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  • 网络分层
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    2022-04-29 11:03:00

    网络分层模型包括OSI模型和TCP/IP模型如图下所示

     

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  • 计算机网络分层计算机网络分层
  • 计算机网络分层结构概述

    千次阅读 2021-06-20 22:46:01
    计算机网络分层结构概述

    计算机网络分层结构概述

    前言

    本文讲解计算机网络分层结构,首先,计算机网络为什么需要分层,而又有哪些分层模型,并具体讲解每种分层模型中具体每层的意义、功能和相关协议。本文是后续计算机网络相关知识的框架基础,了解了计算机网络结构,后续文章我们会针对具体每个层次进行学习讲解。

    一、为什么要分层

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    • 计算机网络需要处理的问题太多了,考虑把大问题分解为多个小问题进行解决,所以需要进行分层。每一层解决对应的问题,逐层解决整个问题。

    • 以寄快递为例形象化的说明计算机分层网络结构中的一些概念和分层的基本原则。
      在这里插入图片描述
      对于上图中的一瓶红酒,你要发送给对方:首先需要将这瓶红酒软包装一下,然后再用盒子装起来,然后再寄到对方手中;对方拿到后,需要对应的把你做的处理一一去掉才能最终拿到这瓶红酒:首先,把盒子拆掉(如何拆?这就需要协议告诉对方),然后再把软包装去掉(如何去掉?这也需要对应的协议告诉对方),最后才能享受这瓶红酒。

    二、分层结构的相关概念

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    • SDU(service data unit):服务数据单元,满足对方要求的最基本的所需要发送的数据
    • PCI(protocol control information):协议控制信息,即控制对等实体相互操作的信息(类似快递中一个装一个拆,而如何装,如何拆的操作信息都在PCI中记录着)
    • PDU(protocol data unit):协议数据单元,由SDU和PCI组成,它是对等层次之间传送的数据单位。因为无论是SDU还是PCI,单独传送给对方都没有意义(好比你发给对方一个包装着的东西,如果你不把如何拆包装的方法告诉对方,对方拿到了这个东西也拆不开,自然也没有意义了),只有把这两部分组成一个整体PDU,同时发送给对方才有意义。
    • 因此计算机网络分层结构中,每层都会为上一层新添加一定的信息,用于数据传输。
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      网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构、是分层结构、是计算机网络的各层及其协议的集合、是抽象的,且具体的实现是指能运行的一些软件和硬件。

    三、七层分层结构:ISO/OSI参考模型

    1. 概述

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    • 七层分层结构包括哪些?
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    • ISO/OSI参考模型通信过程
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      端到端的层次结构,在发送端完成后,不要再中间过程再处理,直接原样发送到接收端,因此称为端到端。(这就好比你包装好的包裹,路途中肯定不能给你拆了,而是应该直接原样送到对方手中,由对方来拆)
      点到点的层次结构,在发送端完成后,还需要经过中间过程的再处理,即一步一步的完成,直至发送到接收端,因此成为点对点。(这就好比,你把包裹给了快递公司,快递公司先给你运到下一个快递点,然后再从下一个快递点继续运送,直至运送到对方手中)

    • 具体通信示例(省略了中间路由过程):
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      注意,数据链路层,不仅要在尾部添加信息,还需要在头部添加信息。

    2. 应用层

    所有能与用户交互并产生网络流量的程序,比如qq、邮箱、网页等等(如单击游戏,它不产生网络流量,因此不属于应用层)

    功能协议
    文件传输FTP
    电子邮件SMTP
    万维网HTTP

    3. 表示层

    用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式(语法:规定传输数据的格式。和语义:规定所要完成的功能)

    功能主要协议
    数据格式变换;数据加密解密;数据压缩和恢复 …JPEG、ASCII …

    4. 会话层

    向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序的传输数据。这是会话,也是建立同步(规定各种操作的顺序)

    功能主要协议
    建立、管理、终止会话;使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信,实现数据同步ADSP、ASP

    校验点:为数据分段,并为每段添加一个标记,如果数据传输失败,可以从最近的标记处重新传输,保证之前的传输不会废弃。

    5. 传输层

    负责主机中两个进程的通信,即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。

    功能解释
    可靠传输,不可靠传输可靠传输是指等待接收方的确认信息再继续发送,否则一直询问接收方;不可靠传输是指不管接收方是否接收到,直接把数据全部丢给接收方
    差错控制如果传输过程出现错误,则及时处理
    流量控制控制发送方的速度,保证接收方来得及接收
    复用分用复用:多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务(接收方接收的数据可供多个应用复用)。分用:运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程(接收方接收的数据可区分为多个应用分用,比如收到的数据,既可以一部分是微信的数据,也可以一部分是QQ的数据)

    主要协议:TCP、UDP

    6. 网络层

    主要任务是把分组从源端传到目的端,为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

    功能
    路由选择选择最佳路径
    流量控制控制发送分组的速度
    差错控制控制发送错误
    拥塞控制若所有节点都不来及接受分组,而要丢弃大量分组的话,网络就处于用塞状态,因此要采取一定的措施,缓解这种拥塞

    主要协议:IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

    7. 数据链路层

    主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路层的传输单位是帧。

    功能解释
    成帧包括定义帧的开始和结束
    差错控制包括帧错和位错
    流量控制
    访问(接入)控制控制对信道的访问

    主要协议:SDLC、HDLC、PPP、STP

    8. 物理层

    主要任务是在物理媒介上实现比特流的透明传输(指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能在链路上传送)。物理层的传输单位是比特。

    功能
    定义接口特性
    定义传输特性
    定义传输速率
    比特同步
    比特编码

    四、四层分层结构:TCP/IP参考模型

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    五、五层分层结构:5层参考模型

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    六、总结

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    1. 网络分层模型

    1.1 分层模型图示

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    1.2 七层模型及各层含义

    1 物理层(Physical Layer)

    激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说,物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。物理层记住两个重要的设备名称,中继器(Repeater,也叫放大器)和集线器。

    2 数据链路层(Data Link Layer)

    数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务,其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。为达到这一目的,数据链路必须具备一系列相应的功能,主要有:如何将数据组合成数据块,在数据链路层中称这种数据块为帧(frame),帧是数据链路层的传送单位;如何控制帧在物理信道上的传输,包括如何处理传输差错,如何调节发送速率以使与接收方相匹配;以及在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放的管理。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括:物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。
    有关数据链路层的重要知识点:
    1> 数据链路层为网络层提供可靠的数据传输;
    2> 基本数据单位为帧;
    3> 主要的协议:以太网协议;
    4> 两个重要设备名称:网桥和交换机。

    3 网络层(Network Layer)

    网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送,具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。
    “路径选择、路由及逻辑寻址”。
    网络层中涉及众多的协议,其中包括最重要的协议,也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单,仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有:无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。有关网络层的重点为:
    1> 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外,网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能;
    2> 基本数据单位为IP数据报;
    3> 包含的主要协议:
    IP协议(Internet Protocol,因特网互联协议);
    ICMP协议(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议);
    ARP协议(Address Resolution Protocol,地址解析协议);
    RARP协议(Reverse Address Resolution Protocol,逆地址解析协议)。
    4> 重要的设备:路由器。

    4 传输层(Transport Layer)

    第一个端到端,即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外,传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。
    传输层的任务是根据通信子网的特性,最佳的利用网络资源,为两个端系统的会话层之间,提供建立、维护和取消传输连接的功能,负责端到端的可靠数据传输。在这一层,信息传送的协议数据单元称为段或报文。
    网络层只是根据网络地址将源结点发出的数据包传送到目的结点,而传输层则负责将数据可靠地传送到相应的端口。
    有关网络层的重点:
    1> 传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输以及端到端的差错控制和流量控制问题;
    2> 包含的主要协议:TCP协议(Transmission Control Protocol,传输控制协议)、UDP协议(User Datagram Protocol,用户数据报协议);
    3> 重要设备:网关。

    5 会话层

    会话层管理主机之间的会话进程,即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。

    6 表示层

    表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。

    7 应用层

    为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。
    会话层、表示层和应用层重点:
    1> 数据传输基本单位为报文;
    2> 包含的主要协议:FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、DNS(域名解析协议)、SMTP(邮件传送协议),POP3协议(邮局协议),HTTP协议(Hyper Text Transfer Protocol)。

    1.2 网络协议

    1 协议概述

    • IP层协议

    IP协议(Internet Protocol,因特网互联协议)
    ICMP协议(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议)
    ARP协议(Address Resolution Protocol,地址解析协议)
    RARP协议(Reverse Address Resolution Protocol,逆地址解析协议)

    • 传输层协议

    TCP协议(Transmission Control Protocol,传输控制协议)
    UDP协议(User Datagram Protocol,用户数据报协议)

    • 应用层协议

    FTP(文件传送协议)
    Telnet(远程登录协议)
    DNS(域名解析协议)
    SMTP(邮件传送协议),POP3协议(邮局协议)
    HTTP协议(Hyper Text Transfer Protocol)、HTTPS(HTTP Secure,超文本传输安全协议)

    2 其它协议

    • 路由选择协议

    常见的路由选择协议有:RIP协议、OSPF协议。
    RIP协议 :底层是贝尔曼福特算法,它选择路由的度量标准(metric)是跳数,最大跳数是15跳,如果大于15跳,它就会丢弃数据包。
    OSPF协议 :Open Shortest Path First开放式最短路径优先,底层是迪杰斯特拉算法,是链路状态路由选择协议,它选择路由的度量标准是带宽,延迟。

    • DNS协议

    DNS是域名系统(DomainNameSystem)的缩写,该系统用于命名组织到域层次结构中的计算机和网络服务,可以简单地理解为将URL转换为IP地址。域名是由圆点分开一串单词或缩写组成的,每一个域名都对应一个惟一的IP地址,在Internet上域名与IP地址之间是一一对应的,DNS就是进行域名解析的服务器。DNS命名用于Internet等TCP/IP网络中,通过用户友好的名称查找计算机和服务。

    • NAT协议

    NAT网络地址转换(Network Address Translation)属接入广域网(WAN)技术,是一种将私有(保留)地址转化为合法IP地址的转换技术,它被广泛应用于各种类型Internet接入方式和各种类型的网络中。原因很简单,NAT不仅完美地解决了lP地址不足的问题,而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击,隐藏并保护网络内部的计算机。

    • DHCP协议

    DHCP动态主机设置协议(Dynamic Host Configuration Protocol)是一个局域网的网络协议,使用UDP协议工作,主要有两个用途:给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址,给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。

    3.网络寻址中关于协议的应用

    现在假设如果我们在客户端(客户端)浏览器中输入http://www.baidu.com,而baidu.com为要访问的服务器(服务器),下面详细分析客户端为了访问服务器而执行的一系列关于协议的操作:
    1)客户端浏览器通过DNS解析到www.baidu.com的IP地址220.181.27.48,通过这个IP地址找到客户端到服务器的路径。客户端浏览器发起一个HTTP会话到220.161.27.48,然后通过TCP进行封装数据包,输入到网络层。
    2)在客户端的传输层,把HTTP会话请求分成报文段,添加源和目的端口,如服务器使用80端口监听客户端的请求,客户端由系统随机选择一个端口如5000,与服务器进行交换,服务器把相应的请求返回给客户端的5000端口。然后使用IP层的IP地址查找目的端。
    3)客户端的网络层不用关心应用层或者传输层的东西,主要做的是通过查找路由表确定如何到达服务器,期间可能经过多个路由器,这些都是由路由器来完成的工作,不作过多的描述,无非就是通过查找路由表决定通过那个路径到达服务器。
    4)客户端的链路层,包通过链路层发送到路由器,通过邻居协议查找给定IP地址的MAC地址,然后发送ARP请求查找目的地址,如果得到回应后就可以使用ARP的请求应答交换的IP数据包现在就可以传输了,然后发送IP数据包到达服务器的地址。

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    分层模型

    在这里插入图片描述
    分层模型共有七层,从上到下分别为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

    但实际表示层和会话层仅存在于概念中,实际应用中并未用到,所以将表示层和会话层与应用层合称应用程,即为五层模型

    也有在五层模型基础上,将数据链路层和物理层视作一层,即为四层模型

    下面从下往上简单介绍各分层的分工

    物理层

    物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,该层的主要任务是:确定与传输媒体的接口的一些特性

    物理层的主要特性:
    1、机械特性
    2、电气特性
    3、功能特性
    4、过程特性

    信道概念:

    信道一般用来表示向某一个方向传送消息的媒体,根据传输的方向,又可以分为单向信道和双向信道

    单向通信:只能由一个方向的通信而没有反方向的交互

    双向交替通信(半双工通信):通信的双方都可以放松消息,但是不能双方同时发送

    双向同时通信(全双工通信):通信的双方可以同时发送和接收消息

    信道的极限容量就是平时常见的带宽概念

    数据链路层

    链路:是一条无源的点到点的物理线路段,中间没有任何其他的交换结点,一条链路只是一条通路的一个组成部分

    数据链路:处理物理线路外,还必须有通信协议来控制这些数据的传输,若把实现这些协议的硬件和软件加在链路上,就构成了数据链路
    目前最常用的方法是使用适配器(网卡)来实现这些协议的硬件和软件

    数据链路层要解决的是三个问题:

    1、封装成帧:将网络层传输来的数据加上头(SOH,Start Of Header)和尾(EOT,End Of Transmission),组成一个帧

    2、透明传输:防止数据中碰巧出现SOH或者EOT导致解析错误,解决方案就是在给数据封装成帧之前,将其中的SOH或者EOT前面加上填充字符(对比理解转义字符)

    3、差错检测:防止传输过程中可能产生的比特差错,1变成0、0变成1

    数据链路层有两个子层:逻辑链路控制(Logical Link Control)和媒体接入控制(Medium Access Control)
    其中媒体接入控制对应mac地址,就是计算机(网卡)的物理地址

    mac地址又叫做硬件地址或者物理地址;
    mac地址在网卡生产出厂就已经确定了,厂商会确保生产出的适配器没有重复地址

    IEEE 802标准规定MAC地址字段可采用6字节(48位)或者2字节(16位)两种的其中一种。
    IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段6个字节中的前三个字节(高位24位),成为组织唯一标识符
    低位24位由厂家自行指派,称为唯一标识

    点对点协议、广播信道、以太网等概念均位于数据链路层

    网络层

    网络层介于传输层和链路层之间,其主要作用是实现两个网络系统之间的数据透明传送;网络层是网络之间通信的最底层,网络层是IP协议所在层

    网际协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一,与IP协议配套使用的还有三个协议:地址解析协议ARP、网际控制报文协议ICMP和网际组管理协议IGMP

    IP地址位32位二进制,每8位为一组,共四组,每组转换为十进制后,中间使用逗号隔开,就转换成了常见的IP地址

    常见的IP地址为三级结构:主网号>子网号>主机号

    使用子网掩码对三级IP结构进行计算,可以得出子网的网络地址

    传输层

    传输层主要是提供不同主机上的进程之间的逻辑通信,即使在不可靠的网络层(主机间的逻辑通信)传输下,传输层也能提供可靠的传输

    网络层的重点是IP地址,而传输层寻址的重点是进程的端口号

    补充概念:套接字(Socket) = (Host IP, port)

    UDP协议

    User Data Protocol,用户数据报协议,无连接服务(通信不需要建立连接),主要用于多媒体信息分发(对速度要求较高,单元数据丢失影响不大)

    UDP数据报分为两部分UDP首部和用户数据,首部8个字节,4个2字节字段组成

    UDP协议校验数据原则:有错就丢弃

    TCP协议

    Transmission Control Protocol,传输控制协议,面向连接服务(通信需要建立连接),主要提供可靠信息传输

    TCP数据报同样分为数据头部和用户数据两个部分,不过其头部信息远比UDP协议头要多

    三次握手

    第一次握手:
    当客户端向服务器发起连接请求时,客户端会发送同步序列标号SYN到服务器,在这里我们设SYN为m,等待服务器确认,这是客户端的状态为SYN_SENT

    第二次握手:
    当服务器收到客户端发送的SYN后,服务器要做的是确认客户端发送过来的SYN,在这里服务器发送确认包ACK,这里的ACK为m+1,意思是说“我收到了你发送的SYN”
    同时,服务器也会向客户端发送一个SYN包,这里我们设SYN为n,这是服务器的状态为SYN_RECV
    在此时,服务器为该TCP连接分配TCP缓存和变量。服务器资源在此时分配(而客户端在第三次完成才分配资源)。记录了客户端的请求信息,如果没收到来自客户端的第三次回话,就会在一段时间内缓存TCP信息,这也是黑客攻击服务器的SYN洪泛攻击

    第三次握手
    客户端收到了服务器发送的SYN和ACK后,需要向服务器发送确认包ACK,意思是“我也收到了你发送的SYN”,这里的ACK为n+1,发送完毕后,客户端和服务器的状态为ESTABLISH,即TCP连接成功
    在这里插入图片描述

    四次挥手

    第一次挥手
    A端向B端请求断开连接时会向B端发送一个带有FIN标记的报文端,这里的FIN是FINISH的意思

    第二次挥手
    B端收到A发送的的FIN后,B端现在可能还有数据没有传完,所以B端不会马上向A端发送FIN,而是先发送一个确认序号ACK,意思是“发送的断开请求收到了,但是还有数据没发完,请稍等”

    第三次挥手
    当B端数据发送完成,那么B端就可以断开连接了,此时B端再想A端发送FIN序号,意思是这次可以断开连接了

    第四次挥手
    A端收到B端发送的FIN后,会向B端发送ACK,然后经过两个MSL时长后断开连接
    MSL是Maximum Seqment Lifetime,最大报文段生存时间,2MSL是报文段发送和接收的最长时间
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    应用层

    应用层是面向用户的一层

    FTP、HTTP、HTTPS、DNS和TELNET等协议都是应用层协议

    DNS
    Domain Name System:域名系统,Domain代表域,对应网络段,Name代表名,对应IP、主机名,DNS可以将域名映射变为IP地址

    域名可以分为三级域,例如 www.baidu.com,其中com为顶级域,baidu为二级域,www为三级域
    在这里插入图片描述
    DHCP
    Dynamic Host Configuration Protocol,动态主机设置协议
    DHCP是一个应用UDP协议的局域网协议,提供即插即用联网(自动获取IP地址)

    session、token和cookie概念

    Session指会话,浏览器与服务器的一次会话,不同的用户对服务器发起的会话不是同一个会话。同一用户在会话结束后,重新发起的会话也不是同一个会话

    Token是令牌,是服务器对用户的身份校验。用户将Token信息发送到服务器上,与服务器计算生成的结果吻合,代表用户是合法用户

    Cookie是保存在用户主机上的浏览器信息,用户某次访问若保存了一些信息(一般以KV形式保存),下次再访问同一个网站时,浏览器就会将保存的Cookie一同发送过去

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空空如也

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网络分层