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TCP/IP四层模型

TCP/IP四层模型

TCP/IP 四层模型包括网络接口层、网络层、传输层和应用层。数据链路层包括操作系统中的设备驱动程序、计算机中对应的网络接口卡,网络层包括处理分组在网络中的活动,比如分组的选路。

传输层主要为两台主机上的应用提供端到端的通信,应用层负责处理特定的应用程序细节。

TCP/IP五层模型

TCP/IP 是事实标准,分 4 层。OSI 模型 是国际标准,分 7 层。讲课的时候,一般把他们综合起来讲,就说是 5 层。他把网络接口层分开为数据链路层和物理层了。也就说说 TCP/IP 五层模型包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

TCP/IP 五层协议和 OSI 的七层协议对应关系如下:

08_TCP IP四层模型.png

在每一层都工作着不同的设备,比如我们常用的交换机就工作在数据链路层的,一般的路由器是工作在网络层的:

09_TCP IP四层模型.png

在每一层实现的协议也各不同,即每一层的服务也不同。下图列出了每层主要的协议:

10_TCP IP四层模型.png

OSI七层TCP/IP四层与五层

OSI 七层模型与 TCP/IP 的四层以及 TCP/IP 的五层模型对应关系,如下图所示:

11_TCP IP四层模型.png

TCP/IP四层模型详解

网络接口层

作用

  1. 实现网卡接口的网络驱动,以处理数据在以太网线等物理媒介上的传输。
  2. 网络驱动程序隐藏了不同物理网络的不同电气特性,为上层协议提供一个统一的接口。

协议应用

ARP 和 RARP(Reverse Address Resolve Protocol)即逆地址解析协议,该协议实现了 IP 地址和物理地址(MAC 地址)之间的转换。

网络层

作用

网络有分局域网(LAN, Local Area Network)和广域网(WAN, Wide Area Network)。对于后者通常需要使用众多分级的路由器来连接分散的主机或者 LAN,即通讯的两台主机一般不是直接连接,而是通过多个中间节点(路由器)连接的,从而形成网络拓扑连接。

  1. 网络层的任务之一就是选择这些中间节点,以确定两台主机间的通讯路径。
  2. 其次网络层对上层协议隐藏了网络拓扑连接的细节,在使得传输层看来通讯双方是直接连接的。

协议应用

IP 协议: IP 协议(Internet Protocol)是网络层最核心的协议,它根据数据包的目的 IP 地址来决定如何投递该数据包。若数据包不可直接发送给目标主机,那么 IP 协议就为它寻找一个合适的下一跳路由器,并将数据包交付给该路由器去转发,如此循环直至到达目标主机或者发送失败而丢弃该数据包。

ICMP 协议: ICMP 协议(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议)是 IP 协议的补充,用于检测网络的连接状态,如 ping 应用程序就是 ICMP 协议的使用。ICMP 包发送是不可靠的,所以不能依靠接收 ICMP 包解决网络问题;ICMP 与 TCP/UDP 不同,它们是传输层协议,虽然都具有类型域和代码域,但是前者和后者不同,ping 用到的 ICMP 协议,不是端口。ICMP 协议使用的是 IP 协议而非使用下层协议提供的的服务,所以严格来讲它并非网络层协议,而是网络层程序。

传输层

作用

传输层的作用是为应用程序提供端对端通讯的 ”错觉”,即为应用程序隐藏了数据包跳转的细节,负责数据包的收发、链路超时重连等。

协议应用

TCP 协议: TCP 协议(Transmission Control Protocol, 传输控制协议)为应用程序提供可靠的、面向连接的、基于流的服务,具有超时重传、数据确认等方式来确保数据包被正确发送到目的端。因此 TCP 服务是可靠的,使用 TCP 协议通讯的双方必须先建立起 TCP 连接,并在系统内核中为该连接维持一些必要的数据结构,比如连接的状态,读写缓冲区,多个定时器等。当通讯结束时双方必须关闭连接以释放这些内核数据。基于流发送意思是数据是没有长度限制,它可源源不断地从通讯的一段流入另一端。

UDP 协议: UDP 协议(User Datagram Protocol, 用户数据报协议)与 TCP 协议相反,它为应用程序提供的是不可靠的、无连接的基于数据报的服务。

无连接: 通讯双方不保持一个长久的联系,因此应用程序每次发送数据都要明确指定接收方的地址;

基于数据报的服务: 这是相对于数据流而言的,每个 UDP 数据报都有一个长度,接收端必须以该长度为最小单位将其内容一次性读出,否则数据将被截断。UDP 不具有发送时是被重发功能,所以 UDP 协议在内核实现中无需为应用程序的数据保存副本,当 UDP 数据报被成功发送之后,UDP 内核缓冲区中该数据报就被丢弃了。

SCTP 协议: SCTP(Stream Control Transmission Protocol, 流控制传输协议)是为了在因特网上传输电话信号而设计的。

应用层

作用

前面所述的三层负责处理网络通讯的相关细节,这部分需要稳定高效,因此它们是在操作系统的内核空间中,而应用层是在用户空间实现的,负责处理众多业务逻辑,如文件传输、网络管理。

协议应用

telne 协议: 远程登录协议,它使我们能在本地完成远程任务。

OSPF 协议: OSPF 协议(Open Shorttest Path First, 开放最短路径优先)是一种动态路由更新协议,用于路由器之间的通讯,以告知对方自身的路由信息。

DNS协议: DNS 协议(Domain Name Service, 域名服务)提供机器域名到 IP 地址的转换。另外注意,ping 是应用程序而非协议,它利用网络层的 ICMP 协议监测网络连接。

应用层协议可以跳过传输层直接使用网络层提供的服务,比如 ping 程序和 OSPF 协议;又可以既使用 TCP 服务,又可以使用 UDP 服务,如 DNS 协议。

四层模型传输数据过程

TCP/IP 四层模型数据传输过程如下:

12_TCP IP四层模型.png

TCP 传输过程如下:

13_TCP IP四层模型.png

TCP/IP四层模型总结

第一层:应用层,主要有负责 web 浏览器的 HTTP 协议, 文件传输的 FTP 协议,负责电子邮件的 SMTP 协议,负责域名系统的 DNS 等。

第二层:传输层,主要是有可靠传输的 TCP 协议,特别高效的 UDP 协议。主要负责传输应用层的数据包。

第三层:网络层,主要是 IP 协议。主要负责寻址(找到目标设备的位置)。

第四层:数据链路层,主要是负责转换数字信号和物理二进制信号。

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