14. 网络模型与协议

1. 为什么需要分层模型

网络通信涉及硬件、软件、协议等复杂环节，分层可以将庞大问题拆解为多个可管理的子问题，每层只负责特定功能。

分层的优点：

• 各层独立：层内修改不影响其他层
• 标准化：统一接口，不同厂商设备可互通
• 可复用：下层服务可为多种上层协议共用

2. OSI 七层模型

┌─────────────┬──────────────┬────────────────────────────────┐
│  OSI 层     │     PDU      │           典型协议/设备          │
├─────────────┼──────────────┼────────────────────────────────┤
│ 7 应用层     │    数据       │ HTTP、FTP、SMTP、DNS、SSH      │
│ 6 表示层     │    数据       │ TLS/SSL、JPEG、ASCII、MPEG     │
│ 5 会话层     │    数据       │ NetBIOS、RPC、PPTP             │
│ 4 传输层     │  段/数据报    │ TCP、UDP、SCTP                 │
│ 3 网络层     │    分组       │ IP、ICMP、ARP、OSPF、BGP       │
│ 2 数据链路层  │    帧        │ Ethernet、PPP、Wi-Fi、交换机    │
│ 1 物理层     │    比特       │ 网线、光纤、集线器、中继器       │
└─────────────┴──────────────┴────────────────────────────────┘

记忆口诀：All People Seem To Need Data Processing（每层首字母）

2.1 各层职责详解

第七层：应用层

• 直接为用户应用程序提供服务
• 定义了应用间通信的协议和数据格式

第六层：表示层

• 数据格式转换（如加密解密、压缩解压）
• 编码协商（如 UTF-8 vs ASCII）

第五层：会话层

• 建立、管理和终止会话
• 会话恢复（断线重连）

第四层：传输层

• 端到端的可靠/不可靠数据传输
• 端口寻址、流量控制、差错恢复

第三层：网络层

• 逻辑寻址（IP 地址）
• 路由选择与分组转发

第二层：数据链路层

• 物理寻址（MAC 地址）
• 帧的封装、差错检测、介质访问控制

第一层：物理层

• 比特流的电气/光学/无线传输
• 定义电压、线序、速率等物理特性

3. TCP/IP 四层模型

TCP/IP 是实际互联网采用的标准，将 OSI 的上三层合并为应用层。

┌───────────────┬────────────────────────────────┐
│   TCP/IP 层    │           OSI 对应层            │
├───────────────┼────────────────────────────────┤
│  应用层        │ 应用层 + 表示层 + 会话层        │
│  传输层        │ 传输层                         │
│  网络层        │ 网络层                         │
│  链路层        │ 数据链路层 + 物理层             │
└───────────────┴────────────────────────────────┘

3.1 TCP/IP 协议栈

应用层      HTTP    FTP    DNS    SSH    SMTP
           │       │      │      │      │
           └───────┴──────┴──────┴──────┘
           ┌────────────────────────────────┐
传输层      │     TCP        │      UDP      │
           └────────────────┴───────────────┘
           ┌────────────────────────────────┐
网络层      │       IP   │  ICMP  │  ARP     │
           └────────────┴────────┴──────────┘
           ┌────────────────────────────────┐
链路层      │  Ethernet  │  Wi-Fi  │  PPP    │
           └────────────┴─────────┴─────────┘

4. 数据封装与解封装

4.1 封装过程

发送方（从上到下）：

应用层数据
    ↓ + TCP/UDP 头部
传输层段（Segment）
    ↓ + IP 头部
网络层分组（Packet）
    ↓ + Ethernet 头部 + FCS
数据链路层帧（Frame）
    ↓ 转为比特流
物理层比特（Bit）

每经过一层，添加该层协议头部（尾部）

4.2 解封装过程

接收方（从下到上）：

物理层：比特 → 识别帧边界
    ↓
链路层：移除 Ethernet 头部/FCS，提取 IP 分组
    ↓
网络层：移除 IP 头部，提取 TCP/UDP 段
    ↓
传输层：移除 TCP/UDP 头部，提取应用数据
    ↓
应用层：解析数据

4.3 实际数据包示例

Frame 1: 74 bytes on wire
├── Ethernet II, Src: aa:bb:cc..., Dst: 11:22:33...
│   ├── Destination MAC: 11:22:33:44:55:66
│   ├── Source MAC: aa:bb:cc:dd:ee:ff
│   └── Type: IPv4 (0x0800)
│
├── Internet Protocol Version 4
│   ├── Version: 4
│   ├── Header Length: 20 bytes
│   ├── Total Length: 60
│   ├── Source IP: 192.168.1.100
│   ├── Destination IP: 142.250.190.78
│   └── Protocol: TCP (6)
│
├── Transmission Control Protocol
│   ├── Source Port: 54321
│   ├── Destination Port: 443 (HTTPS)
│   ├── Sequence Number: 0
│   ├── Flags: SYN
│   └── Window Size: 64240
│
└── [TCP Segment Len: 0]  ← 应用层数据在此之后

5. 层间服务与接口

5.1 服务原语

5.2 服务访问点（SAP）

层 N+1        层 N
   │            │
   │ 数据      │
   ↓          ↓
  SAP ──────→ 接口
   ↑          ↑
   │ (端口号)  │

传输层 SAP = 端口号（Port）
网络层 SAP = IP 地址
链路层 SAP = MAC 地址

6. 常见设备工作层级

7. 互联网核心思想

1. 端到端原则（End-to-End Principle）
   → 核心网络尽量简单，功能放到端系统
   → 例子：TCP 的可靠传输在端系统实现，而非每个路由器

2. 尽力而为（Best Effort）
   → IP 层不保证送达、不保证顺序、不保证无重复
   → 可靠性由上层（TCP）负责

3. 分层自治
   → 各层协议可独立演进
   → 应用层可用 HTTP/2 或 HTTP/3，不改动下层

参考文章

• 上一篇：死锁与同步
• 下一篇：网络层与路由