OSI网络七层模型、TCP/IP协议族、IP、MAC和端口号

本讲分三个部分：

  • OSI网络七层模型
  • TCP/IP协议族
  • IP、MAC和端口号

OSI网络七层模型

如果你读过计算机专业，或者学习过网络通信（很遗憾，我的专业教学越过了网络通信），那你一定听说过OSI模型，它曾无数次让你头大。OSI是Open System Interconnection的缩写，译为“开放式系统互联”。

OSI模型把网络通信的工作分为七层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

OSI只是存在于概念和理论上的一种模型，它的缺点是分层太多，增加了网络工作的复杂性，所以没有大规模应用。后来人们对OSI进行了简化，合并了一些层，最终只保留了4层，从下到上分别是接口层、网络层、传输层和应用层。这就是鼎鼎大名的TCP/IP模型。

图1：OSI 七层网络模型和 TCP/IP 四层网络模型的对比

图2：OSI 七层网络模型和 TCP/IP 四层网络模型的对比

这个网络模型究竟是干什么的呢？简而言之就是进行数据封装的。

我们平常使用的程序（或者说软件）一般都是通过应用层来访问网络的，程序产生的数据会一层一层地往下传输，直到最后的网络接口层，就通过网线发送到互联网上去了。数据每往下走一层，就会被这一层地协议增加一层包装，等到发送到互联网上时，已经比原始数据多了四层包装。整个数据封装的过程就像俄罗斯套娃。

当另一台计算机接收到数据包时，会从网络接口再一层一层往上传输，每传输一层就拆开一层包装，直到最后的应用层，就得到了最原始的数据，这才是程序要使用的数据。

给数据加包装的过程，实际上就是在数据头增加一个标志（一个数据块），表示数据经过了这一层，我已经处理了。给数据拆包的过程正好相反，就是去掉数据头部的标志，让它逐渐现出原形。

所以，在互联网上传输一份数据是多么的复杂！而我们却感受不到，这就是网络模型的厉害之处。我们只需要在代码中调用一个函数，就能让下面的所有网络层为我们工作。

我们所说的socket编程，是站在传输层的基础上，所以可以使用TCP/UDP协议，但是不能干访问网页这样的事情，因为访问网页所需要的http协议位于应用层。

两台计算机进行通信时，必须遵循以下原则：

  • 必须是同一层次进行通信，比如，A计算机的应用层和B计算机的传输层就不能通信，因为它们不在一个层次，数据的拆包会遇到问题。
  • 每一层的功能都必须相同，也就是拥有完全相同的网络模型。如果网络模型都不同，那不就乱套了，谁都不认识谁。
  • 数据只能逐层传输，不能跃层。
  • 每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务。

TCP/IP协议族

上面讲到，目前实际使用的网络模型时TCP/IP模型，它对OSI模型进行了简化，只包含了四层，从上到下分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层，每一层都包含了若干协议。

协议(Protocol)就是网络通信过程中的约定或者合同，通信双方必须都遵循才能正常收发数据。协议有很多种，例如TCP、UDP、IP等，通信双方必须使用同一协议才能通信。协议是一种规范，由计算机组织制定，规定了很多细节，例如，如何建立连接，如何相互识别等。

协议仅仅是一种规范，必须由计算机软件来实现。例如IP协议规定了如何找到目标计算机，那么各个开发商在开发自己的软件时就必须遵循该协议，不能另起炉灶。

TCP/IP模型包含了TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP等上百种互为关联的协议，其中TCP和IP是最常见的两种底层协议，所以把他们统称为“TCP/IP协议族”

也就是说，“TCP/IP”模型”中所涉及到的协议称为“TCP/IP协议族”，你可以区分这两个概念，也可以认为他们是等价的，随便你怎么想。

本文所讲的socket编程是基于TCP和UDP协议的，他们的层级关系如下：


图3：TCP和UDP协议的层级关系

开放式系统（Open System）

把协议分成多个层次有哪些优点？协议设计更容易？当然这也足以成为优点之一。但是还有更重要的原因，就是为了通过标准化操作设计成开放式系统。

标准本身就是对外公开的，会引导更多的人遵守规范。以多个标准为依据设计的系统称为开放式系统，我们学习的TCP/IP协议族也属于其中之一。

接下来了解一下开放式系统具有哪些优点。

路由器用来完成IP层的交互任务。某个网络原来使用A公司的路由器，现要将其替换成B公司的，是否可行？这并非难事，并不一定要换成同一公司的同一型号路由器，因为所有生产商都会按照IP层标准制造。

再举个例子。大家的计算机是否装有网络接口卡，也就是所谓的网卡？尚未安装也无妨，其实很容易买到，因为所有网卡制造商都会遵循链路层的协议标准。这就是开放式系统的优点。

标注的存在意味着高速的技术发展，这也是开放式系统设计最大的原因所在。实际上，软件工程中的“面向对象”的诞生背景中也有标准化的影子也就是说，标准对于技术发展起着举足轻重的作用。

IP、MAC和端口号

在茫茫的互联网汪洋中，要找到一台计算机非常不容易，有三个要素必须具备，它们分别是IP地址、MAC地址和端口号。

IP地址

IP地址是Internet Protocol Address的缩写，译为“网际协议地址”。
目前大部分软件使用IPv4地址，但IPv6也正在被人们接受（实际上很多人已经在用IPv6了），尤其是在教育网中，已经大量使用。

一台计算机可以拥有一个独立的IP地址，一个局域网也可以拥有一个独立的IP地址（对外就好像只有一台计算机）。目前广泛使用的ipv4地址，它的资源是非常有限的，一台计算机一个IP地址是不现实的，往往是一个局域网才拥有一个IP地址。

在互联网上进行通信时，必须要知道对方的IP地址。实际上数据包中已经附带了IP地址，把数据包发送给路由器后，路由器会根据IP地址找到对方的地理位置，完成一次数据的传递。路由器有非常高效和智能的算法，很快会找到目标计算机。

MAC地址

现实情况是，一个局域网往往才能拥有一个独立的IP；换句话说，IP地址只能定位到一个局域网，无法定位到具体的一台计算机。这可怎么办呀？这样也没法通信呀！

其实，真正能唯一标识一台计算机是MAC地址，每个网卡的MAC地址在全世界都是独一无二的。计算机出厂时，MAC地址已经被写死到网卡里了（当然，通过某些“奇淫巧技”也是可以修改的）。局域网中的路由器/交换机会记录每台计算机的MAC地址。

MAC地址是Media Access Control Address的缩写，直译为“媒体访问控制地址”，也称为局域网地址（LAN Address），以太网地址或物理地址。

数据包中除了会附带IP地址，还会附带对方的MAC地址，当数据包达到局域网以后，路由器/交换机会根据数据包中的MAC地址找到对应的计算机，然后把数据包转交给它；这样就完成了数据的传递。

端口号

有了IP地址和MAC地址，虽然可以找到目标计算机，但仍不能进行通信。一台计算机可以同时提供多种网络服务，例如Web服务，FTP服务（文件传输服务）、SMTP服务（邮箱服务）等，仅有IP地址和MAC地址，计算机虽然可以正确地接收到数据包，但是却不知道要将数据包交给哪个网络程序来处理，所以通信失败。

为了区分不同的网络程序，计算机会为每个网络程序分配一个独一无二的端口号（Port Number），例如，Web服务的端口是80，FTP服务的端口是21，SMTP服务的端口是25.

端口（Port）是一个虚拟的、逻辑上的概念。可以将端口理解为一道门，数据通过这道门流入流出，每道门有不同的编号，就是端口号。


图4：端口号对应的网络服务

本节完