接 |
| 4 | 传输层 | 两台主机之间进程的数据传输，保障可靠性 |
| 3 | 网络层 | IP地址管理，路由选择，决定数据走哪条路 |
| 2 | 数据链路层 | 在相邻设备之间传输帧，差错校验 |
| 1 | 物理层 | 传输0/1比特流；网线、光纤、电信号硬件规格 |
OSI七层模型过于复杂，现实网络没有直接使用，实际工程使用TCP/IP五层模型。
三、TCP/IP五层模型（工程实际使用）
TCP/IP协议簇，分为五层，很多教材把物理层去掉，称为TCP/IP四层模型。
| 分层 | 核心作用 | 典型协议 | 典型设备 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 应用程序之间交互；网络编程主要就是写这一层 | HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、SSH | 主机（软件层面） |
| 传输层 | 端到端进程通信，可靠/不可靠传输 | TCP、UDP | 操作系统内核 |
| 网络层 | IP寻址，路由选路 | IP、ICMP、ARP | 路由器（工作在网络层） |
| 数据链路层 | 相邻设备传输帧，帧校验 | 以太网协议 | 传统二层交换机 |
| 物理层 | 传输比特流，网线、光纤、电磁波 | 硬件电气规范 | 集线器Hub |
设备工作在哪一层（传统设备）
- 主机：实现全部五层（内核实现传输层到物理层，应用程序实现应用层）
- 路由器：网络层、链路层、物理层（下三层）
- 交换机(二层)：数据链路层 + 物理层（下两层）
- 集线器Hub：只工作在物理层
注意：现代有三层交换机、四层路由器，已经突破传统分层，面试一般考察传统设备。
四、数据包的一生：封装与分用
数据包每经过一层，都要做处理：发送端封装，接收端分用（解封装）。
1. 封装 Encapsulation（发送主机，从上到下）
应用程序生成原始用户数据，交给应用层；
每往下传递一层，当前层在数据前面加上自己的头部Header（部分层还有尾部）。
各层数据包名字：
- 传输层：TCP段（segment）
- 网络层：IP数据报（datagram）
- 数据链路层：帧（frame）
流程简单梳理：
用户数据 →(加应用层头部)→(加TCP头部)TCP段 →(加IP头部)IP数据报 →(加以太网头部+尾部)以太网帧 → 变成比特流，通过网线发出。
2. 分用（解封装，接收主机，从下往上）
数据包到达目标主机，从物理层往上传递：
每一层，剥掉属于本层的头部，读取头部信息，根据头部记录的上层协议类型，把剩下的数据交付给上一层。
- 以太网链路层：根据帧头部的帧类型，交给IP/ARP等上层；
- IP层：根据IP头部协议字段，交给TCP、UDP、ICMP；
- TCP/UDP层：根据端口号，把数据交给主机上对应的应用进程。
跨网段通信场景：数据包会经过路由器。路由器只会处理到网络层，剥掉链路层头部，重新封装新链路层头部转发，不会改动传输层、应用层内容。
五、总结
- 分层是网络的灵魂：解耦，方便维护迭代；OSI七层是理论，TCP/IP五层是现实工程实现。
- 记住设备分层：路由器工作网络层，二层交换机链路层，集线器物理层。
- 封装：发送方自上而下每层加头部；分用：接收方自下而上剥头部，分发数据给上层。
理解分层、封装分用之后，再去学习TCP协议三次握手、四次挥手，就不会觉得抽象难懂。后续博客，我们继续拆解传输层TCP与UDP。