其中，OSI的七层协议体系结构理论虽然完整，但它既复杂又不实用。广泛应用的是TCP/IP四层体系结构。

【资料图】

五层协议的体系结构只是为了介绍网络原理而设计的，实际应用的还是TCP/IP四层体系结构。

TCP/IP协议族

1、TCP/IP协议模型

首先，我们需要知道一个协议族的概念。协议族是多个协议的统称。，TCP/IP就是一个协议族。

其包含IP、TCP、UDP、HTTP、FTP、MQTT等协议。TCP/IP协议模型：

（图片：《计算机网络》谢希仁、《TCP/IP协议详解》）

TCP/IP协议模型分四层，上层依赖于下层。

从下到上看：

（1）第一层链路层（网络接口层）：

链路层规定了数据帧能被网卡接收的条件，最常见的方式是利用网卡的 MAC 地址，发送方会在欲发送的数据帧的首部加上接收方网卡的 MAC 地址信息，接收方只有监听到属于自己的MAC 地址信息后，才会去接收并处理该数据。

（2）网络层（网际层）：

网络层实现了数据包在主机之间的传递 。相关协议：IP、ICMP等协议。

（3）传输层（运输层）：

传输层可以区分数据包是属于哪一个应用程序的。相关协议：TCP、UDP协议。

（4）应用层

应用层提供特定的应用服务。相关协议：HTTP、MQTT、FTP等协议。

应用层以下的工作完成了数据的传递工作，应用层则决定了你如何应用和处理这些数据，之所以会有许多的应用层协议， 是因为互联网中传递的数据种类很多、差异很大、应用场景十分多样。

2、网络数据的发送与接收

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

发送数据时， 将数据向下交给传输层。传输层会在数据前面加上传输层首部（此处以 TCP 协议为例， 传输层首部为 TCP 首部，也可以是 UDP 首部）， 然后向下交给网络层。

同样地，网络层会在数据前面加上网络层首部（IP 首部） ，然后将数据向下交给链路层， 链路层会对数据进行最后一次封装，即在数据前面加上链路层首部（此处使用以太网接口为例） ，然后将数据交给网卡。

数据的接收过程与发送过程正好相反，可以概括为 TCP/IP 的各层协议对数据进行解析的过程。

3、IP协议

（1）概念

IP 协议（Internet Protocol），又称之为网际协议， IP 协议处于 IP 层工作，它是整个TCP/IP 协议栈的核心协议，上层协议都要依赖 IP 协议提供的服务， IP 协议负责将数据报从源主机发送到目标主机。

IP 协议是一种无连接的不可靠数据报交付协议，协议本身不提供任何的错误检查与恢复机制。

（2）IP地址

在全球的互联网中，每个主机都要唯一的一个 IP 地址作为身份识别。每个 IP 地址长度为 32 比特（4 字节），使用点分十进制记法来表示，如192.168.0.1。

IP 地址划分为 5 大类，分别为 A、 B、 C、 D、 E 五类，每一类地址都觉定了其中 IP 地址的一部分组成（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）：

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

（3）局域网、广域网

查看本机内网IP：

查看本机外网IP：

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

无线路由器把电脑、手机等设备连接到局域网 LAN 上，并分配 IP 地址，即局域网 IP ，我们可以称之为 LAN-IP 。

路由器的地址就是运营商给我们的一个 IP 地址，这个 IP 地址是有效的，可以看做是 WAN-IP。

LAN-IP 是路由器分配给我们的 IP，那么我们想要跨越边界进入广域网中， 就需要将 LAN-IP 变成有效的的 IP 地址，也就是 WAN-IP，那么在路由器中就需要将IP 地址进行转换，完成 LAN-IP<—>WAN-IP 地址转换（NAT）。

当持有 WAN-IP 的 IP 包顺利到达下一个边界 Internet Gateway，这是通往互联网Internet 的最后一道关卡，即边界。

左边是广域网，右边是互联网， 也需要做 WAN-IP 与Global-IP（互联网公共 IP）的转换才能进入互联网中 。

（4）IP数据报

IP 数据报的格式如下所示：

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

各字段说明：

4、UDP协议

UDP是 User Datagram Protocol 的简称， 中文名是用户数据报协议， 是一种无连接、不可靠的协议。

主要特点：

UDP 虽然有很多缺点， 但是也不排除其能用于很多场合， 因为在如今的网络环境下，UDP 协议传输出现错误的概率是很小的， 并且它的实时性是非常好， 常用于实时视频的传输，比如直播、网络电话等。

因为即使是出现了数据丢失的情况，导致视频卡帧，这也不是什么大不了的事情，所以， UDP 协议还是会被应用与对传输速度有要求，并且可以容忍出现差错的数据传输中。

（1）UDP报文

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

端口号的取值在0~65535 之间；16bit 的总长度用于记录 UDP 报文的总长度，包括 8 字节的首部长度与数据区域。相关文章：

【socket笔记】TCP、UDP通信总结

5、TCP协议

TCP协议（TransmissionControl Protocol，传输控制协议），是一个面向连接的协议，无论哪一方向另一方发送数据之前，都必须先在双方之间建立一个连接，否则将无法发送数据。

TCP数据是会封装到IP数据当中，我们现在看看TCP协议的头部数据定义：

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》、《TCP/IP协议详解》）

下面看一下TCP协议的一些特性：

（1）确认与重传

TCP 提供可靠的运输层， 但它依赖的是 IP 层的服务， IP 数据报的传输是无连接、 不可靠的，因此它要通过确认来知道接收方确实已经收到数据了。

但数据和确认都有可能会丢失， 因此 TCP 通过在发送时设置一个超时机制（定时器）来解决这种问题， 如果当超时时间到达的时候还没有收到对方的确认，它就重传该数据。

（2）缓冲机制

在发送方想要发送数据的时候， 由于应用程序的数据大小、 类型都是不可预估的， 而TCP 协议提供了缓冲机制来处理这些数据。

如在数据量很小的时候， TCP 会将数据存储在一个缓冲空间中， 等到数据量足够大的时候在进行发送数据， 这样子能提供传输的效率并且减少网络中的通信量。

而且在数据发送出去的时候并不会立即删除数据，还是让数据保存在缓冲区中，因为发送出去的数据不一定能被接收方正确接收，它需要等待到接收方的确认再将数据删除。

（3）全双工通信

在 TCP 连接建立后，那么两个主机就是对等的，任何一个主机都可以向另一个主机发送数据，数据是双向流通的，所以 TCP 协议是一个全双工的协议。

（4）流量控制

TCP 提供了流量控制服务（flow-control service）以消除发送方使接收方缓冲区溢出的可能性。

流量控制是一个速度匹配服务，即发送方的发送速率与接收方应用程序的读取速率相匹配， TCP 通过让发送方维护一个称为接收窗口（receive window）的变量来提供流量控制。

（5）差错控制

除了确认与重传之外， TCP 协议也会采用校验和的方式来检验数据的有效性，主机在接收数据的时候，会将重复的报文丢弃，将乱序的报文重组。

发现某段报文丢失了会请求发送方进行重发，因此在 TCP 往上层协议递交的数据是顺序的、无差错的完整数据。

关于TCP协议的一些其它内容如三次握手、四次挥手、示例等可以看以下文章：

C语言、嵌入式应用：TCP通信实例分析

【面试必考】TCP协议“三次握手”与“四次挥手”

【socket笔记】TCP、UDP通信总结

6、HTTP协议

HTTP 协议是 Hyper Text Transfer Protocol（超文本传输协议）的缩写， 是用于从万维网（WWW:World Wide Web ）服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。

它是基于TCP/IP 协议通信的，因此它也是基于客户端-服务器模型运作的，是一个应用层协议，可以用它来传输服务器的各种资源，如文本、图片、音频等。

HTTP 协议的特点：

（1）URL 与资源

URL全称是 Uniform Resource Locator， 中文叫统一资源定位符， 是互联网上用来标识某一处资源的绝对地址，使用它我们就必然能找到资源，除非资源已经被转移了。

URI（Uniform Resource Identifiers）是一个通用的概念，由两个子集组成，分别是 URL 和 URN， URL 是通过资源的位置来标识资源，而 URN 更高级一点，只需通过资源名字即可识别资源，与他们所处的位置是无关的，目前暂时还未推广 URN。

URL的通用格式如下（绝大部分的 URL 是不会包含所有组件的内容的 ）：

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

（2）HTTP报文

① 请求报文：

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

② 应答报文：

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

实例：

7、MQTT协议

MQTT 协议全称是 Message Queuing Telemetry Transport，翻译过来就是消息队列遥测传输协议，它是物联网常用的应用层协议。

其运行在 TCP/IP 中的应用层中，依赖 TCP 协议，因此它具有非常高的可靠性，同时它是基于 TCP 协议的<客户端-服务器>模型发布/订阅主题消息的轻量级协议。

（1）MQTT通信模型

（图片来源：野火《LWIP应用开发实战指南》）

MQTT协议是基于客户端-服务器模型，在协议中主要有三种身份：发布者（Publisher）、服务器（Broker）以及订阅者（Subscriber）。

MQTT 消息的发布者和订阅者都是客户端，服务器只是作为一个中转的存在，将发布者发布的消息进行转发给所有订阅该主题的订阅者。

MQTT 客户端的功能：

MQTT 服务器常被称为 Broker（消息代理） 。它的功能有：

（2）MQTT消息

MQTT所发的消息包含：主题+内容，客户端可以订阅任意主题，若有其它客户端发布主题时符合所订阅的主题，就会由网关发送到客户端。

什么是主题？

MQTT 服务器为每个连接的客户端（订阅者）添加一个标签，该标签与服务器中的所有订阅相匹配， 服务器会将消息转发给与标签相匹配的每个客户端。这样的一个标签就是主题。

实例：

服务质量：

MQTT提供三种服务质量（Quality of Service，简写QoS），供开发者根据不同的情景选择不同的服务级别：

以上就是本次分享的一些计算机网络基础知识，计算机网络的内容很多，一篇文章不可能全部覆盖，以上也仅仅是一些概括性地抽取一些表层内容过来分享，需要阅读相关书籍来加深学习。