网络五层协议

目录

一、物理层（Physical）

主要的设备和功能

数字信号、模拟信号

数据通信模型

信道（Channel） 

二、数据链路层（Data Link）

封装成帧（framing）

​​​​​​​透明传输

差错检验

 CSMA/CD协议

Ethernet V2帧的格式

网卡

PPP协议（Point to Point Protocol）

三、网络层（Network）

网络层首部

 版本(Version)

首​​​​​​​部长度(Header Length)

区分服务(Differentiated Services Field)

总长度(Total Length)

标识(Identification)

标志(Flags)

片偏移(Fragment Offset)

生存时间(Time To Live，TTL)

首部检验和、协议​

四、传输层 （Transport）

UDP协议

UDP - 数据格式

UDP - 检验和（Checksum）

 UDP - 端口(Port)

TCP协议

TCP - 数据格式

​​​​​​​​​​​​​​数据偏移

保留位（Reserved）

标志位（Flags）

检验和（Checksum）

序号（Sequence Number）

确认号（Acknowledgment Number）

窗口（Window）

TCP要点

五、应用层（Application）

常见协议

域名（Domain Name）

顶级域名的分类

二级域名

DNS（Domain Name System）-  域名系统

IP地址的分配

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)-动态主机配置协议

DHCP - 分配IP地址的4个阶段

DHCP - 4个阶段

DHCP - 细节

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网络互联模型

请求过程

网络分层

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一、物理层（Physical）

• 物理层定义了接口标准、线缆标准、传输速率、传输方式等 ，媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等等,以及确保原始的数据可在各种物理媒体上传输，传输单位是比特​​​​​​​​​​​​​​

• 主要的设备和功能

  • ​​​​​​​​​​​​​​网卡：唯一的网卡硬件地址，不能更
  • 中继器：放大信号，延长数据传输距离
  • 集线器：多端口中继器，为多台终端放大信号 

• 数字信号、模拟信号

  • 模拟信号（Analog Signal）
    • 连续的信号，适合长距离传输
    • 抗干扰能力差，受到干扰时波形变形很难纠正
  • 数字信号（Digital Signal）
    • 离散的信号，不适合长距离传输
    • 抗干扰能力强，受到干扰时波形失真可以修复

​​​​​​​

• 数据通信模型

  •  局域网通信模型
    
  • 广域网通信模型
    ​​​​​​​​​​​​

• 信道（Channel） 

  • 信道：信息传输的通道，一条传输介质上(比如网线)上可以有多条信道
    • 单工通信
      • 信号只能往一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向
      • 比如：无线电广播、有线电视广播
    • 半双工通信
      • 信号可以双向传输，但必须是交替进行，同一时间只能往一个方向传输
      • 比如：对讲机
    • 全双工通信
      • 信号可以同时双向传输
      • 比如：手机(打电话，听说同时进行)

二、数据链路层（Data Link）

• 链路：从1个节点到相邻节点的一段物理线路(有线或无线)，中间没有其他交换节点

• 数据链路：在一条链路上传输数据时，需要有对应的通信协议来控制数据的传输
• 不用类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的（传输单位是帧）
  • 广播信道：CSMA/CD协议(如果同轴电缆、集线器等组成的网络)
  • 点对点信道：PPP协议(比如2个路由器之间的信道)
• 数据链路层的3个基本问题
  • 封装成帧、透明传输、差错检验 

• 封装成帧（framing）

•  最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）
  • 每一种数据链路层协议都规定了所能够传送的帧的数据长度上限
  • 以太网的MTU(帧的数据部分，不包括帧首部和尾部)为1500个字节
• 在一段数据的前后分别添加首部和尾部后构成一个帧，首部和尾部的一个重要作用帧定界

• ​​​​​​​透明传输

• 一个完整的帧只有一个帧开始符(SOH)和一个帧结束符(EOT)，如果数据部分出现了SOH、EOT则需要进行转义，数据部分出现一个SOH、EOT、ESC则在它们前面加上ESC进行字节填充，当接受端的数据链路层收到该帧，如遇见头部ESC就去掉ESC

• 差错检验

• 在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0，0也可能变成1
• 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术，在发送数据后面添加冗余码（帧检测序列FCS）
  •  FCS是根据数据部分+数据链路层首部计算得出来的
    • 假设要发送的数据M=101001(长度K=6)，在发送数据的时候在后面添加一个N位的冗余码，一共发送（K+N）位数据

•  CSMA/CD协议

  • 载波侦听多路访问(侦听道上是否有信息进行传递)/冲突检测
  • 使用CSMA\CD的网络可以称为是以太网(Ethernet)，它传输的是以太网帧
    • 以太网帧的格式有：Ethernet V2标准(用得多)、IEEE的802.3标准
    • 为了能够检测正在发送的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要64字节
    • 用交换机组件的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD，传输的帧依然是以太网帧

• Ethernet V2帧的格式

•  Ethernet V2帧的格式是没有帧开始符和帧结束符的，而是接收端接收帧过程之遥发现没有信号跳变，就认为帧结束
• 首部：源MAC + 目标MAC + 网络类型(IPv4或IPv6)
• 以太网帧：首部 + 数据 + FCS
• 数据的长度至少是：64 - 6 - 6 - 2 - 4 = 46字节 

• 当数据部分的长度小于46字节时，数据链路层会在数据后面填充字节，接收端会将添加的字节去掉。
• 以太网帧的数据长度：46～1500字节
• 以太网帧的长度为：64～1518字节(源MAC(6)+目标MAC(6)+网络类型(2)+数据 + FCS(4))

• 网卡

•  网卡接受到帧，会进行差错校验，如果通过则接受，去掉FCS然后传输给网络层，否则丢弃

• PPP协议（Point to Point Protocol）

• Addresss字段：图中的值时0xFF，形同虚设，点到点信道不需要源MAC、目标MAC地址
• Control字段：图中的值时0x03，目前没有什么作用
• Protocol字段：内部用到的协议类型
• 帧开始符、帧结束符：0x7E 

三、网络层（Network）

• 网络层数据包(IP数据包，Packet)由首部、数据2部分组成
  • 数据：很多时候是由传输层传递下来的数据段(Segment)

• 网络层首部

  •  版本(Version)

    • ​​​​​​​占4位，0b0100：IPv4、0b0110：IPv6

  • 首​​​​​​​部长度(Header Length)

    • ​​​​​​​占4位，二进制*4才是最终长度
    • 0b0101：5*4=20(最小)  、 0b1111：15*4=60(最大)，固定20字节+可变40字节

  • 区分服务(Differentiated Services Field)

    • ​​​​​​​占8位，可以用于提高网络的服务质量(Qos)

  • 总长度(Total Length)

    • ​​​​​​​​​​​​​​占16位，首部 + 数据部分的长度之和。最大值是65535 ​​​​

      

  • 标识(Identification)

    • 占16位,数据包的ID，当数据包过大进行分片时，统一数据包所有片标识都是一样的
    • 有一个计算器专门管理数据包的ID，每发出一个数据包，ID就加1

  • 标志(Flags)

    • 占3位，第1位(Reserved Bit)：保留
    • 第2位(Don't Fragment)：1代表不允许分片，0代表允许分片
    • 第3位(More Fragments)：1代表不是最后一片，0代表最后一片

  • 片偏移(Fragment Offset)

    • 占13位，片偏移*8=字节偏移，每片长度一定是8的整数倍
      ​​​​​​​​​​​​​​
      ​​​​​​​ 

  • 生存时间(Time To Live，TTL)

    • 占8位
    • 每个路由器在转发之前会将TTL减1，一旦发现TTL减为0，路由器回返回错误报告 
    • 用ping命令后的TTL，能够推测出对方的操作系统、中间经过了多少个路由器
      

  • 首部检验和、协议
    

四、传输层 （Transport）

• 传输层的数据长度 = 网络层的总长度 - 网络层的首部长度 - 传输层的首部长度
• 传输层有2个协议
  • TCP(Transmission Control Protocol),传输控制协议
  • UDP(User Datagram Protocol)，用户数据报协议

​​​​​​​

• UDP协议

• UDP - 数据格式

  • UDP是无连接的，减少了建立和释放连接的开销
  • UDP尽极大能力交付，不保证可靠交付
  • 不需要维护一些复杂的参数，首部只有8个字节(TCP的首部至少20个字节)
  • UDP长度：占16位，首部的长度（8字节） + 数据的长度​​​​​

• UDP - 检验和（Checksum）

  • 检验和的计算内容：伪首部(12字节) + 首部(8字节) + 数据
  • 伪首部：仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层
    

•  UDP - 端口(Port)

  • UDP首部中端口是占用2字节，取值范围：0～65535
  • 客户端的源端口是临时开启的随机端口
  • 防火墙可以设置开启\关闭某些端口来提高安全性
  • 常用命令行
    • netstat -an：查看被占用的端口
    • netstat -anb：查看被占用的端口、占用端口的应用程序
    • telnet主机端口：查看是否可以访问主机的某个端口

• TCP协议

• TCP - 数据格式

• ​​​​​​​​​​​​​​数据偏移

  • 占4位，取值范围：0x0101～0x1111
  • 数据偏移 *  4 = 首部长度(Header Length) 【包括选项(长度可变)和填充部分】

• 保留位（Reserved）

  • ​​​​​​​占6位，目前全为0

• 标志位（Flags）

  • ​​​​​​​占6位(URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN)
    • URG=1：紧急指针字段才有效，表明当前报文段中有紧急数据，应优先传送
    • ACK=1：确认号字段才有效
    • PSH=1：通知缓冲区，数据进入缓冲区，只要数据完整的接受完后立即交付给上层应用
    • RST=1：表明连接总出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立连接
    • SYN=1、ACK=0:表明这是一个建立连接的请求
      • 若对方同意连接，则回复SYN=1、ACK=1
    • FIN=1：表明数据已经发送完毕，要求释放连接

• 检验和（Checksum）

  • 伪首部+首部+数据，伪首部占用12字节，仅在计算检验和时起作用,不会传递给网络层

• 序号（Sequence Number）

  • 占4字节，在传输过程的每一个字节都会有一个编号
    • 在建立连接后，序号代表：这一次传递对方的TCP数据部分的第一个字节的编号

• 确认号（Acknowledgment Number）

  • 占4字节，确认号代表：期望对方下一次传过来的TCP数据部分的第一个字节的编号

• 窗口（Window）

  • 占2字节，字段有流量控制功能，用告知对方下一次允许发送的数据大小(字节为单位)

• TCP要点

  • 可靠传输、流量控制、拥塞控制、连接管理、建立连接、释放连接​​​​​​​

• 五、应用层（Application）

• 常见协议

  • 超文本传输：HTTP、HTTPS
  • 文件传输：FTP
  • 电子邮件：SMTP、POP3、IMAP
  • 动态主机配置：DHCP
  • 域名系统：DNS

• 域名（Domain Name）

  • IP地址不方便记忆，并且不能表达组织的名称和性质，人们设计出域名(如baidu.com)
    • 为了能够访问到具体的主机，最终还是得知道目标主机的IP地址
    • 域名申请注册：https://wanwang.aliyun.com
  • 全程直接用域名，不用IP地址也不行
    • IP地址固定4个字节，域名至少10几个字节，回增加路由器的负担，浪费流量
  • 根据级别不同，域名可以分为：顶级域名、二级域名、三级域名等

• 顶级域名的分类

  • 通用顶级域名(gTLD)
    • .com(公司)、.net(网络机构)、.org(组织机构)、.edu(教育)、.gov(部门)等
  • 国家及地区顶级域名(ccTLD)
    • .cn(中国)、.jp(日本)、.uk(英国)
  • 新通用顶级域名(New gTLD)
    • .vip、.xyz、.top、.clud、.shop等

• 二级域名

  • 指顶级域名之下的域名
    • 在通用顶级域名下，一般指域名注册人的名称，如：google、baidu、microsoft等
    • 在国家及地区顶级域名下，一般指注册类别，如：com、edu、gov、net等
      ​​​​​​​ 

• DNS（Domain Name System）-  域名系统

  • 利用DNS协议，可以将域名(baidu.com)解析成对应的IP地址(如：220.181.38.148)
  • DNS可以基于UDP协议，也可以基于TCP协议，服务器占用53端口
  • DNS - 服务器
    • ​​​​​​​客户端先访问最近的一台DNS服务器(客户端自己配置的DNS服务器)
    • 所有的DNS服务器都记录了DNS根域名服务器的IP地址
    • 上级DNS服务器记录了下一级DNS服务器的IP地址
    • 全球一共13台IPv4的DNS根域名服务器、25台IPv6的DNS根域名服务器
      
  • DNS - 常见命令
    • ip config /displaydns：查看DNS缓存记录
    • ip config /flushdns：清空DNS缓存记录
    • ping 域名
    • nslookup：域名

• IP地址的分配

  • IP地址按照分配方式，可以分为：静态IP地址、动态IP地址
    • 静态IP地址
      • 手动设置
      • 适用场景：不怎么挪动的台式机(比如学校机房中的台式机)、服务器等
    • 动态IP地址
      • 从DHCP服务器自动获取IP地址
      • 适用场景：移动设备、无线设备等

• DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)-动态主机配置协议

  • DHCP协议基于UDP协议，客户端是68端口，服务器是67端口
  • DHCP服务器会从IP地址池中，挑选一个IP地址“出租”给客户端一段时间，过期回收
  • 平时家里上网等路由器就可以充当DHCP服务器

• DHCP - 分配IP地址的4个阶段

  • DISCOVER：发现服务器
    • 发广播包(源IP是0.0.0.0,目标IP是255.255.255.255,目标MAC是FF:FF:FF:FF:FF:FF)
  • OFFER：提供租约
    • 服务器返回可以租用的IP地址，以及租用期限、子网掩码、网关、DNS等信息
    • 可能会有多个服务器提供租约
  • REQUEST：选择IP地址
    • 客户端选择一个OFFER，发送广播包进行回应
  • ACKNOWLEDGE：确认
    • 被选中的服务器发送ACK数据包给客户端，至此，IP地址分配完毕

• DHCP - 4个阶段​​​​​​​

• DHCP - 细节

  • DHCP服务器可以跨网段分配IP地址吗？(DHCP服务器、客户端不在同一个网段)
    • 可以借助DHCP中继代理(DHCP Relay Agent)实现跨网段分配IP地址
  • 自动续约
    • 客户端会在租期不足的时候，自动向DHCP服务器发送REQUEST信息申请续约
  • 常用命令
    • ipconfig /all：可以看到DHCP相关的详细信息，比如租约过期时间、DHCP服务器地址等
    • ipconfig /release：释放租约
    • ipconfig /renew：重新申请IP地址、申请续约(延长租期)