【计网】TCP/IP四层模型（一）
OSI七层模型
OSI（Open Systems Interconnection）七层模型是国际标准化组织（ISO）提出的网络通信框架，用于标准化不同厂商设备之间的通信流程。
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物理层（Physical Layer）
作用：传输原始比特流（0和1），定义物理介质（电缆、光纤、无线）的电气、机械特性（如电压、接口形状）。
关键协议/设备：网线、光纤、集线器（Hub）。 通俗比喻：相当于“公路”本身，负责车辆（数据）的物理运输。 -
数据链路层（Data Link Layer） 作用： 将比特流组织成帧（Frame），进行差错检测（如CRC校验）。
通过MAC地址实现同一局域网内设备的直接通信（如交换机转发）。
关键协议/设备：以太网（Ethernet）、MAC地址、交换机（Switch）。
通俗比喻：像“邮递员”，在同一个社区（局域网）内根据门牌号（MAC地址）精准投递信件（数据帧）。 -
网络层（Network Layer）
作用：
通过IP地址实现不同网络间的路由选择（如路由器跨网转发）。
解决拥塞控制、分组拆分与重组。
关键协议/设备：IP协议、路由器（Router）、ICMP（Ping）。
通俗比喻：像“GPS导航系统”，规划跨城市（跨网络）的最佳路径（路由），确保包裹（IP数据包）到达目标城市。 -
传输层（Transport Layer） 作用：
提供端到端（应用程序到应用程序）的可靠传输（如TCP）或高效传输（如UDP）。
通过端口号区分不同服务（如80端口对应HTTP）。 关键协议：TCP（可靠传输）、UDP（快速传输）。
通俗比喻：像“快递公司”，TCP是顺丰（保证包裹不丢失），UDP是普通邮政（可能丢件但速度快）。 -
会话层（Session Layer） 作用： 建立、管理、终止应用程序之间的会话（如断点续传、身份验证）。
解决“谁可以通信”和“如何同步通信”问题。 关键协议：RPC（远程过程调用）、SSH会话。
通俗比喻：像“电话秘书”，负责拨通电话（建立会话）并在通话结束后挂断（终止会话）。 -
表示层（Presentation Layer） 作用： 数据格式转换（如加密/解密、压缩/解压、字符编码转换）。
确保发送方和接收方“说同一种语言”。 关键协议：SSL/TLS（加密）、JPEG/MPEG（多媒体编码）。
通俗比喻：像“翻译官”，将中文（发送方数据格式）翻译成英文（接收方可读格式）。 -
应用层（Application Layer） 作用：直接面向用户提供网络服务（如网页浏览、邮件发送）。
关键协议：HTTP（网页）、FTP（文件传输）、SMTP（邮件）。
通俗比喻：像“手机APP”，用户直接操作微信（应用层）发送消息，无需关心底层如何传输。
TCP/IP四层（或五层）模型
OSI七层模型理论完整，但在实际中并未被完全采用，而是将其简化为了TCP/IP四层模型，降低了复杂性，减少了冗余，应用更为广泛。
TCP/IP四层模型：
- 网络接口层（物理+数据链路）
- 网络层（IP）
- 传输层（TCP/UDP）
- 应用层（会话+表示+应用）
TCP/IP五层模型： - 物理层（硬件）
- 数据链路层（mac）
- 网络层（IP）
- 传输层（TCP/UDP）
- 应用层（会话+表示+应用）
为什么要有TCP/IP协议
TCP/IP协议是互联网的基础通信协议，它的存在解决了不同设备、不同网络之间的互联互通问题。
- 在早期互联网中，计算机是由不同厂商各种使用自己的通信协议来进行通信，不同计算机之间不能实现互联互通，而TCP/IP定义了一套完整的通信协议，就想你和朋友之间有一个暗号一样，就算没有互相看见彼此，也能通过暗号识别出对方，而TCP/IP也是这样，定义了一套完整的通信协议，屏蔽了底层差异，只要能够支持TCP/IP的计算机就能够进行通信。
- 随着两台主机之间距离变远，如何保证数据传输过程不会发生丢失，如何保证数据准确传输到对方主机上，如何保证对方主机能够识别出我发送的消息等一系列问题出现，为了解决这些问题，就出现了TCP/IP协议，所以协议本质上是一种解决问题的方案。
网络传输基本流程
局域网通信
为了实现两台主机在同一个局域网之间能够通信，那就要保证，主机之间的唯一性，而 MAC地址 就是用来标识主机之间唯一性的。
MAC地址
- MAC用来识别数据链路层中相连的节点
- 长度为 48 位，一般用16进制加上冒号的形式来标识，（例如：08:00:27:03:fb:19），在电脑上命令窗口输入
ipconfig /all就可以查看到自己主机的MAC地址 - MAC地址在网卡出厂时候就已经设定，不能修改，通常是唯一的（虚拟机中的MAC地址是虚拟的MAC地址，可能会冲突，有些网卡也支持用户自定义MAC地址）。
局域网通信
早期局域网通信过程
- 在以太网中，同一时刻只允许一台机器向网络中发送消息
- 如果有多台主机同时发送消息，就会发生数据碰撞
- 所有发送数据的主机都需要进行碰撞检测和碰撞避免
- 没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域
- 早期局域网通信，没有交换机的情况下，主机发送消息给其他主机是通过广播的形式发送的，每台主机都能收到消息
- 主机确认收到的是否是发给自己的是通过确认目标MAC地址是否是自己
现代局域网通信
- 现代局域网通信每台主机独立交换机端口，相当于每台主机都有一个专用的电话线，不会发送消息碰撞。
局域网通信过程（图解）
当我们发送你好的时候，需要经过TCP/IP四层模型，每经过一层都需要进行封装报头，在传输给另一台主机的时候，另一台主机就需要对封装的报文进行解包和分用，传输给上层
报文
- 报头对应协议层的结构体字段
- 除去报头，剩下的就叫做有效载荷
- 报文 = 报头 + 有效载荷
数据包封装过程
当数据从应用层向下传递时，每一层都会添加自己的头部（Header），形成新的数据单元：
- 应用层：生成原始数据（如HTTP请求）。
- 传输层：添加 TCP/UDP头 → 形成段（Segment）或数据报（Datagram）。
- 网络层：添加 IP头 → 形成 数据包（Packet）。
- 数据链路层：添加 MAC头 + CRC校验 → 形成 帧（Frame）。
- 物理层：转换为 比特流（Bit Stream） 发送到网络。
不同协议层对数据包有不同的称呼：
- 物理层：比特流
- 数据链路层： 帧（Frame）
- 网络层：数据包（Packet） 或 IP数据报（IP Datagram）
- 传输层：TCP（段（Segment））和 UDP（数据报（Datagram））
- 应用层：消息（Message） 或 数据流（Data Stream）
数据分用的过程
跨局域网传输（广域网传输）
IP地址
IP地址有两个版本IPV4和IPV6
IPv4 vs IPv6 特性对比
| 特性 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32位（4字节） | 128位（16字节） |
| 表示形式 | 点分十进制（如 192.168.1.1） | 冒号分十六进制（如 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334） |
| 地址总数 | 约43亿（2³²） | 约3.4×10³⁸（2¹²⁸） |
| 分块大小 | 每段8位（0-255） | 每段16位（0-FFFF） |
| 地址类型 | 单播、组播、广播 | 单播、组播、任播（取消广播） |
| 报文头大小 | 20-60字节（可变） | 固定40字节 |
| NAT | 必需（地址不足） | 可选（地址充足） |
关键区别说明
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地址空间
- IPv4仅支持约43亿地址，早已耗尽（依赖NAT缓解）
- IPv6地址数量足够为地球每粒沙子分配一个IP
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地址表示
- IPv4使用点分十进制（4段，每段0-255）
- IPv6使用冒号分十六进制（8段，每段0-FFFF），支持压缩写法（
::替换连续全零段）
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性能优化
- IPv6固定40字节报文头，去除了校验和等字段
- 取消广播，改进组播和任播支持
- 原生支持移动IP和QoS标记
网络通信过程（图解）
网络通信过程中IP地址和MAC地址区别：
- 源IP地址和目的IP地址在整个通信过程中一直不变。
- 源MAC地址和目的MAC地址在整个通信过程中一直变。
- MAC地址用于局域网中通信，IP地址用于广域网中通信
端口号
端口号是传输层协议的内容
- 端口号是一个2字节16位的整数
- 端口号用来标识主机上的唯一进程
- IP地址 + 端口 用来标识唯一主机上的唯一进程
- 一个端口号只能被一个进程占用
端口号范围
- 0 - 1023: 知名端口号, HTTP（80）, FTP（20和21）, SSH（22） 等这些广为使用的应用层协议, 他们的
端口号都是固定的 - 1024 - 65535: 操作系统动态分配的端口号. 客户端程序的端口号, 就是由操作
系统从这个范围分配的
（一个进程可以绑定多个端口号，但一个端口号只能被一个进程绑定）
端口号和进程ID
标识唯一进程可以用进程的pid来标识，这里为什么还要用到端口号呢，那是为了解耦，防止网络编程和系统进程管理强耦合。