计算机网络分层的详解 化繁为简

哈喽，大家好呀，我是呼噜噜，良久没降级文章了，还记切现在在学校学习网络的岁月，间接过去就是各种分层模型，各种协定，各种参数性能，缄口不语，只能融会贯串，但很容易就遗记了。

当天咱们就来讲讲，计算机网络为什么要分层？分层模型有哪些？网络各层的作用？并手画了多张动图协助大家了解，全程干货满满，深刻易懂。

咱们知道在计算机网络中普通有OSI七层模型、TCP/IP四层模型和TCP/IP五层模型，这些模型将复杂的网络通讯环节划分为不同的档次，每一档次都有其特定的性能和协定，独特协作成功网络通讯。那这些模型区分是什么、相互之间有什么区别呢？

OSI七层模型发生的历史

为了让环球上各个国度或地域，各个不同计算机厂家，消费出的各个不同体系结构的计算机设施，各种网络协定，能够相互通讯(这是一个十分复杂的环节)。

国际规范化组织ISO于1977年提出了"放开系统互联参考模型"，即驰名的OSI模型, Open System Interconnection Model，一个试图使各种不同的计算机或许设施谢环球范畴内互连为网络的规范模型，使得计算机所依赖配件和软件技术超越天文和政治界限协同上班，准许两个独立系统经过基于操作层的规范化接口或协定启动通讯，来在更大的范畴内建设计算机网络

OSI模型包括七个档次，自上而下依次为：运行层（Application Layer）、示意层（Presentation Layer）、会话层（Session Layer）、传输层（Transport Layer）、网络层（Network Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、物理层（Physics Layer）

将计算机网络启动分层，是为了简化网络设计和成功的复杂性，将复杂的通讯环节分为若干个相对独立的档次。每一层都担任特定的性能，启动跨软件和配件组件封装每种类型的网络通讯，例如数据格局化、数据传输控制、路由选用等，这样较高层可以间接经常使用较低层技术，而不用关心底层的成功细节

TCP/IP四层模型和TCP/IP五层模型

咱们再来看看，什么是TCP/IP四层模型和TCP/IP五层模型，它们其实都和OSI七层模型无关

OSI模型提出时，英特网已当先在全环球范畴内宽泛盛行起来，所有推倒重来已无法能，它经常使用TCP/IP协定族，经过与OSI模型的联合，从通常上补足了⽹络接⼝层的缺失，最终演化成如今的TCP/IP四层模型，用于从通常上形容互联网协定（IP）的上班方式。它包括四个档次：运行层、传输层、网络层和网络接口层，其中运行层由OSI模型的运行层、示意层、会话层兼并而来，网络接口层由OSI模型的数据链路层和物理层兼并而来。

OSI七层模型虽然是通常上规范，但既复杂⼜不实⽤，局部性能在多个档次中重复发生，TCP/IP四层模型则是个更为适用的模型，也是如今理想规范，但最下⾯的⽹络接⼝层并没有详细内容，所以咱们用来学习或许解说的话，普通都驳回TCP/IP五层模型，它在TCP/IP四层模型基础上，将网络接口层从新划分为数据链路层和物理层，更接近实践运行的网络结构。

本文也将用TCP/IP五层模型来讲述，许多初学者不了解这些层为什么要这样划分？咱们接上去将这些层串起来，看看他们是如何相互配协作用的。

物理层

物理层，关键规则网络的传输媒介的物理个性，来传递0和1的电信号，即它担任在传输媒介上行输原始比特流。物理层传输的单位是比特，比如2台主机间接经过双绞线电缆来衔接，传递信号，然而假设随着网络中参与的主机变多，每台间接相连，会让接口数和网线数几何式回升，布线变得意外复杂。所以引入两边设施，每个主机只要和这个两边设施相连即可，比如总线、集线器等，当然这个两边设施须要足够的稳固，不然一旦挂了，会影响整个网络。

物理层确定传输媒介的接口特色：

物理层衔接多个电脑设施的罕用传输媒介有：集线器、同轴电缆、双绞线电缆、光纤、光缆、无线电波等，这些媒介严厉上不在物理层协定之内的而是在物理层协定之下

另外不同的传输媒介，须要选用适合的编码方式以及调制技术，来将原始比特流变换成相应的电信号，以保障数据的牢靠传输和抗搅扰才干

数据链路层

数据链路层，关键是处置数据包在一个网络或一段一段的链路上牢靠传输疑问。在物理层咱们把各个主机物理上连在一同，如今须要处置的是信号如何传递给对应主机，这个时刻就须要来标识网络中的每一个主机，这个叫做网卡(MAC)地址，是配件的惟一标识符。所以数据链路层也被称为MAC层

MAC地址: 设施的配件地址，也是网络中计算机设施的惟一标识，12位十六进制的数，它由设施出厂时就选择了，普通无法修正。比如07:00:20:0A:6C:6D就是一个MAC地址，其中前6位16进制数07:00:20代表网络配件制作商的编号，即组织惟一标识符OUI，它由IEEE调配，然后6位16进制数0A:6C:6D代表该制作商所制作的某个产品的系列号，即扩大惟一标识符EUI。以此来保障环球上每个以太网设施都具备惟一的MAC地址

集线器性能比拟便捷粗犷，只能将信息广播到整个网络的一切主机上，各个主机在经过信息中的MAC地址，来确认能否是发给自己的信息，这样既不安保也糜费网络的带宽。所以在数据链路层驳回替换机，自学习保养一个转宣布，来转发帧，记载信息从哪里来，到哪里去，来成功主机接入控制

数据链路层还处置了数据包的封装格局疑问，将数据包封装成帧，同时担任建设和治理节点间的链路，经过各种控制协定，成功过错控制

数据链路层传输单位是帧frame，每帧的组成是由帧头、数据、帧尾组成：

数据链路层还成功了透明传输，不用思考物理层如何成功比特传输的细节，这个由物理层启动保障

透明传输是指不论所传输的数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上行送。尽或许地屏蔽掉不同传输媒体和通讯手腕的差异。深刻点讲，就是链路层就“看不见”有什么障碍数据传输的物品

罕用协定有：以太网（Ethernet）、初级数据链路控制协定HDLC、点对点协定PPP等，罕用设施有：网桥、替换机

网络层

网络层，对应OSI模型的网络层，提供主机间的通信服务，担任数据包在多个网络之间的路由和寻址(IP 地址)，确保数据可以在不同网络间传输；也叫网际层或IP层

在数据链路层，咱们成功了在单个网络中网络的通讯，但谢环球上各个不同的天文位置上，有几十亿个设施相互组成大大小小的异构网络，要想把它们连在一同，替换机+MAC地址就远远不够了，IP互联网协定就应运而生，提供的一种一致的地址格局，为互联网上的每一个网络和每一台主机调配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异，来处置多网络互连的疑问

IP互联网协定，是TCP/IP协定栈中最外围的协定之一，经过IP地址(逻辑地址)，来标识网络和网络中的各主机，成功了网络通讯的面向无衔接和无法靠的传输性能。IP地址可以表白网络中的子网的概念(子网掩码)

以经常出现的IPv4协定为例，IP地址共32位，分红了四段如192.168.0.1，IP地址得向IANA机构放开，一旦调配后普通不会扭转，IPv4总共有43亿个地址，由于欧美的先发长处，分到的IP地址资源十分丰盛，咱们国际就重大无余，早在2011年IPv4地址就被调配完了。如今的处置方法，是驳回NAT技术或许IPv6(参与IP地址长度)

网络层传输单位是包packet，在数据链路层的帧基础上，继续封装数据包成IP数据包

网络层还有一个作用就是，路由选用，经过路由选用算法，为数据包选用最适当的门路，控制数据链路层与传输层之间的信息转发，建设、维持和中断网络的衔接，将信息从一个网络设施传送到另一个网络设施

罕用设施：路由器，关键用来衔接不同的网络时，替换机无法再保养宏大的转宣布，而路由器会智能⽣成路由表，依据路由表转发数据包⾄下⼀个网络

路由器的每个端口都会有一个自己的MAC地址。路由器能将一个IP调配给超多个主机经常使用，主机对外ip也是同一个。而替换机是可以将不同的主机衔接起来，对外表现的IP也可各有不同;替换机隔离抵触域，但不隔离广播域，而路由器既隔离抵触域又隔离广播域，不会转发广播数据，缩小广播风暴和安保破绽。路由器还提供防火墙的服务

罕用协定：IP（IPv4、IPv6）、地址解析协定ARP、网际控制报文协定ICMP、网际组治理协定IGMP等

传输层

传输层，对应OSI模型的传输层，建设主机端到端的衔接，为主机中的进程之间通讯，提供数据传输服务，为运行层提供端到端牢靠且透明的数据传输服务，包括全双工或半双工、流控制和失误复原服务，确保数据能完整的传输到网络层。

建设主机端到端的衔接，这里的端是端口port，当经过网络层失掉IP地址后，数据包可以经过IP地址找到对应的主机，然而主机普通是多进程，每一个进程都是一个义务，那么如何确定是哪一个义务？

所以引入端口的概念，当进程须要网络通信服务时，向操作系统放开一个端口，经过端口号来标识这个进程，从而让网络中数据包，分辨出主机中哪一个进程是接纳者

传输层关键有两个协定：

为什么在这层引入这2个协定呢？

这是由于在网络层上，IP协定没法区分端口，UDP协定在IP协定的基础上参与了源端口和目的端口字段，这样就可以区分端口了，另外IP协定又是无衔接无法靠的，传输数据容易过错，引入TCP协定，经过三次握手四次挥手等一系列机制，来确保数据的牢靠传输

传输层有复用和分用的性能，一个主机可以同时运转多个进程，运后退程又可以应用传输层传送运行层报文

运行层

运行层，是最高层，也是咱们用户能够间接接触到的，比如手机、电脑、各种家庭设施等等，它对应OSI的运行层、示意层和会话层

关键专一于为用户提供网络服务，间接面对运行程序，如文件传输、电子邮件、远程登录等，它并不须要关心数据是如何传输的，但须要数据的格局启动转换示意，让目的运行程序能看懂数据的内容

罕用运行层的协定有：网络恳求协定HTTP、文件传输协定FTP、便捷邮件传输协定SMTP、域名解析协定DNS等

运行层传输单位是报文message，是对传输层的数据包进一步封装。

咱们再来看看，TCP/IP模型的运行层对应OSI的运行层、示意层和会话层，区分有什么作用：

最后笔者再吐血画了张图，协助大家极速回忆，网络的各个分层的作用和重点信息：

补充：数据是如何传递的？

在上文，咱们区分引见了网络的各层的特点，其中每层的数据单元大家是不是比拟含糊，咱们这就梳理HTTP报文传输环节，来将这些所有串起来，来体会在TCP/IP协定的数据封装和分用环节中，数据包是如何网络各层中传递的

本文这里以一个HTTP恳求的传输为例，恳求从HTTP客户端（如阅读器）和HTTP服务端运行(比如QQ邮箱、知乎)的传输环节，如下图所示：

数据在客户端发送时在经过每一层的时刻都要被该层对应的协定包装(参与上对应层的头部，其中蕴含了协定标识)，这个环节叫封装；而抵达终端的时刻，又要被一层一层的解包，这个环节叫分用。

另内在网络传输中，网络包都必定是完整的，可以没有高层只要高层，但必定不能只要高层而没有高层，基础不牢，大厦不稳

了解这些网络分层模型，会让咱们对计算机网络的环球有更微观的意识，后续再配合抓包工具，会关于咱们启动网络的学习与通常，有十分不错的协助。