计算机⽹络为什么要分为五层结构？其依据是什么？
⼀、实体层
1、什么是实体层
实体层也称为物理层，是参考模型的最低层，也是OSI模型的第⼀层。它实现了相邻计算机节点之间⽐特流的透明传送，并尽可能地屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异，使其上层(数据链路层)不必关⼼⽹络的具体传输介质。“透明传送⽐特流”的意思是经实际电路传送后的⽐特流没有发⽣变化，对传送的⽐特流来说，这个电路好像是看不见的。
⼆、链接层
1、定义
单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读⽅式：多少个电信号算⼀组？每个信号位有何意义？这就是"链接层"的功能，它在"实体层"的上⽅，确定了0和1的分组⽅式。
2、以太⽹协议
早期的时候，每家公司都有⾃⼰的电信号分组⽅式。逐渐地，⼀种叫做"以太⽹"（Ethernet）的协议，占据了主导地位。
以太⽹规定，⼀组电信号构成⼀个数据包，叫做"帧"（Frame）。每⼀帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。
"标头"包含数据包的⼀些说明项，⽐如发送者、接受者、数据类型等等；"数据"则是数据包的具体内容。"标头"的长度，固定为18字节。"数据"的长度，最短为46字节，最长为1500字节。因此，整个"帧"最短为64字节，最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进⾏发送。
3、MAC地址
上⾯提到，以太⽹数据包的"标头"，包含了发送者和接受者的信息。那么，发送者和接受者是如何标识呢？
以太⽹规定，连⼊⽹络的所有设备，都必须具有"⽹卡"接⼝。数据包必须是从⼀块⽹卡，传送到另⼀块⽹卡。⽹卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。
每块⽹卡出⼚的时候，都有⼀个全世界独⼀⽆⼆的MAC地址，长度是48个⼆进制位，通常⽤12个⼗六进制数表⽰。
前6个⼗六进制数是⼚商编号，后6个是该⼚商的⽹卡流⽔号。有了MAC地址，就可以定位⽹卡和数据包的路径了。
4、⼴播
定义地址只是第⼀步，后⾯还有更多的步骤。
⾸先，⼀块⽹卡怎么会知道另⼀块⽹卡的MAC地址？
回答是有⼀种ARP协议，可以解决这个问题。这个留到后⾯介绍，这⾥只需要知道，以太⽹数据包必须知道接收⽅的MAC地址，然后才能发送。
其次，就算有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收⽅？
回答是以太⽹采⽤了⼀种很"原始"的⽅式，它不是把数据包准确送到接收⽅，⽽是向本⽹络内所有计算机发送，让每台计算机⾃⼰判断，是否为接收⽅。
上图中，1号计算机向2号计算机发送⼀个数据包，同⼀个⼦⽹络（同⼀个路由下）的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"标头"，到接收⽅的MAC地址，然后与⾃⾝的MAC地址相⽐较，如果两者相同，就接受这个包，做进⼀步处理，否则就丢弃这个包。这种发送⽅式就叫做"⼴播"（b
roadcasting）。有了数据包的定义、⽹卡的MAC地址、⼴播的发送⽅式，"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。
三、⽹络层
1、⽹络层的由来
以太⽹协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，北京的⽹卡就可以到纽约的⽹卡了，技术上是可以实现的。
但是，这样做有⼀个重⼤的缺点。以太⽹采⽤⼴播⽅式发送数据包，所有成员⼈⼿⼀"包"，不仅效率低，⽽且局限在发送者所在的⼦⽹络。也就是说，如果两台计算机不在同⼀个⼦⽹络，⼴播是传不过去的。这种设计是合理的，否则互联⽹上每⼀台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。
互联⽹是⽆数⼦⽹络共同组成的⼀个巨型⽹络，很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同⼀个⼦⽹络，这⼏乎是不可能的。
因此，必须到⼀种⽅法，能够区分哪些MAC地址属于同⼀个⼦⽹络，哪些不是。如果是同⼀个⼦⽹络，就采⽤⼴播⽅式发送，否则就采⽤"路由"⽅式发送。（“路由"的意思，就是指如何向不同的⼦⽹络分发数据包，这是⼀个很⼤的主题，本⽂不涉及。）遗憾的是，MAC地址本⾝⽆法做到这⼀点。它只与⼚
商有关，与所处⽹络⽆关。
这就导致了"⽹络层"的诞⽣。它的作⽤是引进⼀套，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同⼀个⼦⽹络。这套地址就叫做"⽹络地址”，简称"⽹址"。
于是，"⽹络层"出现以后，每台计算机有了两种地址，⼀种是MAC地址，另⼀种是⽹络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在⽹卡上的，⽹络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在⼀起。⽹络地址帮助我们确定计算机所在的⼦⽹络，MAC地址则将数据包送到该⼦⽹络中的⽬标⽹卡。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理⽹络地址，然后再处理MAC地址。
2、IP协议
规定⽹络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址。
⽬前，⼴泛采⽤的是IP协议第四版，简称IPv4。这个版本规定，⽹络地址由32个⼆进制位组成。
习惯上，我们⽤分成四段的⼗进制数表⽰IP地址，从0.0.0.0⼀直到255.255.255.255。
互联⽹上的每⼀台计算机，都会分配到⼀个IP地址。这个地址分成两个部分，前⼀部分代表⽹络，后⼀部分代表主机。⽐如，IP地址172.16.254.1，这是⼀个32位的地址，假定它的⽹络部分是前24位（172.
16.254），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。处于同⼀个⼦⽹络的电脑，它们IP地址的⽹络部分必定是相同的，也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同⼀个⼦⽹络。
但是，问题在于单单从IP地址，我们⽆法判断⽹络部分。还是以172.16.254.1为例，它的⽹络部分，到底是前24位，还是前16位，甚⾄前28位，从IP地址上是看不出来的。
那么，怎样才能从IP地址，判断两台计算机是否属于同⼀个⼦⽹络呢？这就要⽤到另⼀个参数"⼦⽹掩码"（subnet mask）。
所谓"⼦⽹掩码"，就是表⽰⼦⽹络特征的⼀个参数。它在形式上等同于IP地址，也是⼀个32位⼆进制数字，它的⽹络部分全部为1，主机部分全部为0。⽐如，IP地址172.16.254.1，如果已知⽹络部分是前24位，主机部分是后8位，那么⼦⽹络掩码就是
11111111.11111111.11111111.00000000，写成⼗进制就是255.255.255.0。
知道"⼦⽹掩码"，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同⼀个⼦⽹络。⽅法是将两个IP地址与⼦⽹掩码分别进⾏AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后⽐较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同⼀个⼦⽹络中，否则就不是。
⽐如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的⼦⽹掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同⼀
socket通信在哪一层个⼦⽹络？两者与⼦⽹掩码分别进⾏AND运算，结果都是172.16.254.0，因此它们在同⼀个⼦⽹络。
总结⼀下，IP协议的作⽤主要有两个，⼀个是为每⼀台计算机分配IP地址，另⼀个是确定哪些地址在同⼀个⼦⽹络。
3、IP数据包
根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。不难想象，其中必定包括IP地址信息。
但是前⾯说过，以太⽹数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义，再添加⼀个栏位呢？
回答是不需要，我们可以把IP数据包直接放进以太⽹数据包的"数据"部分，因此完全不⽤修改以太⽹的规格。这就是互联⽹分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。
具体来说，IP数据包也分为"标头"和"数据"两个部分。
"标头"部分主要包括版本、长度、IP地址等信息，"数据"部分则是IP数据包的具体内容。它放进以太⽹数据包后，以太⽹数据包就变成了下⾯这样。
IP数据包的"标头"部分的长度为20到60字节，整个数据包的总长度最⼤为65,535字节。因此，理论上，⼀个IP数据包的"数据"部分，最长为65,515字节。前⾯说过，以太⽹数据包的"数据"部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成⼏个以太⽹数据包，分开发送了。
4、ARP协议
关于"⽹络层"，还有最后⼀点需要说明。
因为IP数据包是放在以太⽹数据包⾥发送的，所以我们必须同时知道两个地址，⼀个是对⽅的MAC地址，另⼀个是对⽅的IP地址。通常情况下，对⽅的IP地址是已知的（后⽂会解释），但是我们不知道它的MAC地址。
所以，我们需要⼀种机制，能够从IP地址得到MAC地址。
这⾥⼜可以分成两种情况。第⼀种情况，如果两台主机不在同⼀个⼦⽹络，那么事实上没有办法得到对⽅的MAC地址，只能把数据包传送到两个⼦⽹络连接处的"⽹关"（gateway），让⽹关去处理。
第⼆种情况，如果两台主机在同⼀个⼦⽹络，那么我们可以⽤ARP协议，得到对⽅的MAC地址。ARP协议也是发出⼀个数据包（包含在以太⽹数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对⽅的MAC地址这⼀栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表⽰这是⼀个"⼴播"地址。它所在⼦⽹络的每⼀台主机，都会
收到这个数据包，从中取出IP地址，与⾃⾝的IP地址进⾏⽐较。如果两者相同，都做出回复，向对⽅报告⾃⼰的MAC地址，否则就丢弃这个包。
总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同⼀个⼦⽹络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意⼀台主机之上了。
四、传输层
1、传输层的由来
有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联⽹上任意两台主机上建⽴通信。
接下来的问题是，同⼀台主机上有许多程序都需要⽤到⽹络，⽐如，你⼀边浏览⽹页，⼀边与朋友。当⼀个数据包从互联⽹上发来的时候，你怎么知道，它是表⽰⽹页的内容，还是表⽰的内容？
也就是说，我们还需要⼀个参数，表⽰这个数据包到底供哪个程序（进程）使⽤。这个参数就叫做"端⼝"（port），它其实是每⼀个使⽤⽹卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端⼝，所以不同的程序就能取到⾃⼰所需要的数据。
"端⼝"是0到65535之间的⼀个整数，正好16个⼆进制位。0到1023的端⼝被系统占⽤，⽤户只能选⽤⼤于1023的端⼝。不管是浏览⽹页还是，应⽤程序会随机选⽤⼀个端⼝，然后与服务器的相应端⼝联系。
"传输层"的功能，就是建⽴"端⼝到端⼝"的通信。相⽐之下，“⽹络层"的功能是建⽴"主机到主机"的通信。只要确定主机和端⼝，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端⼝，叫做"套接字”（socket）。有了它，就可以进⾏⽹络应⽤程序开发了。
2、UDP协议
现在，我们必须在数据包中加⼊端⼝信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式⼏乎就是在数据前⾯，加上端⼝号。UDP数据包，也是由"标头"和"数据"两部分组成。
"标头"部分主要定义了发出端⼝和接收端⼝，"数据"部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放⼊IP数据包的"数据"部分，⽽前⾯说过，IP数据包⼜是放在以太⽹数据包之中的，所以整个以太⽹数据包现在变成了下⾯这样：
UDP数据包⾮常简单，"标头"部分⼀共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进⼀个IP数据包。
3、TCP协议
UDP协议的优点是⽐较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，⼀旦数据包发出，⽆法知道对⽅是否收到。
为了解决这个问题，提⾼⽹络可靠性，TCP协议就诞⽣了。这个协议⾮常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出⼀个数据包都要求确认。如果有⼀个数据包遗失，就收不到确认，发出⽅就知道有必要重发这个数据包了。
因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。
TCP数据包和UDP数据包⼀样，都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。TCP数据包没有长度限制，理论上可以⽆限长，但是为了保证⽹络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。
五、⽤户层
应⽤程序收到"传输层"的数据，接下来就要进⾏解读。由于互联⽹是开放架构，数据来源五花⼋门，必须事先规定好格式，否则根本⽆法解读。"应⽤层"的作⽤，就是规定应⽤程序的数据格式。
举例来说，TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，⽐如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电⼦邮件、⽹页、FTP 数据的格式，这些应⽤程序协议就构成了"应⽤层"。这是最⾼的⼀层，直接⾯对⽤户。它的数据就放在TCP数据包的"数据"部分。因此，现在的以太⽹的数据包就变成下⾯这样。

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