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Foundation

TCP/IP Model​

為什麼需要TCP/IP Model？ 不同設備上進程之間的通信，需要Network communication，而設備是多樣性的，要compatible with不同設備，就協商了一套通用的網絡協議。

I. Application Layer

  • 傳輸單位: message
  • The top layer，就是我們平時直接接觸到的，Our computer or mobile phone的application都是在應用層中實現的。 那麼，當兩個不同設備的application需要通信的時侯，application就把data傳給下一層，也就是傳輸層。
  • 只需要專注於為用戶提供應用功能，比如HTTP、FTP、Telnet、DNS、SMTP等。
  • 應用層是不需要關心data是如何傳輸的，類似於寄速遞，只需要將Package交到速遞員，由他負責運輸，我們不需要關心運輸過程 。
  • 而且應用層是工作在Operation System的User Mode，傳輸層及以下則工作在Kernel Mode。

II. Transport Layer

  • 傳輸單位: segment
  • Application Layer的data會傳給傳。Transport Layer是為應用層提供網絡支持的，但不會負責將data從一個設備傳輸到另一個設備。
  • 有兩個傳輸協議，分別是TCP和UDP。
  • TCP的全稱叫Transmission Control Protocol，大部份應用使用的正是TCP，比如HTTP應用層協議。TCP相比UDP多了很多特性，比如流量控制、超時重傳、拥塞控制等，這些都是為了保證數據包能可靠地傳送給對方。
  • UDP只負責發送數據包，不保證數據包是否抵達對方，但它實時性相對更好，傳輸效率也更高。UDP也可以實現可靠傳輸，但需要把TCP的特性在應用層上實現。
  • 當data非常大，如果直接傳輸就不好控制，因此當傳輸層的data大小超過MSS（TCP max. message段長度），就要將數據包分塊，這樣即使中途有一個分塊丢失或損壞了，只需要重新發送這一個block，而不用重新發送整個數據包。在TCP中，每個block稱為一個TCP Segment。
  • 當設備作為接收方昤，傳輸層則要把數據包傳給應用，但是一台設備上可能會有很多應用在接收或傳輸數據，因為需要用Port將應用區分開來。
  • 比如80通常是Web Service用的，22通常是Remote登錄server用的。而對於browser(client)中的每一個標簽欄都是一個獨立的process，OS會為這些process分配臨時的port。
  • 傳輸層的message中會帶上port，因此接收方可以識別出這message是發送給那個應用。

III. Network Layer

  • 傳輸單位: packet
  • 最常使用的是IP (Internet Protocol)，IP協議會將Transport Layer的message作為它的data部份，再加上IP包Header組裝成message，如果IP message大小超過MTU(Ethernet通常是1500Bytes)，IP層會將其分段。
  • 一般用IP地址給設備進分編號，對于IPv4協議，IP地址共32位，分成了4段(比如: 192.168.100.1)，每段是8位。雖然一個IP地址做到了區分設備，但是Address search就會很麻煩。
  • 因為需要將IP地址分成兩種意義：
    • 一個是Network ID: 負責標識該IP地址是屬於那個子網的
    • 另一個是Host ID: 負責標識同一子網下的不同主機
  • 需要用Subnet Mask才能計算出IP地址的NID及HID
  • 例如10.100.122.0/24，後面的/24表示255.255.255.0的Subnet Mask，二進制就是 11111111-11111111-11111111-00000000，共24個1，為了簡化用/24作代表。
  • 例如IP地址: 10.100.122.2，Subnet Mask: 255.255.255.0，兩者做AND運算，就可以得到Network Address: 10.100.122.0。
  • 在尋址過程中，先match到相同的network address（表示是找到同一個subnet），才會找對應的host。
  • 除了尋址能力，IP協議還有另一個種要能力就是路由。實際場景中，兩台設備中間要通過很多Gateway、Router、交換機等眾多網絡設護，那麼就會產生很多path，因此當數據包到達一個node，就需要路由算法去決定下一步走那條path。
  • 路由尋址的工作中，就是要找到目標地址的子網，找到後再將數據包發給對應的網絡。
  • 所以，IP協議的尋址作用是告訴我們去往下一個目的地該朝那個方向走，路由則是根據Next destination來選擇路徑。尋址更像是Navigation，路由則像是Steering。

IV. Data Link Layer

  • 傳輸單位: frame
  • 生成了IP Header之後，接下來要交給Link Layer在IP Header前面加上MAC Header，并封裝成Data frame發送到網絡上。
  • IP Header中的接收方IP地址表示網絡包的目的地，通過這個地址我們就可以判斷要將包發到哪裡，但不能在Ethernet的世界應用這個思路。
  • 以太網由以太網接口，WiFi接口，以太網交換機，路由器上的Gigabit Ethernet網口組成。是一種在局域網內，把附近的設備連接起來，使它們之間可以進行通訊。
  • 以太網在判斷網絡包目的地時和IP的方式不同，因為必須采用MAC Header。
  • MAC Header是以太網使用的Header，它包含了接收方和發送方的MAC地址等信息，可以通過APR協議獲取對方的MAC地址。
  • 主要為網絡層提供鏈路級的服務，負責在以太網、WiFi這樣的底層網絡上發送原始包，工作在網卡這個層次，使用MAC地址來標識網絡上的設備。

V. Summary Data Message

Reference​
  1. XiaoLinCoding: https://xiaolincoding.com/network/1_base/tcp_ip_model.html