计算机网络分层模型中每层有哪些作用?

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网络层的传输单位是数据报(包),任务是为不同网络主机之间提供通信服务,把数据从源端传到目的端。使用 IP 地址来标识网络上的设备。

​一.计算机网络的分层

在计算机网络体系中,采用层次化的思想,将通信协议中必要的功能进行分层,每一层都接收由它下一层所提供的特定服务,并且负责为自己的上一层提供特定的服务。上下层之间进行交互所遵循的约定叫做『接口』,同一层之间进行交互所遵循的约定叫做『协议』。

  • 『接口』即相邻两层之间交换位置的连接点,是上层使用下层服务的入口。
  • 『协议』即通信双方所做的一些约定,比如怎么开始通信、信息的格式与顺序、怎么结束通信等。协议非常重要,我们在学习计算机网络过程中,重点就是理解各种协议,如 HTTP、DNS、TCP 等。只有通信双方同时支持相同协议,才能进行通信。就像人类之间通信交流一样,假如一个人只会英文,那么给他说中文,就会不知所云。

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计算机网络为什么要采用分层模型呢?主要原因在于分层存在以下优势:

  • 分层是软件设计中的一个常见套路,它也是一种常见解耦的思路,可以有效减少程序中出现『牵一发而动全身』的情况。将每个分层独立使用,灵活性更强,即使系统中某些分层发生变化,也不会波及整个系统。
  • 分层也可以将复杂的网络问题分解为许多比较小的、界线比较清晰简单的部分来处理,从而更易于单独实现每个分层的协议,并界定各个分层的具体责任和义务。

当然也不是分层越多越好,即分层可能也存在一些劣势,比如有时可能会过分模块化,使处理变得更加沉重以及不同模块可能要处理相似的逻辑,从而出现冗余等问题。

二.常见参考模型

在计算机通信的初期,每家计算机厂商都生产各自的网络产品来实现计算机通信。而由于缺乏标准化,不同厂商设定的各种协议之间不兼容,无法跨厂商通信,非常不方便。

为了解决上述问题,国际标准化组织 ISO 制定了一个国际标准 OSI 参考模型 ,将计算机网络体系划分为 7 层,对通信系统进行了标准化。此模型概念清晰,但非常复杂,实现较为困难,并没有得到普及。

出于实用的目的, ARPA 提出了 TCP/IP 参考模型(其实比 OSI 模型出现更早),将计算机网络划分为 4 层。此模型在标准制定过程中将真正能够实现通信的技术作为首要任务(更看重的是如何实现,而不是理论),并且一旦发现有什么问题,就及时修改程序、协议或相应文档,模型更加简洁,且实用性更强,最终成为了业界标准。但是 TCP/IP 最下面的网络接口层概念并不清晰,没有什么具体内容。

为了方便理解计算机网络原理,在计算机网络教程中,通常综合 OSI  7 层模型和 TCP/IP  4 层模型的优缺点,将计算机网络分为 5 层,既简洁又能将概念阐述更加清楚(当然实际上应用的还是 TCP/IP 模型)。

几种计算机网络参考模型的示意图如下:

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三.5层参考模型简介

  • 应用层应用层的传输单位是报文,任务是完成特定网络应用,比如传输电子邮件、传送文件、请求与响应 Web 文档等具体网络功能,用户直接接触到的就是这一层,常见协议有 HTTP、FTP、DNS、SMTP。
  • 传输层传输层的传输单位是报文段,任务是为不同进程之间提供通信服务。一台主机上可能运行着很多进程(比如用户可能一边听着歌,一边聊着天,运行着不同的进程,那么就需要知道数据应该发送给哪个进程),通过端口号进行区分。常见协议有 TCP、UDP。
  • 网络层网络层的传输单位是数据报(包),任务是为不同网络主机之间提供通信服务,把数据从源端传到目的端。使用 IP 地址来标识网络上的设备。除了寻址之外还需要进行路由选择,从主机 A 向主机 B 传输数据的时候,有很多条可以选择的路由,网络层利用相应的路由算法计算出⼀条合适的道路。常见协议有 IP、ICMP。
  • 数据链路层数据链路层的传输单位是帧,任务是为物理层面上互连的、同一链路上的不同节点(主机或路由器)之间提供通信服务。例如与 1 个以太网相连的 2 个节点之间的通信。使用 MAC 地址来标识网络上的设备。数据链路层还提供流量控制、差错控制等功能。网络把许多计算机连接在一起,而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起,因此互联网也称为『网络的网络』。通常把单个的网络简化成一条链路,数据链路层服务于同一个链路中的不同节点。通信链路分为多种(如以太网、WIFI、电缆接入网),由不同类型的物理媒体组成(如光纤、双绞线、同轴电缆)。不同网络主机之间可能相距很远,之间跨越很多条链路。就像我们从北京公司去南京老家,可能会经过高速公路、城市道路、乡村小道等不同道路。
  • 物理层物理层的传输单位是⽐特,任务是透明的传输比特流(0/1 信号)。(透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能在链路上传送)

当两台计算机在进行通信的过程中,数据将会经过计算机网络的不同层级。发送端在层与层之间传输数据时,每经过一层都会添加一个该层所属的首部信息(封装),比如传输层会加上源端口号和目的端口号等信息、网络层会加上源 IP 地址和目标 IP 地址等信息、数据链路层会加上源 MAC 地址和目标 MAC 地址。反之,接收端在层与层传输数据时,每经过一层时会把对应的首部消去(解封装)。

这就类似于寄快递,商家寄件的时候会加上包装盒、包装袋、寄件信息贴纸等,一层层包装,而消费者收件的时候则需要一层层去掉包装,得到最终的商品。

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参考文献:

  1. 《图解 HTTP》
  2. 《图解 TCP/IP》
  3. 《计算机网络(第 7 版)》

我是一枫,非科班程序猿,互联网寒冬之际拿到了字节、美团、携程等 offer。在准备校招过程中整理了一份《后端校招面试指南》,内容包括 Java 基础、并发、JVM、MySQL、Redis、MQ、Spring、计算机网络、操作系统等,非常全面!​

责任编辑:武晓燕 来源: 一枫说码
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