计算机网络——TCP/IP协议概述

TCP/IP协议概述

1. 应用层（Application Layer）

1.1 功能

应用层是用户直接接触的层次，负责为用户提供具体的应用功能，比如浏览网页（HTTP）、发送邮件（SMTP）、文件传输（FTP）等。应用层的数据称为消息（Message）或报文（Message） 。

1.2 用户态和内核态

应用层工作在操作系统的用户态，而传输层及以下工作在内核态。应用层通过系统调用（如send()、recv()）与内核态的网络协议栈交互。

2. 传输层（Transport Layer）

2.1 功能

传输层负责为应用层提供端到端的通信支持，主要协议是TCP和UDP。传输层的数据称为段（Segment）（TCP）或数据报（Datagram）（UDP）。

2.2 TCP和UDP的区别

• TCP（传输控制协议）：提供可靠传输，支持流量控制、超时重传、拥塞控制等特性。适用于需要可靠传输的场景，如HTTP、FTP、电子邮件等。
• UDP（用户数据报协议）：提供不可靠传输，不保证数据包是否到达对方。适用于实时性要求高的场景，如视频流、在线游戏等。

2.3 端口号

传输层通过端口号区分不同的应用。例如，Web服务器通常使用80端口，SSH使用22端口。客户端操作系统会为每个应用分配临时的端口号。

3. 网络层（Internet Layer）

3.1 功能

网络层负责将数据包从源设备传输到目标设备，主要协议是IP协议。网络层的数据称为包（Packet）。

3.2 IP地址

每个设备都有一个唯一的IP地址，用于标识设备。IPv4地址由32位组成，通常表示为四段数字（如192.168.1.1）。

3.3 子网掩码

子网掩码用于划分IP地址的网络号和主机号。例如，192.168.1.1/24表示前24位是网络号，后8位是主机号。通过按位与运算，可以计算出网络地址和主机地址。

3.4 路由

网络层通过路由算法决定数据包的传输路径。路由器根据目标IP地址的子网，将数据包转发到下一个节点。

3.5 例子

当你的电脑访问一个网站时，网络层会将目标IP地址（如93.184.216.34）添加到IP包头中，并通过路由算法找到传输路径。

4. 网络接口层（Link Layer）

4.1 功能

网络接口层负责在物理网络上发送原始数据包，主要协议是以太网（Ethernet）和Wi-Fi。网络接口层的数据称为帧（Frame）。

4.2 MAC地址

每个网络设备都有一个唯一的MAC地址，用于标识设备。MAC地址由48位组成，通常表示为六段十六进制数（如00:1A:2B:3C:4D:5E）。

4.3 ARP协议

ARP（地址解析协议）用于将IP地址解析为MAC地址。例如，当你的电脑需要发送数据包到192.168.1.1时，它会通过ARP协议获取目标设备的MAC地址。

4.4 例子

当你的电脑发送数据包时，网络接口层会将目标MAC地址添加到以太网帧中，并通过网卡发送到物理网络。

5. 数据包在各层的封装

5.1 发送数据包

• 应用层：生成HTTP请求（消息）。
• 传输层：添加TCP头，封装为TCP段。
• 网络层：添加IP头，封装为IP包。
• 网络接口层：添加以太网头，封装为以太网帧。

5.2 接收数据包

• 网络接口层：剥离以太网头，得到IP包。
• 网络层：剥离IP头，得到TCP段。
• 传输层：剥离TCP头，得到HTTP请求。
• 应用层：处理HTTP请求。

6. 参考资料

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