# 网络模型
- 一个计算机网络系统，比如城域网，可能混乱、复杂，因为包含很多种通信设备、传输介质、网络协议。
- 为了规范、简化，人们通常根据 TCP/IP 或 OCI 模型，来设计网络系统。
# TCP/IP 网络模型
1970 年代，美国国防部高级研究计划局（DARPA）在建立 ARPAnet 网络之后，进一步研究网络协议，制定了 TCP/IP 模型，开发了 TCP/IP 协议簇。
- TCP/IP 模型比 OCI 模型更早制定，更简化，更常用。
- TCP/IP 协议簇包含 IP、TCP、UDP 等多个协议，是因特网的核心通信协议。
TCP/IP 模型从上到下分为 4 个层次：
- 应用层
- 对应 OSI 最上方的应用层。
- 传输层
- 对应 OSI 的表示层、会话层、传输层。
- 网络层
- 对应 OSI 的网络层。
- 网络接口层
- 对应 OSI 最下方的物理层、数据链路层。
- 应用层
总结：
- 每一层的功能不同，因此存在不同用途的网络协议。而一个程序可能使用多种网络协议，同时工作在多个层。
- 每一层都将该层及其以下层服务封装起来，提供 API 供高层调用。高层调用底层的服务时不需要知道其具体实现方法，像调用一个黑盒。
- 例如在两个主机分别运行一个程序，使用同一种网络协议（比如 HTTP 或 TCP），就可以相互通信，不需要关注下层的通信细节。
- 假设用户想在主机之间进行网络通信，则可选用任意一层的网络协议。主要区别在于：应用层协议最贴近用户，方便人使用。越底层的协议越贴近机器，需要考虑软件配置、硬件配置等复杂因素。
# 协议数据单元
协议数据单元（Protocol Data Unit ，PDU）：泛指各种网络协议传输数据的单位，统称为数据包。
一个协议数据单元的内容通常分为两部分：
- 元数据（metadata）：记录该协议的一些参数。
- 有效载体（payload）：记录要传输的数据。
假设用户 A 想对用户 B 说一句话 "Hello" ，则有多种方式：
- 在现实世界，以写信的方式通信时，需要将这句话写在纸上，封装在一个信封中，并在信封表面注明目标地址等信息，然后寄出去。
- 在计算机网络，以 TCP 协议通信时，需要将这句话（属于 payload ）封装在一个数据包中，并在数据包的头部注明目标地址等信息（属于 metadata ），然后发送出去。
不同网络协议的 PDU 通常采用不同的数据格式、名称，例如：
网络协议 PDU HTTP 报文（message） TCP 段（segment） UDP 报文（datagram） IP 包（packet） ICMP 报文（message）
# 示例
上层的网络协议会调用下层的网络协议。当上层的协议数据单元传到下层时，会添加元数据，封装成下层的协议数据单元。
假设主机 A 上的一个程序，采用 HTTP 协议与主机 B 上的程序通信。则数据包会逐层传递：
- 程序发出一个 HTTP 报文，它是应用层的协议数据单元。
- HTTP 报文向下传到传输层。因为 HTTP 协议基于的传输层协议是 TCP ，此时需要给 HTTP 报文添加 TCP 头，封装成 TCP 段。
- 此时传输层的协议数据单元是 TCP 段，其中 metadata 是 TCP 头，payload 是 HTTP 报文。
- 协议数据单元通常会限制单个数据包的最大体积。例如一个 HTTP 报文体积较大时，会自动拆分成多个 payload ，放入多个 TCP 段进行传输。
- TCP 段向下传到网络层。因为 TCP 协议基于的网络层协议是 IP ，此时需要给 TCP 段添加 IP 头，封装成 IP 包。
- IP 包向下传到网络接口层。因为 IP 协议通常基于以太网协议进行通信，此时需要将 IP 包封装成以太网帧。
- 以太网帧从网卡发出，目标地址指向主机 B 。
主机 B 的网卡收到以太网帧之后，数据包会逐层传递：
- 网络接口层解析以太网帧，根据它的 metadata 识别出 payload 属于 IP 包。
- IP 包向上传到网络层，根据它的 metadata 识别出 payload 属于 TCP 段。
- TCP 段向上传到传输层，根据它的 metadata 识别出 payload 属于 HTTP 报文。并且根据 metadata 中的 Dest Port ，找到监听该端口的程序。
- HTTP 报文被传给目标程序。
# OSI 网络模型
1980 年代，国际标准化组织（International Organization for Standardization ，ISO）制定了开放系统互联（Open System Interconnection ，OSI）网络模型。
OSI 模型从上到下分为 7 个层次：
- 应用层（application layer）
- 负责直接面向用户。
- 该层协议举例：HTTP、FTP、DNS、SNMP 。
- 应用层的程序通常提供了 GUI 页面供用户操作。比如 Web 浏览器采用 HTTP 协议传输数据，会显示美观的网页。
- 表示层（presentation layer）
- 负责处理数据格式。比如数据的编码与解码、压缩与解压、加密与加密。
- 很少有程序专门设计了表示层来处理数据，因此该层的协议也少。
- 会话层（session layer）
- 负责建立并维持两个主机之间的网络会话，从而方便多次通信。建立会话时可能还需要身份认证、授权。
- 该层协议举例：SSL、SOCKS、RPC 。
- 传输层（transport layer）
- 负责在两个主机之间传输数据。
- 该层协议主要是 TCP、UDP 。
- 用户直接使用网络层就能传输数据，而增加传输层是为了控制通信效率、通信质量。
- 网络层（network layer）
- 负责连通不同局域网的主机，能进行路由选择、分组转发。
- 该层协议主要是 IP 。
- 通信子网中的结点通常工作在最下面三层，比如路由器工作在网络层。
- 数据链路层（data link layer）
- 负责连通两个主机之间的网络信道，从而能传输数据。
- 细分为两个子层：
- 逻辑链路控制（Logical Link Control ，LLC）子层：负责控制逻辑信道。
- 介质访问控制（Medium Access Control，MAC）子层：负责控制物理信道。
- 该层协议主要是以太网，以帧（frame）为单位传输数据，能进行 MAC 寻址、差错控制。
- 物理层（physical layer）
- 负责在双绞线、光纤等传输介质中，以比特（bit）为单位传输数据。不考虑寻址，只管把数据沿着物理信道传输。
- 应用层（application layer）