网络体系结构

网络体系结构

在网络体系结构这一章主要学习的是参考模型TCP和UDP协议IP协议其他常见协议

参考模型

在参考模型中主要学习的就是 OSI 参考模型 和 TCP/IP协议

OSI 参考模型

在 OSI 参考模型中主要学习它的七层结构服务访问点

七层结构

网络体系结构指的是网络各层、层中协议和层间接口的集合。OSI 网络体系一共定义了七层,从低到高分别是:

①物理层:通过一系列协议定义了通信设备的机械的、电气的、功能的、规程的特征,代表协议有 RS-232、V.35、RJ-45、FDDI 等。物理层的数据将以比特刘的形式进行传输。

②数据链路层:建立、维持和释放网络实体之间的数据链路,这种数据链路对网络层表现为一条无差错的信道(传送数据帧)。它通常把流量控制和差错控制合并在一起。数据链路层可以分为 MAC(媒介访问层)和 LLC(逻辑链路层)两个子层,其服务访问点为物理地址(也称 MAC 地址)。代表性协议有 IEEE 802.3/.2、HDLC、PPP、ATM 等。

③网络层:属于通信子网,通过网络连接交换层实体发出的数据(以报文分组的形式)。它解决的问题是路由选择、网络堵塞、异构网络互联的问题。其服务访问点为逻辑地址(也称网络地址,通常由网络号和主机地址两部分组成)。代表性协议有 IP、IPX等。

④传输层:实现发送端和接收端的端到端的数据分子(数据段)传送,负责保证实现数据包无差错、按顺序、无丢失和无冗余的传输。其服务访问点为端口。代表性协议有 TCP、UDP、SPX等。

⑤会话层:主要负责管路远程用户或者进程间的通信,通常包括通信控制、检查点设置、重建中断的传输链路、名字查找和安全验证服务。诸如:RPC、SQL、NFS 等。

⑥表示层:使应用层可以根据其服务解释数据的含义,通常包括数据的编码的约定、本地句法的转换。诸如: JPEG、ASCLL、GIF、DES、MPEG 等。

⑦应用层:直接为端用户服务,提供各类应用过程的接口和用户接口。诸如:HTTP、Telnet、FTP、SMTP、NFS 等。

OSI 模型各层实现主要的功能如下:

层次主要功能
物理层提供物理通路、二进制数据传输、定义机械/电气特性和接口
数据链路层数据链路的链接与释放、流量控制、构成链路数据单元、
差错的检测与回复、帧定界与同步、传送以帧为单位的信息
网络层路由的选择与中继、网络连接的激活与终止、网络连接的多路复用、差错检测与恢复、排序与流量控制、服务选择
传输层映射传输地址到网络地址、传输连接的建立与释放、多路复用与分割、差错检测与恢复、分段与重组、组块与分块、序号及流量控制
会话层会话链接到传输链接映射,会话链接的恢复与释放、对会话参数进行协商服务选择、活动管理与令牌管理、数据传送
表示层数据语法的转换、数据加密与数据压缩、语法表示与连接管理
应用层应用层包包含应用程序执行任务所需要的协议和功能

OSI 体系结构方面规定了开放系统在分层、相应层对等实体的通信、标识符、服务访问点、数据单元、层操作、OSI 管理等方面的基本元素、组成和功能等。

层次物理层数据链路层网络层上四层
封装单位比特流数据帧数据包报文

服务访问点

N 层实体向 N+1 层实体提供服务,N+1 层实体向 N 层请求服务,从概念上来讲,这是通过位于 N 层和 N+1 层的界面上的服务访问点 N (SAP)来实现的。

SAP 是一个访问工具,由一组服务元素和抽象操作组成,并由 N+1 实体在该点调用。我们把 N 层中提供 N 服务的那些 N 实体总称为 N 服务提供者;而把调用 N 服务的 N+1 实体称为 N 服务用户。

这里要掌握的是:

MAC 地址是物理层的 SAP ,为数据链路层服务;

LLC 地址是逻辑链路层的 SAP;

IP 地址是网络层的 SAP,为传输层提供服务;

端口号是传输层上的 SAP,为上层应用提供服务;

用户界面是应用层的 SAP,为主体用户提供服务。

TCP/IP协议栈

TCP/IP协议族也是一种层次体系结构,共分为4层。其中底层物理层和数据链路层只要能支持 IP 层的分组传送即可,因此作为网络接口层来对待。

各层 的功能简介如下:

①网络接口层:提供 IP 数据报的发送和接收。例如,以太网的 802.3 协议、令牌环网的 802.5 协议以及分组交互网的 X.25协议等。

②网络层:提供计算机之间的分组传输。主要体现在高层数据的分组生成、底层数据报的分组组装、处理路由、流控、拥塞等方面。

③传输层:提供应用程序之间的通信、格式化信息流、提供可靠传输。TCP 协议提供面向连接的可靠的字节流传输,UDP 协议提供无连接的不可靠的数据包传输。

④应用层:提供常见的应用程序。例如:WWW 服务、FTP、E-Mail、Telnet等。

TCP 和 UDP 协议

TCP协议

TCP 协议及传输控制协议,是一个面向连接的协议,它提供双向的、可靠的、有流量控制的字节流的服务。字节流服务的意思是,在一个 TCP 连接中,源结点发送一串的字节给目的结点。可靠服务是指数据有保证地传递、按序、没有重复。

面向连接是指一次正常的 TCP 传输需要通过 TCP 客户端和 TCP 服务端建立特定的虚电路连接来完成,该过程通常被称为 “三次握手”。三次握手的目标是使数据段的发送和接收同步,同时也向其他主机表明其一次可接受的数据量(窗口大小),并建立逻辑连接。这三次握手的过程可以简述为:

①源主机发送一个同步标志位(SYN)置1的 TCP 数据段。此段中同时标明初始序号(Initial Sequence Number,ISN),ISN 是一个随时间变化的随机值。

②目标主机发回确认数据段,此段中的同步标志位(SYN)同样被置 1,且确认标志位 (ACK)也置1,同时确认序号字段表明目标主机期待收到源主机下一个数据段的序号(即表明前一个数据段已收到并且没有错误)。此外,此段中还包含目标主机的段初始序号。

③源主机再回送一个数据段,同样带有递增的发送序号和确认序号。

至此,TCP 会话的三次握手完成。接下来,源主机和目标主机可以互相收发数据。

基于 TCP 的应用层协议有 SMTP、FTP、HTTP、Telent、POP等。

UDP协议

UDP 即用户数据协议,是一个无连接服务的协议。它提供多路复用和差错检测功能,但不保证数据的正确传送和重复出现。UDP 报文包括 16位源和目的端口号,16位的以字节为单位的长度总和(数据和报头的和)标识字段,16位的数据和报头校验和字段。

基于 UDP 的应用层协议有 SNMP、DNS、TFTP、DHCP、RPC等。

  IP 协议

IP 协议实际上是一套由软件程序组成的协议软件,它把不同 “帧” 统一转换成 “IP数据报” 格式,这种转换是因特网上实现互通,即具有 “开放性” 的特点。

数据包也是分组交换的一种形式,就是把所传送的数据分段打成 “包”,再传送出去。但是与传功的 “连接型” 分组交换不同,它属于 “无连接型”,是把打成的每个 “包”(分组)都作为一个 “独立的报文” 传送出去,所以叫做 “数据报“。这样,在开始通信之前就不需要先连接号一条电路,各个数据报不一定都通过一条路径传输,所以叫做 “无连接型”。这一特点非常重要,它大大的提高了网络的坚固性和安全性。

每个数据报都有包头和包文两个部分,包头中有目的地址等必要内容,使每个数据报不经过同样的路径都你能准确的到达目的地。在目的地重新组合还原成原来发送的数据,这就要求 IP 具有分组打包和集合组装的功能。在实际传送过程中,数据报还要求能根据所经历网络规定的分组大小来改变数据报的长度,IP 数据报的最大长度可达 65535 个字节。

IP 协议运行在网络层上,可实现异构的网络之间的互联互通。它是一种不可靠、无连接的协议。IP 定义了在整个 TCP/IP 互联网上数据传输所用的基本单元(由于采用的使无连接的分组交换,因此也成为数据报),规定了互联网上传输数据的确切格式。IP 软件完成路由选择的功能,选择一个数据发送的路径。除了数据格式和路由选择精确而正式的定义之外,还包括一组不可靠分组传送思想的规则。这些规则指明了主机和路由器应该如何处理分组,何时采用何种方法发出错误信息,以及在什么时候可以放弃分组。IP 协议是 TCP/IP 互联网设计中最基本的部分。对于 IP 协议而言,需要掌握一下几个关键知识点。

数据报生存周期

为了防止网络因出现环路,而导致 IP 数据报在网络中无休止的转发,IP 协议在 IP 包头设置了一个数据报生存期(TTL)位,用来存放数据报生存期(以跳为单位,每经过一个路由器为一跳),每经过一个路由器,计数器加1,超过一定的计数值,就将其丢弃。

分段和重装配

在理想情况下,整个数据报被封装在一个物理帧中,可以提高物理网络上的效率。但由于 IP 数据报经常在许多类型的物理网络上传送,而每种物理网络所能传送的帧的长度是有限的,例如以太网是 1500 字节,FDDI 是 4470 字节,这个限制称为网络最大传送单元(MTU)。这就使得 IP 协议在设计上不得不处理这样的矛盾:当数据报通过一个可传送更大的网络时,如果数据报大小限制为整个最小的 MTU,就会浪费网络带宽;但如果数据报的大小大于最小的 MTU,就可能出现无法封装的的问题。为了解决就这个问题,IP 协议就采用了分段重装配机制来解决。

分段:IP 协议采用的是遇到的 MTU 更小的网络时再分段。

重装配:为了能够减轻中途路由器的工作,降低出错,重装配工作时直到目的主机时才进行的,也就是分段后,遇到 MTU 更大的网络时并不重装配,而是保持小分组,直到目的主机接受完整后再一次性重装配。

它一共使用4个字段来处理分段和重装配的问题:

报文 ID :它表示了某个站某层协议层发除的数据;

数据长度:即字节数;

偏置值:即分段在原来的数据报中的位置以8个字节的倍数计算;

M 标志:用来标识是否为最后一个分段。

③ IP 数据报格式

如图 5-5 所示:

5-5.png

版本号:用来说明 IP 协议的版本;

IHL:是 IP 的头长度(即除了用户数据之外),以32位字计数,最小是5,即20个字节;

服务类型:用于区分可靠性、优先级、延迟和吞吐率的参数;

总长度:是包含 IP 头在内的数据单元总长度;

标识符:是唯一表示数据报的 ID;

标志:有三个,分别是未启用、D 代表是否允许分段、M 代表是否分段;

协议:表示用的上层协议。

其他常见协议

除了 TCP、UDP、IP 协议外,在一些常见的协议基本上可以分为底层协议和高层协议。

涉及底层的常见协议有: ARP/RARPICMPHDLC协议。

涉及高层的常见协议有:SMTPPOP3FTPTFTPHTTPDNS协议。

ARP/RARP

简单的来说:ARP 就是将 IP 转换成 MAC 地址的。RARP就是将 MAC 转换成 IP 地址的。

ARP 协议主要负责将局域网中的32位 IP 地址转换为对应的48位 MAC 物理地址,即网卡的 MAC 地址,比如 IP 地址为 192.168.0.1,网卡的 MAC 地址为 00-03-0F-FD-1D-2B。整个转换过程是一台主机向目标主机发送包含 IP 地址信息的广播数据包,即 ARP 请求,然后目标主机向该主机发送一个包含 IP 地址和 MAC 地址的数据包,通过 MAC 地址,两个主机就可以实现数据传输了。

在安装了以太网网络适配器的计算机中有专门的 ARP 缓存,包含一个或多个表,用于保存 IP 地址以及经过解析的 MAC 地址。

在 WINDOWS 中要查看或者修改 ARP 缓存中的信息,可以使用 arp 命令来实现.


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发布时间:2020-06-29 10:16:48

修改时间:2020-09-15 10:57:49

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