C++网络编程之网络模型

概述

        所谓网络模型，是指一组定义了网络通信功能和行为的规则和标准。这些模型通过将网络通信功能分解成不同的层次，使得网络通信更加模块化，也更易于理解和实施。每一层都有其特定的功能，通过层与层之间的交互，确保数据能够从源端正确无误地传输到目的端。

        网络模型的核心思想是：将复杂的网络通信任务划分为若干个独立的层次，每一层专注于完成特定的功能，并与相邻层进行交互。这样做的好处是每一层可以独立设计、测试和优化，同时降低了系统的复杂度，提高了可维护性和互操作性。

OSI七层模型

        OSI七层模型是由国际标准化组织（ISO）提出的一种网络通信模型，它将网络通信功能分解为七个层次，每个层次都有其特定的功能。OSI七层模型提供了一个标准化的框架，以帮助人们理解和实现网络通信的不同方面。OSI七层模型具体包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。下面，我们逐一进行介绍。

        1、物理层。

        定义了网络硬件层面的连接标准，包括物理媒介（比如：电缆、光纤）、电气特性（比如：电压水平、信号频率）、机械特性（比如：插头形状、尺寸）以及过程特性（比如：如何建立和断开物理连接）。物理层主要负责原始比特流的传输，即数据的物理传输。

        应用了物理层的设备主要有：双绞线、同轴电缆、光纤、集线器、中继器等。

        2、数据链路层。

        负责节点间的数据传输，即在同一物理网络内的设备之间的数据帧传输。数据链路层提供错误检测机制（比如：校验和、循环冗余校验CRC）和错误恢复机制，并负责流量控制，确保数据不会过快地发送而导致接收方无法处理。

        应用了数据链路层的设备主要有：网桥、交换机等。

        3、网络层。

        负责路由选择和逻辑寻址，确定数据包从源到目的地的最佳路径。网络层处理IP地址和子网掩码，进行逻辑寻址和路由选择。同时，还提供服务质量选项，比如：优先级和延迟保证。

        应用了网络层的设备主要有：路由器等。

        4、传输层。

        提供端到端的通信，确保数据可靠传输。传输层负责建立、维护和终止连接，保证数据的顺序性和完整性。另外，还支持流控和拥塞控制，防止网络拥塞。

        应用了传输层的协议主要有：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）等。

        5、会话层。

        负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。会话层提供同步服务，确保数据按正确的顺序传输。

        6、表示层。

        用于处理数据的表示形式，比如：加密、解密、压缩、解压缩等。这样，可以确保数据对应用层来说是透明的，即应用层无需关心数据的具体表示形式。

        表示层可参考JPEG、MPEG等编码格式的转换。

        7、应用层。

        为应用程序提供网络服务，使应用程序能够访问网络功能。应用层提供应用程序所需的接口，允许应用程序与网络进行交互。

        应用层可参考HTTP、FTP、SMTP、DNS等协议。

        在数据从应用层发送到物理层的过程中，每一层都会对数据进行特定的处理，添加必要的头部信息。而在数据从物理层接收并向上层传递的过程中，则会移除相应的头部信息。我们以Web浏览器向Web服务器请求一个网页为例，来说明数据的封装与解封装过程。

        对于Web浏览器来说，其数据的封装过程如下。

        （1）应用层：生成HTTP请求。

        （2）表示层：可能对HTTP请求进行编码或加密。

        （3）会话层：可能添加会话控制信息。

        （4）传输层：添加TCP头部，形成TCP段。

        （5）网络层：添加IP头部，形成IP数据包。

        （6）数据链路层：添加帧头部（MAC地址），形成帧。

        （7）物理层：将帧转换为比特流，通过网络发送到服务器。

        对于Web服务器来说，其数据的解封装过程如下。

        （1）物理层：接收比特流，重新组装成帧。

        （2）数据链路层：移除帧头部，得到IP数据包。

        （3）网络层：移除IP头部，得到TCP段。

        （4）传输层：移除TCP头部，得到HTTP请求。

        （5）会话层：移除会话控制信息。

        （6）表示层：解码或解密HTTP请求。

        （7）应用层：将HTTP请求传递给Web服务器应用。

        通过上述封装和解封装的过程，数据能够正确地从源端传输到目的端，并确保每一层的数据都能够被正确处理。这种层次化的处理方式，不仅简化了网络通信的设计，还增强了系统的灵活性和可扩展性。为了便于理解整个过程，可以参考下面的流程图。

TCP/IP四层模型

        TCP/IP四层模型是一个广泛接受的网络协议栈分层模型，用于描述和实现互联网通信。这个模型将网络通信过程划分为四个层次，每个层次都负责特定的任务，并与其他层次协同工作，以确保数据能够在不同的计算机和网络设备之间准确、高效地传输。TCP/IP四层模型具体包括：链路层、网络层、传输层、应用层。下面，我们逐一进行介绍。

        1、链路层。

        负责设备之间的物理连接和数据帧的传输。它处理物理媒介（比如：以太网、Wi-Fi、光纤等）上的信号传输，确保数据在物理链路上正确无误地从一个节点传输到另一个节点。

        链路层的数据单元为：帧（Frame），主要协议有：以太网（Ethernet）、Wi-Fi（IEEE 802.11）、ARP（地址解析协议）、RARP（逆地址解析协议）等。

        2、网络层。

        负责数据包的路由和转发，即确定数据从源主机到目的主机的最佳路径。它确保数据包能够跨越多个网络，从源端传输到目的端。

        网络层的数据单元为：数据包（Packet），主要协议有：IP（Internet Protocol）、ICMP（Internet Control Message Protocol）、IGMP（Internet Group Management Protocol）等。其中，IP协议是核心，它负责数据包的封装、寻址和路由；ICMP用于发送控制消息，比如：错误报告；IGMP用于多播和广播管理。

        3、传输层。

        负责端到端的通信，确保数据在发送方和接收方之间正确、可靠地传输。它提供了两种类型的服务：面向连接的（比如：TCP）、无连接的（比如：UDP）。

        传输层的数据单元为：TCP的段（Segment）和UDP的数据报（Datagram），主要协议有：TCP、UDP等。关于TCP、UDP协议的具体内容，后面的章节会进行详细介绍。

        4、应用层。

        是用户与网络的接口，它提供了各种网络服务，比如：文件传输、电子邮件、网页浏览等。应用层协议定义了数据如何被格式化，以及数据如何在网络上进行交换。

        应用层的数据单元为：数据（Data），主要协议有：HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议版本3）、DNS（域名系统）等。在应用层，数据以用户友好的格式（比如：文本、图片、视频等）存在。但在网络上传输时，这些数据会被封装成适合网络传输的格式。

        可以看到，模型的每一层都负责特定的任务，并通过标准的协议和接口与其他层次进行交互，从而实现了复杂而可靠的网络通信。TCP/IP四层模型为互联网通信提供了一个清晰、高效的架构，使得各种设备和应用程序能够相互通信，共同构成了互联网的基础。

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