本文講述了互聯(lián)網(wǎng)OSI模型、數(shù)據(jù)包封包拆包、路由器的概念、還有ip協(xié)議和TCP協(xié)議的關(guān)系。

互聯(lián)網(wǎng)模型：

要談數(shù)據(jù)通信，就不得不先講述分層模型的概念

OS I RM：開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型（Open System Interconnection Reference Model）

如下圖一

圖一

  上圖一左邊是OSI模型，右邊是TCPIP協(xié)議棧分層模型，可以看得出，兩個(gè)模型有很清楚的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

  兩個(gè)模型的下四層是一一對(duì)應(yīng)的，而OSI模型的上三層對(duì)應(yīng)到TCPIP協(xié)議的應(yīng)用層，所以在談?wù)摗皯?yīng)用層”概念的時(shí)候，要注重討論的是哪個(gè)模型。

圖二

  如圖二，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的OSI術(shù)語(yǔ)，每層間對(duì)應(yīng)的“協(xié)議數(shù)據(jù)單元”（PRotocol Data Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)PDU）的名稱(chēng)都是不同的

  物理層為“位”（bit），即平常講的二進(jìn)制數(shù)位流，在物理傳輸介質(zhì)上以二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)傳輸（簡(jiǎn)單的如高電平代表“1”，底電平代表“0”）。

  物理層的傳輸介質(zhì)包括：

•  同軸電纜（coaxical cable）：細(xì)纜和粗纜，目前已經(jīng)不常用；
•  雙絞線(xiàn)（twisted pair）：UTP(Unshielded Twisted Paired , 非屏蔽雙絞線(xiàn))，這種即平時(shí)常用的網(wǎng)線(xiàn)；STP (Shielded Twisted Pair,屏蔽雙絞線(xiàn))，這種線(xiàn)適用于電磁干擾惡劣的工業(yè)環(huán)境；（這兩種線(xiàn)使用銅線(xiàn)做介質(zhì)，到用戶(hù)家雖然看起來(lái)就一兩根，但在運(yùn)營(yíng)商的管線(xiàn)里是幾千條幾百條線(xiàn)在一起的大對(duì)線(xiàn)纜，經(jīng)常是偷銅者的目標(biāo)）
•  光纖（Optical Fiber）：使用光信號(hào)來(lái)傳播數(shù)字信號(hào)的介質(zhì)，坐火車(chē)到處看到路邊寫(xiě)的大標(biāo)語(yǔ)：“光纖沒(méi)銅，挖了沒(méi)用”就是指這個(gè)；
•   無(wú)線(xiàn)電波（wireless radio）；

  數(shù)據(jù)鏈路層PDU名稱(chēng)叫數(shù)據(jù)幀“Frame”，例如幀中繼技術(shù)名稱(chēng)叫Frame Relay ，其數(shù)據(jù)單元名字叫“幀”，對(duì)以太網(wǎng)來(lái)說(shuō)是以太幀。

  網(wǎng)絡(luò)層PDU的名稱(chēng)叫數(shù)據(jù)包Packet, 因?yàn)镮P協(xié)議在這一層，所以互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)一般被稱(chēng)為IP數(shù)據(jù)包。

  傳輸層PDU的名稱(chēng)叫數(shù)據(jù)段Segment ，這個(gè)層面最聞名的是傳輸控制協(xié)議TCP和用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。

 會(huì)話(huà)層session 的PDU叫SPDU；

 表示層Presentation的PDU叫PPDU；

 應(yīng)用層application的PDU叫APDU；

數(shù)據(jù)包封包和傳送過(guò)程：

圖三

   如上圖圖三，用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)文的一個(gè)封裝過(guò)程，應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)使用TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸，用戶(hù)數(shù)據(jù)被切割成合適的數(shù)據(jù)片段后，被加上網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP的首部字節(jié)，成為IP數(shù)據(jù)包，然后被加上數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)首部，成為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，再由以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序?qū)D(zhuǎn)化為二進(jìn)制位流，在物理層面?zhèn)魉汀?/P>

  數(shù)據(jù)包經(jīng)路由器傳輸?shù)倪^(guò)程，下圖圖四：

圖四

  上圖圖四是兩個(gè)主機(jī)通過(guò)一臺(tái)交換機(jī)和一臺(tái)路由器通信的示意圖。二層交換機(jī)僅跨越OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，所以稱(chēng)為二層交換機(jī)，僅為所有連接的主機(jī)提供數(shù)據(jù)鏈路層間的互通功能。

  路由器是跨越物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備。正像主機(jī)和服務(wù)器有自己的操作系統(tǒng)windows、unix等一樣，路由器也有自己的操作系統(tǒng)（OS）。

  最簡(jiǎn)單的路由器的概念是一臺(tái)裝有兩塊網(wǎng)卡的主機(jī)，主機(jī)內(nèi)部安裝的路由軟件可以根據(jù)IP地址在兩塊網(wǎng)卡間轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包，兩塊網(wǎng)卡各有一個(gè)IP地址，具有兩個(gè)物理接口的路由器同這個(gè)道理是類(lèi)似的。

  由上圖圖四可以看到，IP地址的概念是屬于IP協(xié)議，IP協(xié)議是屬于OSI模型第三層網(wǎng)絡(luò)層的，所有跨越網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備都需要有IP地址。最左邊的主機(jī)同路由器的左側(cè)接口各有一個(gè)IP地址，使用IP協(xié)議通信；最右邊的服務(wù)器和路由器右側(cè)接口各有一個(gè)IP地址，使用IP協(xié)議通信；路由器的不同接口的IP地址是屬于不同的IP子網(wǎng)的，路由器就是在不同IP子網(wǎng)間傳送IP數(shù)據(jù)包的設(shè)備，路由是根據(jù)IP數(shù)據(jù)包里的地址選擇正確傳遞路徑的過(guò)程。 

IP協(xié)議和TCP協(xié)議：

圖五

  上圖圖五是兩個(gè)主機(jī)通過(guò)多個(gè)路由器通信的過(guò)程，這是當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的基本組成的場(chǎng)景。抽象一下上圖的拓?fù)洌褐鳈C(jī)和中間的多個(gè)路由器是拓?fù)鋱D上的點(diǎn)，各個(gè)點(diǎn)之間是線(xiàn)，所以，互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)渚褪怯蔁o(wú)數(shù)點(diǎn)和線(xiàn)組成的網(wǎng)絡(luò)，從這里深究下去，互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)可以說(shuō)就是“圖論”。點(diǎn)和點(diǎn)之間是不同的IP子網(wǎng)，上圖兩臺(tái)主機(jī)間相互通信的過(guò)程是由無(wú)數(shù)個(gè)IP數(shù)據(jù)包（packet）在之間傳送的過(guò)程構(gòu)成。

  在中間的A到E的路由器會(huì)分析由主機(jī)發(fā)出的每個(gè)數(shù)據(jù)包的IP包頭（網(wǎng)絡(luò)層信息），根據(jù)里面的IP地址決定下一個(gè)接收的路由器，最終到達(dá)目的主機(jī)。決定的過(guò)程叫IP數(shù)據(jù)包選路的過(guò)程，即路由過(guò)程。許多路由器在一起為數(shù)據(jù)包選擇路徑所依靠的法則叫做路由協(xié)議。

  上圖可以看到，從一側(cè)到另一側(cè)有不同的路徑：

• A-D-C
• A-B-C
• A-B-E-C

  假設(shè)從一側(cè)發(fā)往另一側(cè)一封email，email的數(shù)據(jù)類(lèi)被拆分為很多IP數(shù)據(jù)包，并逐層加上每層頭數(shù)據(jù)字節(jié)，根據(jù)A到E這些路由器的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)狀況，這些IP數(shù)據(jù)包會(huì)走不同的路徑到達(dá)另一側(cè)，到達(dá)的順序不同于發(fā)送的順序，在另一側(cè)的主機(jī)會(huì)按數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序重新排列，并一層層剝離PDU的包頭數(shù)據(jù)，提取出里面的應(yīng)用數(shù)據(jù)，重構(gòu)為一封email。

  在上面這個(gè)過(guò)程中，有些數(shù)據(jù)包甚至?xí)p壞或者丟失，需要重傳這些數(shù)據(jù)包。這樣，為了保障IP數(shù)據(jù)包傳送的正確順序和不被丟失，需要其它的協(xié)議跟IP協(xié)議一起工作，這就是OSI模型中第四層的傳輸控制協(xié)議（TCP）的由來(lái)，如下圖圖六。TCP協(xié)議包括重傳數(shù)據(jù)包和在接收端按數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序重新排列的機(jī)制，可以保障發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都可以被正確接收。email，www等互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都是使用TCP傳輸?shù)模ヂ?lián)網(wǎng)最初是為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)所設(shè)計(jì)的，所以大家都將互聯(lián)網(wǎng)稱(chēng)為T(mén)CP/IP網(wǎng)絡(luò)。

圖六

  TCP確保每個(gè)數(shù)據(jù)包都可以被接受到的機(jī)制使之被歸為“有連接的傳輸協(xié)議”，可以看到在圖六中，還有一個(gè)跟TCP并列的傳輸層協(xié)議:用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP），這個(gè)協(xié)議同TCP不同的是，并不能保障每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都被接收到，所以，UDP被歸為“無(wú)連接的傳輸協(xié)議”，UDP更適合不追求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而關(guān)注時(shí)延、抖動(dòng)的音頻和視頻應(yīng)用，以后會(huì)談到。