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计算机网络

第一章 计算机网络参考模型

1.计算机网络为什么需要分层？

1.1 分层思想

• 将复杂的流程分解为几个功能相对单一的子过程

• 整个流程更加清晰，复杂问题简单化

• 更容易发现问题并针对性的解决问题

1.2 分层好处

1）各层之间是独立的
某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口（即界面）所提供的服务。

（2）灵活性好
当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。

（3）结构上可分割开
各层都可以采用最合适的技术来实现。

（4）易于实现和维护
这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理。

（5）能促进标准化工作
每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。

2.OSI七层模型

2.1 OSI七层模型总结

OSI七层模型功能总结如下所示：

OSI模型特点如下：

（1）OSI模型每层都有自己的功能集；

（2）层与层之间相互独立又相互依靠；

（3）上层依赖于下层，下层为上层提供服务。

2.2 OSI七层工作原理

物理层：是参考模型的最低层，为数据端设备提供传输数据的通路，传输数据的单位是“比特流”，主要设备：中继器、集线器等；

数据链路层：在物理层的基础上，建立数据链路连接，将比特流转变为逻辑传输线路，传输的数据单位是“帧”，并具有差错校验和数据传输排序功能，主要设备：交换机等；

网络层：就是管理连接方式和逻辑地址的选择，逻辑地址即IP地址，以数据包的形式传输，主要设备：路由器；

传输层：用协议端口号服务进程，为用户提供可靠的服务端口，并且进行流控，及时将网络进行中断，也可以保证数据不用重复上传，只需上传未成功部分，以数据段的形式传输，主要设备：防火墙；

会话层：在两者服务之前需要提前建立连接，即会话层，并且管理、终止会话；

表示层：定义传递信息的语法和语义，如代码转换、格式变换等，使不同的终端可以表示；

应用层：直接面向用户的程序或者服务。

2.3 数据封装与解封装

假设终端设备PC1发送邮件给终端设备PC2

数据封装过程：首先PC1发送的邮件数据经过应用层封装，此时的数据称为协议数据单元PDU，应用层将封装好的数据传递给传输层进行处理，传输层收到消息后添加UDP报文头或者TCP报文头，指定源端口号和目的端口号，此时的数据称为数据段segment，传输层将封装好的数据传递给网络层处理，网络层收到消息后添加IP报文头，指定源IP地址和目的IP，此时的数据称为数据包Packet，网络层将封装好的数据传递给数据链路层处理，数据链路层收到消息后添加以太网数据帧报文头，指定源MAC地址和目的MAC地址，这时的数据称为数据帧Frame，数据链路层封装好的数据传递给物理层处理，最后帧被转为比特流，通过网络介质传输到PC2。

数据封装过程如下图所示：

**数据解封装过程：**终端设备PC2收到PC1发送的数据后对报文自底向上逐层进行解封装，PC2通过传输介质收到PC1发到的比特流，首先将比特流转换为数据帧得到源MAC为PC1数据链路层封装的目的MAC地址为PC2的数据帧;由于目的MAC是终端设备PC2自身，因此接收该数据帧并将该数据帧解封装，上传给网络层处理，网络层收到源IP为PC1、目的IP为PC2的数据包;由于目的IP与自身相同，因此接收该数据包，并将IP报文头解封装传递给传输层处理，传输层收到源端口号为PC1、目的端口号为PC2的数据段;由于目的端口是自己，因此接收数据段并将UDP报文或IP报文头解封装，传递给应用层处理，应用层收到数据后解封装就可以得到PC1发来的邮件信息。

数据解封装过程如下图所示：

**总结：**封装和解封装的概念可以使用生活中寄快递取快递的事情进行类比，中间的传输介质就是物流公司，寄快递的时候把物品包装起来，取快递的时候需要拆包裹，分别对应的就是数据的封装和解封装过程，源/目的端口号类比寄件人/收件人、源/目的MAC地址类比寄件人地址/收件人地址。

2.4 计算机网络常用协议

计算机网络常用协议名称及端口号汇总如下所示：

各层常用协议：

• 物理层：IEEE 802.3有线局域网、IEEE802.11无线局域网标准

• 数据链路层：点对点协议（Point-to-Point Protocol） PPP协议是目前广域网上应用最广泛的协议之一，它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等。

• 网络层：IP协议：（Internet Protocol，网际协议），而IP协议由以下四个子协议构成；

  ​ (1)ARP（地址解析协议）： 根据IP地址获取物理MAC地址
  ​ (2)RARP（逆地址解析协议）： 是根据物理MAC地址获取IP地址的协议
  ​ (3)ICMP（网际控制报文协议）：ping 网络连通性检测
  ​ (4)IGMP（网际组管理协议）：组播协议，该协议运行在主机和组播路由器之间
  ​ 单播：1对1发消息
  ​ 组播：只对一部分人发消息
  ​ 广播：对所有人发消息

• 传输层：TCP(传输控制协议)是可靠协议，安全性高、速度慢；UDP（用户数据报协议）是不可靠协议，安全性不高，速度快。

• 应用层：主要包括以下11中协议

  （1）HTTP（超文本传输协议）：是一个简单的请求-响应协议，现在主要的场景是web服务，就是网页的传输，使用TCP的80端口
  （2）HTTPs：是以安全为目标的 HTTP 通道，在HTTP的基础上通过传输加密和身份认证保证了传输过程的安全性，使用TCP的443端口
  （3）FTP文件传输协议：FTP（file File Transfer Protocol）提供交互式的访问，允许客户指明文件的类型与格式，并允许文件具有存取权限，使用TCP的21端口

  （4）SMTP简单邮件传输协议：一组用于从源地址到目的地址传送邮件的规则，并且控制信件的中转方式，用于邮件的发送，使用TCP的25端口
  （5）POP3邮局协议版本3：用于邮件的接收，使用TCP的110端口
  （6）telnet远程登陆协议：一种字符模式的终端服务，可以使用户通过网络进入远程主机或网络设备，然后对远程主机或设备进行操作，使用TCP的23端口
  （7）ssh安全的远程登陆协议，使用TCP的22端口

  （8）TFTP简单文件传输协议：是一个小而易于实现的文件传送协议，TFTP只支持文件传输，不支持交互，没有庞大的命令集。也没有目录列表功能，以及不能对用户进行身份鉴别，使用UDP的69端口
  （9）SNMP简单网络管理协议：是专门设计用于在 IP 网络管理网络节点（服务器、工作站、路由器、交换机及HUBS等）的一种标准协议，使用UDP的161端口

  （10）DNS 域名解析系统：将域名和IP地址相互映射，使用TCP和UDP的53端口
  （11）DHCP（动态主机配置协议）是一个局域网的网络协议。指的是由服务器控制一段IP地址范围，客户机登录服务器时就可以自动获得服务器分配的IP地址和子网掩码，分配ip地址,使用UDP的67和68端口
  

  3.TCP/IP参考模型

  3.1 什么是TCP/IP协议

  TCP/IP（传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。

  3.2 TCP/IP协议族的组成

3.3 OSI模型 vs TCP/IP模型

OSI参考模型 与TCP/IP模型的区别如下所示：

相同点：

（1）OSI 参考模型与 TCP/IP 参考模型都采用了层次结构。
（2） 都能够提供面向连接和无连接两种通信服务机制。

不同点：

（1）OSI采用七层模型； TCP/IP 是四层或五层结构。
（2）TCP/IP 参考模型没有对网络接口层进行细分，只是一些概念性的描述； OSI 参考模型对服务和协议做了明确的区分。
（3）OSI 参考模型虽然网络划分为七层，但实现起来较困难。TCP/IP 参考模型作为一种简化的分层结构是可以的。
（4）TCP/IP 协议去掉表示层和会话层的原因在于会话层、表示层、应用层都是在应用程序内部实现的，最终产出的是一个应用数据包，而应用程序之间是几乎无法实现代码抽象共享的，这也就造成 OSI 设想中的应用程序维度的分层是无法实现的。

4.补充知识点

4.1 SCTP流控制协议

	SCTP(Stream Control Transmission Protocol)流控制传输协议,是对TCP和UDP协议的提升，既提供了UDP协议不可靠的消息传输方式，同时又具有TCP协议的可靠性、顺序传输和拥塞控制功能，并且还提供了多宿主和冗余路径的功能，从而提高弹性和可靠性。TCP和UDP最大的不同是TCP是可靠的，TCP提供了通过 Internet 可靠地传输数据的方法。但是TCP为了保证可靠的数据传输，对传输做了一些限制，如严格要求数据传输的顺序，需要额外为数据流添加标记、优化并合并数据包，容易收到DOS攻击。

SCTP的两大特点：
（1）面向消息的Message-based
（2）传输系列消息
如何理解TCP和SCTP包的不同？
当客户端以TCP协议向服务器端发送多条消息时，为了提升传输效率，TCP会将这些不同作用小的数据放到同一个TCP包中。在服务器端接收的过程中也是一次收取这个TCP包中的所有数据，然后由应用程序本身来进行TCP包中底层数据的拆分。
对于SCTP包来说，一个SCTP包中可以包含多个data chunks，不同的data chunks可以包含不同用户的不同消息，因为SCTP包已经对不同的消息进行了区分，所以对于服务器端的读取来说就相对容易很多。

4.2 端到端和点到点有何区别？

• 网络层及以下的通信为点对点通信，主要解决主机到主机的通信问题。
• 传输层的通信为端到端通信，为应用层实体（进程)提供端到端的通信功能，保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。