计算机网络知识点整理

网络模型

Q：为什么要有 TCP/IP 网络模型？

A：对于同一台设备上的通信，有很多种方式，比如管道、消息队列、共享内存等；而对于不同设备上的进程间通信，就需要网络通信。为了兼容多种设备，就协商出了一套通用的网络协议。

TCP/IP 网络参考模型共有 4 层，其中需要我们熟练掌握的是应用层、传输层和网络层，至于网络接口层（数据链路层和物理层）我们只需要做简单的了解就可以了。

1. 应用层（Application Layer）

应用层不关心数据是如何传输的，而是专注于为用户提供应用功能。常见的协议有HTTP、FTP、Telnet、DNS和SMTP等。应用层工作在操作系统的用户态。

2. 传输层（Transport Layer）

传输层有两个传输协议，TCP和UDP。

• TCP 的全称叫传输控制协议（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（User Datagram Protocol）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，这需要把 TCP 的特性在应用层上实现。

当传输层的数据大小超过MSS（TCP 最大报文段长度）时，需要将数据包分块，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，每个分块称为一个 TCP 段（TCP Segment）。

传输层需要将数据包传给应用，不同的应用通过端口号来进行区分。例如，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。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。

3. 网络层（Internet Layer）

网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备，一般使用IP地址给设备编号。对于 IPv4 协议， IP 地址共 32 位，分成了四段（比如，192.168.100.1），每段是 8 位。IP地址通过子网掩码分为两部分，分别是网络号和主机号：

• 网络号，负责标识该 IP 地址是属于哪个「子网」的；
• 主机号，负责标识同一「子网」下的不同主机。

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。

IP协议包括路由能力和寻址能力：

• 路由：实际场景中，两台设备是通过很多网关、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，就需要通过路由算法决定下一步走哪条路径。路由器寻址工作中，就是要找到目标地址的子网，找到后把数据包转发给对应的网络内。
• 寻址：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。

4. 网络接口层（Link Layer）

Q：什么是以太网呢？

A：电脑上的以太网接口，Wi-Fi接口，以太网交换机、路由器上的千兆，万兆以太网口，还有网线，它们都是以太网的组成部分。以太网就是一种在「局域网」内，把附近的设备连接起来，使它们之间可以进行通讯的技术。

生成了 IP 头部之后，接下来要交给网络接口层（Link Layer）在 IP 头部的前面加上 MAC 头部，并封装成数据帧（Data frame）发送到网络上。

• 以太网在判断网络包目的地时和 IP 的方式不同，因此必须采用相匹配的方式才能在以太网中将包发往目的地，而 MAC 头部就是干这个用的，所以，在以太网进行通讯要用到 MAC 地址。
• MAC 头部是以太网使用的头部，它包含了接收方和发送方的 MAC 地址等信息，我们可以通过 ARP 协议获取对方的 MAC 地址。

网络接口层主要为网络层提供「链路级别」传输的服务，负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用 MAC 地址来标识网络上的设备。

各层的封装格式

网络接口层的传输单位是帧（frame），IP 层的传输单位是包（packet），TCP 层的传输单位是段（segment），HTTP 的传输单位则是消息或报文（message）。但这些名词并没有什么本质的区分，可以统称为数据包。