物联网数据接入篇-收集层和数据传输层协议（3）

第二层：网络层协议

将数据传输到目标地址。
目标地址可以是多个网络通过路由器连接而成的某个地址。
因此这一层紧张卖力寻址和路由选择。

包括 IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP 协议。

1. IP 协议

网际协议，Internet Protocol，IP 协议，又称互联网协议，是互联网协议包中的网络层通信协议，用于跨网络边界分组交流。
它的路由功能实现了互联互通，并从实质上建立了互联网。
IP 的浸染是在繁芜的网络环境中将数据包发送给终极目的主机。
面向的是 IP 地址。

IP是在TCP/IP协议族中网络层的紧张协议，任务是仅根据数据包标头中的IP地址将数据包从源主机通报到目标主机。
为此，IP协议定义了封装要通报的数据的数据包构造。
它还定义了用于用源和目的地信息标记数据报的寻址方法。

第一个架构的紧张版本为IPv4，目前仍旧是广泛利用的互联网协议，只管天下各地正在积极支配IPv6。

组成部分

IP 地址：用于标识网络中的节点。

报文：包含版本、头部长度、做事类型、总长度、标识、标志、片偏移等字段。

事情事理

网际协议由数据封装、寻址和路由组成。

当源主机要发送数据时，它将数据进行分组，并在数据报的首部填写源 IP 地址和目的 IP 地址等信息。
然后数据报被发送到网络中，路由器根据目的 IP 地址进行路由选择，将数据报转发到下一跳，直到终极到达目的主机。

特点

不可靠：它只卖力尽力传输数据报，但不担保一定到达或顺序精确。

无连接：发送方和吸收方在传输数据前不须要建立连接。

尽力而为做事：会尽力把数据报送到目的地，但可能涌现丢失、重复、延迟等情形。

供应环球统一的编址办法：使得不同网络中的设备能够相互通信。

运用

运用在互联网通信，是全体互联网运行的根本。

有 IP 地址的物联网设备，可以直连网络：

一些较为繁芜和功能强大的智能设备，如智能家电（某些高端智能电视、智能冰箱等）、工业自动扮装备等，它们直接接入网络并拥有独立的 IP 地址，可与其他设备或做事器直接通信。

由于：IP 唯一性：确保每个设备在网络中都是唯一的，可以准确寻址。
能通信：使设备能够通过网络相互通信，发送和吸收数据包。
便管理：方便网络管理员管理和监控设备，排查网络问题。

没有 IP 地址的物联网设备，不可以直连网络，须要转换器（网关等）：

大量的大略传感器和实行器，它们常日通过网关等中间设备与网络连接，自身不具备直接的 IP 地址。
这些设备可能包括环境监测传感器、大略的掌握装置等，它们的数据须要经由网关进行网络和转发。

无 IP 的设备，无网络需求：设备的功能不须要通过网络实现。
直接连接：通过非网络办法（如 USB、蓝牙、针脚线）连接和通信。
低本钱和繁芜性：没有网络功能的设备常日更大略、更便宜。

没有 IP 地址的设备想要联网，可以通过网关设备、网络适配器、串口做事器、智能掌握器和嵌入式网络模块等方法来间接实现网络连接。

2. ICMP 协议

ICMP： Internet Control Message Protocol，互联网掌握报文协议，差错报告、网络诊断、路径掌握和拥塞掌握、通报掌握信息。
普通讲，ICMP 紧张的功能包括：确认 IP 包是否成功投递目标地址、报告发送过程中 IP 包被废弃的缘故原由和改进网络设置等。
ICMP 报文是封装在 IP 包里面，它事情在网络层，是 IP 协议的助手。
ping 运用的底层（ping 当然是属于运用层），用的是网络层的ICMP协议。

常见的 ICMP 类型：

IGMP（Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议）是用于管理 IP 组播通信的协议。

当主机希望加入某个组播组时，它会通过 IGMP 向本地网络中的路由器发送加入要求。
路由器收到要求后，会记录该主机所在的组播组信息。
当有组播数据要发送到该组时，路由器根据这些记录将数据只发送到有成员加入的网络段。
大大节约了网络资源。

以下图为例，如果做事器把数据传给 5 台电脑，采取 IP 办法传送，做事器须要发送 5 份数据，目标地址分别是 IP1、IP2……；但是先把吸收真个 4 台电脑用 IGMP 分组之后，做事器只须要发送一份数据，经由的路由器也是只须要转发一次数据。
须要分组和订阅。

在***直播等运用中，IGMP 确保只有对该直播内容感兴趣的主机，订阅或者关注主播，才会吸收到***数据，你们订阅了我的微信"大众年夜众号跃曰了吗，没有的话订阅一下感想熏染一下 IGMP。

4. ARP 协议

ARP：Address Resolution Protocol，地址解析协议。
根据 IP 地址找到对应的 MAC 地址。

ARP 根据 IP 地址获取 MAC 地址的方法：主机发送一个广播，谁的 IP 叫 xx。
然后 xx IP 回答说我是 xx IP，我的 MAC 地址是 yy。
操作系统会把第一次通过 ARP 获取的 MAC 地址缓存起来。

5. RARP 协议

RARP：Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议。
根据 MAC 地址找 IP 地址。
一些无盘事情站等设备在启动时不知道自己的 IP 地址，但知道自己的 MAC 地址。
它们会发送 RARP 要求，要求网络中的 RARP 做事器根据其 MAC 地址来奉告对应的 IP 地址。

我是一台打印机，我的 MAC 地址是 xx，当打印机联网时，须要一个 IP，这个时候打印机像 RARP 做事器求分配一个 IP。

打印机通过 RARP 做事器静态的得到 IP地址：

打印机通过 DHCP （这个是个运用层协议，之后文章再讲）做事器动态分配的 IP 地址：

第三层：传输层协议

起着可靠传输的浸染。
只在通信双方节点上进行处理，而无需在路由器上处理。
面向的是端口号。

1. TCP 协议

传输掌握协议，Transmission Control Protocol，TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
TCP层是位于IP层之上，运用层之下的中间层，即传输层。

事情事理

TCP 协议的运行可划分为三个阶段：连接建立(connection establishment)、数据传送（data transfer）和连接终止（connection termination）。
这便是范例的三次握手四次挥手，三握四挥。

运用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分割成适当长度的报文段。
TCP把结果包传给IP层，由它来透过网络将包传送给吸收端实体的TCP层。

TCP 协议确保吸收端吸收的网络包是无破坏、无间隔、非冗余温柔次的。

数据在TCP层称为流（Stream），数据分组称为分段（Segment）。
作为比较，数据在IP层称为Datagram，数据分组称为分片（Fragment）。
UDP 等分组称为Message。

组成部分

TCP（Transmission Control Protocol，传输掌握协议）的组成部分紧张包括：

端口号：用于标识不同的运用程序。

序列号和确认号：确保数据传输的顺序性和可靠性。

特点

利用序号，对收到的TCP报文段进行排序以及检测重复的数据；利用校验和检测报文段的缺点，即无错传输；利用确认和计时器来检测和纠正丢包或延时；流掌握（Flow control）；拥塞掌握（Congestion control）；丢失包的重传。
以是他有一下特点：

面向连接：在数据传输前需建立连接。
那便是资源花费大。
不灵巧。

可靠传输：通过多种机制担保数据的精确到达。
带宽花费大。

全双工通信：双方可同时进行数据收发。

流量掌握：防止吸收方被数据淹没。

拥塞掌握：避免网络拥塞。

运用

文件传输：如 FTP 等，担保数据的准确和完全。

电子邮件：确保邮件内容可靠传输。

网页浏览：HTTP 基于 TCP。

远程登录：如 Telnet。

采取TCP传输的运用层协议有：MQTT、DDS、Modbus-TCP、XMPP、AMQP、POP3、HTTP、HTTPS、FTP、Telnet、SMTP。

2. UDP 协议

用户数据报协议，User Datagram Protocol，UDP；又称用户数据包协议，是一个大略的面向数据包的通信协议，位于OSI模型的传输层。
数据 UDP 等分组称为Message。

在TCP/IP模型中，UDP为网络层以上和运用层以下供应了一个大略的接口。
UDP只供应数据的不可靠通报，它一旦把运用程序发给网络层的数据发送出去，就不保留数据备份。

UDP 是不可靠连接传输，把稳还是须要连接的。
比拟下运用层协议的 MQTT 的订阅模式。

组成部分

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）的组成部分紧张有：源端口和目的端口：用于标识发送方和吸收方的运用程序。

事情事理

发送方将数据封装成 UDP 数据报，个中包含源端口、目的端口以及要传输的数据。
然后直接将数据报发送到网络中，不须要像 TCP 那样先建立连接。

数据报在网络中进行传输，可能会经由多个网络节点。
由于 UDP 不供应可靠传输机制，以是它不会对数据报进行确认、重传等操作，也不会对数据的顺序进行严格担保。

吸收方通过目的端口来识别属于自己的 UDP 数据报，并从数据报中提取出数据进行处理。

特点

高效性：不须要建立连接和进行繁芜的确认等机制，数据传输速率快，延迟低，能快速相应。

低开销：协议大略，在网络资源的利用上较为节省。

实时性好：适宜实时性哀求高的运用，如实时音频、***传输，能及时发送数据而不会因连接建立等环节造成较大延迟。

灵巧性高：可以快速发送少量数据，在一些特定场景下非常适用。

能穿透部分防火墙：比较 TCP 有时更随意马虎穿过一些网络限定。

运用

UDP适用于不须要或在程序中实行缺点检讨和纠正的运用，它避免了协议栈中此类处理的开销。
对韶光有较高哀求的运用程序常日利用UDP，由于丢弃数据包比等待或重传导致延迟更可取。

许多关键的互联网运用程序利用UDP，包括：DNS、SNMP、TFTP、DHCP、CoAP、Modbus-UDP、RIP、NTP。

实时运用不须要实时可靠连接：许可一些丢包、出错或拥塞，从来保障传输速率。
流媒体、网络游戏、IP电话（VoIP）等等利用 UDP 上风明显。

下面是 TCP 和 UDP 的差异：

后记

这里讲了第二层网络传、第三层传输层的协议以及其功能。
下一篇终于到了第四层运用层协议，也是最精彩的一层。

理解 TCP/IP 四层框架是学习物联网干系协议的根本。
学习协议是做好物联网设备数据接入、监控、报警、下控、运维、数据剖析、智控的根本。

我阅读了大量的书本和文章，汇总出了 TCP/IP 四层框架的紧张协议、物联网设备的紧张协议。
事情量之大，超出预期。
我看了 B 站《希赛关于软考网络工程师的全套***教程》，看了《图解 TCP/IP》，看了大量的文章。
又结合之前的物联网行业的从业履历，整理出来这篇文章。
期望大家的鼓励与支持，欢迎大家互换。

参考文献

末了一个很好啊，图画的也很好，https://www.xiaolincoding.com/，小林 x 图解打算机根本，推举给大家。

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