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计算机网络的五层架构通常指的是 TCP/IP五层模型(实际是四层),但为了教学和更细致的理解,常将其与OSI七层模型结合,形成一种简化的五层结构。以下是详细分层的功能、协议和典型设备:
1. 物理层(Physical Layer)
- 功能:传输原始比特流(0和1),定义电气、机械、时序等物理特性(如电压、线缆类型、引脚标准)。
- 协议/标准:
- 以太网(IEEE 802.3)、Wi-Fi(IEEE 802.11)
- RS-232、光纤(如SONET/SDH)
- 设备:
- 网线(双绞线、光纤)、集线器(Hub)、中继器(Repeater)
- 调制解调器(Modem)
2. 数据链路层(Data Link Layer)
- 功能:
- 将比特流组织成帧(Frame),提供差错控制(如CRC校验)和流量控制。
- MAC地址寻址(局域网内设备通信)。
- 子层:
- LLC(逻辑链路控制):与上层接口。
- MAC(介质访问控制):控制共享信道(如CSMA/CD)。
- 协议/标准:
- 以太网(Ethernet)、PPP(点对点协议)、VLAN(IEEE 802.1Q)
- ARP(地址解析协议,介于网络层与数据链路层)
- 设备:
- 交换机(Switch)、网桥(Bridge)
3. 网络层(Network Layer)
- 功能:
- IP地址寻址、路由选择(决定数据包从源到目的地的路径)。
- 分组(Packet)的封装与转发。
- 协议:
- IPv4/IPv6、ICMP(ping命令)、OSPF/BGP(路由协议)
- NAT(网络地址转换)
- 设备:
- 路由器(Router)、三层交换机
4. 传输层(Transport Layer)
- 功能:
- 端到端通信(进程到进程),提供可靠传输(如TCP)或高效传输(如UDP)。
- 流量控制(滑动窗口)、拥塞控制(如TCP的慢启动)。
- 协议:
- TCP(面向连接,可靠传输,如HTTP、FTP)
- UDP(无连接,低延迟,如DNS、视频流)
- 关键概念:
- 端口号(区分应用进程)、三次握手/四次挥手(TCP连接管理)
5. 应用层(Application Layer)
- 功能:直接面向用户,提供网络服务接口(如浏览器、邮件客户端)。
- 协议:
- HTTP/HTTPS(网页浏览)、DNS(域名解析)
- FTP(文件传输)、SMTP/POP3(电子邮件)
- WebSocket(实时通信)、MQTT(物联网)
- 设备/软件:
- 应用程序(如Chrome、Outlook)、网关(Gateway)
五层模型 vs OSI七层模型
TCP/IP五层 | OSI七层 | 主要差异 |
---|---|---|
应用层 | 应用层、表示层、会话层 | OSI将会话管理(如SSL)、数据格式(如加密)拆分为独立层。 |
传输层 | 传输层 | 完全对应 |
网络层 | 网络层 | 完全对应 |
数据链路层 | 数据链路层 | 完全对应 |
物理层 | 物理层 | 完全对应 |
为什么实际中常用五层模型?
- 简化设计:OSI的表示层、会话层在TCP/IP中通常由应用层协议(如TLS/SSL)直接实现。
- 贴近现实:TCP/IP协议栈是互联网的实际标准,五层模型更易与实际协议(如HTTP、IP)对应。
数据流动示例(发送HTTP请求)
- 应用层:浏览器生成HTTP请求(
GET /index.html
)。 - 传输层:TCP封装(添加源/目的端口,如80)。
- 网络层:IP封装(添加源/目的IP地址)。
- 数据链路层:以太网封装(添加MAC地址,通过ARP获取)。
- 物理层:转换为电信号/光信号传输。
掌握五层模型能快速定位网络问题(如ping不通查网络层,网页打不开查应用层)。