计算机网络体系结构

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TCP/IP体系结构相当于将OSI体系结构的物理层和数据链路层合并为了网络接口层，并去掉了会话层和表示层。

教学时经常把TCP/IP体系结构的网络接口层分成了物理层和数据链路层。

应用层

最上层的，也是我们能直接接触到的就是应用层(Application Layer)，我们电脑或手机使用的应用软件都是在应用层实现。那么，当两个不同设备的应用需要通信的时候，应用就把应用数据传给下一层，也就是传输层。

所以，应用层只需要专注于为用户提供应用功能，不用去关心数据是如何传输的，就类似于，我们寄快递的时候，只需要把包裹交给快递员，由他负责运输快递，我们不需要关心快速是如何被运输的。

而且应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。

对于不同的网络应用需要不同的应用层协议。在互联网中应用层协议很多，如域名系统DNS，支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等等。我们把应用层交互的数据单元称为报文。

传输层

应用层的数据包会传给传输层，传输层(Transport Layer)是为应用层提供网络支持的。

在传输层会有两个传输协议，分别是TCP和UDP。

TCP的全称叫**传输层控制协议（Transmission Control Protocol)**，大部分应用使用的正是TCP传输层协议，比如HTTP应用层协议。

TCP相比 UDP多了很多特性，比如流量控制、超时重传、拥塞控制等，这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。

UDP就相对很简单，简单到只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对方，但它实时性相对更好，传输效率也高。

当然，UDP也可以实现可靠传输，把TCP的特性在应用层上实现就可以，不过要实现一个商用的可靠UDP传输协议，也不是一件简单的事情。

应用需要传输的数据可能会非常大，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包大小超过MSS(TCP最大报文段长度) ﹐就要将数据包分块，这样即使中途有一个分块丢失或损坏了，只需要重新发送这一个分块，而不用重新发送整个数据包。在TCP协议中，我们把每个分块称为一个**TCP段(TCP Segment)**。

当设备作为接收方时，传输层则要负责把数据包传给应用，但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据，因此需要用一个编号将应用区分开来，这个编号就是端口。

比如80端口通常是Web服务器用的，22端口通常是远程登录服务器用的。而对于浏览器（(客户端）中的每个标签栏都是一个独立的进程，操作系统会为这些进程分配临时的端口号。

由于传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。

TCP和UDP

UDP 在传送数据之前不需要先建立连接，远地主机在收到 UDP 报文后，不需要给出任何确认。虽然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情况下 UDP 却是一种最有效的工作方式（一般用于即时通信），比如： QQ语音、 QQ视频 、直播等等

TCP 提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。 TCP 不提供广播或多播服务。由于 TCP 要提供可靠的，面向连接的传输服务（TCP 的可靠体现在 TCP 在传递数据之前，会有三次握手来建立连接，而且在数据传递时，有确认、窗口、重传、拥塞控制机制，在数据传完后，还会断开连接用来节约系统资源），这难免增加了许多开销，如确认，流量控制，计时器以及连接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多处理机资源。TCP 一般用于文件传输、发送和接收邮件、远程登录等场景。

网络层

传输层可能大家刚接触的时候，会认为它负责将数据从一个设备传输到另一个设备，事实上它并不负责。

实际场景中的网络环节是错综复杂的，中间有各种各样的线路和分叉路口，如果一个设备的数据要传输给另一个设备，就需要在各种各样的路径和节点进行选择，而传输层的设计理念是简单、高效、专注，如果传输层还负责这一块功能就有点违背设计原则了。

也就是说，我们不希望传输层协议处理太多的事情，只需要服务好应用即可，让其作为应用间数据传输的媒介，帮助实现应用到应用的通信，而实际的传输功能就交给下一层，也就是网络层(Internet Layer) 。

网络层最常使用的是IP协议(Internet Protocol) , IP协议会将传输层的报文作为数据部分，再加上IP包头组装成IP报文，如果IP报文大小超过MTU(以太网中一般为1500字节）就会再次进行分片，得到一个即将发送到网络的IP报文。

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网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备，世界上那么多设备，又该如何找到对方呢?因此，网络层需要有区分设备的编号。

我们一般用IP地址给设备进行编号，对于IPv4协议，IP地址共32位，分成了四段，每段是8位。只有一个单纯的IP地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来就特别麻烦，全世界那么多台设备，难道一个一个去匹配?这显然不科学。

因此，需要将IP地址分成两种意义∶

  • 一个是网络号，负责标识该IP地址是属于哪个子网的;
  • 一个是主机号，负责标识同一子网下的不同主机;

怎么分的呢?这需要配合子网掩码才能算出IP地址的网络号和主机号。那么在寻址的过程中，先匹配到相同的网络号，才会去找对应的主机。

除了寻址能力，IP协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中，两台设备并不是用一条网线连接起来的，而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的，那么就会形成很多条网络的路径，因此当数据包到达一个网络节点，就需要通过算法决定下一步走哪条路径。

所以，IP协议的寻址作用是告诉我们去往下一个目的地该朝哪个方向走，路由则是根据「下一个目的地」选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作方向盘。

数据链路层

实际场景中，网络并不是一个整体，比如你家和我家就不属于一个网络，所以数据不仅可以在同一个网络中设备间进行传输，也可以跨网络进行传输。

一旦数据需要跨网络传输，就需要有一个设备同时在两个网络当中，这个设备一般是路由器，路由器可以通过路由表计算出下一个要去的IP地址。

那问题来了，路由器怎么知道这个IP地址是哪个设备的呢?

于是，就需要有一个专门的层来标识网络中的设备，让数据在一个链路中传输，这就是数据链路层(Data LinkLayer) ，它主要为网络层提供链路级别传输的服务。

每一台设备的网卡都会有一个MAC地址，它就是用来唯一标识设备的。路由器计算出了下一个目的地IP地址，再通过ARP协议找到该目的地的MAC地址，这样就知道这个IP地址是哪个设备的了。

物理层

当数据准备要从设备发送到网络时，需要把数据包转换成电信号，让其可以在物理介质中传输，这一层就是物理层(Phvsical Laver) ，它主要是为数据链路层提供二进制传输的职务。

为什么网络要分层？

  1. 各层之间相互独立：各层之间相互独立，各层之间不需要关心其他层是如何实现的，只需要知道自己如何调用下层提供好的功能就可以了（可以简单理解为接口调用）。这个和我们对开发时系统进行分层是一个道理。
  2. 提高了整体灵活性 ：每一层都可以使用最适合的技术来实现，你只需要保证你提供的功能以及暴露的接口的规则没有改变就行了。这个和我们平时开发系统的时候要求的高内聚、低耦合的原则也是可以对应上的。
  3. 大问题化小 ： 分层可以将复杂的网络间题分解为许多比较小的、界线比较清晰简单的小问题来处理和解决。这样使得复杂的计算机网络系统变得易于设计，实现和标准化。 这个和我们平时开发的时候，一般会将系统功能分解，然后将复杂的问题分解为容易理解的更小的问题是相对应的，这些较小的问题具有更好的边界（目标和接口）定义。

我想到了计算机世界非常非常有名的一句话，这里分享一下：

计算机科学领域的任何问题都可以通过增加一个间接的中间层来解决，计算机整个体系从上到下都是按照严格的层次结构设计的。

路由器和交换机的主要区别

MAC模块的区别

路由器和交换机不同点在于，它的每个网口下，都有一个MAC地址和IP地址。

正因为路由器具有 MAC 地址，因此它能够成为数据链路层的的发送方和接收方。

交换机，是不具备MAC地址的，而MAC报头是需要填上目的MAC地址的。因此交换机从来都不是数据的目的地，它只简单转发数据帧到目的地。

但路由器，是有MAC地址的，因此MAC报头就可以写上，下一站目的地就是xx路由。

到了路由器后，路由器可以再次组装下一站的目的MAC地址是再下一个路由，通过这一点，让数据在路由和路由之间传输。

而同时因为交换机不具有MAC地址，因此也不会校验收到的数据帧的MAC地址是不是自己的，全部收下做转发。而路由器则会校验数据帧的MAC报头里的目的MAC地址是不是自己，是的话才会收入内存缓冲区，否则丢弃。

找不到转发目的地时的处理方式有区别

如果在路由表中无法找到匹配的记录，路由器会丢弃这个包，并通过 ICMP消息告知发送方。

而交换机在MAC地址表里找不到转发端口时会选择广播。

这里的处理方式两者是不同的，原因在于网络规模的大小。

交换机连接的网络最多也就是几千台设备的规模，这个规模并不大。如果只有几千台设备，遇到不知道应该转发到哪里的包，交换机可以将包发送到所有的端口上，虽然这个方法很简单粗暴，但不会引发什么问题。

但路由器工作的网络环境就是互联网，全世界所有的设备都连接在互联网上，规模非常大，并且这个规模还在持续扩大中。如果此时它的操作跟交换机一样，将不知道应该转发到哪里的包发送到整个网络上，那就会产生大量的网络包，造成网络拥塞。因此，路由器遇到不知道该转发到哪里的包， 就会直接丢弃。

路由器和光猫有什么区别

不管是交换机还是路由器，前面都是提到网口输入的是电信号。但现在流行的是光纤传输，传输的是光信号。

而光猫（modem），是一种调制解调器，其实就是用于光电信号转换的设备。

接收数据时，可以将光纤里的光信号转化为电信号，发给路由器，路由器内部再转成数字信号，并在此基础上做各种处理。

相反，也会把路由器传来的电信号转为光信号，发到光纤，并进入互联网。

网络通信

两台电脑可以通过一根网线直接连接，进行通信。

机器一多，可以把网线都接到集线器（物理层）上，但是集线器会不管三七二十一进行广播。

不想广播，可以用（二层）交换机（数据链路层），又叫多端口网桥，它比较聪明，会自我学习生产MAC地址表，知道消息发到哪，那就不需要广播啦。

互联网电脑这么多，交换机MAC地址表总不能全放下吧。改用路由器（网络层），也叫三层交换机，通过网段的方式定位要把消息转发到哪，就不需要像交换机那样苦哈哈一条条记录MAC地址啦。

路由器和光猫之间是好搭档，光猫负责把光纤里的光信号转换成电信号给路由器。

现在一般情况下，家里已经不用集线器和交换机了，大部分路由器也支持交换机的功能。所以可以看到，家里的台式机电脑一般就连到一个路由器，再连个光猫就够能快乐上网了。