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TCP/IP协议分层模型

TCP/IP协议分层模型 至芯
2025-12-08
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TCP/IP 分层模型详细介绍
TCP/IP(传输控制协议 / 网际协议)是互联网的核心通信协议族,采用 分层架构 设计,将复杂的网络通信过程拆解为多个独立、协作的层次。这种分层思想降低了设计复杂度,便于协议的实现、维护和扩展。TCP/IP 模型通常被划分为 4 层或 5 层 (两种划分方式并存),以下分别详细介绍,并对比 OSI 参考模型以辅助理解。

PART 001


TCP/IP 4 层模型(核心划分)


1. 网络接口层(Network Interface Layer)
别称:链路层、数据链路层、网络访问层
功能定位:负责 物理介质访问 和 帧封装 ,是 TCP/IP 与物理网络的接口,处理硬件相关的通信细节。
核心职责:
  • 定义网络设备(如网卡、交换机)的物理连接方式、电气特性和数据传输格式。
  • 将网络层的 IP 数据报封装为 帧 (Frame),添加帧头(含源 / 目的 MAC 地址)和帧尾(校验字段)。
  • 实现帧的发送、接收、差错检测(如 CRC 校验)和重传,以及 MAC 地址寻址(通过 ARP 协议获取目标 MAC)。
典型协议与设备:
  • 协议:以太网(Ethernet)、Wi-Fi(802.11 系列)、PPP(点到点协议)、HDLC(高级数据链路控制)、ARP(地址解析协议)、RARP(反向地址解析协议)。
  • 设备:网卡、交换机、集线器(物理层设备,常归为该层)。
数据单元: 帧(Frame)
2. 网络层(Internet Layer)
别称:网际层、IP 层
功能定位:负责 跨网络的路由选择 和 寻址 ,是 TCP/IP 模型的核心,实现不同网络间的数据报传输。
核心职责:
  • 定义 IP 地址 (IPv4/IPv6)作为网络设备的逻辑标识,区分不同网络和主机。
  • 将传输层的报文封装为 IP 数据报 ,添加 IP 头(含源 / 目的 IP 地址、协议类型等)。
  • 通过路由协议(如 OSPF、BGP)选择最佳路径,将数据报从源网络转发到目标网络。
  • 处理数据报的分片与重组(当数据报超过链路层 MTU 时)。
典型协议:
  • 核心协议:IP(IPv4、IPv6)、ICMP(网际控制报文协议,用于差错报告如 ping 命令)、IGMP(互联网组管理协议,用于组播)。
  • 路由协议:RIP、OSPF、BGP 等。
设备:路由器、三层交换机。
数据单元: IP 数据报(Datagram)
3. 传输层(Transport Layer)
功能定位:负责 端到端的可靠通信 ,屏蔽网络层的不可靠性,为应用层提供高效、可靠的数据传输服务。
核心职责:
  • 面向连接的可靠传输(TCP):保证数据无差错、无丢失、按序到达。
  • 无连接的不可靠传输(UDP):追求传输效率,适用于实时性要求高的场景。
  • 建立、维护和终止端到端的通信连接(如 TCP 的三次握手、四次挥手)。
  • 提供 流量控制 (避免接收方缓冲区溢出)和 拥塞控制 (避免网络过载)。
  • 对应用层数据进行分段(TCP)或封装(UDP),添加端口号标识应用进程。
典型协议:TCP(传输控制协议)、UDP(用户数据报协议)、SCTP(流控制传输协议,适用于多路径传输)。
数据单元: TCP 段(Segment) 、 UDP 数据报(Datagram)
关键标识: 端口号 (16 位,范围 0-65535,知名端口 0-1023,动态端口 49152-65535)。
4. 应用层(Application Layer)
功能定位:直接为用户应用程序提供网络服务,是用户与网络的接口。
核心职责:定义应用程序间的通信规则和数据格式,实现特定的网络应用功能(如网页浏览、文件传输、邮件收发等)。
典型协议:
  • 远程登录:Telnet、SSH。
  • 文件传输:FTP、SFTP。
  • 网页服务:HTTP、HTTPS。
  • 邮件服务:SMTP(发送)、POP3/IMAP(接收)。
  • 域名解析:DNS。
  • 即时通信:XMPP、WebSocket。
  • 远程桌面:RDP、VNC。
数据单元: 应用数据(Application Data)

PART 002


TCP/IP 5 层模型(扩展划分)


部分教材或资料会在 4 层模型基础上,将 网络接口层 拆分为 物理层 和 数据链路层 ,形成 5 层模型,更贴近 OSI 参考模型的分层逻辑,便于理解底层通信细节:
  • 物理层:定义物理介质的电气特性、机械特性、接口标准(如网线、光纤、无线电波),负责二进制比特流的传输(0/1 信号)。设备如集线器、网线、光纤。
  • 数据链路层:同 4 层模型的网络接口层核心功能(帧封装、MAC 寻址、差错检测),设备如交换机。
  • 网络层、传输层、应用层:功能与 4 层模型完全一致。

PART 003


TCP/IP 与 OSI 模型的对比


OSI 是理论参考模型(7 层),TCP/IP 是实际工业标准(4/5 层),二者的对应关系如下表:
OSI 7 层模型
TCP/IP 4 层模型
TCP/IP 5 层模型
核心功能
应用层
应用层
应用层
为应用提供网络服务
表示层
应用层
应用层(TCP/IP 中并入应用层)
数据格式转换、加密
会话层
应用层
应用层(TCP/IP 中并入应用层)
会话建立与管理
传输层
传输层
传输层
端到端可靠传输、流量 / 拥塞控制
网络层
网络层
网络层
路由选择、IP 寻址、数据报转发
数据链路层
网络接口层
数据链路层
帧封装、MAC 寻址、差错检测
物理层
网络接口层
物理层
二进制比特流传输、物理介质接口

PART 004


TCP/IP 分层通信流程(以 HTTP 请求为例)


以浏览器访问网页为例,数据从发送端到接收端的分层处理流程如下:
  • 应用层:浏览器生成 HTTP 请求报文(如 GET /index.html)。
  • 传输层:TCP 协议为请求报文添加 TCP 头(含源端口 1024+、目的端口 80),封装为 TCP 段。
  • 网络层:IP 协议为 TCP 段添加 IP 头(含源 IP、目的服务器 IP),封装为 IP 数据报。
  • 网络接口层:以太网协议为 IP 数据报添加帧头(含源 MAC、目的网关 MAC)和帧尾,封装为帧,通过物理介质发送。
  • 传输过程:帧经交换机转发到网关路由器,路由器剥离帧头,基于 IP 地址路由转发 IP 数据报,重复链路层封装 / 解封装,直至目标服务器。
  • 接收端反向处理:目标服务器从下到上逐层解封装(帧→IP 数据报→TCP 段→HTTP 请求),最终交给 Web 服务器处理,再按原路返回响应。

PART 005


分层设计的核心优势


  • 模块化设计:每层独立实现特定功能,修改某层协议不影响其他层(如 IPv4 升级 IPv6 仅涉及网络层)。
  • 降低复杂度:将复杂的网络通信拆解为多个简单子问题,便于开发和维护。
  • 兼容性强:不同厂商的设备只要遵循相同层的协议,即可互联互通(如 Windows 和 Linux 主机通过 TCP/IP 通信)。
  • 便于排障:分层结构可快速定位故障位置(如网络不通时,先排查物理层,再依次排查链路层、网络层等)。
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