计算机网络大致总结

计算机网络的七层架构是经常提到的，不管是找工作还是考研都会是面试笔试的高频题。可是一直都记不住这个七层模型，就算背住了也很快忘记肿么办哩，很是苦恼呢！主要原因还是因为没有真实的使用场景，也没能理解其中的原理。其实七层之间关系紧密，如果理解其原理和各层之间的功能及关系，丝毫不夸张地可以说学计算机网络就理顺了一个学习框架和主线了。

这个东西是计算机网络的基础，既然碰巧看到就顺便整理一下吧。很多知识的梳理才能理解贯通。希望对大家有帮助~

曾经上计算机网络，我的老师教给我们一个巧记的方法，“7个字理顺七层模型”——“物、链、网、传、会、表、应”，7个字分别是由下至上七层名称的简写。还是记不住？没事当顺口溜念念就有感觉啦~

一、何为七层模型？

七层模型，也称为OSI（Open System Interconnection）参考模型，是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于计算机或通讯系统间互联的标准体系。它是一个七层的、抽象的模型体，不仅包括一系列抽象的术语或概念，也包括具体的协议。 
ISO 就是 Internationalization Standard Organization（国际标准组织）。

二、模型优点

建立七层模型的主要目的是为解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来：服务说明某一层为上一层提供一些什么功能，接口说明上一层如何使用下层的服务，而协议涉及如何实现本层的服务；这样各层之间具有很强的独立性，互连网络中各实体采用什么样的协议是没有限制的，只要向上提供相同的服务并且不改变相邻层的接口就可以了。

网络七层的划分也是为了使网络的不同功能模块（不同层次）分担起不同的职责，从而带来如下好处： 　　 
● 减轻问题的复杂程度，一旦网络发生故障，可迅速定位故障所处层次，便于查找和纠错； 　　 
● 在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层的不同网络设备能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协议可放在多种低层协议上运行； 　　 
● 能有效刺激网络技术革新，因为每次更新都可以在小范围内进行，不需对整个网络动大手术； 　　 
● 便于研究和教学。

 三、详细说明

下面这个图可以说总结的比较到位了~

①物理层

建立、维护、断开物理连接。（由底层网络定义协议）以比特流传输，不可靠传输

O S I 模型的最低层或第一层，该层包括物理连网媒介，如电缆连线连接器。物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。

主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输,到达目的地后在转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。

物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接，以及它们的机械、电气、功能和过程特性。如规定使用电缆和接头的类型、传送信号的电压等。在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，单位是bit比特。

②数据链路层

建立逻辑连接、进行硬件地址寻址、差错校验等功能。（由底层网络定义协议） 传输数据链路帧、数据可靠传输 
将比特组合成字节进而组合成帧，用MAC地址访问介质，错误发现但不能纠正。

数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。

定义了如何让格式化数据以进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。

OSI模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。它的主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。为了保证传输，从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始数据，还包括发送方和接收方的物理地址以及检错和控制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。 如果在传送数据时，接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧。 
数据链路层:   在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。

③网络层

进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择。 分组传输，路由器的选择与转发
协议有：ICMP IGMP IP（IPV4 IPV6） ARP RARP等。

在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。

O S I 模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。 　 
　 
网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点A 到另一个网络中节点B 的最佳路径。
　　 
网络层负责在源机器和目标机器之间建立它们所使用的路由。这一层本身没有任何错误检测和修正机制，因此，网络层必须依赖于端端之间的由D L L提供的可靠传输服务。 　　

④传输层

定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验。 传输数据段，建立主机端到端连接和数据传输
协议有：TCP UDP等，数据包一旦离开网卡即进入网络传输层。

定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据）。

O S I 模型中最重要的一层。传输协议同时进行流量控制或是基于接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率

⑤会话层

建立、管理、终止会话，对应主机进程，指本地主机与远程主机正在进行的会话。 

通过传输层（端口号：传输端口与接收端口）建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）。

负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。 会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。 　　

⑥表示层

数据的表示、安全、压缩。可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。 

应用程序和网络之间的翻译官，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。 　　

表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理。

公开密钥密码体系：加密算法以及公钥都是公开的。其中公钥加密数据，私密来解密。

⑦应用层 

应用层是最靠近用户的OSI层。这一层为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络服务，也就是提供应用的接口。 
协议有：HTTP FTP TFTP SMTP SNMP DNS TELNET HTTPS POP3 DHCP等。

补充知识

一个设备工作在哪一层，关键看它工作时利用哪一层的数据头部信息。网桥工作时，是以MAC头部来决定转发端口的，因此显然它是数据链路层的设备。 
具体说: 

• 物理层：网卡，网线，集线器，中继器，调制解调器 
• 数据链路层：网桥，交换机 
• 网络层：路由器 
• 网关工作在第四层传输层及其以上。 
• 集线器是物理层设备,采用广播的形式来传输信息。 
• 交换机就是用来进行报文交换的机器。多为链路层设备(二层交换机)，能够进行地址学习，采用存储转发的形式来交换报文.。 
• 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。

七层对应 发实体可是要熟练于心的哦！

另外

• 会话层不参与数据传输，却对数据传输进行管理。
• 五层协议体系结构：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
• 广播风暴产生于网络层，可用路由器抑制广播风暴
• PPP协议是链路层协议
• TCP/IP是四层的体系结构：应用层、传输层、网络层、网络接口层（具体各层的主要协议见下篇分享吧）

各层顺序名称、功能、各层对应的实体以及协议你们都get到了没？把各层串起来想想一下数据传输的整个过程吧！

1、一张表理清 OSI七层和TCP/IP四层的关系

2、TCP/IP模型

（1）物理层

物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性，确保原始的数据可在各种物理媒体上传输，为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。 

（2）数据链路层

主要提供链路控制（同步，异步，二进制，HDLC），差错控制（重发机制），流量控制（窗口机制）

（3）网络层

提供阻塞控制，路由选择（静态路由，动态路由）等

1）IP：网际协议。IP协议提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有：无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。IP地址是重要概念

2）ARP：地址解析协议。基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。以太网中的数据帧从一个主机到达网内的另一台主机是根据48位的以太网地址（硬件地址）来确定接口的，而不是根据32位的IP地址。内核必须知道目的端的硬件地址才能发送数据。P2P的连接是不需要ARP的。 

3）RARP：反向地址转换协议。允许局域网的物理机器从网关服务器的 ARP 表或者缓存上请求其 IP 地址。局域网网关路由器中存有一个表以映射MAC和与其对应的 IP 地址。当设置一台新的机器时，其 RARP 客户机程序需要向路由器上的 RARP 服务器请求相应的 IP 地址。假设在路由表中已经设置了一个记录，RARP 服务器将会返回 IP 地址给机器。

4）IGMP：组播协议包括组成员管理协议和组播路由协议。组成员管理协议用于管理组播组成员的加入和离开，组播路由协议负责在路由器之间交互信息来建立组播树。IGMP属于前者，是组播路由器用来维护组播组成员信息的协议，运行于主机和和组播路由器之间。IGMP 信息封装在IP报文中，其IP的协议号为2。

5）ICMP：Internet控制报文协议。用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。

6)  BGP :边界网关协议。处理像因特网大小的网络和不相关路由域间的多路连接。

7）RIP：路由信息协议。是一种分布式的基于距离矢量的路由选择协议。

（4）传输层

提供分割与重组数据，按端口号寻址，连接管理差错控制和流量控制,纠错的功能。传输层要向会话层提供通信服务的可靠性，避免报文的出错、丢失、延迟时间紊乱、重复、乱序等差错。

1）TCP: 一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

2)  UDP: 用户数据报协议，一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。

（5）应用层

1）HTTP：超文本传输协议，基于TCP，是用于从WWW服务器传输超文本到本地浏览器的传输协议。它可以使浏览器更加高效，使网络传输减少。

2）SMTP：简单邮件传输协议,是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，由它来控制信件的中转方式。

3）SNMP：简单网络管理协议，由一组网络管理的标准组成，包含一个应用层协议、数据库模型和一组资源对象。

4）FTP：文件传输协议，用于Internet上的控制文件的双向传输。同时也是一个应用程序。

5）Telnet：是Internet远程登陆服务的标准协议和主要方式。为用户提供了在本地计算机上完成远程主机工作的能力。在终端使用者的电脑上使用telnet程序，用它连接到服务器。

6）SSH：安全外壳协议，为建立在应用层和传输层基础上的安全协议。SSH 是目前较可靠，专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。

7）NFS：网络文件系统，是FreeBSD支持的文件系统中的一种，允许网络中的计算机之间通过TCP/IP网络共享资源。

3、具体协议与TCP、UDP的归属 

随手画的有点丑，凑合看看~

4、数据包及协议首部说明：

IP层传输单位是IP分组，属于点到点的传输；TCP层传输单位是TCP段，属于端到端的传输

 

 ①UPD首部

UPD首部格式如下：

UDP 是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。

UDP 使用尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使用拥塞控制。

UDP 是面向报文的。UDP 没有拥塞控制，很适合多媒体通信的要求。

UDP 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信。

UDP 的首部开销小，只有 8 个字节

端口号：用来表示发送和接受进程。

长度：UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为 8字节（发送一份0字节的UDP数据报是 O K）。

检验和：UDP检验和是一个端到端的检验和。它由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现UDP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动

②TCP报文段首部

TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面的字节是根据需要增加的。首部格式如下：

 

TCP 提供可靠交付的服务，保证数据无差错、不丢失、不重复、按序到达。

TCP 提供全双工通信。

TCP虽然是面向字节流的，但TCP传送的数据单元却是报文段。一个TCP 报文段分为首部和数据两部分

1、第一个4字节： 
（1）源端口，16位；发送数据的源进程端口
（2）目的端口，16位；接收数据的进程端口
2、第二个4字节与第三个4字节 
（1）序号，32位；代表当前TCP数据段第一个字节占整个字节流的相对位置；
（2）确认号，32位；代表接收端希望接收的数据序号，为上次接收到数据报的序号+1，当ACK标志位为1时才生效。
3、第四个4字节： 
（1）数据偏移，4位；实际代表TCP首部长度，最大为60字节。
（2）6个标志位，每个标志位1位； 
SYN，为同步标志，用于数据同步； 
ACK，为确认序号，ACK=1时确认号才有效； 
FIN，为结束序号，用于发送端提出断开连接； 
URG，为紧急序号，URG=1是紧急指针有效； 
PSH，指示接收方立即将数据提交给应用层，而不是等待缓冲区满； 
RST，重置连接。
（3）窗口值，16位；标识接收方可接受的数据字节数。
4、第五个4字节 
（1）校验和，16位；用于检验数据完整性。
（2）紧急指针，16位；只有当URG标识位为1时，紧急指针才有效。紧急指针的值与序号的相加值为紧急数据的最后一个字节位置。用于发送紧急数据。
 

③IP报文

IP报文是在网络层传输的数据单元，也叫IP数据报。IP报文格式如下图

1、第一个4字节：

（1）版本号，4位；用于标识IP协议版本，IPv4是0100，IPv6是0110，也就是二进制的4和6。
（2）首部长度（Internet Header Length），4位；用于标识首部的长度，单位为4字节，所以首部长度最大值为：(2^4 - 1) * 4 = 60字节，但一般只推荐使用20字节的固定长度。
（3）服务类型（Type Of Service），8位；用于标识IP包的优先级，但现在并未使用。
（4）总长度（Total Length），16位；标识IP数据报的总长度，最大为：2^16 -1 = 65535字节。
2、第二个四字节：

（1）标识（Identification），16位；用于标识IP数据报，如果因为数据链路层帧数据段长度限制（也就是MTU，支持的最大传输单元），IP数据报需要进行分片发送，则每个分片的IP数据报标识都是一致的。
（2）标志（Flag），3位，但目前只有2位有意义；最低位为MF，MF=1代表后面还有分片的数据报，MF=0代表当前数据报已是最后的数据报。次低位为DF，DF=1代表不能分片，DF=0代表可以分片。
（3）片偏移（Fragment Offset），13位；代表某个分片在原始数据中的相对位置。
3、第三个四字节：

（1）生存时间（TTL），8位；以前代表IP数据报最大的生存时间，现在标识IP数据报可以经过的路由器数。
（2）协议（Protocol），8位；代表上层传输层协议的类型，1代表ICMP，2代表IGMP，6代表TCP，17代表UDP。
（3）校验和（Header Checksum），16位；用于验证数据完整性，计算方法为，首先将校验和位置零，然后将每16位二进制反码求和即为校验和，最后写入校验和位置。
4、第四个四字节：源IP地址

5、第五个四字节：目的IP地址

 

 

一、网络模型OSI与TCP/IP 

二、TCP三次握手的详细过程 （建立连接）

采用三次握手确认建立一个连接，位码即tcp标志位,有6种标示: 

• SYN(synchronous建立联机) 
• ACK(acknowledgement 确认) 
• PSH(push传送) 
• FIN(finish结束) 
• RST(reset重置) 
• URG(urgent紧急) 
• Sequence number(顺序号码) 
• Acknowledge number(确认号码) 
• establish （建立，创建）

具体过程： 
1.第一次握手：Client将标志位SYN置为1，随机产生一个值seq=J，并将该数据包发送给Server，Client进入SYN_SENT状态，等待Server确认。

2.第二次握手：Server收到数据包后由标志位SYN=1知道Client请求建立连接，Server将标志位SYN和ACK都置为1，ack=J+1，随机产生一个值seq=K，并将该数据包发送给Client以确认连接请求，Server进入SYN_RCVD状态。

3.第三次握手：Client收到确认后，检查ack是否为J+1，ACK是否为1，如果正确则将标志位ACK置为1，ack=K+1，并将该数据包发送给Server，Server检查ack是否为K+1，ACK是否为1，如果正确则连接建立成功，Client和Server进入ESTABLISHED状态，完成三次握手，随后Client与Server之间可以开始传输数据了。
 

三、四次挥手（关闭连接）

具体过程：
（1）第一次挥手：Client发送一个FIN，用来关闭Client到Server的数据传送，Client进入FIN_WAIT_1状态。 
（2）第二次挥手：Server收到FIN后，发送一个ACK给Client，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号），Server进入CLOSE_WAIT状态。 
（3）第三次挥手：Server发送一个FIN，用来关闭Server到Client的数据传送，Server进入LAST_ACK状态。 
（4）第四次挥手：Client收到FIN后，Client进入TIME_WAIT状态，接着发送一个ACK给Server，确认序号为收到序号+1，Server进入CLOSED状态，完成四次挥手。