TCP/IP 协议分层

协议分层

可能大家对OSI七层模型并不陌生，它将网络协议很细致地从逻辑上分为了7层。但是实际运用中并不是按七层模型，一般大家都只使用5层模型。如下： 物理层：一般包括物理媒介，电信号，光信号等，主要对应于PHY芯片，PHY芯片将数据传送给物理媒介（RJ45座->双绞线），如图：

• 数据链路层：一般简单称为MAC层，因为MAC芯片处于这层，对应于代码中的网卡驱动层。数据包在这一层一般称之为“以太网帧”。
• 网络层：对应于代码中IP层。
• 传输层：对应于代码中TCP层。
• 应用层：对应于代码中应用层数据，即SOCKET通信,recv()/send()的数据。

对于一个以太网数据包，我们在代码中能真实看到的包括4部分，分别对应链路层、网络层、传输层、应用层，如下图：

注：有几个概念需要解释一下，从网卡收到的数据，此时是一个完整的包含各层头的数据包，此时称之为“以太网帧”；当解开以太网帧头到达IP层，称之为“IP Packet（IP数据包）”；当解开IP头到达TCP层，称之为“TCP Segment（TCP分片）”；当解开TCP头时到达应用层，就是我们socket通信看到的数据了。

这种分层的设计作为一个协议设计与实现的向导，在这种方式下，每个协议可以分离地实现，互不干扰。然而严格的分层设计，各层间的通讯可能会导致总体的性能下降。为了克服这些问题，协议的某些内部细节可以被其他的协议共享，但是必须注意，只有重要的信息才能在各层间共享。

大部分的TCP/IP协议栈实现在应用层到底层之间都遵循严格的分层设计，然而底层或多或少可以有交叉。在大多数操作系统中，所有的底层协议都与操作系统的内核绑定在一起（成为OS内核的一部分），内核提供入口点（API）与应用层的进程通信。此时，应用程序可认为是TCP/IP协议栈的一个抽象，不用关心底层的细节，对于支持SOCKET的系统，直接使用SOCKET进行网络通信即可，这些操作基本和文件IO的操作差别不大。这意味着应用程序对底层一无所知，比如底层使用buffer缓冲数据，而应用层无法对buffer一无所知，如果有应用层有一部分数据频繁使用，而它是无法操作buffer将频繁使用的数据缓冲起来。

在最小系统中，一般不会严格地在内核和应用程序中间加一道保护屏障，如此应用程序可以使用共享内存（底层在内核中，与内核共享内存）的方式更轻松地与底层通信。具体来讲，应用层知道底层使用的缓冲处理机制，因此，应用层可以更高效的重用buffer。既然应用层可以和底层协议使用同一段内存，这样也可以节省拷贝带来的开销。

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