網(wǎng)絡(luò)參考模型及協(xié)議族介紹

1. 前言

對于現(xiàn)代人來說，大家對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Internet、因特網(wǎng)這些術(shù)語都很熟悉。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是由能夠相互通信的終端和其他通信子網(wǎng)中的通信設(shè)備連接在一起，而組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常把網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備叫做節(jié)點(diǎn)，包括：PC、打印機(jī)、手機(jī)，路由器、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)等。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的早期，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)僅僅是由科研院所、大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)組成。今天看來，組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的終端系統(tǒng)不僅僅是計(jì)算機(jī)了，還包括手機(jī)、汽車、家用電器、攝像頭等很多類型的終端。Internet 是指世界范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連在一起形成的系統(tǒng)，中文叫做互聯(lián)網(wǎng)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸方式也在不斷的變化，從同軸電纜到光纖，從有線到無線。通常來講，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通過有線連接或者無線連接進(jìn)行信號傳輸?shù)?。在短距離傳輸信號通常是通過有線或者無線傳輸，比如通過雙絞線線或者 WIFI 傳輸。在長距離傳輸信號是通過光纖傳輸。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的通信就是進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，然而計(jì)算機(jī)不像人可以獨(dú)立思考，需要程序員為它們設(shè)計(jì)一組通信協(xié)議，它們彼此才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)包。所以學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，一定是離不開學(xué)習(xí)各種通信協(xié)議的。那么什么是協(xié)議呢？

2. 什么是協(xié)議

我們知道人類是通過語言進(jìn)行溝通的。比如，帥哥 A 說：“慕課網(wǎng)的課程都很棒！”。而美女 B 是 imooc 迷，隨聲附和道：“嗯，確實(shí)！”。然而美女 C 完全不了解 imooc， 她可能默不作聲，或者反問：“慕課網(wǎng)是什么？”。這意味著，人們的溝通是基于一定的前提假設(shè)的，是基于一些大家都能理解的、約定俗成的規(guī)定的。我們把這些約定或者規(guī)則叫做協(xié)議（Protocol）。

兩臺計(jì)算機(jī)之間的通信也是模擬人類交流的，通信之前也需要有一些約定，也就是說要提前設(shè)計(jì)好協(xié)議。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)模非常龐大，數(shù)據(jù)包的收發(fā)過程也非常復(fù)雜。為了使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)容易理解、傳播和實(shí)現(xiàn)，科學(xué)家們對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，最終形成了經(jīng)典的 ISO/OSI 參考模型和 TCP/IP 參考模型。

3. ISO/OSI 七層模型和 TCP/IP 四層模型

網(wǎng)絡(luò)分層的主要是采取分治策略，使得復(fù)雜問題簡單化，網(wǎng)絡(luò)模塊組件化。每一層都有自己的職責(zé)，每一層對上一層提供服務(wù)，這樣實(shí)現(xiàn)了職責(zé)單一，進(jìn)而提高了組件的復(fù)用性。。在網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化過程中，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為 7 層，叫做開放系統(tǒng)互聯(lián)模型(OSI)。同時(shí)，TCP/IP 四層模型正處于開發(fā)階段。最終，OSI 模型和 TCP/IP 模型有一些差異，對比圖如下：

從圖中可以看出，ISO/OSI 七層模型和 TCP/IP 四層模型之間存在兩個(gè)差異：

• TCP/IP 參四層模型沒有表示層和會話層。那么，TCP/IP 參考模型不需要表示層和會話層嗎？答案是：“如果需要這兩層，就由應(yīng)用程序員來實(shí)現(xiàn)”。經(jīng)過這么多年發(fā)展來看，需要表示層和會話層的場景并不多。
• TCP/IP 模型好像沒有鏈路層，其實(shí)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程中，鏈路層包含了網(wǎng)卡驅(qū)動部分和物理介質(zhì)部分，所以通常把二者統(tǒng)一叫做鏈路層。

各層具體功能解釋如下：

• 應(yīng)用層（Application Layer） 是由應(yīng)用程序自定義的協(xié)議格式。不同的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的需求是不同的，必須給用戶自定義協(xié)議格式的權(quán)利。最廣泛的應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)該是 HTTP 了吧，幾乎每個(gè)人都在用。

• 表示層（Presentation）主要是定義數(shù)據(jù)格式。比如，加密和解密、壓縮和解壓縮。在 TCP/IP 模型中，表示層協(xié)議包含在應(yīng)用層里。比如 SSL/TLS 協(xié)議。

• 會話層（Session Layer）用于在兩個(gè)通信實(shí)體之間建立會話、維護(hù)會話、終止會話。設(shè)置檢查點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰拉起后，通過尋找檢查點(diǎn)恢復(fù)運(yùn)行。在 TCP/IP 模型中，會話層協(xié)議包含在應(yīng)用層里。比如 NetBIOS 協(xié)議。

• 傳輸層（Transport Layer） 是在兩個(gè)通信主機(jī)之間進(jìn)行報(bào)文傳送。在 TCP/IP 模型中最重要的兩個(gè)傳輸協(xié)議就是 TCP 和 UDP，前者是可靠的、面向字節(jié)流的傳輸；后者是不可靠的、面向數(shù)據(jù)報(bào)(Datagram)的傳輸。

提示：
通常把 TCP 傳輸?shù)膱?bào)文稱作報(bào)文段（Segment）。
通常把 UDP 傳輸?shù)膱?bào)文稱作消息（Message）或者是數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）。

• 網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）是將 IP 分組從源端路由到目的端。網(wǎng)絡(luò)層是為傳輸層服務(wù)的，在發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)層收到傳輸層的數(shù)據(jù)后，必要時(shí)會對數(shù)據(jù)切片以后再封包發(fā)送。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是路由器的主要職責(zé)，是構(gòu)建通信子網(wǎng)的基礎(chǔ)。比如， RIP、OSPF 就是最基礎(chǔ)的路由協(xié)議。路由器是通過 IP 分組的目的 IP 地址查找本地路由表，尋找轉(zhuǎn)發(fā)的目標(biāo)端。所以路由器的主要工作就是路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)，IP 分組是逐跳（hop）轉(zhuǎn)發(fā)的。

提示：
通常把網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)膱?bào)文叫做 IP 分組（Packet）。

• 鏈路層（Data Link Layer）是為網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)的。發(fā)送的時(shí)候?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)分片，封裝成幀（Frame），然后順序發(fā)送。與網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)端到端的路由不同，鏈路層是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送。常用的鏈路層協(xié)議就是以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議。

提示：
通常把鏈路層傳輸?shù)膱?bào)文叫做幀（Frame）。

• 物理層（Physical Layer）是描述如何在物理介質(zhì)中傳輸 bit 位。比如，用多少伏電壓表示“1”，用多少伏電壓表示“0”等。

我們把分層的網(wǎng)絡(luò)參考模型叫做協(xié)議棧(Protocol Stack)。目前所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)都采用了 TCP/IP 參考模型。協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)是包含在操作系統(tǒng)內(nèi)核中的，比如 Windows 和 Unix-like 系統(tǒng)。

4. TCP/IP 協(xié)議族

TCP/IP 協(xié)議族包含了很多協(xié)議，一些比較重要的、常用的協(xié)議展現(xiàn)如下：

依據(jù) TCP/IP 參考模型，我們把協(xié)議棧從上到下分為 4 層，每一層都有相應(yīng)的協(xié)議。

1. 應(yīng)用層

• HTTP（Hypertext Transfer Protocol）超文本傳輸協(xié)議，只要你瀏覽頁面就會用到此協(xié)議。

• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）簡單郵件傳輸協(xié)議，用于電子郵件傳輸。

• FTP（File Transfer Protocol）文件傳輸協(xié)議，用于文件的上傳和下載?，F(xiàn)在 FTP 貌似用的不多了，早期主要是在公司內(nèi)部、大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)用的比較多。

• RTMP（Real-Time Messaging Protocol）實(shí)時(shí)消息協(xié)議，用于實(shí)時(shí)流媒體傳輸，主要用在音視頻直播領(lǐng)域，屬于 Adobe 公司出品。不過，從 2020 年開始，Adobe 就不再支持 RTMP 協(xié)議了。

• SNMP（Simple Network Management Protocol）簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，用于電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理。比如，監(jiān)控設(shè)備告警，對設(shè)備進(jìn)行業(yè)務(wù)配置等。主要是在思科、華為等電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上用的比較多。
  其實(shí)，應(yīng)用層除了以上諸多知名協(xié)議外，也可以是用戶自定義協(xié)議。

2. 傳輸層

• TCP（Transmission Control Protocol）傳輸控制協(xié)議，是面向連接的、可靠的、面向字節(jié)流的傳輸協(xié)議。TCP 應(yīng)用非常廣泛，是端到端傳輸?shù)幕?/p>

• UDP（User Datagram Protocol）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，是無連接的、不可靠的、面向消息的傳輸協(xié)議。UDP 實(shí)時(shí)性好，效率高，在音視頻傳輸中有著廣泛的應(yīng)用。

3. 網(wǎng)絡(luò)層

• IPv4 （Internet Protocol version 4）此協(xié)議主要是用于 IP 分組的路由轉(zhuǎn)發(fā)，是路由器主要實(shí)現(xiàn)的協(xié)議。我們經(jīng)常說的 IP 地址是指 IPv4 地址，用 32 bit 來表示。

• IPv6 （Internet Protocol version 6）此協(xié)議工作原理類似 IPv4。之所以設(shè)計(jì) IPv6 的目的是因?yàn)樯鲜兰o(jì) 90 年代中期，因特網(wǎng)爆炸式的增長，32 位 IPv4 地址不夠用了，為此才設(shè)計(jì)了 128 位的 IPv6 地址。

• ICMP（Internet Control Message Protocol）因特網(wǎng)控制消息協(xié)議，主要是用于顯示網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤。比如，我們用 ping 的時(shí)候，有時(shí)會顯示“網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)”的錯(cuò)誤。

• ICMPv6 （Internet Control Message Protocol Version 6）整合了 ICMP 協(xié)議，針對 IPv6 開發(fā)的協(xié)議。

• IGMP（Internet Group Management Protocol）因特網(wǎng)組管理協(xié)議，主要是用于 IP Multicast 的場景，比如觀看 IP 電視節(jié)目。

4. 鏈路層

• ARP（Address Resolution Protocol）地址解析協(xié)議，主要是用于生成 IP 地址和物理地址(比如以太網(wǎng) MAC 地址)的映射表，用于數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)。

• RARP（Reverse Address Resolution Protocol）反向地址解析協(xié)議，主要是用于生成物理地址和 IP 地址的映射。

以上這些協(xié)議屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)協(xié)議，需要很好的掌握其工作原理。

5. 小結(jié)

本文開篇簡單介紹了網(wǎng)絡(luò)的基本概念，重點(diǎn)介紹了 ISO/OSI 參考模型和 TCP/IP 參考模型的結(jié)構(gòu)，各層的基本功能，以及二者的對比。其實(shí)，ISO/OSI 參考模型只是一個(gè)用于教學(xué)的理想模型，并沒有產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。而目前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧都是采用 TCP/IP 參考模型。

關(guān)于 TCP/IP 參考模型中的協(xié)議有很多，我們重點(diǎn)介紹了常用的幾個(gè)協(xié)議，這些協(xié)議是日常工作中必不可少的，需要重點(diǎn)掌握。尤其是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)原理，IP 分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理，可靠性 TCP 的工作原理和不可靠性 UDP 的工作原理，建議重點(diǎn)學(xué)習(xí)。