TCP/IP网络分层模型

TCP/IP的设计者提出了“分层”的概念，每一层负责不同的职责，采用分而治之的思想，解决了网络通信的难题。
常说的“四层”和“七层”是什么？ - 图1
TCP/IP协议共四层，像搭积木一样，每一层都需要下层的支撑。它的顺序是从下往上的。
第一层叫“链接层”（link layer），负责在以太网、WiFi 这样的底层网络上发送原始数据包，工作在网卡这个层次，使用 MAC 地址来标记网络上的设备，所以有时候也叫 MAC 层。
第二层叫“网际层”或者“网络互连层”（internet layer），IP 协议就处在这一层。因为 IP 协议定义了“IP 地址”的概念，所以就可以在“链接层”的基础上，用 IP 地址取代 MAC 地址，把许许多多的局域网、广域网连接成一个虚拟的巨大网络，在这个网络里找设备时只要把 IP 地址再“翻译”成 MAC 地址就可以了。
第三层叫“传输层”（transport layer），这个层次协议的职责是保证数据在 IP 地址标记的两点之间“可靠”地传输，是 TCP 协议工作的层次，另外还有它的一个“小伙伴”UDP。
TCP 是一个有状态的协议，需要先与对方建立连接然后才能发送数据，而且保证数据不丢失不重复。而 UDP 则比较简单，它无状态，不用事先建立连接就可以任意发送数据，但不保证数据一定会发到对方。两个协议的另一个重要区别在于数据的形式。TCP 的数据是连续的“字节流”，有先后顺序，而 UDP 则是分散的小数据包，是顺序发，乱序收。
协议栈的第四层叫“应用层”（application layer），由于下面的三层把基础打得非常好，所以在这一层就“百花齐放”了，有各种面向具体应用的协议。例如 Telnet、SSH、FTP、SMTP 等等，当然还有 HTTP。
MAC 层的传输单位是帧（frame），IP 层的传输单位是包（packet），TCP 层的传输单位是段（segment），HTTP 的传输单位则是消息或报文（message）。但这些名词并没有什么本质的区分，可以统称为数据包。

OSI 网络分层模型

OSI，全称是“开放式系统互联通信参考模型”（Open System Interconnection Reference Model）。

TCP/IP 发明于 1970 年代，当时除了它还有很多其他的网络协议，整个网络世界比较混乱。这个时候国际标准组织（ISO）注意到了这种现象，感觉“野路子”太多，就想要来个“大一统”。于是设计出了一个新的网络分层模型，想用这个新框架来统一既存的各种网络协议。OSI 模型分成了七层，部分层次与 TCP/IP 很像，从下到上分别是：
常说的“四层”和“七层”是什么？ - 图2

  1. 第一层：物理层，网络的物理形式，例如电缆、光纤、网卡、集线器等等；
  2. 第二层：数据链路层，它基本相当于 TCP/IP 的链接层；
  3. 第三层：网络层，相当于 TCP/IP 里的网际层；
  4. 第四层：传输层，相当于 TCP/IP 里的传输层；
  5. 第五层：会话层，维护网络中的连接状态，即保持会话和同步；
  6. 第六层：表示层，把数据转换为合适、可理解的语法和语义；
  7. 第七层：应用层，面向具体的应用传输数据。

以上就是我们常说的“四层”“七层”。

不过OSI分层模型发布的时候TCP/IP等协议已经被实际使用了，所以OSI 分层模型在发布的时候就明确地表明是一个“参考”，不是强制标准。

但 OSI 模型也是有优点的。对比一下就可以看出，TCP/IP 是一个纯软件的栈，没有网络应有的最根基的电缆、网卡等物理设备的位置。而 OSI 则补足了这个缺失，在理论层面上描述网络更加完整。

两个分层模型的映射关系

一个是四层模型，一个是七层模型，又都是代表网络分层的，那么这两者之间如何互相解释呢？

好在OSI 在设计之初就参考了 TCP/IP 等多个协议，可以比较容易但不是很精确地实现对应关系。
常说的“四层”和“七层”是什么？ - 图3

  1. 第一层：物理层，TCP/IP 里无对应；
  2. 第二层：数据链路层，对应 TCP/IP 的链接层；
  3. 第三层：网络层，对应 TCP/IP 的网际层；
  4. 第四层：传输层，对应 TCP/IP 的传输层；
  5. 第五、六、七层：统一对应到 TCP/IP 的应用层。

    TCP/IP 协议栈的工作方式

TCP/IP 协议栈是如何工作的呢？

可以把 HTTP 利用 TCP/IP 协议栈传输数据想象成一个发快递的过程。

假设你想把一件毛绒玩具送给朋友，但你要先拿个塑料袋套一下，这件玩具就相当于 HTTP 协议里要传输的内容，比如 HTML，然后 HTTP 协议为它加一个 HTTP 专用附加数据。

你把玩具交给快递小哥，为了保护货物，他又加了层包装再贴了个标签，相当于在 TCP 层给数据再次打包，加上了 TCP 头。

接着快递小哥下楼，把包裹放进了三轮车里，运到集散点，然后再装进更大的卡车里，相当于在 IP 层、MAC 层对 TCP 数据包加上了 IP 头、MAC 头。

之后经过漫长的运输，包裹到达目的地，要卸货再放进另一位快递员的三轮车，就是在 IP 层、MAC 层传输后拆包。

快递员到了你朋友的家门口，撕掉标签，去除了 TCP 层的头，你朋友再拆掉塑料袋包装，也就是 HTTP 头，最后就拿到了玩具，也就是真正的 HTML 页面。

这个比喻里省略了很多 TCP/IP 协议里的细节，比如建连、路由、数据切分与重组、错误检查等，但核心的数据传输过程是差不多的。

HTTP 协议的传输过程就是这样通过协议栈逐层向下，每一层都添加本层的专有数据，层层打包，然后通过下层发送出去。

接收数据则是相反的操作，从下往上穿过协议栈，逐层拆包，每层去掉本层的专有头，上层就会拿到自己的数据。

但下层的传输过程对于上层是完全“透明”的，上层也不需要关心下层的具体实现细节，所以就 HTTP 层次来看，它不管下层是不是 TCP/IP 协议，看到的只是一个可靠的传输链路，只要把数据加上自己的头，对方就能原样收到。

小结：

  1. TCP/IP 分为四层，核心是二层的 IP 和三层的 TCP，HTTP 在第四层；
  2. OSI 分为七层，基本对应 TCP/IP，TCP 在第四层，HTTP 在第七层；
  3. OSI 可以映射到 TCP/IP，但这期间一、五、六层消失了；
  4. 日常交流的时候我们通常使用 OSI 模型，用四层、七层等术语；
  5. HTTP 利用 TCP/IP 协议栈逐层打包再拆包，实现了数据传输，但下面的细节并不可见。

有一个辨别四层和七层比较好的（但不是绝对的）小窍门，“两个凡是”：凡是由操作系统负责处理的就是四层或四层以下，否则，凡是需要由应用程序（也就是你自己写代码）负责处理的就是七层。