计算机网络面试01——网络体系结构

前言

从这篇文章开始，南国根据自己的体验和认识 写一个系列来描述计算机网络高频的知识考点。
话不多说，干货送上~

1.网络体系结构

1.1 基本概念

1.网络协议:是计算机网络和分布系统中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合。

2.语法(syntax):包括数据格式、编码及信号电平等。

3.语义(semantics):包括用于协议和差错处理的控制信息。

4.定时(timing):包括速度匹配和排序。

5.主机之间的通信方式
客户-服务器（C/S）：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

点到点（P2P）：不区分客户和服务器。

6.电路交换与分组交换
6.1. 电路交换
电路交换用于电话通信系统，两个用户要通信之前需要建立一条专用的物理链路，并且在整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路，因此电路交换对线路的利用率很低，往往不到 10%。

6.2. 分组交换
每个分组都有首部和尾部，包含了源地址和目的地址等控制信息，在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响，因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组，也就是说分组交换不需要占用传输线路。

在一个邮局通信系统中，邮局收到一份邮件之后，先存储下来，然后把相同目的地的邮件一起转发到下一个目的地，这个过程就是存储转发过程，分组交换也使用了存储转发过程。

7.时延
总时延 = 排队时延 + 处理时延 + 传输时延 + 传播时延

了解上述一些计算机网络中的基本概念，下面我们正式来讲一下计算机网络中的体系结构。这里 南国更喜欢下面这幅图来讲述：

1.2 体系结构

1.首先先讲述三类划分结构中公有的 也是计算机网络中最重要的五层协议(从下往上)。

物理层(PhysicalLayer) ：考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。

在这一层，数据的单位称为比特(bit)。物理层的主要设备:中继器、集线器、适配器。

数据链路层(DataLinkLayer) ：物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧(Frame)在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。

数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括:物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

在这一层，数据的单位称为帧(frame)。

数据链路层主要设备:二层交换机、网桥

网络层针对的还是主机之间的数据传输服务，而主机之间可以有很多链路，链路层协议就是为同一链路的主机提供数据传输服务。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧。

网络层(Networklayer) ：为主机提供数据传输服务。而传输层协议是为主机中的进程提供数据传输服务。网络层把传输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。

网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息- -源站点和目的站点地址的网络地址。

如果你在谈论一个IP地址，那么你是在处理第3层的问题，这是”数据包”问题，而不是第2层的”帧”。IP是第3层问题的一部分，此外还有一些路由协议和地址解析协议(ARP)。有关路由的一切事情都在第3层处理。地址解析和路由是3层的重要目的。网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。

在这一层，数据的单位称为数据包(packet)。

网络层协议的代表包括:IP、IPX、RIP、ARP、RARP、OSPF等。

网络层主要设备:路由器

传输层(Transportlayer) ：为进程提供通用数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。

传输层包括两种协议：传输控制协议 TCP，提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据单位为报文段；用户数据报协议 UDP，提供无连接、尽最大努力的数据传输服务，数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。
关于TCP 和UDP,在后续的博客中南国会详细讲到。

应用层(Applicationlayer) ：为特定应用程序提供数据传输服务，例如 HTTP、DNS 、Telnet、FTP、SNMP等。数据单位为报文。

2.OSI的补充

会话层(Sessionlayer)：这一层也可以称为会晤层或对话层，在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。

表示层(Presentationlayer):这一层主要解决用户信息的语法表示问题。它将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法，转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法。即提供格式化的表示和转换数据服务。数据的压缩和解压缩， 加密和解密等工作都由表示层负责。例如图像格式的显示，就是由位于表示层的协议来支持。

五层协议没有表示层和会话层，而是将这些功能留给应用程序开发者处理。

3.TCP/IP
它只有四层，相当于五层协议中数据链路层和物理层合并为网络接口层。

TCP/IP 体系结构不严格遵循 OSI 分层概念，应用层可能会直接使用 IP 层或者网络接口层。

4.数据在各层之间的传递过程

在向下的过程中，需要添加下层协议所需要的首部或者尾部，而在向上的过程中不断拆开首部和尾部。

路由器只有下面三层协议，因为路由器位于网络核心中，不需要为进程或者应用程序提供服务，因此也就不需要传输层和应用层。

讲到这里，计算机网络的总体内容 我们差不多有一个简要的认识。接下来，我们对每一层的主要知识点做个小结。

2物理层

通信方式
根据信息在传输线上的传送方向，分为以下三种通信方式：

• 单工通信：单向传输
• 半双工通信：双向交替传输
• 全双工通信：双向同时传输

3 数据链路层

3.1 基本概念

1. 封装成帧
将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

2. 透明传输
透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。

3. 差错检测
目前数据链路层广泛使用了**循环冗余检验（CRC）**来检查比特差错。

3.2 信道分类

1. 广播信道
一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。

主要有两种控制方法进行协调，一个是使用信道复用技术，一是使用 CSMA/CD 协议。

2. 点对点信道
一对一通信。

因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。

3.3 信道复用技术

1.频分复用
频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。

2.时分复用
时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。

注意：使用频分复用和时分复用进行通信，在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。

3. 统计时分复用
是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。

4. 波分复用
光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

5. 码分复用

3.4 CSMA/CD 协议

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

• 多点接入 ：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到* 总线上。
• 载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
• 碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, …, (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

3.5 MAC地址

MAC 地址是链路层地址，长度为 6 字节（48 位），用于唯一标识网络适配器（网卡）。

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器，因此就有两个 MAC 地址。

3.6 局域网

局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。

可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：

3.7 以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

早期使用集线器进行连接，集线器是一种物理层设备， 作用于比特而不是帧，当一个比特到达接口时，集线器重新生成这个比特，并将其能量强度放大，从而扩大网络的传输距离，之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧，那么就发生了碰撞。

目前以太网使用交换机替代了集线器，交换机是一种链路层设备，它不会发生碰撞，能根据 MAC 地址进行存储转发。

以太网帧格式：

• 类型 ：标记上层使用的协议；
• 数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
• FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；
  

3.8 交换机

交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。

正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。

下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。

3.9 虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。

例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。

使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。

4.网络层

因为网络层是整个互联网的核心，因此应当让网络层尽可能简单。网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交互的数据报服务。

使用 IP 协议，可以把异构的物理网络连接起来，使得在网络层看起来好像是一个统一的网络。
与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

• 地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）
• 网际控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol）
• 网际组管理协议 IGMP（Internet Group Management Protocol）

4.1 IP 数据报格式

版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值；

首部长度 : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为首部固定长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。

区分服务 : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用。

总长度 : 包括首部长度和数据部分长度。

生存时间 ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。

协议 ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。

首部检验和 ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。

标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。

片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。

4.2 IP 地址编址方式

IP 地址的编址方式经历了三个历史阶段：

• 分类
• 子网划分
• 无分类

1. 分类
由两部分组成，网络号和主机号，其中不同分类具有不同的网络号长度，并且是固定的。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}

2. 子网划分
通过在主机号字段中拿一部分作为子网号，把两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

要使用子网，必须配置子网掩码。一个 B 类地址的默认子网掩码为 255.255.0.0，如果 B 类地址的子网占两个比特，那么子网掩码为 11111111 11111111 11000000 00000000，也就是 255.255.192.0。

注意，外部网络看不到子网的存在。

3. 无分类
无分类编址 CIDR 消除了传统 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，使用网络前缀和主机号来对 IP 地址进行编码，网络前缀的长度可以根据需要变化。

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

CIDR 的记法上采用在 IP 地址后面加上网络前缀长度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位为网络前缀。

CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码，子网掩码首 1 长度为网络前缀的长度。

一个 CIDR 地址块中有很多地址，一个 CIDR 表示的网络就可以表示原来的很多个网络，并且在路由表中只需要一个路由就可以代替原来的多个路由，减少了路由表项的数量。把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合，也称为 构成超网 。

在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成，在查找时可能会得到不止一个匹配结果，应当采用最长前缀匹配来确定应该匹配哪一个。

4.3 虚拟专用网 VPN

由于 IP 地址的紧缺，一个机构能申请到的 IP 地址数往往远小于本机构所拥有的主机数。并且一个机构并不需要把所有的主机接入到外部的互联网中，机构内的计算机可以使用仅在本机构有效的 IP 地址（专用地址）。

有三个专用地址块：

• 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
• 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
• 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。专用指机构内的主机只与本机构内的其它主机通信；虚拟指好像是，而实际上并不是，它有经过公用的互联网。

下图中，场所 A 和 B 的通信经过互联网，如果场所 A 的主机 X 要和另一个场所 B 的主机 Y 通信，IP 数据报的源地址是 10.1.0.1，目的地址是 10.2.0.3。数据报先发送到与互联网相连的路由器 R1，R1 对内部数据进行加密，然后重新加上数据报的首部，源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3，目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到数据报后将数据部分进行解密，恢复原来的数据报，此时目的地址为 10.2.0.3，就交付给 Y。

4.4 网络地址转换 NAT

专用网内部的主机使用本地 IP 地址又想和互联网上的主机通信时，可以使用 NAT 来将本地 IP 转换为全球 IP。

在以前，NAT 将本地 IP 和全球 IP 一一对应，这种方式下拥有 n 个全球 IP 地址的专用网内最多只可以同时有 n 台主机接入互联网。为了更有效地利用全球 IP 地址，现在常用的 NAT 转换表把传输层的端口号也用上了，使得多个专用网内部的主机共用一个全球 IP 地址。使用端口号的 NAT 也叫做网络地址与端口转换 NAPT。

4.5 路由器的结构

路由器从功能上可以划分为：路由选择和分组转发。

分组转发结构由三个部分组成：交换结构、一组输入端口和一组输出端口。

4.6 路由器分组转发流程

1.从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D，得到目的网络地址 N。
2.若 N 就是与此路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付；
3.若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给表中所指明的下一跳路由器；
4.若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；
5.若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；
6.报告转发分组出错。

4.7 路由选择协议

路由选择协议都是自适应的，能随着网络通信量和拓扑结构的变化而自适应地进行调整。

互联网可以划分为许多较小的自治系统 AS，一个 AS 可以使用一种和别的 AS 不同的路由选择协议。

可以把路由选择协议划分为两大类：

• 自治系统内部的路由选择：RIP 和 OSPF
• 自治系统间的路由选择：BGP

未完待续~
传输层和应用层的知识点比较重要，后续博客详细介绍。

参考资料：
1.计算机网络, 谢希仁
2.计算机网络自顶向下方法
3.CS-Notes 计算机网络