1.OSI网络7层模型
网络协议设计者不应当设计一个单一、巨大的协议来为所有形式的通信规定完整的细节，而应把通信问题划分成多个小问题，然后为每一个小问题设计一个单独的协议。这样做使得每个协议的设计、分析、时限和测试比较容易。协议划分的一个主要原则是确保目标系统有效且效率高。为了提高效率，每个协议只应该注意没有被其他协议处理过的那部分通信问题；为了主协议的实现更加有效，协议之间应该能够共享特定的数据结构；同时这些协议的组合应该能处理所有可能的硬件错误以及其它异常情况。为了保证这些协议工作的协同性，应当将协议设计和开发成完整的、协作的协议系列(即协议族)，而不是孤立地开发每个协议。在网络历史的早期，国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)共同出版了开放系统互联的七层参考模型。一台计算机操作系统中的网络过程包括从应用请求(在协议栈的顶部)到网络介质(底部) ，OSI参考模型把功能分成七个分立的层次。图表示了OSI分层模型。
| OSI中的层 | 功能 | TCP/IP协议族 |
|---|---|---|
| 应用层 | 文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端 | TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，RIP，Telnet |
| 表示层 | 数据格式化，代码转换，数据加密 | ASCII、ASN.1、JPEG、MPEG |
| 会话层 | 解除或建立与别的接点的联系 | NetBIOS、ZIP |
| 传输层 | 位数据段提供端对端的接口 | TCP，UDP，SPX |
| 网络层 | 为数据包选择路由，拥塞控制、网际互连 | IP，ICMP，OSPF，BGP，IGMP，ARP，RARP，IPX、RIP、OSPF |
| 数据链路层 | 传输有地址的帧以及错误检测功能 | SLIP，CSLIP，PPP，MTU，ARP，RARP，SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继 |
| 物理层 | 以二进制数据形式在物理媒体上传输数据 | ISO2110，IEEE802，IEEE802.2，EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45 |
OSI模型的七层分别进行以下的操作：
第一层:物理层
负责最后将信息编码成电流脉冲或其它信号用于网上传输。它由计算机和网络介质之间的实际界面组成，可定义电气信号、符号、线的状态和时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。如最常用的RS-232规范、10BASE-T的曼彻斯特编码以及RJ-45就属于第一层。所有比物理层高的层都通过事先定义好的接口而与它通话。如以太网的附属单元接口(AUI)，一个DB-15连接器可被用来连接层一和层二。
第二层:数据链路层
通过物理网络链路提供可靠的数据传输。不同的数据链路层定义了不同的网络和协议特征，其中包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。物理编址（相对应的是网络编址）定义了设备在数据链路层的编址方式；网络拓扑结构定义了设备的物理连接方式，如总线拓扑结构和环拓扑结构；错误校验向发生传输错误的上层协议告警；数据帧序列重新整理并传输除序列以外的帧；流控可能延缓数据的传输，以使接收设备不会因为在某一时刻接收到超过其处理能力的信息流而崩溃。数据链路层实际上由两个独立的部分组成，介质存取控制（Media Access Control,MAC）和逻辑链路控制层（Logical Link Control,LLC）。MAC描述在共享介质环境中如何进行站的调度、发生和接收数据。MAC确保信息跨链路的可靠传输，对数据传输进行同步，识别错误和控制数据的流向。一般地讲，MAC只在共享介质环境中才是重要的，只有在共享介质环境中多个节点才能连接到同一传输介质上。IEEE MAC规则定义了地址，以标识数据链路层中的多个设备。逻辑链路控制子层管理单一网络链路上的设备间的通信，IEEE 802.2标准定义了LLC。LLC支持无连接服务和面向连接的服务。在数据链路层的信息帧中定义了许多域。这些域使得多种高层协议可以共享一个物理数据链路。
第三层:网络层
负责在源和终点之间建立连接。它一般包括网络寻径，还可能包括流量控制、错误检查等。相同MAC标准的不同网段之间的数据传输一般只涉及到数据链路层，而不同的MAC标准之间的数据传输都涉及到网络层。例如IP路由器工作在网络层，因而可以实现多种网络间的互联。
第四层:传输层
向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务。传输层的功能一般包括流控、多路传输、虚电路管理及差错校验和恢复。流控管理设备之间的数据传输，确保传输设备不发送比接收设备处理能力大的数据；多路传输使得多个应用程序的数据可以传输到一个物理链路上；虚电路由传输层建立、维护和终止；差错校验包括为检测传输错误而建立的各种不同结构；而差错恢复包括所采取的行动（如请求数据重发），以便解决发生的任何错误。传输控制协议（TCP）是提供可靠数据传输的TCP/IP协议族中的传输层协议。
第五层:会话层
建立、管理和终止表示层与实体之间的通信会话。通信会话包括发生在不同网络应用层之间的服务请求和服务应答，这些请求与应答通过会话层的协议实现。它还包括创建检查点，使通信发生中断的时候可以返回到以前的一个状态。
第六层:表示层
提供多种功能用于应用层数据编码和转化，以确保以一个系统应用层发送的信息可以被另一个系统应用层识别。表示层的编码和转化模式包括公用数据表示格式、性能转化表示格式、公用数据压缩模式和公用数据加密模式。公用数据表示格式就是标准的图像、声音和视频格式。通过使用这些标准格式，不同类型的计算机系统可以相互交换数据；转化模式通过使用不同的文本和数据表示，在系统间交换信息，例如ASCII(American Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换码)；标准数据压缩模式确保原始设备上被压缩的数据可以在目标设备上正确的解压；加密模式确保原始设备上加密的数据可以在目标设备上正确地解密。
表示层协议一般不与特殊的协议栈关联，如QuickTime是Applet计算机的视频和音频的标准，MPEG是ISO的视频压缩与编码标准。常见的图形图像格式PCX、GIF、JPEG是不同的静态图像压缩和编码标准。
第七层:应用层
最接近终端用户的OSI层，这就意味着OSI应用层与用户之间是通过应用软件直接相互作用的。注意，应用层并非由计算机上运行的实际应用软件组成，而是由向应用程序提供访问网络资源的API（Application Program Interface，应用程序接口）组成，这类应用软件程序超出了OSI模型的范畴。应用层的功能一般包括标识通信伙伴、定义资源的可用性和同步通信。因为可能丢失通信伙伴，应用层必须为传输数据的应用子程序定义通信伙伴的标识和可用性。定义资源可用性时，应用层为了请求通信而必须判定是否有足够的网络资源。在同步通信中，所有应用程序之间的通信都需要应用层的协同操作。OSI的应用层协议包括文件的传输、访问及管理协议(FTAM) ，以及文件虚拟终端协议(VIP)和公用管理系统信息(CMIP)等。
2. TCP/IP4层模型
TCP/IP分层模型（TCP/IP Layening Model）被称作因特网分层模型(Internet Layering Model)、因特网参考模型(Internet Reference Model)。
ISO制定的OSI参考模型的过于庞大、复杂招致了许多批评。与此对照，由技术人员自己开发的TCP/IP协议栈获得了更为广泛的应用。如图2-1所示，是TCP/IP参考模型和OSI参考模型的对比示意图。
TCP/IP协议被组织成四个概念层，其中有三层对应于ISO参考模型中的相应层。ICP/IP协议族并不包含物理层和数据链路层，因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能，必须与许多其他的协议协同工作。
TCP/IP分层模型的四个协议层分别完成以下的功能：
第一层:网络接口层包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。实际上TCP/IP标准并不定义与ISO数据链路层和物理层相对应的功能。相反，它定义像地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)这样的协议，提供TCP/IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口。
第二层:网间层
对应于OSI七层参考模型的网络层。本层包含IP协议、RIP协议(Routing Information Protocol，路由信息协议)，负责数据的包装、寻址和路由。同时还包含网间控制报文协议(Internet Control Message Protocol,ICMP)用来提供网络诊断信息。
第三层:传输层
对应于OSI七层参考模型的传输层，它提供两种端到端的通信服务。其中TCP协议(Transmission Control Protocol)提供可靠的数据流运输服务，UDP协议(Use Datagram Protocol)提供不可靠的用户数据报服务。
第四层:应用层
对应于OSI七层参考模型的应用层和表达层。因特网的应用层协议包括Finger、Whois、FTP(文件传输协议)、Gopher、HTTP(超文本传输协议)、Telent(远程终端协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、IRC(因特网中继会话)、NNTP（网络新闻传输协议）等。
3.TCP/IP协议栈与数据包封装
TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层，如下图所示。
TCP/IP协议栈
两台计算机通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示。
传输层及其以下的机制由内核提供，应用层由用户进程提供，应用程序对通讯数据的含义进行解释，而传输层及其以下处理通讯的细节，将数据从一台计算机通过一定的路径发送到另一台计算机。应用层数据通过协议栈发到网络上时，每层协议都要加上一个数据首部（header），称为封装（Encapsulation），如下图所示。
不同的协议层对数据包有不同的称谓，在传输层叫做段（segment），在网络层叫做数据报（datagram），在链路层叫做帧（frame）。数据封装成帧后发到传输介质上，到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部，最后将应用层数据交给应用程序处理。
上图对应两台计算机在同一网段中的情况，如果两台计算机在不同的网段中，那么数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器，如下图所示。
其实在链路层之下还有物理层，指的是电信号的传递方式，比如现在以太网通用的网线（双绞线）、早期以太网采用的的同轴电缆（现在主要用于有线电视）、光纤等都属于物理层的概念。物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等。集线器（Hub）是工作在物理层的网络设备，用于双绞线的连接和信号中继（将已衰减的信号再次放大使之传得更远）。
链路层有以太网、令牌环网等标准，链路层负责网卡设备的驱动、帧同步（就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始）、冲突检测（如果检测到冲突就自动重发）、数据差错校验等工作。交换机是工作在链路层的网络设备，可以在不同的链路层网络之间转发数据帧（比如十兆以太网和百兆以太网之间、以太网和令牌环网之间），由于不同链路层的帧格式不同，交换机要将进来的数据包拆掉链路层首部重新封装之后再转发。
网络层的IP协议是构成Internet的基础。Internet上的主机通过IP地址来标识，Internet上有大量路由器负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包，数据包从Internet上的源主机到目的主机往往要经过十多个路由器。路由器是工作在第三层的网络设备，同时兼有交换机的功能，可以在不同的链路层接口之间转发数据包，因此路由器需要将进来的数据包拆掉网络层和链路层两层首部并重新封装。IP协议不保证传输的可靠性，数据包在传输过程中可能丢失，可靠性可以在上层协议或应用程序中提供支持。
网络层负责点到点（point-to-point）的传输（这里的“点”指主机或路由器），而传输层负责端到端（end-to-end）的传输（这里的“端”指源主机和目的主机）。传输层可选择TCP或UDP协议。TCP是一种面向连接的、可靠的协议，有点像打电话，双方拿起电话互通身份之后就建立了连接，然后说话就行了，这边说的话那边保证听得到，并且是按说话的顺序听到的，说完话挂机断开连接。也就是说TCP传输的双方需要首先建立连接，之后由TCP协议保证数据收发的可靠性，丢失的数据包自动重发，上层应用程序收到的总是可靠的数据流，通讯之后关闭连接。UDP协议不面向连接，也不保证可靠性，有点像寄信，写好信放到邮筒里，既不能保证信件在邮递过程中不会丢失，也不能保证信件是按顺序寄到目的地的。使用UDP协议的应用程序需要自己完成丢包重发、消息排序等工作。
目的主机收到数据包后，如何经过各层协议栈最后到达应用程序呢？整个过程如下图所示。
以太网驱动程序首先根据以太网首部中的“上层协议”字段确定该数据帧的有效载荷（payload，指除去协议首部之外实际传输的数据）是IP、ARP还是RARP协议的数据报，然后交给相应的协议处理。假如是IP数据报，IP协议再根据IP首部中的“上层协议”字段确定该数据报的有效载荷是TCP、UDP、ICMP还是IGMP，然后交给相应的协议处理。假如是TCP段或UDP段，TCP或UDP协议再根据TCP首部或UDP首部的“端口号”字段确定应该将应用层数据交给哪个用户进程。IP地址是标识网络中不同主机的地址，而端口号就是同一台主机上标识不同进程的地址，IP地址和端口号合起来标识网络中唯一的进程。
注意，虽然IP、ARP和RARP数据报都需要以太网驱动程序来封装成帧，但是从功能上划分，ARP和RARP属于链路层，IP属于网络层。虽然ICMP、IGMP、TCP、UDP的数据都需要IP协议来封装成数据报，但是从功能上划分，ICMP、IGMP与IP同属于网络层，TCP和UDP属于传输层。本文对RARP、ICMP、IGMP协议不做进一步介绍，有兴趣的读者可以看参考资料。
4.以太网的帧格式
其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的。用ifconfig命令看一下，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。帧末尾是CRC校验码。
以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位。最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU，如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）。ifconfig命令的输出中也有“MTU:1500”。注意，MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度，不包括帧首部的长度。
5.ARP数据报格式
在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用。源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播），目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。
每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。
6.IP协议
iPv4的IP地址长度为4字节，通常采用点分十进制表示法（dotted decimal representation）例如0xc0a80002表示为192.168.0.2。Internet被各种路由器和网关设备分隔成很多网段，为了标识不同的网段，需要把32位的IP地址划分成网络号和主机号两部分，网络号相同的各主机位于同一网段，相互间可以直接通信，网络号不同的主机之间通信则需要通过路由器转发。
ipv4把所有IP地址分为五类:
A类 0.0.0.0到127.255.255.255
一个A类网络可容纳的地址数量最大，一个B类网络的地址数量是65536，一个C类网络的地址数量是256。D类地址用作多播地址，E类地址保留未用。
随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量地址。这种方式对网络的划分是flat的而不是层级结构（hierarchical）的，Internet上的每个路由器都必须掌握所有网络的信息，随着大量C类网络的出现，路由器需要检索的路由表越来越庞大，负担越来越重。
针对这种情况提出了新的划分方案，称为CIDR（Classless Interdomain Routing）。网络号和主机号的划分需要用一个额外的子网掩码（subnet mask）来表示，而不能由IP地址本身的数值决定，也就是说，网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关，因此称为Classless的。这样，多个子网就可以汇总（summarize）成一个Internet上的网络，例如，有8个站点都申请了C类网络，本来网络号是24位的，但是这8个站点通过同一个ISP（Internet service provider）连到Internet上，它们网络号的高21位是相同的，只有低三位不同，这8个站点就可以汇总，在Internet上只需要一个路由表项，数据包通过Internet上的路由器到达ISP，然后在ISP这边再通过次级的路由器选路到某个站点。
下面举两个例子:
| IP地址 | 140.252.20.68 | 8C FC 14 44 |
| 子网掩码 | 255.255.255.0 | FF FF FF 00 |
| 网络号 | 140.252.20.0 | 8C FC 14 00 |
| 子网地址范围 | 140.252.20.0~140.252.20.255 |
| IP地址 | 140.252.20.68 | 8C FC 14 44 |
| 子网掩码 | 255.255.255.240 | FF FF FF F0 |
| 网络号 | 140.252.20.64 | 8C FC 14 40 |
| 子网地址范围 | 140.252.20.64~140.252.20.79 |
|
可见，IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号，主机号从全0到全1就是子网的地址范围。IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如140.252.20.68/24，表示IP地址为140.252.20.68，子网掩码的高24位是1，也就是255.255.255.0。
如果一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内的通信，而不直接连到Internet上，理论上使用任意的IP地址都可以，但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址，这些地址不会出现在Internet上，如下表所示。
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10.*，前8位是网络号，共16,777,216个地址
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172.16.*到172.31.*，前12位是网络号，共1,048,576个地址
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192.168.*，前16位是网络号，共65,536个地址
使用私有IP地址的局域网主机虽然没有Internet的IP地址，但也可以通过代理服务器或NAT（网络地址转换）等技术连到Internet上。
还有一些不能用作主机IP地址的特殊地址：
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目的地址为255.255.255.255，表示本网络内部广播，路由器不转发这样的广播数据包。
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主机号全为0的地址只表示网络而不能表示某个主机，如192.168.10.0（假设子网掩码为255.255.255.0）。
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目的地址的主机号为全1，表示广播至某个网络的所有主机，例如目的地址192.168.10.255表示广播至192.168.10.0网络（假设子网掩码为255.255.255.0）。
7.路由
- 路由（名词）：数据包从源地址到目的地址所经过的路径，由一系列路由节点组成。
- 路由（动词）：某个路由节点为数据报选择投递方向的选路过程。
- 路由节点：一个具有路由能力的主机或路由器，它维护一张路由表，通过查询路由表来决定向哪个接口发送数据包。
- 接口：路由节点与某个网络相连的网卡接口。
- 路由表：由很多路由条目组成，每个条目都指明去往某个网络的数据包应该经由哪个接口发送，其中最后一条是缺省路由条目。
- 路由条目：路由表中的一行，每个条目主要由目的网络地址、子网掩码、下一跳地址、发送接口四部分组成，如果要发送的数据包的目的网络地址匹配路由表中的某一行，就按规定的接口发送到下一跳地址。
- 缺省路由条目：路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其它行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。