OSI七層模型和TCP/IP四層模型（二）

阿新 • • 發佈：2019-04-09

二、自下而上的網路分層

1.物理層

電腦要組網，第一件事要幹什麼？當然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波（WiFi）等方式。物理層的作用就是通過物理手段把電腦連線起來，它主要規定了網路的一些電氣特性，作用是負責傳送0和1的電訊號。

這裡說一下，通過物理手段將裝置連線起來組網，物理手段就是光纜、電纜、雙絞線、無線電波（WiFi）等，比如中美之間的網路通訊是通過海底光纜；兩個不同的區域網（電信的網路和移動的網路）通訊，嗯，稍微麻煩點，我的電信手機先連上電信的伺服器，你的移動手機連移動伺服器，他們兩個ISP（Internet Service Provider 網際網路服務提供商）之間是通過物理手段連結的，這樣我們就能夠間接的實現通訊了。

網際網路可以說就是用物理裝置將各個“區域網”相連組成的更大的“區域網“，更大區域網層層相連，最終就組成了”網際網路“，比如小的網際網路就是你家和我家的WiFi,一個省的每戶家庭的WiFi組成這個省的區域網，各個省的區域網組成中國的區域網，各個國家之間的區域網通過物理手段互聯就組成了橫跨世界的”網際網路“（當然天朝還有一堵牆）。

2.資料鏈路層

1)定義

物理層就是傳輸電路的0和1訊號的，但是單純的0和1沒有意義，必須規定解讀方式：多少個0和1算一組？每個訊號有什麼意義？——這就是鏈路層的意義，它在物理層的上方，確定了0和1的分組方式。

2)乙太網協議

早些時候，各個公司都有自己的電訊號分組方式，後來出現了“乙太網”這種協議逐漸佔據了主導的地位。“乙太網”規定，一組電訊號構成一個數據包，叫做“幀（Frame）”；每一幀分成兩個個部分：標頭（Head）和資料（Data）。

因此，資料鏈路層鏈路層的資料包就叫“乙太網資料包”，他由“標頭”和“資料”兩部分組成——其中，“標頭”包含資料包的一些說明項，比如傳送者、接受者、資料型別等等。

3)MAC地址

上面我們提到，乙太網資料包的“標頭”包含了傳送者和接受者的資訊，那麼，傳送者和接受者是如何標識的呢？

乙太網規定，連入網路的所有裝置，都必須具有“網絡卡”介面。資料包必須是從一塊網絡卡，傳送到另一塊網絡卡，網絡卡的地址，就是資料包的傳送地址和接受地址，也叫MAC地址。
每塊網絡卡出廠的時候，都有全世界獨一無二的MAC地址，長度是48位的二進位制，通常用12個十六進位制數表示。
前6個十六進位制是廠商編號，後6個是該廠商的網絡卡流水號，有了MAC地址，就可以定位網絡卡和資料包的路徑了。

4)廣播

定義地址只是第一步，後面還有更多步驟—首先，一塊網絡卡怎麼只帶另一塊網絡卡的MAC地址？回答是有一種ARP協議，可以解決這個問題。這個留到後面介紹，這裡只需要知道，乙太網資料包必須知道接收方的MAC地址，然後才能傳送。

其次，就算有了MAC地址，系統怎樣才能把資料包準確送到接收方？回答是乙太網採用了一種很"原始"的廣播式的方式，它不是把資料包準確送到接收方，而是向本網路（區域網）內所有計算機發送，讓每臺計算機自己判斷，是否為接收方。

一臺計算機向本區域網內的所有電腦均傳送相同的資料包，其他計算機收到這個資料包之後，會讀取這個資料包的“標頭”，找到其中接收方（目標方）的MAC地址，然後與自身的MAC地址進行比對，如果兩者相同，說明就是要發給自己的，然後接受這個包並做出進一步的處理，否則丟棄這個包。這種傳送方式就叫“廣播”，主要通過分組交換機或者網路交換機進行。

3.網路層

根據上面的講解，理論上依靠MAC地址和廣播技術，上海的網絡卡發出的資料包就可以找到洛杉磯網絡卡了——但是如果全世界的計算機都這麼幹，那麼每一臺計算機發出的資料包都同步廣播到全世界其他電腦，再一一比對判斷，這樣顯然是低效、不現實的。

因此，上面我們強調，廣播是在傳送者所在的區域網內廣播的，不同也就是說，如果兩臺計算機沒有在同一個子網（區域網）內，是無法通過廣播直接傳過去的。前面我們說過，網際網路是由一個個子網組成的更大的子網，一級一級組網，最終構成的網際網路。

因此我們必須找到一種方法，區分哪些MAC地址屬於同一個子網。如果是同一個子網就採用廣播的形式，如果不是，則採用“路由”的方式（後面會講）傳送——這就導致了網路層的出現，他的作用是引入一套新的地址，使我們能夠區分哪些計算機屬於同一個子網，這套機制就叫做“網路地址”，也就是“IP地址”。

1)IP協議

規定網路地址的協議，叫IP協議。他定義的地址，就叫做“IP地址”。IP地址目前有IPV4(Internet Protocol version 4，IPv4)和IPV6(Internet Protocol version 4，IPv6)兩版，又稱“網際網路通訊協議第四/六版”。2011年，IANA IPv4 pool地址完全用盡時，IPv6仍處在部署的初期，因此IPV4地址也是目前最為廣泛的IP地址——這個版本規定，網路地址由32個二進位制位組成,習慣上，我們分成四段十進位制數表示IPV4地址，從0.0.0.0到255.255.255.255。

網際網路的每一臺計算機，都會被分配到一個IP地址，這個地址由兩部分組成，前一部分代表網路，後一部分代表主機（又稱終端系統，end system）。 比如，IP地址172.16.254.1，這是一個32位的地址，假定它的網路部分是前24位（172.16.254），那麼主機部分就是後8位（最後的那個1）。處於同一個子網路的電腦，它們IP地址的網路部分必定是相同的，也就是說172.16.254.2應該與172.16.254.1處在同一個子網路，而後面的“2”與“1”則是同一子網內兩臺不同電腦（主機）的編號。

2)子網掩碼

問題在於單單從IP地址，我們無法判斷網路部分。還是以172.16.254.1為例，它的網路部分，到底是前24位，還是前16位，甚至前28位，從IP地址上是看不出來的。那麼，怎樣才能從IP地址，判斷兩臺計算機是否屬於同一個子網路呢？這就要用到另一個引數**"子網掩碼"**（subnet mask）。

** 所謂"子網掩碼"，就是表示子網路特徵的一個引數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進位制數字，它的網路部分全部為1，主機部分全部為0。**比如，IP地址172.16.254.1，如果已知網路部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網路掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進位制就是255.255.255.0。

知道"子網掩碼"，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網路。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），然後比較結果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網路中，否則就不是。

3)路由/路由器/閘道器/交換機

上面我們已經確定了兩臺計算機是否在同一個子網中，如果在，則採用廣播+MAC定址的的方式傳送資料包，如果不是，則要採用“路由”的方式了，那麼什麼是“路由”呢？

路由（routing）

就是通過互聯的網路把資訊從源地址傳輸到目的地址的活動。路由引導分組轉送，經過中間的一些節點，到它們最後的目的地。

從“路由”的定義中可以看到，“路由”是一種活動，一種動作，一種行為，作用是是將資訊從原地址傳輸到目的地址，比較特殊的是，原地址和目標地址是在兩個不同的子網中的。 那麼如何傳輸呢？路由定義一條路徑，經過因特網傳送包到另一網路上的地址，但路由不定義完全路徑，只定義從主機到可以將包轉發到目的地的閘道器（子網）間的路徑段（或從一個子網到另一個子網）。

路由器（Router）

簡單理解就是實現路由功能的機器。路由器連線兩個或多個網路並提供路由功能。

前面我們說過，網絡卡是計算機的一個硬體，它在接收到網路資訊之後，將資訊交給計算機。當計算機需要傳送資訊的時候，也要通過網絡卡傳送。一臺計算機可以有不只一個網絡卡，比如筆記本就有一個乙太網卡和一個WiFi網絡卡。計算機在接收或者傳送資訊的時候，要先決定想要通過哪個網絡卡。路由器(router)可以通俗理解為一臺配備有多個網絡卡的專用電腦，它讓網絡卡接入到不同的網路中。

閘道器（Gateway）

是路由器的一種，通常我們把網路層使用的路由器稱為閘道器，路由器可以在網路介面級或物理級路由；閘道器是在網路層上路由（個人感覺應該是一種概念，即在網路層連線兩個子網的概念，並不存在實體，真正實現路由功能還是得靠路由器）。

說的再通俗一點，路由器上面有MAC地址和MAC地址對應的IP，而閘道器由於是網路層的概念因此只有IP地址。在今天很多區域網採用都是路由來接入網路，因此現在通常指的閘道器就是路由器的IP。

另外，需要強調一點，雖然路由器上面有MAC地址和IP地址，但它並不能通過MAC地址工作，必須通過IP定址。因此它是工作在網路層的裝置。

網路交換機（Network Switch）

是一個擴大網路的器材，能為子網中提供更多的連線埠，以便連線更多的電腦。交換機與路由器的區別：

工作層次不同
- 交換機主要工作在資料鏈路層（第二層）
- 路由器工作在網路層（第三層）。
轉發依據不同
- 交換機轉發所依據的物件是：MAC地址。（實體地址）
- 路由轉發所依據的物件是：IP地址。（網路地址）
主要功能不同
- 交換機主要用於組建區域網，連線同屬於一個(廣播域)子網的所有裝置，負責子網內部通訊（廣播）。
- 路由主要功能是將由交換機組好的區域網相互連線起來，或者將他們接入Internet。
- 交換機能做的，路由都能做。
- 交換機不能分割廣播域（子網），路由可以。
- 路由還可以提供防火牆的功能。
- 路由配置比交換機複雜。

交換機雖然主要依靠MAC地址查詢工作在資料鏈路層，但是他也可以有IP地址，這樣就可以進行遠端登入等操作了。

LAN，全稱Local Area Network，中文名叫做區域網；
WAN，全稱Wide Area Network，中文名叫做廣域網。
WLAN，全稱Wireless LAN, 無線區域網，通俗點講就是WiFi。

WAN是一種跨越大的、地域性的計算機網路的集合。通常跨越省、市，甚至一個國家。廣域網包括大大小小不同的子網，子網可以是區域網，也可以是小型的廣域網。

家用的路由器，一般包括了交換機和路由器，因此他有兩個介面——WAN埠用於連線至Internet；LAN埠用於連線至區域網裝置。

家用路由器

PASS:舉例

4)ARP協議

在上面的過程中，我們實際上假設了，每一臺主機和路由都能瞭解區域網內的IP地址和MAC地址的對應關係，這是實現IP包封裝(encapsulation)到幀的基本條件。 IP地址與MAC地址的對應是通過ARP協議傳播到區域網的每個主機和路由。每一臺主機或路由中都有一個ARP cache，用以儲存區域網內IP地址和MAC地址如何對應。

ARP協議(ARP介於資料鏈路層和網路層之間，ARP包需要包裹在一個幀中)的工作方式如下：主機發出一個ARP包，該ARP包中包含有自己的IP地址和MAC地址。通過ARP包，主機以廣播的形式詢問區域網上所有的主機和路由：我是IP地址xxxx，我的MAC地址是xxxx，有人知道199.165.146.4的MAC地址嗎？擁有該IP地址的主機會回覆發出請求的主機：哦，我知道，這個IP地址屬於我的一個NIC（網絡卡），它的MAC地址是xxxxxx。由於傳送ARP請求的主機採取的是廣播形式，並附帶有自己的IP地址和MAC地址，其他的主機和路由會同時檢查自己的ARP cache，如果不符合，則更新自己的ARP cache。

這樣，經過幾次ARP請求之後，ARP cache會達到穩定。如果區域網上裝置發生變動，ARP重複上面過程。ARP協議只用於IPv4。IPv6使用Neighbor Discovery Protocol來替代ARP的功能。

4.傳輸層

1)埠號

有了MAC地址和IP地址，我們已經可以在網際網路上的任意兩臺電腦之間建立通訊了。接下來的問題是，同一臺主機上許多程式（程序）都需要用到網路，比如你一遍瀏覽網頁一遍聊天。當一個數據包從網上傳送過來的時候，我們需要一個引數來區分，他到底是提供哪個程序使用的——這個引數就叫做“埠號”，他其實就是每一個使用網絡卡的程式的編號。每個資料包傳送到主機特定的埠，所以不同的程式就能取到自己想要的資料包。

埠是0到65535之間的一個整數，正好16個二進位制。0~1023的埠被系統佔用，使用者只能使用大於1023的埠。 不管是瀏覽網頁還是聊天，應用程式都會隨機選用一個埠，然後與伺服器建立相應的埠關係。這裡需要補充一點，HTTP協議預設使用80埠，8080是用來訪問代理服務的。

“傳輸層”的功能，就是建立“埠到埠”之間的通訊。相比之下，“網路層”的功能是建立“主機到主機"的通訊。 只要確定主機和埠號，我們就能實現程式之間的交流。

2)Socket

上面我們已經說了，傳輸層是建立“埠到埠”之間的通訊，更具體一點，也就是程式和程式之間的通訊，或者“程序間通訊”。 嗯，挺唬人的一個概念。

程序間通訊分為兩種——一種是主機內部（或終端內部）程序間通訊 ，這個由終端或主機上的作業系統決定，比如在Android系統上面程序間通訊就是AIDL；另一種是跨主機程序間通訊或者網路程序間通訊，也叫 “socket通訊” 。我們可以先籠統的理解——Unix系統把主機+埠，叫做"套接字"（socket），當然，這樣說是有失偏頗的。

那麼，Socket是什麼？

從程式語言的角度，socket是一個無符號整型變數，用來標識一個通訊程序。 兩個程序通訊，總要知道這幾個資訊：雙方的ip地址和埠號，通訊所採用的協議棧。socket就是和這些東西繫結的，實現socket可以使用unix提供的介面，也可以使用Windows提供的winSock。
socket本質是程式設計介面(API)，對TCP/IP的封裝。TCP/IP只是一個協議棧，必須要具體實現，同時還要提供對外的操作介面（API），這就是Socket介面。 通過Socket,我們才能使用TCP/IP協議，因此有了一系列我們知道的函式介面——connect、accept、send、read、write等。

JDK的java.net包下有兩個類：Socket和ServerSocket，在Client和Server建立連線成功後，兩端都會產生一個Socket例項，操作這個例項，完成所需的會話，而程式設計師就通過這些API進行網路程式設計。 Socket連線過程分為三個步驟：伺服器監聽，客戶端請求，連線確認。

3)UDP/TCP協議

UDP和TCP協議都是傳輸層的協議，他們的主要作用就是在應用層的資料包標頭加上埠號（或者在IP協議的資料包中插入埠號）。

UDP協議的優點是比較簡單，容易實現，但是缺點是可靠性較差，一旦資料包發出，無法知道對方是否收到。
TCP協議可以近似認為是有確認機制的UDP協議。每發出一個數據包都要求確認。如果有一個數據包遺失，就收不到確認，發出方就知道有必要重發這個資料包了。

TCP協議主要的確認機制是"三次握手，四次揮手",由於這個協議非常複雜，我們會另起一篇文章詳細講解。

5.應用層

應用程式收到"傳輸層"的資料，接下來就要進行解讀。由於網際網路是開放架構，資料來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。。"應用層"的作用，就是規定應用程式的資料格式。 舉例來說，TCP協議可以為各種各樣的程式傳遞資料，比如Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP資料的格式，這些應用程式協議就構成了"應用層"。這是最高的一層，直接面對使用者。

這裡的應用層是文章開頭的OSI七層模型的最上面三層的綜合，因為是直接面向用戶，因此它的主要作用是“消除裝置固有資料格式和網路標準資料格式直接的差異”，因為在網路流中，資料的格式是標準化的，但是具體到不同得裝置，不同的作業系統上，他的要求資料呈現格式是不同的，因此需要轉化成統一的、使用者能夠感知的聲音、圖片、文字等資訊，這就是應用層做的事情。

1)使用者上網設定

本機的IP地址
子網掩碼
閘道器的IP地址
DNS的IP地址

2)DNS解析

網域名稱系統（英文：Domain Name System，縮寫：DNS），埠53，是網際網路的一項服務。它作為將域名和IP地址相互對映的一個分散式資料庫，能夠使人更方便地訪問網際網路。

什麼意思？我們上面已經說了，網路中的資料包，是通過“埠號+IP地址+MAC地址”來識別目的地址的，也就是說定位一個主機的時候，我們是定位的是他的IP地址，然後我們通過瀏覽器訪問的時候呢？比如我們要訪問谷歌，就在瀏覽器中輸入他的"域名"：www.google.com ，卻不是谷歌伺服器的IP地址——這個時候，DNS協議就起作用了：

我們輸入www.google.com 並按下回車的時候，本機伺服器先是請求DNS伺服器，DNS伺服器根據我們傳送的域名，根據DNS協議，解析成該域名對應的IP地址並返回給本機，這樣，我們就可以進行下面幾層