计算机网络 TCP/IP参考模型

前言

本文梳理计算机网络分层模型。

术语介绍

实体：第n层的活动元素成为n层实体，同一层的实体叫对等实体。
协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。
接口：上层使用下层服务的入口。
服务：下层为相邻上层提供的功能调用。

SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据
PCI协议控制信息：控制协议操作的信息
PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位

TCP/IP参考模型

(Transfer Control Protocol/Internet Protocol)

• 传输单元
  

应用层

决定了向用户提供应用服务时通信的活动。

• 主要功能：为用户提供接口、处理特定的应用；数据加密、解密、压缩、解压缩；定义数据表示的标准。
• 比如FTP(File Transfer Protocol)
  DNS(Domain NameServer)域名服务的协议，提供域名到IP地址的转换，允许对域名资源进行分散管理。
  HTTP；
  SMTP(Simple MessageTransfer Protocol)简单邮件传输协议；
  POP3(Post OfficeProtocol)邮局协议用于发送和接收邮件；
  RIP(RoutingInformation Protocol)路由器用来在 IP 网络上交换路由信息的协议；
  Radius(RemoteAuthentication Dial In User Service)拨号接入远端认证协议完成接入用户的认证、授权、计费功能的协议；
  等；

传输层

提供处于网络连接中的两个进程的通信，即端到端通信。传输单位是报文段或用户数据报。

• 主要功能：
  可靠传输、不可靠传输
  差错控制
  流量控制
  复用分用

  • 复用：多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务。
  • 分用：传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

• 常用协议：
  在传输层有两个性质不同的协议：TCP(Transmission Control Protocol传输控制协议)和UDP(User Data Protocol用户数据报协议)。

网络层

用来处理网络上流动的数据报，源主机到目的主机的数据分组和路由与转发，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。传输单位是数据报。

• 主要功能：
  路由选择
  流量控制
  差错控制
  拥塞控制

• 常用协议：
  IP协议，IP为网络层最主要的协议，其功能即为网络层的主要功能，一是提供逻辑编址，二是提供路由功能，三是报文的封装和解封装。
  ICMP、ARP、RARP协议辅助IP工作。

数据链路层

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧，数据链路层的传输单位是帧。

• 主要功能：
  封装接封装帧
  差错控制: 帧错、位错
  流量控制
  访问(接入)控制: 控制对信道的访问

• 包括控制操作系统、硬件的设备驱动、网络适配器、及光纤等物理可见部分。硬件上的范畴均在链路层的作用范围内。

• 数据链路层又分为MAC子层(media access controlsub-layer介质访问控制子层)和LLC(logic link control sub-layer逻辑链路控制子层)子层。
  MAC子层负责指定数据如何通过物理线路进行传输，并向下与物理层通信，它定义了物理编址、网络拓扑、线路规范、错误通知、按序传递和流量控制等功能。
  LLC子层负责识别协议类型并对数据进行封装以便通过网络进行传输。LLC子层主要执行数据链路层的大部分功能和网络层的部分功能。如帧的收发功能，在发送时，帧由发送的数据加上地址和CRC校验等构成，接收时将帧拆开，执行地址识别、CRC校验，并具有帧顺序控制、差错控制、流量控制等功能。此外，它还执行数据报、虚电路、多路复用等部分网络层的功能。

• 常用协议：
  SDLC、HDLC、PPP、STP

• MTU
  Maximum Transmission Unit，缩写MTU，中文名是：最大传输单元。
  MTU限制的是数据链路层的payload，也就是上层协议的大小，例如IP，ICMP等。
  由数据包封装成的数据帧其大小是受对应的数据链路层协议的MTU（最大传输单元）限制的，如以太网数据链路层封装网络层IP包的MTU值为1500字节（这是指帧中数据部分，也就是来自网络层整个数据分组，最大不能超过1500字节，但不包括帧头和帧尾部分）。

物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层传输单位是比特。

• 主要功能：
  定义接口特性
  定义传输模式：单工、半双工、全双工
  定义传输速率
  比特同步
  比特编码

• 常用协议：
  Rj45、802.3

TCP/IP通信传输流

包是指通过网络传输的基本信息单元。
基本的包由头（包含发送系统和接收系统的地址）和正文或有效负荷（包含要传送的数据）组成。
当包经由 TCP/IP 协议栈时，每一层上的协议都会在基本头中添加或删除字段。当发送系统上的协议向包头中添加数据时，此过程即被称为数据封装。
此外，每一层对于已更改的包都有不同的称呼，如图中所示。

发送端

1. 应用层：通信的起源
   当一个系统上的用户发送消息或发出必须访问远程系统的命令时，即会开始包的历史记录。应用协议会设置包的格式，以便相应的传输层协议（TCP 或 UDP）可以对包进行处理。

2. 传输层：
   当数据到达传输层时，该层上的协议即会开始数据封装过程。传输层会将应用程序数据封装到传输协议数据单元中。

   • 使用TCP协议
     TCP 使用段来确定接收系统是否准备好接收数据。TCP 将从应用层收到的数据分成多个段，再向每个段中附加一个头。
     段头包含发送端口和接收端口、段排序信息以及称为校验和的一个数据字段。两台主机上的 TCP 协议都会使用校验和数据来确定数据传送是否出现错误。
     使用三次握手来建立连接。
   • 使用UDP协议
     与 TCP 不同，UDP 不会检查数据是否已到达接收主机。相反，UDP 会将从应用层收到的消息的格式设置为 UDP 包。UDP 会向每个包中附加一个头。此头包含发送端口和接收端口、包含包长度的字段以及校验和。
     发送 UDP 进程会尝试将包发送到接收主机上的对等 UDP 进程。应用层将确定接收 UDP 进程是否会确认包的接收。UDP 不需要任何接收通知。UDP 不使用三次握手。

3. 网络层：准备传送包的位置
   IP 协议将在该位置处理这些段和包。
   IP 通过将这些段和包的格式设置为多个称为 IP 数据报的单元，准备对其进行传送。然后，IP 会确定数据报的 IP 地址，以便将其高效地传送到接收主机。
   IP会向段或包添加** IP 数据包头**，IP 数据包头中的信息包括发送主机和接收主机的 IP 地址、数据报长度以及数据报排序顺序。如果数据报超过网络包允许的字节大小而必须进行分段，则会提供此信息。

4. 数据链路层：成帧位置
   数据链路层协议（如 PPP）会将 IP 数据报的格式设置为帧。
   这些协议将附加第三个头和一个脚注，以便对数据报执行“成帧”操作。
   帧标题包括CRC字段(循环冗余码校验 ,cyclic redundancy check, CRC) ，用于检查帧经由网络介质时是否出现错误。然后，数据链路层会将帧传递到物理层。

5. 物理网络层：帧的发送和接收位置
   发送主机上的物理网络层会接收帧，并且将 IP 地址转换为适合网络介质的硬件地址。然后，物理网络层会通过网络介质将帧向外发送。

接收端

当包到达接收主机时，包便会按照其发送顺序的相反顺序经由 TCP/IP 协议栈。
接收主机上的每种协议还会删除头信息，该信息通过发送主机上的对等协议附加到包中。

将会发生以下过程：

1. 物理网络层接收帧格式的包。物理网络层会计算包的 CRC，然后将帧发送到数据链路层。

2. 数据链路层检验帧的 CRC 是否正确，然后删除帧标题和 CRC。最后，数据链路层将帧发送到 Internet 层。

3. Internet 层读取头中的信息以识别传输。然后，Internet 层将确定包是否为分段包。如果分段进行传输，则 IP 会将分段重新汇编成原始数据报。然后，IP 将删除 IP 数据包头并将数据报传递到传输层协议。

4. 传输层（TCP、SCTP 和 UDP）读取头以确定必须接收数据的应用层协议。然后，TCP、SCTP 或 UDP 将删除其相关的头。TCP、SCTP 或 UDP 将消息或流发送到接收应用程序。

5. 应用层接收消息。然后，应用层将执行发送主机所请求的操作。