网络通信原理——OSI模型、TCP/IP模型、数据通信原理

网络通信原理

OSI模型

OSI模型的由来

       OSI模型是一种网络标准，所有软件和硬件开发都遵循统一的标准（OSI模型）。   

OSI七层模型(物 数 网 传 会 表 应)

层名称	功能
应用层	为用户提供各种服务功能，比如各种应用程序(系统内部实现)
表示层	数据的表示、安全、压缩、加密等(系统内部实现）
会话层	建立、维护、终止会话(系统内部实现）
传输层	定义设备之问传输数据的方式，以及进行流量控制和差错校验(设备之间)
网络层	对设备进行编址以及寻址，夹现不同网段的互通(设备之间)
数据链路层	建立资道连接，让数据成锁、以及对数据进行差错校验等功能，实现同网段的互通(设备之间)
物理层	建立、维护及断开物理连接(设备之间)

OSI七层的功能讲解

• 物理层
  1. 定义设备的物理特性，比如形状。
  2. 定义设备的电气特性，比如电压高低。
  3. 确保设备之间连接正常，表示数据是通过电信号中的高电压和低电压。
• 数据链路层
  1. 负责设备之间的逻辑链路的建立、维护和拆除。
  2. 设备之问真正用来传输数据，依靠的是“逻辑连接”。
  3. 该层为设备定义了设备拥有的一个全球唯一的地址，MAC地址（十二位十六进制字符串）。
• 网络层
  1. 负责定义设备上网需要的逻辑地址，比如IP地址。
  2. 在不同网段的设备之间寻找最优的转发路径。
• 传输层
  1. 负责确定设备之间传输数据的方式
  2. 可以实现数据的稳定传输，但是速度慢一点。
  3. 可以实现数据的快速传输 ，但是质量差一点。
  4. 可以通过不同的端口的来区分不同的应用程序产生的数据。
• 会话层
  1. 负责设备之间的会话的建立、维护和拆除。
  2. 最终用来传输数据的话，是通过“会话” 来实现的。
• 表示层
  1. 定义传递信息的语法和语义 ，统一语法之后，不同的编程语言才可以互通。
  2. 编码和解码、压缩和解压缩、加密和解密。
• 应用层
  1. 包含的是在设备上安装的各种软件和程序，比如QQ、微信、抖音等。
  2. 网络设备之果的通信，最终指的就是“应用层的软件〞之间的数据转发。
  3. 不同的软件产生的数据 ，在传输层使用的端口号是不同的。

TCP/IP模型简介

       OSI 模型，仅仅是ISO 提出的一个 “参考”标准。实际的网络中更多使用TCP/IP 5层模型 ，但是实现的功能是相同的。

TCP/IP协议族的组成

        TCP/IP是一系列协议的集合，所以严格称呼应是TCP/IP协议族。在物理层和数据链路层，TCP/IP并未定义任何特定协议。

TCP/IP 5层模型	常见协议
应用层	HTTP/FTP/TFTP/SMTP/SNMP/DNS
传输层	TCP/UDP
网络层	ICMP/IGMP/IP/ARP/RARP
数据链路层	以太网/PPP/HDLC/FR等
物理层	由底层网络定义的协议

• 网络层
  1. IP协议：互联网协议，定义了网络层地址。
  2. ICMP协议 ：网络控制消息协议，提供报错信息，便于网络故障排查。
  3. ARP协议：地址解析协议，把IP地址解析为MAC地址，实现数据转发。
  4. OSPF协议：开放式最短路径优先协议（路由协议），学习其他路由网段实现不同网段之间的互通。
• 传输层
  1. TCP：传输控制协议，面向连接的可靠的协议 ，但传输速度慢。
  2. UDP：用户数据报协议，面向非连接的不可靠的协议，但传输速度快。
• 应用层
  1. HTTP：超文本传输协议，端口 TCP 80。
  2. VETP：文件传输协议，端口 TCP 20、21。
  3. TFTP：简单文件传输协议，端口 UDP 69
  4. DHCP：动态主机配置协议，端口 UDP 67、68

数据通信

        所谓的设备之间的通信，指的是设备之间能够互相传输数据。

        设备之间的数据传输，一定是双向的。每个方向都分为了3个阶段：

1. 产生数据，也称之为 “数据封装”。
2. 传输数据，也称之为“网络传输”。
3. 接收数据，也称之为 “数据解封装”。

数据通信过程

        数据通信过程是双向的。

        产生数据——————数据封装

        传输数据——————网络传输

        接收数据——————数据解封装

        封装和解封装的过程类似于快递打包和拆快递。

        每一层数据单元：PDU(协议数据单元，即协议的数据包。)

应用层———数据———计算机

传输层———数据段———防火墙

网络层———数据包———路由器

数据链路层———数据帧——交换机

物理层———比特流———网卡

数据封装过程

数据解封装过程

各层PDU

各层间通信

设备与层的对应关系

 

数据通信流程总结

• 产生数据

        即数据封装，指的是数据通过应用层产生以后，发送到第一层，每经过一层都添加一个协议头部的过程。

• 传输数据

       即数据在由不同的网络设备组成的互联网中传输的过程。主要是依靠交换机和路由器实现数据在不同设备之间的转发。

• 接收数据

       即数据解封装，指的是数据被设备通过网线接收以后，形成数据帧，然后一层一层分析头部，然后传递给上一层处理，一直到应用层的过程。也可以说是：不断的分析并删除每层的协议头部的过程。

物理层

物理层概述

        物理层是TCP/IP模型的最底层。

        物理层为数据传输提供稳定的物理连接。

物理层功能

1. 定义设备的物理特性 ，比如形状、大小
2. 定义设备的电气特性，比如电压高低
3. 定义数据在物理层的表示，即通过高低电压表示 1和0。

物理层介质与设备

有线介质：双绞线、光纤。

无线介质：无线电、微波、激光、红外线。

超5类线缆：局域网环境最常见线缆，线缆外表有清晰 “米标”，传输速1000Mbps。

6类线缆：增加十字骨架，抗干扰，传输速率1000Mbps。

超6类线缆：增加双层屏薇，强抗干扰，传输速率 10Gbps。

7类和8类线缆：7类速率 10Gbps，8类速率 40Gbps。

光纤（单模）

1. OS1，黄色，支持1Gb/10Gb的传输，最大距离10KM。
2. OS2，OS1的升级版，可支持40Gb/100Gb，距离200KM，适合用于长距离传输。

光纤（多模）

1. OM1，橙色，千兆，300米，适用于 LAN 等短程网络。
2. OM2，橙色，干兆，600米，适用于 LAN 等短程网络。
3. OM3，浅绿色，万兆，300米，适用于 更大的专用网络。
4. OM4，浅绿色，万兆，550米，适用于高通网络/数据中心/金融中心。
5. OM5，石灰绿，OM4的升级版，主要支持 40Gb/100Gb高速网络，适合用于短距离传输。

布线套装：测线仪、寻线仪、网线钳

剥线刀、光纤切割刀、炫接机、光功率计、红光笔。

网络机柜：1U=4.45CM，指的是高度。

                    理线架、配线架。

数据链路层

数据链路层概述

        位于物理层与物理层之间。

功能：数据链路的建立、维护与拆除，帧形成、帧传输、帧同步、帧的差错恢复和流量控制。

协议：Ethernet（以太网）、PPP、HDLC. Frame-relay、ATM

以太网概述

       我们平常使用的网络设备，数据链路层都是 Ethernet。所以通常使用的网络，都是称之为“以太网”。以太网中可以同时连接多个设备，所以又称之为广播型网络。

主机A与主机B之间的通信，可能遇见的问题

1. 如何标识和区分不同设备发送的数据。（使用Mac地址）
2. 多设备传输数据，是否会产生信号冲突。（统一格式：数据帧格式）

以太网地址(Mac地址)

Mac地址：数据链路层的身份标识，全球唯一。

Mac地址特性

1. Mac地址由48比特组成。
2. 前24标识是厂商标识，后24厂商自己的编号。
3. 前24位中的第八比特，为0----单播地址，为1----组播地址。

 Ethernet II帧格式

数据转发时，要统一通信语言-----在数据链路层里称为数据帧格式

目的MAC 6字节 源MAC 6字节类型2字节数据46-1500尾部校验4字节

头部（14字节）：目的地址(6字节)+源地址(6字节)+类型(2字节)

尾部（4字节）：帧检验序列

数据：大小范围46～1500字节

数据帧大小范围：64～1518字节

类型：当数据帧头部和尾部解封装之后，数据要交给上层（网络层）协议处理，具体交给上层的哪个协议处理，用类型字段来区分。