分层要解决什么

一次网络通信同时涉及很多问题：比特怎样变成信号，数据怎样在一段链路上传，分组怎样跨网络转发，目的主机怎样把数据交给正确进程，应用进程怎样解释收到的内容。

分层就是把这些问题按职责拆开：

每一层只解决一类问题。
下层向上层提供服务。
上层通过接口使用下层服务，不需要知道下层内部实现。
同一层的通信双方遵守同一层协议。

分层不是把网络设备物理切成几块，而是把通信功能按逻辑组织起来。

三种体系结构

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常见的网络体系结构有三种：OSI 七层模型、TCP/IP 四层模型、五层原理模型。

模型	用法	特点
OSI 七层模型	概念分析、标准化讨论	层次细，把会话、表示、应用分开
TCP/IP 四层模型	因特网实际采用的体系结构	把底部链路和物理相关内容合为网络接口层
五层原理模型	学习计算机网络原理	在 TCP/IP 基础上拆出数据链路层和物理层

OSI 七层模型

OSI 参考模型自下而上为：

层次	功能
物理层	在传输媒体上传输比特流，规定机械、电气、功能和过程特性
数据链路层	把网络层数据封装成帧，在相邻节点之间传输，并进行差错检测、流量控制等
网络层	进行逻辑寻址、路由选择和分组转发，使数据能够跨多个网络到达目的主机
运输层	为主机中的进程提供端到端通信，可提供可靠传输、差错控制、流量控制等
会话层	管理不同主机进程之间的会话，包括会话建立、维持、同步和释放
表示层	处理数据表示问题，如编码转换、数据格式转换、加密解密、压缩解压缩
应用层	为用户应用进程提供网络服务，定义具体应用协议

OSI 的表示层常被忽略

遇到“数据格式转换、编码、加密、压缩”这类描述时，不要机械回答应用层。若题目明确在 OSI 七层模型内考查层功能，答案可能是表示层。

TCP/IP 四层模型

TCP/IP 体系结构自下而上通常分为：

层次	功能	典型协议或技术
网络接口层	负责主机接入具体网络，完成链路层和物理层相关功能	以太网、Wi-Fi 等
网际层	以 IP 为核心，负责 IP 寻址、路由选择和跨网络分组转发	IP、ICMP、ARP 常在相关语境中一起讨论
运输层	为应用进程提供端到端传输服务	TCP、UDP
应用层	为具体网络应用提供通信规则	HTTP、DNS、SMTP、FTP

TCP/IP 的网络接口层没有规定某一种固定接口技术，因此可以适配以太网、Wi-Fi 等不同网络。网际层的核心协议是 IP。

五层原理模型

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五层原理模型自下而上为：物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层。

层次	核心问题	常见数据单元
物理层	比特如何变成信号并在传输媒体上传播	比特流
数据链路层	数据如何在一段链路或一个局域网内传输	帧
网络层	数据如何跨多个网络到达目的主机	分组，使用 IP 时称 IP 数据报
运输层	数据应该交给主机中的哪个应用进程	TCP 报文段、UDP 数据报
应用层	应用进程之间交换什么、按什么应用协议解释	应用报文

地址与层次

MAC 地址主要服务于一段链路或局域网内的交付；IP 地址服务于跨网络寻址和路由；端口号用于标识主机中的应用进程。

## 五层各自做什么

物理层

物理层只关心比特如何传输。它不理解帧、IP 数据报、TCP 报文段这些结构，只把上层交来的比特流转换成电信号、光信号或无线信号。

物理层关注：

用什么传输媒体。
用什么信号表示 0 和 1。
接口、电气特性、光学特性、传输速率等。

数据链路层

数据链路层负责一段链路或一个局域网内的数据传输。

它通常处理：

成帧：把网络层交来的 IP 数据报封装成帧。
MAC 寻址：在局域网或链路范围内找到下一跳。
差错检测：通过帧尾等信息发现传输差错。
介质访问控制：在共享介质中协调多个主机发送。

网络层

网络层负责跨网络传输。

互联网由多个网络通过路由器互连。网络层要回答：

目的主机在哪个网络。
下一跳应该走哪条链路。
路由器如何按目的 IP 地址查表转发。

使用 IP 协议时，网络层的数据单元通常称为 IP 数据报。

运输层

网络层能把数据送到目的主机，但主机上可能同时运行多个网络应用。运输层要把数据交给正确的应用进程。

运输层关注：

端口号：区分主机中的应用进程。
端到端通信：源进程到目的进程。
传输差错处理：TCP 可以提供可靠传输，UDP 提供较简单的无连接传输服务。

应用层

应用层建立在进程间通信之上。它规定应用进程之间如何交换报文、如何解释报文。

典型应用层协议：

HTTP：网页访问。
SMTP：电子邮件发送。
FTP：文件传送。
DNS：域名解析。

封装、转发与解封

一次网页访问中，数据会沿发送主机协议栈向下封装，经过路由器转发，再沿接收主机协议栈向上解封。

发送主机从上到下封装：

应用层构造 HTTP 请求报文。
运输层添加 TCP 首部，形成 TCP 报文段。
网络层添加 IP 首部，形成 IP 数据报。
数据链路层添加帧首部和帧尾，形成帧。
物理层把帧看作比特流，并转换成信号发送。

接收主机从下到上解封：

物理层把信号恢复为比特流。
数据链路层识别帧，去掉帧首部和帧尾，取出 IP 数据报。
网络层去掉 IP 首部，取出运输层数据。
运输层去掉 TCP 首部，取出应用报文。
应用层把 HTTP 报文交给对应应用进程处理。

封装的核心

每一层把上层交来的数据整体当作自己的数据部分，再加上本层控制信息。接收端按相反顺序逐层去掉控制信息。

## 主机和路由器层次

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主机要运行网络应用，所以通常具有完整协议栈。发送主机需要从应用层向下封装；接收主机需要从物理层向上解封到应用层。

路由器的基本任务是网络互连和转发。它收到一段链路上的帧后，通常只处理到网络层：

物理层接收信号，恢复比特流。
数据链路层识别入链路帧，去掉该链路的帧首部和帧尾。
网络层查看 IP 首部，查转发表，决定下一跳。
数据链路层为下一段链路重新封装帧。
物理层发送到下一段链路。

因此，路由器转发 IP 数据报时，链路层首部会一跳一换，而 IP 层以上的内容通常不被普通转发过程处理。

数据单元名称

层次	对等层之间传送的数据单元
应用层	应用报文
运输层	TCP 报文段、UDP 数据报
网络层	分组；使用 IP 时称 IP 数据报
数据链路层	帧
物理层	比特流

这些名称容易混在一起。判断时先看它属于哪一层：链路层叫帧，网络层叫分组或 IP 数据报，运输层要看 TCP 还是 UDP。