计算机网络体系结构-CFANZ编程社区

计算机网络体系结构

OSI/RM七层模型

概述

开放系统互联参考模型即 OSI/RM模型，（Open System Interconnection/Reference Model）它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层，物理层（Physics Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、应用层（Application Layer）
这个体系结构到现在看起来有点不科学，主要是两个方面：
- 层数太多
- 会话层和表示层单独划分的意义不大，用途不像其他层那么明显

七层参考模型

各层基本功能

TCP/IP五层模型

物理层

在物理层上所传送的数据单位是比特。物理层(physical layer)的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么
功能
- 为数据端设备提供传送数据通路
- 传输数据（比特流）

数据链路层

数据链路层(data link layer)通常简称为链路层（在局域网中还可细分为MAC子层和LLC子层）。在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧
以太网协议
- 早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地，一种叫做以太网（Ethernet）的协议，占据了主导地位
- 以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做"帧"（Frame）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）
MAC地址和广播
- 以太网数据包的Head，包含了发送者和接受者的信息，那么，发送者和接受者是如何标识呢？以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有"网卡"接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址，每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示
- 有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送，它不是把数据包准确发送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方，下图种1号计算机向2号计算机发送一个数据包，同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"标头"，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址相比较，如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做"广播"（broadcasting）
主要功能
- 帧同步（成帧）：为了使传输中发生差错后只将有错的有限数据进行重发，将数据组合成数据块封装成帧，数据链路层传送的基本单位是帧
- 链路管理：在两个网络实体之间提供数据链路连接的创建、维持和释放管理
- 差错控制：个实用的通信系统必须具备发现（即检测）这种差错的能力，并采取某种措施纠正之，使差错被控制在所能允许的尽可能小的范围内，这就是差错控制过程
- 流量控制：这不是链路层所特有的功能，对于数据链路层来说，控制的是相邻两节点之间数据链路上的流量
- MAC寻址（地址映射）：是数据链路层中的MAC子层主要功能，因为存在网络层地址（IP 地址）和数据链路层地址（MAC 地址），所以需要在它们之间进行转换和映射，此处涉及ARP协议（针对两台主机在同一个子网络的情况，不在则将数据包交给网关处理）

网络层

网络层的由来
- 以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了，技术上是可以实现的，但是，这样做有一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一"包"，不仅效率低，而且局限在发送者所在的子网络。也就是说，如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络，很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络，这几乎是不可能的；因此，必须找到一种方法，能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络，哪些不是。如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用"路由"方式发送，这就导致了"网络层"的诞生。它的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做"网络地址"，简称"网址"
- "网络层"出现以后，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起
- 网络层建立了“主机到主机”的通信
IP协议
- 规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址
- IP协议的作用
  - 为计算机分配IP地址
    - 互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机
  - 确定哪些地址在同一个子网络
    - 处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的，但是单单从IP地址，我们无法判断网络部分，这时就要用到另一个参数子网掩码（subnet mask）
    - 所谓子网掩码，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0
    - 通过子网掩码判断是否处于同一网段
IP数据包
- 根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包，其中包含IP地址信息，IP数据包也包含 Head 和 Data 两部分
- 以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位，但是我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的Data部分，因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构；放进以太网数据包后，以太网数据包变成了下图这样

传输层

传输层的由来
- 有了MAC地址和IP地址，就可以在互联网上任意两台主机之间建立通信，但是同一台主机上有许多程序（进程）要用到网络，当我们接收到一个数据包怎么知道它被哪个进程使用？
- 也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做端口（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据
- "端口"是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口
- 传输层建立了"端口到端口"的通信，（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）
UDP协议（用户数据协议 User Datagram Protocol）–提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务
- 在数据包中加入端口信息，就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号
- UDP协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到
TCP协议（传输控制协议 Transmisson Control Protocol）–提供面向连接的，可靠的数据传输服务
- 为了解决UDP协议的问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了
- TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源
- TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的Data部分。TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割

应用层

应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
应用层协议定义的是应用进程之间通信和交互的规则。对于不同的网络应用需要不同的应用层协议，在互联网中应用层协议很多，如域名系统DNS，支持万维网应用的 HTTP协议，支持电子邮件的 SMTP协议等等。我们把应用层交互的数据单元称为报文
应用层的数据放在TCP数据包的Data部分，此时以太网数据包变成下面这样