计算机网络学习1协议和分层概述

参考了各个网络的资料、《图解TCP/IP》、《TCP/IP详解》、谢希仁的《计算机网络》等

1、网络协议分层

（1）传统上，我们所知道的是开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI）的七层模型。但是事实上，作为法律上的国际标准OSI并没有得到市场的认可。但是我们依旧是有必要了解一下。它的结构以及各层功能如下：

一些经常使用的各层协议如下：

物理层：RJ45、CLOCK、IEEE802.3    （中继器，集线器，网关）

数据链路：PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC  （网桥，交换机）

网络层：IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP、 （路由器）

传输层：TCP、UDP、SPX

会话层：NFS、SQL、NETBIOS、RPC

表示层：JPEG、MPEG、ASII

应用层：FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS

中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统

物理层中继系统：转发器(repeater)，中继器，集线器，网关。
数据链路层中继系统：网桥（也叫桥接器，bridge），交换机（交换机其实就是很多接口的网桥，跟网桥是同一个东西）。
网络层中继系统：路由器(router)。
网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。

网络层以上的中继系统：网关(gateway)。  

重点是了解集线器、网桥、交换机、路由器即可。

了解交换机、路由器、网关的概念，并知道各自的用途

1）交换机

在计算机网络系统中，交换机是针对共享工作模式的弱点而推出的。交换机拥有一条高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背 部总线上，当控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部 交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口。目的MAC若不存在，交换机才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表 中。

交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过ARP协议学习它的MAC地址，保存成一张 ARP表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不 能划分网络层广播，即广播域。

交换机被广泛应用于二层网络交换，俗称“二层交换机”。

交换机的种类有：二层交换机、三层交换机、四层交换机、七层交换机分别工作在OSI七层模型中的第二层、第三层、第四层盒第七层，并因此而得名。

2）路由器

路由器（Router）是一种计算机网络设备，提供了路由与转送两种重要机制，可以决定数据包从来源端到目的端所经过 的路由路径（host到host之间的传输路径），这个过程称为路由；将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端(在路由器内部进行)，这称为转 送。路由工作在OSI模型的第三层——即网络层，例如网际协议。

路由器的一个作用是连通不同的网络，另一个作用是选择信息传送的线路。 路由器与交换器的差别，路由器是属于OSI第三层的产品，交换器是OSI第二层的产品(这里特指二层交换机)。

3）网关

网关（Gateway），网关顾名思义就是连接两个网络的设备，区别于路由器（由于历史的原因，许多有关TCP/IP 的文献曾经把网络层使用的路由器（Router）称为网关，在今天很多局域网采用都是路由器来接入网络，因此现在通常指的网关就是路由器），经常在家 庭中或者小型企业网络中使用，用于连接局域网和Internet。 网关也经常指把一种协议转成另一种协议的设备，比如语音网关。

在传统TCP/IP术语中，网络设备只分成两种，一种为网关（gateway），另一种为主机（host）。网关能在网络间转递数据包，但主机不能转送数据包。在主机（又称终端系统，end system）中，数据包需经过TCP/IP四层协议处理，但是在网关（又称中介系 统，intermediate system）只需要到达网际层（Internet layer），决定路径之后就可以转送。在当时，网关 （gateway）与路由器（router）还没有区别。

在现代网络术语中，网关（gateway）与路由器（router）的定义不同。网关（gateway）能在不同协议间移动数据，而路由器（router）是在不同网络间移动数据，相当于传统所说的IP网关（IP gateway）。

网关是连接两个网络的设备，对于语音网关来说，他可以连接PSTN网络和以太网，这就相当于VOIP，把不同电话中的模拟信号通过网关而转换成数字信号，而且加入协议再去传输。在到了接收端的时候再通过网关还原成模拟的电话信号，最后才能在电话机上听到。从这点上来说，网关是物理层的设备。他相当于在不同的协议和网络中起到中介和转换的作用。

对于以太网中的网关只能转发三层以上数据包，这一点和路由是一样的。而不同的是网关中并没有路由表，他只能按照预先设定的不同网段来进行转发。网关最重要的一点就是端口映射，子网内用户在外网看来只是外网的IP地址对应着不同的端口，这样看来就会保护子网内的用户。

（2）非国际标准的TCP/IP的四层网络体系结构已经成为了主流，成为了事实上的国际标准。

TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议），UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议），IP（Internet Protocol，网络协议）。TCP和UDP是在传输层作用。网络层，也被称为网际层，负责地址管理与路由选择，IP主要在此层作用。它相比OSI，没有了表示层和会话层，把数据链路层和物理层合成为了网络接口层。

（3）但是TCP/IP协议的四层体系中的网络接口层并没有具体内容，因此往往采用折中的办法，综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。它相比于TCP/IP协议，是把网络接口层重新按照OSI的分法分成了数据链路层和物理层。我们主要分析的是这个五层模型。

对于一个网络的传输过程来说，其实就是一个数据，在需要传输给网络中的另一个对象的时候，层层往下，不断往数据中添加内容（首部和尾部）。然后在物理网络中以比特传输，然后到达目标后，层层往上，不断剥离数据中的一部分（首部和尾部），最终又到达应用层，可以读出或者使用最终还原的数据。如下图所示：

协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）是指对等层次之间传递的数据单位。 协议数据单元(Protocol Data Unit )物理层的 PDU是数据位（bit），数据链路层的 PDU是数据帧（frame），网络层的PDU是数据包（packet），也叫IP数据报或者分组，传输层的 PDU是数据段（segment），其他更高层次的PDU是报文（message）。当然，这里面称呼也并没有限定地这么严格。

在每个分层中，都会对所发送的数据附加一个首部，在这个首部中包含了该层的必要信息，如发送的目标地址以及协议的相关内容。为协议提供的信息为包首部，所要发送的内容为数据。详细如下：

在这里，也要把“实体”、“协议”和“服务”的内容搞清楚。实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体之间进行通信的规则的集合，是“水平”的。而服务是在协议的控制下，连个对等实体间的通信使得本层能够向上层通过层间接口提供服务。要实现协议，需要使用下层提供的服务。下层的协议对上层的服务用户是透明的，也就是本层的服务用户只能看到服务而无法看见下面的协议。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP（Service Access Point）。

数据在网络间分发的时候，需要使用路由器。而这个路由器也有层次结构。需要注意的是，用交换机、集线器等设备连接的时候，都属于同一个网络，同一个局域网，而只有用路由器相连了，就属于不同的网络了。