简述

对于同一台设备上的进程间通信,有很多种方式,比如有管道、消息队列、共享内存、信号等方式,而对于不同设备上的进程间通信,就需要网络通信,而设备是多样性的,所以要兼容多种多样的设备,就协商出了一套通用的网络协议

应用层

最上层的,也是我们能直接接触到的就是应用层,我们电脑或手机使用的应用软件都是在应用层实现。那么,当两个不同设备的应用需要通信的时候,应用就把应用数据传给下一层,也就是传输层。

所以,应用层只需要专注于为用户提供应用功能,不用去关心数据是如何传输的,就类似于,我们寄快递的时候,只需要把包裹交给快递员,由他负责运输快递,我们不需要关心快速是如何被运输的。

而且应用层是工作在操作系统中的用户态,传输层及以下则工作在内核态。

传输层

应用层的数据包会传给传输层,传输层是为应用层提供网络支持的。

在传输层会有两个传输协议,分别是 TCP 和 UDP。

TCP 的全称叫传输层控制协议(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 就相对很简单,简单到只负责发送数据包,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,把 TCP 的特性在应用层上实现就可以,不过要实现一个商用的可靠 UDP 传输协议,也不是一件简单的事情。

应用需要传输的数据可能会非常大,如果直接传输就不好控制,因此当传输层的数据包大小超过 MSS(TCP 最大报文段长度) ,就要将数据包分块,这样即使中途有一个分块丢失或损坏了,只需要重新这一个分块,而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中,我们把每个分块称为一个 TCP 段TCP Segment)。

当设备作为接收方时,传输层则要负责把数据包传给应用,但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据,因此需要用一个编号将应用区分开来,这个编号就是端口

比如 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。

由于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。

网络层

传输层可能大家刚接触的时候,会认为它负责将数据从一个设备传输到另一个设备,事实上它并不负责。

实际场景中的网络环节是错综复杂的,中间有各种各样的线路和分叉路口,如果一个设备的数据要传输给另一个设备,就需要在各种各样的路径和节点进行选择,而传输层的设计理念是简单、高效、专注,如果传输层还负责这一块功能就有点违背设计原则了。

也就是说,我们不希望传输层协议处理太多的事情,只需要服务好应用即可,让其作为应用间数据传输的媒介,帮助实现应用到应用的通信,而实际的传输功能就交给下一层,也就是网络层

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。

网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备,世界上那么多设备,又该如何找到对方呢?因此,网络层需要有区分设备的编号。

我们一般用 IP 地址给设备进行编号,对于 IPv4 协议, IP 地址共 32 位,分成了四段,每段是 8 位。只有一个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备,但是寻址起来就特别麻烦,全世界那么多台设备,难道一个一个去匹配?这显然不科学。

因此,需要将 IP 地址分成两种意义:

  • 一个是网络号,负责标识该 IP 地址是属于哪个子网的;
  • 一个是主机号,负责标识同一子网下的不同主机;

怎么分的呢?这需要配合子网掩码才能算出 IP 地址 的网络号和主机号。那么在寻址的过程中,先匹配到相同的网络号,才会去找对应的主机。

除了寻址能力, IP 协议还有另一个重要的能力就是路由。实际场景中,两台设备并不是用一条网线连接起来的,而是通过很多网关、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,就需要通过算法决定下一步走哪条路径。

所以,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

数据链路层

实际场景中,网络并不是一个整体,比如你家和我家就不属于一个网络,所以数据不仅可以在同一个网络中设备间进行传输,也可以跨网络进行传输。

一旦数据需要跨网络传输,就需要有一个设备同时在两个网络当中,这个设备一般是路由器,路由器可以通过路由表计算出下一个要去的 IP 地址。

那问题来了,路由器怎么知道这个 IP 地址是哪个设备的呢?

于是,就需要有一个专门的层来标识网络中的设备,让数据在一个链路中传输,这就是数据链路层,它主要为网络层提供链路级别传输的服务。

每一台设备的网卡都会有一个 MAC 地址,它就是用来唯一标识设备的。路由器计算出了下一个目的地 IP 地址,再通过 ARP 协议找到该目的地的 MAC 地址,这样就知道这个 IP 地址是哪个设备的了。

物理层

当数据准备要从设备发送到网络时,需要把数据包转换成电信号,让其可以在物理介质中传输,这一层就是物理层Physical Layer),它主要是为数据链路层提供二进制传输的服务。