计算机网络五层概述

计算机网络五种基本拓扑结构：

（1）星形结构：所有结点与中心点相连，中心结点控制全网结构，任何两点结点之间的通信都必须通过中心结点。

（2）总线结构：所有结点与总线（非结点）相连，依靠总线通信，但任意时刻总线只允许有一个信息正在发送，即如果有两个结点同时在总线上发送信息则会引起冲突

（3）环形结构：两两结点相连构成一个环，结点之间的通信可能需要通过多个中继结点，任意一个结点损坏都可能导致整个网络瘫痪

（4）树形结构：结点之间以树形结构展开，适用于上下界限分明或者需要信息汇总的网络结构（如政府军事）

（5）网状结构：任意两结点之间相连形成一个复杂的网状，其可靠性较高，现代网络一般采取此种结构。但由于结构复杂，所以需要很多算法来辅助。（如路由选择，拥塞控制）

按照原理性的网络分层结构可以分为五层（ISO标准七层， TCP标准四层）

1. 应用层

        在操作系统之上，直接使用软件获取相关的网络服务，一般协议由提供相关服务的软件实现。

（1）WEB服务

        WEB服务一般由浏览器提供，其包含了3个关键技术

        1.1）HTTP协议：超文本传输协议，规定了文本传输的格式，默认端口【80】,底下采用了TCP协议传输

        1.2）HTML：超文本标记语言，只是一门语言，用来标记文字图片等该何如显示

        1.3）URL：统一资源定位符，规定了网络上资源的标记方式

（2）DNS服务

        用于解析域名的IP地址，默认使用端口【53】,传输层采用UDP协议实现。

        解析方式有递归解析和迭代解析，使用本地缓存和路由器缓存提高效率。

（3）FTP文件传输服务

        用于实现不同网络主机间的文件传输需求，使用FTP协议实现，默认端口【20】（用于数据连接，每一个文本都需要重新建立一次连接）【21】（用于命令传输），底下采用了TCP协议传输

        如果采用TFTP协议实现，则底下采用的是UDP协议传输，其支持的命令操作较少。

（4）电子邮件服务

        电子邮件服务一般由电子邮件相关软件实现，采用端口【25】

        邮件传输协议有两种选择，SMTP（只支持传输纯文本）, MIME（支持多媒体类型传输）

        访问邮件服务器也有两种方式，POP-3（简单上传下载），IMAP-4（可以在邮件服务器中直接对邮件进行操作）

（5）远程桌面服务

        使用TELNET协议实现，默认端口【23】,底下使用TCP协议传输

（6）DHCP

        DHCP是动态主机配置协议，用于主机的网络配置服务，可以动态的为客户端配置路由器地址，IP地址，服务器地址等。在一开始时，客户机还没有一个IP地址，需要把一个DHCP请求报文广播出去，DHCP服务器接收到请求，同样把带有配置信息的报文广播发送回去，客户机接收配置完毕后就进入了绑定状态，不再接受配置报文信息。当IP过期时，需要再次发送请求

        

（7）SNMP

        SNMP用于网络管理服务，用来检测统计网络流量等

2. 传输层

        解决源主机到目的主机之间端到端的通信，主要涉及的有TCP和UDP两个协议，此层一般由操作系统负责管理和实现。

        在本层中一个套接字地址为IP地址+端口号，一个网络进程的通信标志为：传输协议+本地IP+本地端口+目的IP+目的端口。

        无论是TCP和UDP报文，都可以统一称为TPDU传输协议数据单元。

（1）端口号分配：

熟知端口号 0~2^10-1 ：服务器默认的全局端口号， 一般由系统固定分配

注册端口号 2^10~2^12-1  和 临时端口号 2^12~2^16-1 ：这些都是用户请求时，系统给用户动态分配和回收的

（2）多路复用与多路分解

        传输层允许多个应用层使用不同的端口号同时进行消息发送。在发送端，传输层依照不同的端口号替数据进行包装递交给网络层，在接收端，传输层依照不同端口号将数据正确转交给相应的程序

（3）TCP与UDP

        传输层协议有TCP和UDP可以选择。

        TCP：面向连接和字节流，有确认机制，重发机制，流量控制，拥塞控制，建立连接需要3次握手，断开连接需要四次挥手。

        UDP：无连接，无确认机制、重传机制，开销低，速率高，可用于多播和组播

3. 网络层

        解决的是源主机-路由器-路由器-目的主机之间的点对点传播，路由器在网络中也可以看成一个具有ip地址的主机。

（1）IP协议

        网络层的数据传输协议，对来自TCP | UDP 数据报文进一步封装和分组，转交给数据链路层。

        IP协议是无连接不可靠的，当发现分组出错或者丢失，会发送一个ICMP差错报文，但是是由上一层协议负责是否要重发。

        涉及的有：IP地址分类，子网划分，分组格式，路由转发算法，IPV6等，在此不细讲。

（2）ARP协议

        ARP协议使用解析IP地址对应的物理地址（6字节）的。RARP则相反，是用来解析物理地址对应的IP地址的。ARP报文无需IP协议封装。

        解析过程：

        

        ARP欺诈：指的是骗子主机冒充目的主机发送ARP响应让源主机误以为其是目的主机将通信信息发送给了骗子主机。

（3）NAT

        当你在局域网上访问局域网内的内容时，用的是诸如172.31,192.168等局域网IP，这在公网上进行访问时，是不被允许的，因为公网上的IP是唯一的，而局域网地址在不同的局域网下却是可以重复。但是公网的地址是紧缺的，不可能为每个局域网内的用户都分配一个公网IP，这时就需要使用NAT地址转换技术了。

        当用户访问公网时，执行NAT协议的路由器就会从自己的公网IP池为用户分配一个临时的公网IP，并将用户报文中的内部地址修改成公网地址进行发送。当接收时，该路由器又会把报文中的公网地址修改回内网地址，将其传送回用户。所以，有时你会发现自己的公网IP发生了变化。

        点击查看自己的公网IP

（4）ICMP

        ICMP是互联网控制报文协议，可以用来查看和控制IP分组在网络传播情况，其报文需要经过IP协议的封装。

        最常见的ping命令就是发送一条ICMP的查询报文。

4. 数据链路层

        以上三层讲述的都是把数据以报文的形式如何传播，而数据链路层要讨论是数据帧（1bit）级别的传输问题。

        数据链路拥有帧同步（错误重发），差错控制（海明码和CRC纠错），流量与拥塞控制等功能。

5. 物理层

        物理层考虑是如何将采集的信号转化为二进制数据，用什么介质传输信号等等。

       可以看出，网络数据在整个五层结构中，只有传输层TCP和数据链路层有进行了一个数据校验机制（错误时反馈和重发）和重发机制。UDP的校验和错误时直接丢弃不重发，IP校验和只校验头部是否正确，错误时发送ICMP差错报文通知上一层是否要重发。

数据报文的变化流程：