面視必備，史上最通俗計算機網絡分層詳解

1、引言

整個暑假去面試，面試了很多家公司（無論是小廠還是大廠）問到的深度不同，網絡原理是面試最容易問到的問題，雖然我們在項目中很少去實踐它，但是瞭解其原理，會讓我們背後網絡通信是如果工作的，既能在面試官面前體現出你的基礎是否紮實，也能對以後深入網絡這部分學習有更多的瞭解。

很多同學面試在準備這部分的時候，都會去背，這部分確實很難掌握，我個人總結的最好的學習網絡原理的方法就是不用刻意的去記憶而是完全的結合實際去講整個原理融會貫通。雖然一開始學習起來很喫力，但是稍微用點心，多看幾遍，多問自己爲什麼，把自己當做是開發網絡原理的開發者，面試前的準備只要理清邏輯就足夠了，而不是去背這部分內容。

而且這部分相同的知識點面試官有多種提問方式，但是其中很多都是換湯不換藥。我記得最多的問的是輸入URL，到頁面呈現出來，其中經歷了什麼？這道面試題的背後，涉及到了很多網絡原理的知識，我們這篇文章不會全部分享到，而是先把由來和網絡層次劃分弄清楚，就完成了這篇文章的目的。

（本文同步發佈於： http://www.52im.net/thread-2851-1-1.html ）

《網絡編程懶人入門(一)：快速理解網絡通信協議（上篇）》（* 力薦）

《網絡編程懶人入門(二)：快速理解網絡通信協議（下篇）》（* 力薦）

《網絡編程懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門》

《網絡編程懶人入門(九)：通俗講解，有了IP地址，爲何還要用MAC地址？》

學習交流：

- 即時通訊/推送技術開發交流5羣： 215477170 [推薦]

- 移動端IM開發入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發移動端IM 》

2、關於作者

小鹿（前端工程師）：

微信公衆號：小鹿動畫學編程

Github地址： https://github.com/luxiangqiang

個人博客： http://luxiangqiang.com/

3、系列文章

本文是系列文章中的第7篇，本系列大綱如下：

《腦殘式網絡編程入門(一)：跟着動畫來學TCP三次握手和四次揮手》

《腦殘式網絡編程入門(二)：我們在讀寫Socket時，究竟在讀寫什麼？》

《腦殘式網絡編程入門(三)：HTTP協議必知必會的一些知識》

《腦殘式網絡編程入門(四)：快速理解HTTP/2的服務器推送(Server Push) 》

《腦殘式網絡編程入門(五)：每天都在用的Ping命令，它到底是什麼？》

《腦殘式網絡編程入門(六)：什麼是公網IP和內網IP？NAT轉換又是什麼鬼？》

《腦殘式網絡編程入門(七)：面視必備，史上最通俗計算機網絡分層詳解》（本文）

4、爲什麼要進行網絡層次劃分？

說到網絡層次劃分並不陌生，我剛剛接觸到網絡層次的時候一臉懵逼，這麼多層，一層不就行了嘛？層與層之間好多協議，還有各種數據包，第一次我放棄了。

當我從新拾起網絡層次的時候，我下定決心從根上理解它。首先弄明白它的原理，那必定要知道它的由來，也就是爲什麼要進行網絡層次劃分？這個問題問的好。

假如“小鹿”是網絡的開發人員，起初認爲計算機與計算機之間的通信只需要一根線就可以完成通信，對沒錯，但是世界那麼大，那麼多計算機，距離又遠，不但浪費線，還沒出現各種線被你偷偷剪斷的情況，毋庸置疑，那計算機之間通信就不行了。（後邊出來了無線網，雖然其中網關、路由之間也需要連線，但不是讓每臺計算機兩兩連接，而是一個區域爲單位計算機相互連接通信）

不行，老闆說，“小鹿”你給我想法子改，改不出來今晚不能睡覺，“小鹿”仔細想了想，這還是個技術活，需要進行全面的改進，也發現所謂的計算機之間的連線只能傳送0、1信號，另一臺計算並不知道那麼多0、1代表什麼，而且“小鹿”又發現不同廠商的生產的計算機既然有連線實現通信也是很麻煩的，乾脆定義一套規則吧，無論“某碩”計算機還是“某想”計算機，都必須遵守這套規則，其實所說的這套規則就是我們經常說的“網絡協議”。

不是說網絡層次的由來嗎，怎麼講到網絡協議了。咱們繼續，通過上面的問題，那個計算機之間通過連線傳送0、1信號的問題雖然規定了通信規則，但是除了像0、1這種無意義的信號之外，網絡中還存在着其他各種各樣的問題，兩個計算機之間怎麼進行識別？以及怎麼才能知道對方的地址？以及不同計算機應用程序怎麼知道是給自己傳遞的數據，還有不同的通信數據格式怎麼來規定等等一系列的問題都出來了。

“小鹿”發現，如果各種問題都寫成一套協議來規定雙方通信的規則，但是呢？萬一其中哪些規則通信中出現問題，影響到了其他規則，最常見的就是數據包，一個數據包中如果包含各種各樣的協議，不就亂套了。

“小鹿”爲了能夠把它設計的更好，決定採用分層劃分的結構，既能規定不同層的完成的功能，又能實現層與層之間的改動而不相互影響，這就是我們經常聽到網絡劃分層次的好處。

5、網絡分層是如何進行分層的？

既然我們決定要分層，那麼分爲幾層纔好呢？

起初網絡分層是標準的七層，也就是我們所說的 OSI 七層模型。

▲ OSI參考模型或七層模型

我們所知道的還有 TCP/IP 四層模型和 TCP/IP 五層模型。這又是怎麼出來的，其實所謂的 TCP/IP 四層模型和 TCP/IP 五層模型是以 OSI 七層優化而來，把某些層進行合併了，其實本質上還是相同的，但是我個人最喜歡用五層來解釋。

▲ 五層模型

6、每一層的作用是什麼？

這一部分涉及到每一層的很多協議和知識點，但是我們這一節不具體分享，爲什麼？我們具體深入之前必須大腦裏有個具體的網絡分層結構圖，先要知道每層是做什麼的，層與層之間的關係，然後下一節再深入每層中的每個協議怎麼通信的，這樣的好處學起來條理清晰，而不至於當時我學習的時候表面還不懂，就深入最後懵逼狀態。

6.1 物理層

物理層，顧名思義，用物理手段將電腦連接起來，就像我們上邊講到的計算機之間的物理連線。主要用來傳輸0、1信號，上邊也分析過了，0、1信號畢竟沒有任何的現實意義，所有我們用另一層用來規定不同0、1組合的意義是什麼。

6.2 數據鏈路層

下層的物理層既然不能規定不同0、1組合的信號代表什麼意義，那麼我們在數據鏈路層規定一套協議，專門的給0、1信號進行分組，以及規定不同的組代表什麼意思，從而雙方計算機都能夠進行識別，這個協議就是“以太網協議”（具體的以太網協議內容下節內容詳細講解）。

但是問題又來了，我們要發送給對方計算機，怎麼標識對方以及怎麼知道對方的地址呢？

6.2.1）MAC 地址：

我們所說的MAC地址到底的作用是啥？說白了它就是作爲網絡中計算機設備的唯一標識，從計算機在廠商生產出來就被十六進制的數標識爲MAC地址。

既然我們知道了用MAC地址作爲標識，那麼怎麼才能知道我們要進行通信的計算機MAC地址呢？

6.2.2）廣播：

這裏廣播詳細的在下一節講，這一節你只需要知道廣播可以幫助我們能夠知道對方的 MAC 地址。那麼既然知道了MAC地址就可以通信了？沒有想得那麼簡單，廣播中還存在兩種情況，一種是，在同一子網絡下（同一局域網下）的計算機是通過 ARP 協議獲取到對方 MAC地址的。不同自網絡中（不同局域網）中是交給兩個局域網的網關（路由器）去處理的。這裏邊涉及到很多細節的知識，都會集中到下一節，但是這一節你瞭解怎麼進行標識計算機和怎麼獲取到MAC地址就可以了。

6.3 網絡層

物理層和數據鏈路層都有自己的事情要做，也就是我們上邊所講到的這些（裏邊很多細節不在這節多說）。上邊兩層在我看來可以完成正常通信了，那麼網絡層出來幹啥子？

網絡層的由來是因爲在數據鏈路層中我們說說兩臺計算機之間的通信是分爲同一子網絡和不同子網絡之間，那麼問題就來了，怎麼判斷兩臺計算機是否在同一子網絡（局域網）中？這就是網絡層要解決的問題。

6.3.1）IP 協議：

我們通常用到的 IP 地址，就是網絡層中的東西，所規定的的協議就是 IP 協議。很多小夥伴問，IP 地址想必也是地址吧，上邊都有唯一標識的 MAC 地址了，IP 地址出來是混飯喫的？爲了能夠讓大家更方便的理解 IP 地址和 MAC 地址，我們可以將 IP 地址抽象成一種邏輯上的地址，也就是說 MAC 地址是物理上的地址，就是定死了。IP 地址呢，是動態分配的，不是固定死的。

我們就是通過 IP 地址來判斷兩個計算機設備是否在同一子網絡中的，那麼你會問它是怎麼判斷的，以及 IP 地址誰給他分配的？又是如何分配的等一些列問題，我們不着急，這裏只說一下大體的流程，詳細會後續寫一大篇。

既然我們通過 IP 地址來判斷兩個計算機是否處於同一局域網中，那麼首先要知道對方的 IP 地址吧？DNS 解析想必大家都知道，可以將域名解析爲 IP 地址。好了，我們知道兩臺計算機的 IP 地址了，怎麼進行判斷是否同一局域網中？

6.3.2）子網掩碼：

嘿嘿，又是一個只聽說過，但是不知道這個什麼作用的一個名詞，沒事，等我聊完，你就明白是做什麼的了。

子網掩碼就是用來標識同一局域網中的 IP 地址的信息的？什麼信息？IP 地址是由 32 個二進制位組成的，也就是四個十進制（如：255.255.255.000）。

子網掩碼也是由 32 個二進制位組成的，但是隻能用 0 或 1 來表示，如：11111111.11111111.11111111.00000000。

到底什麼意思呢？有 1 的部分表示網絡部分，有 0 表示主機部分，這和判斷兩臺計算機是否在同一局域網中有什麼關係？沒錯，是有關係的！兩臺計算機的 IP 地址分別和子網掩碼進行一種運算（AND 運算），如果結果相同，兩臺計算機就在同一局域網中，否則就不在同一局域網中。

AND 是如何進行運算的，IP 的數據包的組成等問題，不在這裏多陳述。

6.4 傳輸層

好了，如果你認爲計算機可以進行通信了，那麼“小鹿”恭喜你，你已經基本知道了以上幾層劃分的作用，但是如果你正在一邊打 LOL，一邊和朋友在 QQ 聊天，突然，遊戲中隊友聊天信息出現在了 QQ 窗口中，咦？出現了什麼情況?

其實是以上層級還是不夠，出現上邊的原因就是，兩臺計算機雖然可以通信了，但是每天計算機運行着好多的程序，誰知道你們傳輸的信息是屬於哪些程序的，怨不得 LOL 的聊天信息跑到了 QQ 窗口中。

想必大家猜到了傳輸層主要用來幹啥滴，是的，傳輸層的主要功能就是爲了能夠實現“端口到端口”的通信。計算機上運行的不同程序都會分配不同的端口，所以才能使得數據能夠正確的傳送給不同的應用程序。

6.4.1）UDP 協議：

加入端口號也需要一套規則，那就是 UDP 協議，但是 UDP協議有個缺點，一旦進行通信，就不知道對方是否接收到數據了，我們再定義一套規則，讓其可以和對方進行確認，那麼 TCP 出現了。

6.4.2）TCP 協議：

我們通常說 TCP 三次握手和四次揮手，沒錯，這就是傳輸層中完成的，TCP 三次握手涉及到的內容賊多，都可以單獨寫一篇長文，這裏不多陳述，知道它是在傳輸層中完成的以及它的作用是什麼，能夠認識到它就好了。

6.5 應用層協議

“喂，你發給我的是什麼破數據，亂七八糟的，我TM能解析嗎？能不能按照我的規定給我傳送？“

“好的，下次不敢了”

想必大家已經猜到了應用層的協議，應用層的功能就是規定了應用程序的數據格式。我們經常用得到的電子郵件、HTTP協議、以及FTP數據的格式，就是在應用層定義的。

7、每一層的的功能細節是什麼？

前面章節主要分享了網絡分層的基本概念，爲什麼要進行網絡分層？又是如何進行分層？每一層的基本功能是什麼？而且對於每一層的的功能細節方面，比如數據包的組成以及每層包含的一些協議的使用都沒有細說，那麼本節將繼續分享網絡分層每層中協議等深入講解。（PS：可能裏邊有的講解不正確，還請大佬指出改正）

7.1 物理層

物理層裏邊涉及到最多的是硬件底層的一些內容，沒有需要過多瞭解的內容，我們直接看數據鏈路層。

7.2 數據鏈路層

上回講到數據鏈路層中規定的“以太網協議”來規定電信號的分組形式，什麼是以太網，以太網的數據包是什麼樣子的？

7.2.1）以太網協議：

以太網規定，每組的電信號就是一個數據包，每個數據包我們可以成爲“幀”。每幀的組成是由標頭(Head)和數據(Data)組成。

那麼你會問，標頭裏有什麼信息？Data 數據又會存放寫什麼？爲什麼分爲兩部分？放在一塊不好嗎？

a）標頭：

爲什麼傳輸數據會有標頭，我們想呀，在傳輸數據的時候，接收端怎麼判斷是不是給自己發送的，那麼就只取出標頭來進行判斷。

數據包的標頭中通常會存放一些有關數據包的說明、發送者是誰、接受者又是誰等相關識別信息。

標頭的長度固定爲 18 字節，也就是說，一些標頭識別信息的大小不能超過 18 字節。

b）數據：

數據，顧名思義，你要傳輸給接收端什麼數據都會放到數據包中，也就是整個數據包的具體內容，比如文件、字符串之類的。

數據部分的長度最小至少爲 46 個字節，最長 1500 字節。我們可能會想到，如果小於 46 字節沒啥問題可以存放開，那麼大於 1500 字節怎麼處理呢？很簡單，我們就分成兩個包處理（分割），兩個包存放不下就分割成三個包…

7.2.2）廣播：

上回說到，廣播的作用就是用來查找接收端的 MAC 地址，從而進行下一步的數據傳輸。注意，廣播只是一種發送數據的形式，而計算機想要知道另一臺計算機的 MAC 地址是通過 ARP 協議解決的，ARP 協議會在講完 IP 協議後再說，因爲它會涉及到 IP 協議的一點內容，現在講可能會有點亂。

如果你覺的上邊稍微有點亂，那怎們稍微屢一下，我們想要發送數據，首先要知道對方的唯一標識（MAC 地址），要想知道對方的 MAC 地址，需要使用 ARP 協議，假設我們通過 ARP 協議拿到了接收方的 MAC 地址。

我們開始發送數據，將發送方的 MAC 地址和接收方的 MAC 地址封裝在數據包中，然後發送端向同一子網絡中（同一局域網）中的所有計算機發送該數據包，所有的計算機接收到該包之後，就對數據包的頭部進行提取，提取出裏邊封裝好的接收端 MAC 地址和自己的 MAC 地址作比對，如果相同，就說明該數據包是給自己發送的，否則，就會丟棄該數據包，這個過程就是廣播的過程。

上一篇文章在這個地方留下的一個問題就以上是在同一局域網中，如果不在同一局域網中我們怎麼處理？我們平常使用無線網都知道每個無線局域網都會有一個路由器，我們先通過以上的方法將數據發送到路由器，然後路由器轉發數據到其他局域網中的計算機。