网络理论知识（四层、七层网络模型）

一、TCP/IP四层网络模型
TCP/IP分层模型（TCP/IP Layening Model）被称作因特网分层模型(Internet Layering Model)、因特网参考模型(Internet Reference Model)。图2表示了TCP/IP分层模型的四层。
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　　│　　　　　　　　  ││Ｄ│Ｆ│Ｗ│Ｆ│Ｈ│Ｇ│Ｔ│Ｉ│Ｓ│Ｕ│　│
　　│　　　　　　　　  ││Ｎ│Ｉ│Ｈ│Ｔ│Ｔ│Ｏ│Ｅ│Ｒ│Ｍ│Ｓ│其│
　　│第四层，应用层      ││Ｓ│Ｎ│Ｏ│Ｐ│Ｔ│Ｐ│Ｌ│Ｃ│Ｔ│Ｅ│　│
　　│　　　　　　　　  ││　│Ｇ│Ｉ│　│Ｐ│Ｈ│Ｎ│　│Ｐ│Ｎ│　│
　　│　　　　　　　　  ││　│Ｅ│Ｓ│　│　│Ｅ│Ｅ│　│　│Ｅ│它│
　　│　　　　　　　　  ││　│Ｒ│　│　│　│Ｒ│Ｔ│　│　│Ｔ│　│
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　　│第三层，传输层 ││　     ＴＣＰ　  　│　　ＵＤＰ　   　│
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　　│　　　　　　　　││　　　　 │ＩＣＭＰ│　　　　　　 │
　　│第二层，网间层　││　　　　 └─────┘　　　　　　  │
　　│　　　　　　　　││　　　　　　　ＩＰ　　　　　　   │
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　　│第一层，网络接口   ││ＡＲＰ/ＲＡＲＰ│　　其它　　  　│
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　　　　　　图2　ＴＣＰ/ＩＰ四层参考模型 
　　TCP/IP协议被组织成四个概念层，其中有三层对应于ISO参考模型中的相应层。ICP/IP协议族并不包含物理层和数据链路层，因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能，必须与许多其他的协议协同工作。
　　TCP/IP分层模型的四个协议层分别完成以下的功能：

第一层 网络接口层
网络接口层包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。

协议：ARP,RARP

第二层 网间层
网间层对应于OSI七层参考模型的网络层。负责数据的包装、寻址和路由。同时还包含网间控制报文协议(Internet Control Message Protocol,ICMP)用来提供网络诊断信息。

协议：本层包含IP协议、RIP协议(Routing Information Protocol，路由信息协议)，ICMP协议。

第三层 传输层
传输层对应于OSI七层参考模型的传输层，它提供两种端到端的通信服务。

其中TCP协议(Transmission Control Protocol)提供可靠的数据流运输服务，UDP协议(Use Datagram Protocol)提供不可靠的用户数据报服务。

第四层 应用层
应用层对应于OSI七层参考模型的应用层和表达层。

因特网的应用层协议包括Finger、Whois、FTP(文件传输协议)、Gopher、HTTP(超文本传输协议)、Telent(远程终端协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、IRC(因特网中继会话)、NNTP（网络新闻传输协议）等。

二、协议详解
ARP:
ARP：将32位的IP地址转换为48位的物理地址。

IP地址是网络层的地址，连上互联网的每一台主机的每一个接口都会有一个IP地址，每台主机的每个网卡均有唯一的物理地址，物理地址在生产时就已经定死，无法改变，而每个网卡的IP地址是可以改变的（例如连上不同的wifi，IP地址也会不同）。

为什么有了IP地址还要有MAC地址，有MAC地址还要有IP地址？

首先要明白，物理网络是有许多结构的，不同的物理网络具有不同的mac地址格式，为了让不同的网络进行通信，那么就使用统一的IP地址好了，

mac地址是数据链路层的地址，并且mac地址出现时间比IP地址要早，保留mac地址很可能是为了向后兼容已有的网卡芯片，同时，并不是所有的网络都使用IP协议

ARP报文格式如下：

硬件类型（16位）：指定物理地址的类型，1表示以太网。

上层协议类型（16位）：指定要将MAC地址映射成什么协议的地址。0x0800表示IP地址。

MAC地址长度（8位）：指定MAC地址的长度，单位是字节。

协议地址长度（8位）：指定协议地址的长度，单位为字节。

操作类型：1表示ARP请求、2表示ARP回应、3表示RARP请求，4表示RARP回应。

接下来为发送源的物理地址和协议地址（由于回应时要知道发送个谁，以此来封装以太帧），目的物理地址和协议地址。

封装ARP请求时，发送源除了目的物理地址外都会填写。

当路由器或主机选择了某条路由时，首先会查找ARP缓存，若缓存中有对应IP地址的物理地址，则以此封装以太帧，否则会广播（为二层广播）ARP报文，每个主机接收到ARP请求报文后，会缓存发送源的IP——MAC对到ARP缓存中，目的主机会发送ARP回应（此时为单播），当发送源接收到回应时，会将目的方的IP——MAC对存放在ARP缓存中。在点到点的物理连接中，是不会用到ARP报文的，在启动时双方都会通告对方自己的IP地址，此时物理层的封装不需要MAC地址。windows上可以使用arp -a查看本机的ARP缓存。ARP缓存中的每个条目的最大存活时间为20分钟（从条目创建时开始计时）。

ARP代理：

之前说ARP请求是广播的，我们知道路由器是分割广播域的（这部分在CCNA总结中会讲），如果我们要查询的IP地址在外网怎么办？此时就需要ARP代理，当发送源广播ARP请求时，本地网络上不会有主机回应（因为IP地址是外网的），此时路由器会将回应该请求，则发送源误认为路由器就是目的主机，会将报文全部转发给它，在由路由器转发报文，则该路由器就被称为ARP代理。

免费ARP：

在主机开机配置时，会发送一个目的IP地址为自己IP地址的ARP请求报文，该报文称为免费ARP，其作用如下：

1、让主机确认本地网络上是否有与自己IP地址相同的主机，若有，则ICMP错误报文被返回。

2、若接收主机ARP缓存中本身就有发送源主机的IP——MAC对，则会更新，否则，会缓存发送源的IP——MAC对。

ＩＣＭＰ:
ICMP协议及报文格式
ICMP（Internet Control Message Protocol）因特网控制报文协议。它是IPv4协议族中的一个子协议，用于IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是在网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。
ICMP协议与ARP协议不同，ICMP靠IP协议来完成任务，所以ICMP报文中要封装IP头部。它与传输层协议（如TCP和UDP）的目的不同，一般不用来在端系统之间传送数据，不被用户网络程序直接使用，除了想Ping和Tracert这样的诊断程序。

ICMP消息类型
ICMP报告无法传送的数据报的错误，并帮助对这些错误进行疑难解答。例如，如果IPv4不能讲数据报传送到目标主机，则路由器上的或目标主机上的ICMP会向主机发送一条“无法到达目标”消息。下表为最常见的ICMP消息。

ICMP消息类型    用途说明
回显请求    Ping工具通过发送ICMP回显消息检查特定节点的IPv4连接以排查网络问题。类型值为0
回显应答    节点发送回显答复消息响应ICMP回显消息。类型值为8
重定向    路由器发送“重定向”消息，告诉发送主机到目标IPv4地址更好的路由。类型值为5
源抑制    路由器发送“源结束”消息，告诉发送主机它们的IPv4数据报将被丢弃——因为路由器上发生了拥塞。于是，发送主机将以较低的频度发送数据报。类型值为4
超时    这个消息有两种用途。第一，当超过IP生存期时向发送系统发出错误信息。第二，如果分段的IP数据报没有在某种期限内重新组合，这个消息将通知发送系统。类型值为11
无法到达目标    路由器和目标主机发送“无法到达目标”消息，通知发送主机它们的数据无法传送。类型值为3
其中无法到达目标消息中可以细分为一下几项

无法到达目标消息    说明
不能访问主机    路由器找不到目标的IPv4地址的路由时发送“不能访问主机”消息
无法访问协议    目标IPv4节点无法将IPv4报头中的“协议”字段与当前使用的IPv4客户端协议相匹配时会发送“无法访问协议”消息
无法访问端口    IPv4节点在UDP报头中的“目标端口”字段与使用该UDP端口的应用程序相匹配时发送“无法访问端口”消息
需要分段但设置了DF    当必须分段但发送节点在IPv4报头中设置了“不分段（DF）”标志时，IPv4路由器会发送“需要分段但设置了DF”消息
ICMP协议只是试图报告错误，并对特定的情况提供反馈，但最终并没有使IPv4成为一个可靠的协议。ICMP消息是以未确认的IPv4数据报传送的，它们自己也不可靠。

ICMP报头格式
ICMP报文包含在IP数据报中，IP报头在ICMP报文的最前面。一个ICMP报文包括IP报头（至少20字节）、ICMP报头（至少八字节）和ICMP报文（属于ICMP报文的数据部分）。当IP报头中的协议字段值为1时，就说明这是一个ICMP报文。ICMP报头如下图所示。

各字段说明
类型：占一字节，标识ICMP报文的类型，目前已定义了14种，从类型值来看ICMP报文可以分为两大类。第一类是取值为1~127的差错报文，第2类是取值128以上的信息报文。
代码：占一字节，标识对应ICMP报文的代码。它与类型字段一起共同标识了ICMP报文的详细类型。
校验和：这是对包括ICMP报文数据部分在内的整个ICMP数据报的校验和，以检验报文在传输过程中是否出现了差错。其计算方法与在我们介绍IP报头中的校验和计算方法是一样的。
标识：占两字节，用于标识本ICMP进程，但仅适用于回显请求和应答ICMP报文，对于目标不可达ICMP报文和超时ICMP报文等，该字段的值为0。
常见的ICMP报文
相应请求

我们日常进行的Ping操作中就包括了相应请求（类型字段值为8）和应答（类型字段值为0）ICMP报文。一台主机向一个节点发送一个类型字段值为8的ICMP报文，如果途中没有异常（如果没有被路由丢弃，目标不回应ICMP或者传输失败），则目标返回类型字段值为0的ICMP报文，说明这台主机存在。

目标不可达，源抑制和超时报文

这三种报文的格式是一样的。目标不可到达报文（类型值为3）在路由器或者主机不能传递数据时使用。例如我们要连接对方一个不存在的系统端口（端口号小于1024）时，将返回类型字段值3、代码字段值为3的ICMP报文。常见的不可到达类型还有网络不可到达（代码字段值为0）、主机不可达到（代码字段值为1）、协议不可到达（代码字段值为2）等等。
源抑制报文（类型字段值为4，代码字段值为0）则充当一个控制流量的角色，通知主机减少数据报流量。由于ICMP没有回复传输的报文，所以只要停止该报文，主机就会逐渐恢复传输速率。最后，无连接方式网络的问题就是数据报回丢失，或者长时间在网络游荡而找不到目标，或者拥塞导致主机在规定的时间内无法重组数据报分段，这时就要触发ICMP超时报文的产生。
超时报文（类型字段值为11）的代码域有两种取值：代码字段值为0表示传输超时，代码字段值为1表示分段重组超时。

时间戳请求

时间戳请求报文（类型值字段13）和时间戳应答报文（类型值字段14）用于测试两台主机之间数据报来回一次的传输时间。传输时，主机填充原始时间戳，接受方收到请求后填充接受时间戳后以类型值字段14的报文格式返回，发送方计算这个时间差。有些系统不响应这种报文。

三、OSI七层网络模型
在网络历史的早期，国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)共同出版了开放系统互联的七层参考模型。一台计算机操作系统中的网络过程包括从应用请求(在协议栈的顶部)到网络介质(底部) ，OSI参考模型把功能分成七个分立的层次。图1表示了OSI分层模型。

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　　│　应用层　│←第七层
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　　│　表示层　│
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　　│　会话层　│
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　　│　传输层　│
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　　│　网络层　│
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　　│数据链路层│
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　　│　物理层　│←第一层
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　　图1 OSI七层参考模型

第一层 物理层
作用：负责最后将信息编码成电流脉冲或其它信号用于网上传输。它由计算机和网络介质之间的实际界面组成，可定义电气信号、符号、线的状态和时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。所有比物理层高的层都通过事先定义好的接口而与它通话。

协议：如最常用的RS-232规范、10BASE-T的曼彻斯特编码以及RJ-45就属于第一层。

第二层 数据链路层
作用：数据链路层通过物理网络链路提供可靠的数据传输。

协议：ATM，FDDI等。 

第三层 网络层
作用：这层对端到端的包传输进行定义，他定义了能够标识所有结点的逻辑地址，还定义了路由实现的方式和学习的方式。为了适应最大传输单元长度小于包长度的传输介质，网络层还定义了如何将一个包分解成更小的包的分段方法。

协议：IP,IPX等

第四层 传输层
作用：传输层向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务。传输层的功能一般包括流控、多路传输、虚电路管理及差错校验和恢复。流控管理设备之间的数据传输，确保传输设备不发送比接收设备处理能力大的数据；多路传输使得多个应用程序的数据可以传输到一个物理链路上；虚电路由传输层建立、维护和终止；差错校验包括为检测传输错误而建立的各种不同结构；而差错恢复包括所采取的行动（如请求数据重发），以便解决发生的任何错误。

协议：TCP，UDP，SPX。

第五层 会话层
作用：会话层建立、管理和终止表示层与实体之间的通信会话。通信会话包括发生在不同网络应用层之间的服务请求和服务应答，这些请求与应答通过会话层的协议实现。它还包括创建检查点，使通信发生中断的时候可以返回到以前的一个状态。

协议：RPC，SQL等

第六层 表示层
作用：这一层的主要功能是定义数据格式及加密。

协议：FTP,加密

第七层 应用层
作用：应用层是最接近终端用户的OSI层，这就意味着OSI应用层与用户之间是通过应用软件直接相互作用的。注意，应用层并非由计算机上运行的实际应用软件组成，而是由向应用程序提供访问网络资源的API（Application Program Interface，应用程序接口）组成，这类应用软件程序超出了OSI模型的范畴。应用层的功能一般包括标识通信伙伴、定义资源的可用性和同步通信。因为可能丢失通信伙伴，应用层必须为传输数据的应用子程序定义通信伙伴的标识和可用性。定义资源可用性时，应用层为了请求通信而必须判定是否有足够的网络资源。在同步通信中，所有应用程序之间的通信都需要应用层的协同操作。
协议：telnet，HTTP,FTP,WWW,NFS,SMTP等。
 

OSI分层的优点： 

（1）人们可以很容易的讨论和学习协议的规范细节。 
（2）层间的标准接口方便了工程模块化。 
（3）创建了一个更好的互连环境。 
（4）降低了复杂度，使程序更容易修改，产品开发的速度更快。 
（5）每层利用紧邻的下层服务，更容易记住个层的功能。