计算机网络.五层协议栈模型简介

Posted 2022-12-07 木艮氵

• OK，又进入了考试复习的阶段
• 不知道我这样用博客来准备考试是不是有点
• 不太好

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复习纲要

• 按照五层协议栈模型
  
  • 物理层
  • 链路层
  • 网络层
  • 传输层
  • 应用层

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物理层

• bit

  • 物理层解决如何在物理介质上传输bit的问题
  • 说到底，任何电脑中需要传输的数据，都是一堆0和1，那么物理层的任务，就是传输0和1
  • 最简单如以某个范围的高电压表示1、低电压表示0，或以电压由低变高表示1、由高变低表示0等等，也就是bit的编码方式

• 调制/解调

  • 但是如此简单的方式，带来的后果就是无法进行远距离传输
  • 于是调制/解调就发挥作用了。什么传输得远？波~~~
  • 载波就是一正弦波，而顾名思义，“载”波就是用来携带数据的波
  • 调制的过程就是把01“写入”到载波中
    
    • 比如振幅调制，就用振幅大代表1，振幅小代表0；频率调制，就是频率大代表1，频率小代表0，诸如此类
    • （也可以振幅小代表0，这些都是约定好的。这种所谓的约定也就是“协议”）
  • 解调就是依据协议（比如双方都用某种振幅调制）来提取出01信息，接收方遇到振幅大就知道是1，小就是0

• 设备

  • 工作在这一层的设备有中继器，其作用是放大信号来扩大传输距离、对信号进行整形来抵抗信号的衰减、变形等

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链路层

• 帧

  • 最关键的概念即“帧”
  • 物理层传输bit，链路层传输帧
  • 帧就是一块有相应格式的数据，通常可分为三部分：头部、数据部、尾部
  • 受最大传输单元MTU的限制，链路层能传输的一个帧有长度限制

• 实现

  • 不同的链路层实现具有不同的帧格式，而其相应的MTU也不同
  • 最最最常见即以太网，以太网的帧也叫以太帧
  • 以太网是局域网的一种实现，通信采用CSMA/CD的多点接入协议，其余的局域网实现还有IBM的令牌环网络、ATM网、无线网等等，它们使用的帧格式也是也均不相同
  • 另一个很有用的即PPP协议，Point to Point Protocol，其帧为PPP帧，实现了点对点的通信，具有身份验证的功能。这个用来干什么呢？拨号上网。比如要用电信网就要有个电信账号和密码，拨号的时候用的就是PPP协议和电信的服务器通信，验证通过就把你的电脑接入到电信网中，于是就可以上网了。而现在一般用PPPoE协议，配置路由器也常会见到PPPoE。PPPoE即PPP over Ethernet。由于大多数局域网都是以太网，而位于以太网内的电脑采用的是以太网的帧格式，PPPoE协议则结合了PPP帧和以太网帧，实现了在以太网上传输PPP帧，实际上是把PPP帧作为数据部分封装成以太帧，在以太帧的头部的帧类型字段表明是PPP帧数据。于是大家在局域网里也就可以拨号上网了。

• 理论上的分层

  • 再进一步，链路层通常可分为LLC层和MAC层，不过LLC似乎已经不怎么提及了，只要实现MAC层也就搞定了通信
  • 什么是MAC层？Media Access Control，媒体接入控制，简单来说就是解决如何标识每一台主机的问题。想到了什么？mac地址呗，全球唯一的网卡地址，完美解决主机的标识问题。
  • 以太网的MAC子层实现是基于网卡地址，由于以太网太过普及，干脆也就称为mac地址了
  • 以太帧的头部有源mac地址（发送数据的主机）和目标mac地址（接受数据的主机），这个帧一发出去，同一个局域网的主机都能收到，然后对比一下是不是应该由我来接受（即帧中目标mac地址和我的mac地址一不一样）

• 设备

  • 工作在这一层的设备有网桥、交换机，它们可以识别帧并进行转发。（不同的协议有不同的帧格式，所以要能识别出来必须配置相应的协议）

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网络层

• 异构网络与IP地址
  
  • 说的绕一点：网络层解决的是异构网络的通信问题
  • 什么是异构网络？就是链路层有很多很多种不同的实现（也大致可以等同于局域网也不仅仅有以太网），各种不同的网络之间用来通信的帧格式不同，又如何能通信呢？
  • 于是IP地址就出现了，网络层采用IP地址来标识每一个主机（更具体的说是每一个网络连接点）
    
    • 哎，你说，以太网用的MAC地址，也就是网卡地址，不也是全球唯一的么？是啊，没错啊，但是这个地址只有以太网在用（虽然好像其实大家都在用网卡地址来标识主机，但最主要的是帧格式的不同），也就是异构网络的MAC子层不一样，尽管现在绝大部分都是以太网

• IP数据报

  • 于是大家都用IP地址来通信，传输的是IP数据报。这个IP数据报即作为链路层的数据部分，加上帧头部和帧尾部，即封装成一个数据帧，但数据帧的数据部分不仅仅是IP数据报，还可以是其他链路层的协议所使用的数据，比如PPP协议中的LCP和NCP
  • 而实际上，如果一个IP数据报要想传输成功，就必须封装成帧（具体怎样的帧格式要看在怎样的网络中，若在以太网中就封装成以太帧），然后送到目标主机，而网卡只认MAC地址，只认帧，网卡收到一个帧后，发现确实是发给自己的，于是把帧拆开取出数据部分（IP数据报），在向上提交给网络层
  • IP数据报也有格式，即IP首部和数据部。IP首部至少应当包括三个信息：发送方的IP地址，接收方的IP地址，总长度。
  • 最终的效果就是，站在网络层的视角，我并不需要知道帧格式是怎样的、MAC地址是几，我只需要知道对方的IP地址，我就可以把数据传过去了。

• 问题1：IP地址与MAC地址

  • 那么问题就来了:网卡可是只认MAC地址的啊，我如何实现IP地址到MAC地址的转换（映射）呢，即IP数据报最终一定是作为链路层帧的数据部分，那帧头部还需要填入MAC地址的信息，我如何得知呢——ARP协议
  • ARP协议工作在链路层，即直接使用帧来通信，但是其解决的问题是网络层的问题，所以有些地方把它按照目的归入网络层，有些地方按照工作方式归入链路层
  • ARP协议解决的是局域网内的通信问题（因为使用帧来通信嘛），好现在有一个主机host_1，它的IP地址是ip_1，MAC地址是mac_1，同一局域网内有另一台主机host_2、ip_2、mac_2。此时host_1想向host_2发送数据，而它只知道对方的IP地址是ip_1,于是
    
    • *1.*host_1广播（目标MAC地址全1）一个帧，内容是“我是ip_1,mac_1，我想知道ip_2的MAC地址”
    • 2.本局域网上的所有主机都收到了这个帧，但是只有host_2会回答这个帧（因为它才是ip_2），此时它知道了host_1想要它的IP地址，也知道了host_1的MAC地址是mac_1
    • 3.于是host_2发送一个帧（目标MAC地址是mac_1），内容是“我是ip_2，我的MAC地址是mac_2”
    • 4.只有host_1才能收到这个帧（因为只有它才是mac_1），于是host_1也就知道了ip_2的MAC地址是mac_2
  • 每次都这样是不是很慢啊，慢就来个缓存呗——ARP高速缓存。好不容易厚着脸皮要到了mac地址，赶紧找个小本本记下来。

• 问题2：路由器如何工作

  • 那么问题又来了：ARP解决的是局域网内的通信问题，那我平时上网都用路由器，主机位于我路由器内的局域网里，又怎么访问百度呢？
  • 这就牵扯到路由器了
  • 大致可以认为整个网络就是路由器在转发数据，从一个路由器到另一个路由器，最终到达目标主机
  • 于是整个过程就大致可以这样理解：
    
    • 1.首先你根据路由器的mac地址（它和你的主机在同一个局域网内），把数据发给路由器
    • 2.路由器收到这个帧（因为mac地址写的是它），拆开帧，得知你要发送数据给ip_baidu，于是路由器查找路由表，找到下一跳地址ip_next，然后用ARP协议解析到ip_next的mac地址（没错你的路由器和这个ip_next的路由器在一个局域网），于是数据到达了另一个路由器
    • 3.而这个ip_next的路由器又和其他路由器在同一个局域网，但是你的路由器不和它们在同一个局域网，所以只能把你的数据先给你的路由器、你的路由器再给ip_next这个路由器、这个路由器再给更远的路由器
    • 4.最终到达一个路由器，这个路由器和ip_baidu在同一个局域网里，然后你的数据就到达了目的地
  • 命令行下“tracert”命令可以追踪从你的主机到目标IP地址的主机之间经过了哪些路由器，命令的原理是利用了ICMP协议

• 问题3：异构网络通信问题的解决

  • 注意到没，一个路由器连接了好几个局域网，而着好几个局域网并不一定都是以太网，也就是说它们的帧格式不一定相同
  • 所以路由器的任务很关键，这也就是解决异构网络通信的关键所在：路由器知道它连接了哪些局域网，也知道它们的帧格式分别是怎样的
  • 而路由器在转发的时候，拆开一个帧（怎么拆？根据帧格式。如何得知帧格式？看它来自哪个局域网）后只拿到了数据部分，从数据部分（IP数据报）中得知它的目的IP，通过路由表得知我要转发给那一个路由器，而它又位于哪种局域网中，再按照这种局域网的帧格式把数据封装起来，发过去
  • 路由器继续沉默着。“又一个帧来了”路由器撇了一眼，“又是以太帧，没劲”。说完便拆开了这个帧。以太帧对于路由器来说实在是太常见了，他甚至可以在半睡半醒的状态下闭着眼拆开它。看到这个帧要去的IP地址，路由器不厌其烦的翻阅着路由表，而找到的下一跳地址不由得让他眼前一亮。“很久没遇到一个要去这种局域网的帧了。IBM令牌环网络，有趣”。说罢路由器拿起了另一本厚厚的书，里面写满了IBM令牌环网络的知识。他飞快地翻着，略带生疏的把这个帧组装好，此时令牌恰好传到了他的手里。“下一个”

• 网络层的结果

  • 解决了异构网络的通信问题：基于IP地址和路由器
  • 向上提供基于IP地址的通信
  • 尽最大努力交付：只发送一次，能不能到达看运气

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传输层

• 端口概念

  • 实际上的网络通信的两个主机之间的应用（进程）之间的通信
  • 端口用来区分同一主机上的不同应用
  • 简单的理解就是一个进程占用一个端口号

• 两个协议

  • UDP协议
    
    • 面向无连接：不需要对方主机在线，当然只有在线才能收到
    • 面向报文：一次发送一段数据
    • 不可靠：发出去就不管了（不管能不能到，不管能不能有序到达）
  • TCP协议
    
    • 面向连接：需要对方主机在线，并建立连接
    • 面向字节流：你给我一堆字节的数据，我给你发过去，但一次发多少我说了算
    • 可靠：我有机制可以保证你的数据一定会有序的到达对方主机

• TCP

  • 一次发送一个TCP报文段，由TCP首部和数据部分组成
  • TCP首部至少包括三个信息：源端口，目标端口，序号，数据偏移
    
    • 序号是用来编号字节的。TCP是面向字节流，也就是你给我一段有序的字节，我对其编号，比如从x到x+n，TCP内部机制不一定全部发送出去，而会选择一部分，比如x到x+m这m个字节作为数据部分，加上TCP首部组成一个报文段，这个报文段又作为数据部分交给网络层
    • 数据偏移用来指出TCP的数据部分的起始位置在整个TCP报文段（首部+数据）的位置（也就是首部长度）
    • 什么？不知道数据部分多长？还记得网络层IP数据报的首部吗，长度可以根据这里面的总长度算出来，因为整个TCP报文段是作为IP数据报的数据部分。
  • 连接
    
    • TCP建立连接的两个点是(ip1,port1）和(ip2,port2）
    • ip1==ip2时，即在本主机的不同进程间通信，此时port1和port2一定不同
    • ip1!=ip2时，即在两台主机之间通信，port1和port2不一定不同

• TCP很棒

  • 为什么？因为TCP可靠啊。
  • 那么TCP是如何实现可靠？简单的理解就是——编号+重传。
  • 重传保证数据一定能到
    
    • TCP每发一个数据，就会期待接收方的一个回复。如果在指定时间内收到了回复，就知道数据确实达到了
    • 如果超过一定的时间没收到回复，就认为对方没有收到，所以再发送一遍
  • 编号保证数据有序
    
    • TCP面向字节流，发送方每次选出一段字节发送的时候，都会带上一个序号，这个序号就是发送的这段字节中编号最小的字节的编号
    • 接收方回复的时候，也会带上一个序号，这个序号是接收方期望接收到的下一个字节的编号
  • 其他也很重要
    
    • 流量控制
    • 拥塞控制

• 传输层的结果

  • 提供应用进行通信的socket编程接口，屏蔽了大量的传输细节，你只需要给它目的地和数据就好了~
  • 应用程序利用这个接口来进行网络通信
  • 有没有不基于socket的通信？有啊，在传输层之下的通信呗，比如ARP、ICMP等

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应用层

• www万维网

• FTP文件传输协议

• DNS协议：域名与IP地址的转换

• 邮件传输

• DCHP协议

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思维导图

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