【计算机网络】详解TCP/IP分层模型&局域网和跨网络通信的原理

一、网络协议

两个概念：交换机：实现位于同一个子网中的主机数据交换。路由器：实现数据包的跨网络转发。

两台主机的距离变远了，会引发出一系列问题：

1、如何使用数据的问题 2、数据的可靠性问题 3、主机定位问题 4、数据报局域网转发问题

为了解决这些问题，就有网络协议，也就是TCP/IP协议。网络协议是层状结构的。 

二、OSI七层模型

在实践中，一般将会话层、表示层、应用层统一称为应用层，由用户自主实现。

2.1、TCP/IP五层(或四层)模型

 TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了 TCP/IP协议簇。TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。物理层我们考虑的比较少. 因此很多时候也可以称为 TCP/IP四层模型。

物理层: 负责光/电信号的传递方式. 比如现在以太网通用的网线(双绞线)、早期以太网采用的的同轴电缆 (现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层。 数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层。 网络层: 负责地址管理和路由选择.。例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层。 传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。 应用层: 负责应用程序间沟通，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等.。我们的网络编程主要就是针对应用层。

TCP/IP协议是在操作系统内部实现的，网络也属于操作系统源代码的一部分。 因为操作系统是用C语言实现的，所以TCP/IP协议也是用C语言实现的。

如何使用数据的问题是由应用层解决的，数据的可靠性问题是由传输层解决的，主机定位问题是由网络层解决的，数据报局域网转发问题是由数据链路层解决的。

三、局域网通信

 同一个局域网中的主机可以直接通信，这就是以太网的通信原理。局域网中所有的主机都接在同一根网线上，如果当两个主句同时向网络中发送消息时，就有可能发生数据碰撞问题，发送消息的主机需要进行碰撞的检测和避免。任何一个局域网就是一个碰撞域，任何时刻只允许一台主机在局域网中发送消息（以太网）。 局域网本质就是一个临界资源。局域网中如果主机太多了，为了减少数据碰撞，就要有交换机了。

3.1、Mac地址

   Mac地址是一种硬件地址，每一台主机上（手机、电脑）都会有网卡，网卡在出厂的时候就内置了一个序列号，这个序列号是全球唯一的。这个序列号就叫做Mac地址（48位）。

        MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；长度为48位，及6个字节。 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19) 在网卡出厂时就确定了，不能修改。mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置mac地址)。

 3.2、局域网通信原理

消息不能凭空从一个主机直接发送给另一个主机，必须通过物理介质。当一个主机想要给另一个主机发送一条消息时，在每一层上都要添加协议报头。所谓的添加协议报头，就是在一串二进制数据的前面添加一个固定的结构体对象。报文不断自顶向下进行交付的过程，要添加每一层协议报头，这个过程叫做封装。

数据加上上面层所封装的报头称之为该层的有效载荷。报文为协议报头+有效载荷。每一层的报文都有各自的叫法，自顶向下分别为request/response，数据段，数据报，数据帧。

当另一台主句获取了报文以后，就要对该报文进行解包和分用。解包是指将报头和有效载荷进行分离，分用是将自己的有效载荷交给上层的协议。在逻辑上，同层协议都可以认为自己在与对方直接通信。

四、横跨路由器的网络通信

路由器至少要横跨两个网络，所以路由器要有两张网卡，也就意味着路由器会有两个Mac地址。数据在转发的过程中会存在两套地址，一套是源IP地址和目的IP地址，另一套为源Mac地址和目标Mac地址。

如上图所示，当报文传送到网络层时，添加的网络层报头中包含了源IP地址和目的IP地址（也包括源端口号和目标端口号），传送到数据链路层时，添加的数据链路层报头中包含了源Mac地址和目标Mac地址，通过目标Mac地址路由器获取报文，通过解包分用再封装添加新的数据链路层报头，交由对应的网卡接收。在网络层及网络层以上，发送方和接收方收到的东西完全相同，这样就屏蔽了各局域网的数据链路层的区别。底层Mac地址的转化全都由路由器帮我们做了。