TCP/IP 与 OSI 模型

一、计算机网络的诞生与发展

计算机网络发展四阶段（1997 年比尔·盖茨提出”网络才是计算机”）：

• 一单机多终端联机系统（雏形）→ 二分组交换网（TCP/IP 雏形）→ 三体系结构标准化（OSI）→ 四全球高速互联

二、OSI 七层参考模型

2.1 背景与核心思想

1979 年 ISO（国际标准化组织）颁布 OSI/RM（开放式系统互连参考模型）。

核心是分层：通信过程拆成七层，每层功能独立——层间松耦合（某层协议增减不影响其他层）、便于标准化。

2.2 七层详解

应用层（Application Layer）

常见应用层协议：

• HTTP/HTTPS TCP 80/443；DNS TCP/UDP 53；FTP TCP 20、21；SMTP TCP 25
• POP3 TCP 110；Telnet TCP 23；DHCP UDP 67、68

表示层（Presentation Layer）

数据格式转换：编码转换、加密解密、压缩。

会话层（Session Layer）

建立/维持/断开通信会话。

上三层面向程序，下四层面向数据传输。

传输层（Transport Layer）

地址是端口号，范围 0-65535：

• 知名端口 1-1023（标定特定服务）、注册端口 1024-49151、动态端口 49152-65535

两大核心协议 TCP 与 UDP 详见第四章。

网络层（Network Layer）

核心协议：

• IP（Internet 协议）：负责寻址和路由
• ICMP（Internet 控制报文协议）：用于网络诊断（如 ping、tracert）
• ARP（地址解析协议）：IP 地址与 MAC 地址的映射
• OSPF/RIP/BGP：动态路由协议

数据链路层（Data Link Layer）

子层：MAC（介质访问控制层） + LLC（逻辑链路控制层）；FCS（帧校验序列）保证完整性，CRC（循环冗余算法）差错检测。

物理层（Physical Layer）

把二进制 01 转成物理/光信号，经介质传输。常见介质：

三、TCP/IP 四层模型

TCP/IP 由美国国防部提出，后由 IETF（互联网工程任务小组）维护，成为互联网事实标准。

3.1 TCP/IP 协议簇

四个层次：

3.2 OSI 与 TCP/IP 模型对比

四、封装与解封装

4.1 什么是封装

封装：各层把本层实现数据加到内容数据之前：

应用层：原始数据
  ↓
传输层：TCP/UDP 头部 + 原始数据 → 段（Segment）
  ↓
网络层：IP 头部 + 段 → 包（Packet）
  ↓
数据链路层：MAC 头部 + 包 + FCS 尾部 → 帧（Frame）
  ↓
物理层：帧 → 比特流（Bits）

4.2 PDU（协议数据单元）

各层数据单元名称：

4.3 解封装

解封装是逆过程：收到比特流后逐层剥离头部，还原原始数据。

五、MAC 地址与 IP 地址

5.1 MAC 地址（物理地址）

• 芯片出厂烧录的串号；48 位二进制，用 12 位十六进制表达
• 格式示例 48-89-E7-20-7E-34；前 24 位是厂商（OUI），后 24 位是厂商分配的串号
• 全球唯一；工作在数据链路层，用于同一广播域内的通信

5.2 IP 地址（逻辑地址）

• IPv4 32 位二进制，点分十进制（如 192.168.1.1）；IPv6 128 位，冒分十六进制
• 分网络位与主机位，由子网掩码区分；工作在网路层，用于跨广播域通信

5.3 IP 地址分类

5.4 特殊 IP 地址

5.5 ARP 协议

ARP（地址解析协议）把 IP 地址映射为 MAC 地址，分类：

• 正向 ARP IP→MAC；反向 ARP MAC→IP；免费 ARP 用于 IP 冲突检测与自我介绍

ARP 缓存表老化时间 180 秒。

六、传输层协议详解：TCP 与 UDP

6.1 TCP 与 UDP 对比

6.2 TCP 三次握手

客户端                          服务器
   | -------- SYN -------->       |
   | <---- SYN + ACK ------       |
   | -------- ACK -------->       |

6.3 TCP 四次挥手

客户端                          服务器
   | -------- FIN -------->       |
   | <------- ACK ---------       |
   | <------- FIN ---------       |
   | -------- ACK -------->       |

6.4 TCP 分段与 IP 分片

• MTU（最大传输单元）：数据链路层限制，通常 1500 字节
• MSS（最大分段长度）：基于 MTU 协商，一般 1460 字节（1500 - 20 IP 头 - 20 TCP 头）
• IP 分片依据标识符、标志位（DF/MF）与片偏移量

七、其他重要协议

7.1 ICMP 协议

ICMP（Internet 控制报文协议）在网络设备间传递差错与控制信息。

Tracert 基于 TTL 值逐跳跟踪转发路径。

7.2 DNS 协议

DNS（域名系统）把域名转换为 IP 地址，C/S 架构。查询方式：

• 递归查询：DNS 服务器代替客户端完成全部查询
• 迭代查询：DNS 服务器返回下一级 DNS 地址，客户端自行查询

7.3 HTTP 协议

HTTP（超文本传输协议）是 WWW 核心协议之一，WWW 三部分：

• HTML 页面标记语言；URL 统一资源定位符（协议 + 主机 + 端口 + 文件名）；HTTP 传输超文本的协议

八、设备与层次对应

九、总结

1. OSI 七层是理论参考标准，TCP/IP 四层是工业标准
2. 三组对立：封装/解封装、MAC/IP 寻址、TCP/UDP