OSI七层模型和TCP/IP四层模型（二）

2、自下而上的网络分层

1.物理层

电脑要组网，第一件事要干什么？固然是先把电脑连起来，能够用光缆、电缆、双绞线、无线电波（WiFi）等方式。物理层的做用就是经过物理手段把电脑链接起来，它主要规定了网络的一些电气特性，做用是负责传送0和1的电信号。

这里说一下，经过物理手段将设备链接起来组网，物理手段就是光缆、电缆、双绞线、无线电波（WiFi）等，好比中美之间的网络通讯是经过海底光缆；两个不一样的局域网（电信的网络和移动的网络）通信，嗯，稍微麻烦点，个人电信手机先连上电信的服务器，你的移动手机连移动服务器，他们两个ISP（Internet Service Provider 互联网服务提供商）之间是经过物理手段连接的，这样咱们就可以间接的实现通信了。

互联网能够说就是用物理设备将各个“局域网”相连组成的更大的“局域网“，更大局域网层层相连，最终就组成了”互联网“，好比小的互联网就是你家和我家的WiFi,一个省的每户家庭的WiFi组成这个省的局域网，各个省的局域网组成中国的局域网，各个国家之间的局域网经过物理手段互联就组成了横跨世界的”互联网“（固然天朝还有一堵墙）。

2.数据链路层

1)定义

物理层就是传输电路的0和1信号的，可是单纯的0和1没有意义，必须规定解读方式：多少个0和1算一组？每一个信号有什么意义？——这就是链路层的意义，它在物理层的上方，肯定了0和1的分组方式。

2)以太网协议

早些时候，各个公司都有本身的电信号分组方式，后来出现了“以太网”这种协议逐渐占据了主导的地位。“以太网”规定，一组电信号构成一个数据包，叫作“帧（Frame）”；每一帧分红两个个部分：标头（Head）和数据（Data）。

所以，数据链路层链路层的数据包就叫“以太网数据包”，他由“标头”和“数据”两部分组成——其中，“标头”包含数据包的一些说明项，好比发送者、接受者、数据类型等等。

3)MAC地址

上面咱们提到，以太网数据包的“标头”包含了发送者和接受者的信息，那么，发送者和接受者是如何标识的呢？

• 以太网规定，连入网络的全部设备，都必须具备“网卡”接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另外一块网卡，网卡的地址，就是数据包的发送地址和接受地址，也叫MAC地址。

• 每块网卡出厂的时候，都有全世界独一无二的MAC地址，长度是48位的二进制，一般用12个十六进制数表示。

• 前6个十六进制是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号，有了MAC地址，就能够定位网卡和数据包的路径了。

4)广播

定义地址只是第一步，后面还有更多步骤—首先，一块网卡怎么只带另外一块网卡的MAC地址？回答是有一种ARP协议，能够解决这个问题。这个留到后面介绍，这里只须要知道，以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，而后才能发送。

其次，就算有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？回答是以太网采用了一种很"原始"的广播式的方式，它不是把数据包准确送到接收方，而是向本网络（局域网）内全部计算机发送，让每台计算机本身判断，是否为接收方。

一台计算机向本局域网内的全部电脑均发送相同的数据包，其余计算机收到这个数据包以后，会读取这个数据包的“标头”，找到其中接收方（目标方）的MAC地址，而后与自身的MAC地址进行比对，若是二者相同，说明就是要发给本身的，而后接受这个包并作出进一步的处理，不然丢弃这个包。这种发送方式就叫“广播”，主要经过分组交换机或者网络交换机进行。

3.网络层

根据上面的讲解，理论上依靠MAC地址和广播技术，上海的网卡发出的数据包就能够找到洛杉矶网卡了——可是若是全世界的计算机都这么干，那么每一台计算机发出的数据包都同步广播到全世界其余电脑，再一一比对判断，这样显然是低效、不现实的。

所以，上面咱们强调，广播是在发送者所在的局域网内广播的，不一样也就是说，若是两台计算机没有在同一个子网（局域网）内，是没法经过广播直接传过去的。前面咱们说过，互联网是由一个个子网组成的更大的子网，一级一级组网，最终构成的互联网。

所以咱们必须找到一种方法，区分哪些MAC地址属于同一个子网。若是是同一个子网就采用广播的形式，若是不是，则采用“路由”的方式（后面会讲）发送——这就致使了网络层的出现，他的做用是引入一套新的地址，使咱们可以区分哪些计算机属于同一个子网，这套机制就叫作“网络地址”，也就是“IP地址”。

1)IP协议

规定网络地址的协议，叫IP协议。他定义的地址，就叫作“IP地址”。IP地址目前有IPV4(Internet Protocol version 4，IPv4)和IPV6(Internet Protocol version 4，IPv6)两版，又称“互联网通讯协议第四/六版”。2011年，IANA IPv4 pool地址彻底用尽时，IPv6仍处在部署的初期，所以IPV4地址也是目前最为普遍的IP地址——这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成,习惯上，咱们分红四段十进制数表示IPV4地址，从0.0.0.0到255.255.255.255。

互联网的每一台计算机，都会被分配到一个IP地址，这个地址由两部分组成，前一部分表明网络，后一部分表明主机（又称终端系统，end system）。 好比，IP地址172.16.254.1，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（172.16.254），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分一定是相同的，也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络，然后面的“2”与“1”则是同一子网内两台不一样电脑（主机）的编号。

2)子网掩码

问题在于单单从IP地址，咱们没法判断网络部分。仍是以172.16.254.1为例，它的网络部分，究竟是前24位，仍是前16位，甚至前28位，从IP地址上是看不出来的。那么，怎样才能从IP地址，判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另外一个参数**"子网掩码"**（subnet mask）。

** 所谓"子网掩码"，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分所有为1，主机部分所有为0。**好比，IP地址172.16.254.1，若是已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

知道"子网掩码"，咱们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，不然为0），而后比较结果是否相同，若是是的话，就代表它们在同一个子网络中，不然就不是。

3)路由/路由器/网关/交换机

上面咱们已经肯定了两台计算机是否在同一个子网中，若是在，则采用广播+MAC寻址的的方式发送数据包，若是不是，则要采用“路由”的方式了，那么什么是“路由”呢？

路由（routing）

就是经过互联的网络把信息从源地址传输到目的地址的活动。路由引导分组转送，通过中间的一些节点，到它们最后的目的地。

从“路由”的定义中能够看到，“路由”是一种活动，一种动做，一种行为，做用是是将信息从原地址传输到目的地址，比较特殊的是，原地址和目标地址是在两个不一样的子网中的。 那么如何传输呢？路由定义一条路径，通过因特网发送包到另外一网络上的地址，但路由不定义彻底路径，只定义从主机到能够将包转发到目的地的网关（子网）间的路径段（或从一个子网到另外一个子网）。

路由器（Router）

简单理解就是实现路由功能的机器。路由器链接两个或多个网络并提供路由功能。

前面咱们说过，网卡是计算机的一个硬件，它在接收到网路信息以后，将信息交给计算机。当计算机须要发送信息的时候，也要经过网卡发送。一台计算机能够有不仅一个网卡，好比笔记本就有一个以太网卡和一个WiFi网卡。计算机在接收或者发送信息的时候，要先决定想要经过哪一个网卡。路由器(router)能够通俗理解为一台配备有多个网卡的专用电脑，它让网卡接入到不一样的网络中。

网关（Gateway）

是路由器的一种，一般咱们把网络层使用的路由器称为网关，路由器能够在网络接口级或物理级路由；网关是在网络层上路由（我的感受应该是一种概念，即在网络层链接两个子网的概念，并不存在实体，真正实现路由功能仍是得靠路由器）。

说的再通俗一点，路由器上面有MAC地址和MAC地址对应的IP，而网关因为是网络层的概念所以只有IP地址。在今天不少局域网采用都是路由来接入网络，所以如今一般指的网关就是路由器的IP。

另外，须要强调一点，虽然路由器上面有MAC地址和IP地址，但它并不能经过MAC地址工做，必须经过IP寻址。所以它是工做在网络层的设备。

网络交换机（Network Switch）

是一个扩大网络的器材，能为子网中提供更多的链接端口，以便链接更多的电脑。交换机与路由器的区别：

• 工做层次不一样
  • 交换机主要工做在数据链路层（第二层）
  • 路由器工做在网络层（第三层）。
• 转发依据不一样
  • 交换机转发所依据的对象是：MAC地址。（物理地址）
  • 路由转发所依据的对象是：IP地址。（网络地址）
• 主要功能不一样
  • 交换机主要用于组建局域网，链接同属于一个(广播域)子网的全部设备，负责子网内部通讯（广播）。
  • 路由主要功能是将由交换机组好的局域网相互链接起来，或者将他们接入Internet。
  • 交换机能作的，路由都能作。
  • 交换机不能分割广播域（子网），路由能够。
  • 路由还能够提供防火墙的功能。
  • 路由配置比交换机复杂。

交换机虽然主要依靠MAC地址查找工做在数据链路层，可是他也能够有IP地址，这样就能够进行远程登陆等操做了。

• LAN，全称Local Area Network，中文名叫作局域网；
• WAN，全称Wide Area Network，中文名叫作广域网。
• WLAN，全称Wireless LAN, 无线局域网，通俗点讲就是WiFi。

WAN是一种跨越大的、地域性的计算机网络的集合。一般跨越省、市，甚至一个国家。广域网包括大大小小不一样的子网，子网能够是局域网，也能够是小型的广域网。

家用的路由器，通常包括了交换机和路由器，所以他有两个接口——WAN端口用于链接至Internet；LAN端口用于链接至局域网设备。

PASS:举例

4)ARP协议

在上面的过程当中，咱们实际上假设了，每一台主机和路由都能了解局域网内的IP地址和MAC地址的对应关系，这是实现IP包封装(encapsulation)到帧的基本条件。 IP地址与MAC地址的对应是经过ARP协议传播到局域网的每一个主机和路由。每一台主机或路由中都有一个ARP cache，用以存储局域网内IP地址和MAC地址如何对应。

ARP协议(ARP介于数据链路层和网络层之间，ARP包须要包裹在一个帧中)的工做方式以下：主机发出一个ARP包，该ARP包中包含有本身的IP地址和MAC地址。经过ARP包，主机以广播的形式询问局域网上全部的主机和路由：我是IP地址xxxx，个人MAC地址是xxxx，有人知道199.165.146.4的MAC地址吗？拥有该IP地址的主机会回复发出请求的主机：哦，我知道，这个IP地址属于个人一个NIC（网卡），它的MAC地址是xxxxxx。因为发送ARP请求的主机采起的是广播形式，并附带有本身的IP地址和MAC地址，其余的主机和路由会同时检查本身的ARP cache，若是不符合，则更新本身的ARP cache。

这样，通过几回ARP请求以后，ARP cache会达到稳定。若是局域网上设备发生变更，ARP重复上面过程。ARP协议只用于IPv4。IPv6使用Neighbor Discovery Protocol来替代ARP的功能。

4.传输层

1)端口号

有了MAC地址和IP地址，咱们已经能够在互联网上的任意两台电脑之间创建通讯了。接下来的问题是，同一台主机上许多程序（进程）都须要用到网络，好比你一遍浏览网页一遍聊天。当一个数据包从网上发送过来的时候，咱们须要一个参数来区分，他究竟是提供哪一个进程使用的——这个参数就叫作“端口号”，他其实就是每个使用网卡的程序的编号。 每一个数据包发送到主机特定的端口，因此不一样的程序就能取到本身想要的数据包。

端口是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制。0~1023的端口被系统占用，用户只能使用大于1023的端口。 无论是浏览网页仍是聊天，应用程序都会随机选用一个端口，而后与服务器创建相应的端口关系。这里须要补充一点，HTTP协议默认使用80端口，8080是用来访问代理服务的。

“传输层”的功能，就是创建“端口到端口”之间的通讯。相比之下，“网络层”的功能是创建“主机到主机"的通讯。 只要肯定主机和端口号，咱们就能实现程序之间的交流。

2)Socket

上面咱们已经说了，传输层是创建“端口到端口”之间的通讯，更具体一点，也就是程序和程序之间的通讯，或者“进程间通讯”。 嗯，挺唬人的一个概念。

进程间通讯分为两种——一种是主机内部（或终端内部）进程间通讯 ，这个由终端或主机上的操做系统决定，好比在Android系统上面进程间通讯就是AIDL；另外一种是跨主机进程间通讯或者网络进程间通讯，也叫 “socket通讯” 。咱们能够先笼统的理解——Unix系统把主机+端口，叫作"套接字"（socket），固然，这样说是有失偏颇的。

那么，Socket是什么？

• 从编程语言的角度，socket是一个无符号整型变量，用来标识一个通讯进程。 两个进程通讯，总要知道这几个信息：双方的ip地址和端口号，通讯所采用的协议栈。socket就是和这些东西绑定的，实现socket可使用unix提供的接口，也可使用Windows提供的winSock。

• socket本质是编程接口(API)，对TCP/IP的封装。TCP/IP只是一个协议栈，必需要具体实现，同时还要提供对外的操做接口（API），这就是Socket接口。 经过Socket,咱们才能使用TCP/IP协议，所以有了一系列咱们知道的函数接口——connect、accept、send、read、write等。

JDK的java.net包下有两个类：Socket和ServerSocket，在Client和Server创建链接成功后，两端都会产生一个Socket实例，操做这个实例，完成所需的会话，而程序员就经过这些API进行网络编程。 Socket链接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，链接确认。

3)UDP/TCP协议

UDP和TCP协议都是传输层的协议，他们的主要做用就是在应用层的数据包标头加上端口号（或者在IP协议的数据包中插入端口号）。

• UDP协议的优势是比较简单，容易实现，可是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，没法知道对方是否收到。
• TCP协议能够近似认为是有确认机制的UDP协议。每发出一个数据包都要求确认。若是有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。

TCP协议主要的确认机制是"三次握手，四次挥手",因为这个协议很是复杂，咱们会另起一篇文章详细讲解。

5.应用层

应用程序收到"传输层"的数据，接下来就要进行解读。因为互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，不然根本没法解读。。"应用层"的做用，就是规定应用程序的数据格式。 举例来讲，TCP协议能够为各类各样的程序传递数据，好比Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不一样协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了"应用层"。这是最高的一层，直接面对用户。

这里的应用层是文章开头的OSI七层模型的最上面三层的综合，由于是直接面向用户，所以它的主要做用是“消除设备固有数据格式和网络标准数据格式直接的差别”，由于在网络流中，数据的格式是标准化的，可是具体到不一样得设备，不一样的操做系统上，他的要求数据呈现格式是不一样的，所以须要转化成统一的、用户可以感知的声音、图片、文字等信息，这就是应用层作的事情。

1)用户上网设置

• 本机的IP地址
• 子网掩码
• 网关的IP地址
• DNS的IP地址

2)DNS解析

网域名称系统（英文：Domain Name System，缩写：DNS），端口53，是互联网的一项服务。它做为将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，可以令人更方便地访问互联网。

什么意思？咱们上面已经说了，网络中的数据包，是经过“端口号+IP地址+MAC地址”来识别目的地址的，也就是说定位一个主机的时候，咱们是定位的是他的IP地址，而后咱们经过浏览器访问的时候呢？好比咱们要访问谷歌，就在浏览器中输入他的"域名"：www.google.com ，却不是谷歌服务器的IP地址——这个时候，DNS协议就起做用了：

咱们输入www.google.com 并按下回车的时候，本机服务器先是请求DNS服务器，DNS服务器根据咱们发送的域名，根据DNS协议，解析成该域名对应的IP地址并返回给本机，这样，咱们就能够进行下面几层的地址封装了。