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发布于 2024-10-15 / 10 阅读
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IP层与传输层

#学习记录

让我们重点关注OSI模型中的第3层（网络层，IP层）和第4层（传输层），详细分析它们的功能和工作机制。

第3层：网络层（Network Layer / IP层）

网络层的主要功能是将数据从一个设备发送到另一个设备，这些设备可能位于不同的网络中。IP地址和路由选择是网络层的核心。

网络层的主要功能：

  1. 路由选择：

    • 网络层的首要任务是根据目标IP地址，找到数据从源地址到达目的地的最佳路径。这涉及到使用路由器等设备在不同网络之间转发数据包。
    • 当数据包从一个网络传递到另一个网络时，网络层通过路由协议（如OSPF、BGP等）来决定数据包的最佳传输路径。

  2. IP地址管理：

    • 网络层使用IP地址（Internet Protocol Address）来标识网络设备的位置。每个网络设备都有一个唯一的IP地址，类似于现实世界中的地址，确保数据包可以被正确投递。
    • IPv4和IPv6是当前使用的两种IP地址协议：
      • IPv4地址是32位的，格式为四个十进制数（如192.168.1.1）。
      • IPv6地址是128位的，格式为八组十六进制数（如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。

  3. 数据包传输：

    • 网络层将传输层的段（segment）封装成数据包（Packet），并在网络中传输。
    • 数据包包含发送者和接收者的IP地址，以及其他控制信息，比如数据包的TTL（生存时间），确保数据包不会在网络中无限传输。

  4. 数据包分片与重组：

    • 有时数据包需要分片以适应网络的MTU（最大传输单元）。网络层负责将大数据包分成更小的部分，并在目标设备重新组装这些数据包。

常见的协议：

  • IP协议：最常用的网络层协议，用于传输数据包。
    • IPv4（Internet Protocol version 4）：传统的IP地址协议。
    • IPv6（Internet Protocol version 6）：为了解决IPv4地址耗尽问题而引入的新协议，具有更大的地址空间。
  • ICMP（Internet Control Message Protocol）：用于发送控制消息和错误报告，常见的ping命令就是基于ICMP协议。

网络层的核心设备：

  • 路由器（Router）：主要用于在不同网络之间转发数据包。它通过查看每个数据包的目标IP地址，并根据路由表决定如何将数据包转发到下一个节点。

第4层：传输层（Transport Layer）

传输层的主要作用是为应用程序提供端到端的数据传输服务。它在发送端将数据分段，在接收端将段重新组装。传输层还提供了流量控制、差错检测、数据包重发等功能。

传输层的主要功能：

  1. 端到端的传输：

    • 传输层负责将数据从源设备的一个特定应用程序，可靠地传送到目标设备的另一个应用程序。传输层使用端口号来区分不同的应用程序。
    • 例如，HTTP使用80端口，HTTPS使用443端口，邮件协议SMTP通常使用25端口。

  2. 可靠性与无连接性：

    • 传输层根据不同的协议，可以提供可靠的或不可靠的传输。
      • TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）：提供可靠的传输服务，确保数据包的顺序、完整性和准确性。TCP建立连接前会进行三次握手，并在数据传输完成后进行四次挥手断开连接。
      • UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）：提供无连接、不可靠的传输服务。UDP传输没有顺序和重传机制，适用于实时通信或简单的数据传输。

  3. 流量控制：

    • 传输层通过调节数据传输的速率，防止网络拥塞或接收方无法处理过多数据。TCP的流量控制通过滑动窗口协议实现，确保发送方不发送超过接收方处理能力的数据。

  4. 差错检测与纠正：

    • 传输层使用校验和（Checksum）来检测数据在传输过程中是否被损坏。如果检测到错误，TCP会请求发送方重发损坏的数据包。UDP则不提供差错纠正，只能检测错误。

  5. 数据分段与重组：

    • 传输层将上层传递的数据分成多个段（segment），每个段都包含一个序列号，以确保数据可以按照正确的顺序在接收端重新组装。

常见的协议：

  • TCP（传输控制协议）：
    • 提供可靠的、面向连接的服务。
    • 特点：三次握手、顺序传输、错误恢复、流量控制、数据确认等。
    • 应用场景：需要高可靠性的通信，如HTTP、FTP、SMTP等。
  • UDP（用户数据报协议）：
    • 提供无连接的、不可靠的数据传输服务。
    • 特点：无顺序、无重传、无确认机制，速度快。
    • 应用场景：实时性要求高的通信，如视频会议、实时游戏、DNS查询等。

传输层的核心概念：

  • 端口号：传输层使用端口号来标识数据是发往哪个应用程序。端口号范围为0到65535，前1024个为系统保留的端口（如80用于HTTP，443用于HTTPS）。
  • 三次握手与四次挥手：
    • TCP的三次握手用于建立可靠连接：
      1. 客户端发送SYN请求。
      2. 服务器回应SYN-ACK。
      3. 客户端确认ACK，连接建立。
    • TCP的四次挥手用于终止连接：
      1. 客户端发送FIN请求断开连接。
      2. 服务器回应ACK并发送FIN请求。
      3. 客户端回应ACK，连接关闭。

网络层（IP层）与传输层的区别与协作：

  • 网络层负责在不同网络之间传输数据包。它仅负责从一个设备到另一个设备传递数据，不关心数据是否按顺序到达，也不保证传输的可靠性。
  • 传输层负责在端到端之间的可靠传输。它确保数据的顺序、完整性和准确性，并可以根据应用需求选择可靠或不可靠的传输方式。

在实际网络中，数据首先通过传输层进行分段，然后交给网络层进行路由，最后到达目的地再由传输层重新组装数据，并交给应用层处理。

IP、TCP、UDP的头部结构
OSI模型各层及其功能

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