一、网络分层体系
1、OSI参考模型
OSI 参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model）是由国际标准化组织（ISO）制定的网络通信框架标准，通过定义七层标准化通信体系，为不同厂商设备互联提供统一规范：
- 目的：解决早期网络设备兼容性问题，实现跨厂商、跨平台的互联互通；
- 核心思想：分层解耦，每层专注特定功能，下层为上层提供服务；
- 意义：虽实际网络中TCP/IP协议栈更常用，但OSI模型仍是网络协议设计的理论基础和教学工具。
2、TCP/IP的分层
网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。TCP/IP分层模型是互联网协议套件的基础，它简化了OSI模型，将网络通信过程划分为四个层次。TCP/IP模型的主要目的是提供一个实际可行的网络通信架构，它是互联网和许多其他网络的基础。TCP /IP，是一组不同层次上的多个协议的组合。 TCP/ IP通常被认为是一个四层协议系统，如下图所示。
- 应用层：定义数据格式与交互规则，提供 HTTP、FTP、SMTP、DNS 等协议，通过端口与传输层衔接，实现多应用并发。
- 传输层：通过端口复用实现端到端通信；TCP 提供可靠连接、重传与拥塞控制，UDP 仅增加端口与可选校验，高效但不可靠。
- 网络层：以 IP 为核心，负责跨网寻址、路由与转发；配套 ICMP、IGMP、ARP 实现差错报告、组播管理和地址解析，支持分片重组，构建全球统一地址空间。
- 链路层：处理比特流传输，将报文封装成帧，添加 MAC 地址与 CRC；通过 ARP 解析硬件地址，实现局域网互联，为 TCP/IP 提供无差别的帧级传输接口。
OSI七层模型是网络通信的理论标准，TCP/IP四层则是实际应用的简化版本，通过分层协作实现了高效的数据传输。
| OSI分层 | TCP/IP四层 | 典型协议/单元 | 功能简述 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 | HTTP, FTP, SMTP, DNS | 用户业务数据格式与交互规则 |
| 表示层 | 应用层 | SSL/TLS, JPEG, ASCII | 数据加密、压缩、格式转换 |
| 会话层 | 应用层 | RPC, NetBIOS | 会话建立、维持、终止 |
| 传输层 | 传输层 | TCP, UDP | 端到端可靠/不可靠传输、端口复用 |
| 网络层 | 网络层 | IP, ICMP, IGMP, ARP | 跨网寻址、路由、分片、差错报告 |
| 数据链路层 | 链路层 | Ethernet, PPP, ARP | 帧封装、MAC 寻址、差错检测 |
| 物理层 | 链路层 | 比特流, RJ-45, 光纤 | 电气/光学信号、比特传输 |
二、数据的封装和分用
当应用程序用 TCP传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息（有时还要增加尾部信息），该过程叫做数据的封装。当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作数据的分用。过程如下所示。
三、以太网帧数据的传输
在讲述网络传输之前，了解以下网络中的名词是十分重要的。
| 名称 | 所在层级 | 作用域 | 核心职能 |
|---|---|---|---|
| IP 地址 | 网络层 (L3) | 全网逻辑 | 跨网络标识主机，决定“去哪”；与掩码配合判断本地/远程 |
| MAC 地址 | 链路层 (L2) | 本地物理段 | 固化标识网卡，同网段内“交给谁” |
| 子网掩码 | 网络层 (L3) | 主机本地 | 划分 IP 中的网络位与主机位，决定“是否同一网段” |
| 网关 (默认路由) | 网络层 (L3) | 跨网段 | 提供下一跳 IP，把远程流量送出本段 |
| 交换机 | 链路层 (L2) | 单广播域 | 自学习 MAC 地址，按表二层转发帧，隔离冲突域 |
| 路由器 | 网络层 (L3) | 多广播域 | 查 IP 路由表，跨网转发包，隔离广播，实现网际互联 |
| CAM表 | 链路层 (L2) | 交换机内部 | MAC-端口映射表，用于快速硬件查表，决定帧从哪个端口发出 |
| 路由表 | 网络层 (L3) | 路由器内部 | 目的网络-下一跳-出接口映射，指导 IP 报文跨网转发 |
1、局域网间通讯
如（图）网络传输所示，若电脑A与电脑B通讯，数据传输步骤如下所示：
- 电脑A用子网掩码判断目标IP与自身同网段 → 走局域网直接交付。
- 电脑A查本地ARP缓存：
- 命中 → 直接得到电脑B的MAC；
- 未命中 → A发ARP请求（广播），B单播回应MAC，A缓存并填充帧头。
- 电脑A构造以太网帧：目的MAC=B，源MAC=A，类型=0x0800，载荷为IP报文。
- 帧进入交换机A：
- 交换机A学习源MAC，更新CAM表；
- 查目的MAC，若表项存在则单播转发到对应端口；若无表项则泛洪到同一VLAN内所有端口（除源端口）。
- 电脑B收到帧，FCS校验正确后解封→交IP层→确认目的IP为本机，完成通信。
2、跨网络通讯
如（图）网络传输所示，若电脑A与电脑E通讯，数据传输步骤如下所示：
- 电脑A用子网掩码判断目标IP与自身不同网段 → 需走默认网关。
- 电脑A查本地ARP缓存：
- 命中 → 直接得到网关MAC；
- 未命中 → A发ARP请求（广播），网关单播回应MAC，A缓存并填充帧头。
- 电脑A构造以太网帧：目的MAC=网关，源MAC=A，类型=0x0800，载荷为IP报文（目的IP=E）。
- 帧进入交换机A：
- 学习源MAC，更新CAM表；
- 查目的MAC命中网关端口，单播转发给路由器A。
- 路由器A收帧→解封至IP层→查路由表得下一跳（路由器B接口）→减TTL→重新封装新帧： 目的MAC=路由器B接口MAC，源MAC=本出接口MAC。
- 帧经交换机B（若存在）→送达路由器B。
- 路由器B解封→查路由表得目的网络直连本地接口→查ARP缓存：
- 命中 → 直接得到电脑E的MAC；
- 未命中 → B发ARP请求（广播），E单播回应MAC，B缓存并填充帧头。
- 路由器B构造末帧：目的MAC=E，源MAC=本接口MAC，类型=0x0800，发往交换机C。
- 交换机C学习源MAC，查目的MAC命中E端口，单播转发。
- 电脑E收到帧，FCS校验正确后解封→交IP层→确认目的IP为本机，完成跨网络通信。
