网络传输基础概念

1.为什么要分层？

分层最大的好处在于 “封装”/职责的隔离

2.OSI七层模型

• OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型，是一个逻辑上的定义和规范。
• 把网络从逻辑上分为了7层. 每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机。
• OSI 七层模型是一种框架性的设计方法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输。
• 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，概念清楚，理论也比较完整. 通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯。

图片来源于网络：如有侵权，联系作者立刻删除！！！

3.TCP/IP五层(或四层)模型

TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇。

TCP/IP通讯协议采用了5层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。（4层模型无物理层）

在传输层及以上的层的数据叫段或报文，网络层叫数据报，数据链路层叫帧，物理层叫比特流。

• （物理层）: 负责光/电信号的传递方式。
  比如现在以太网通用的网线(双绞线)、早期以太网采用的的同轴电缆(现在主要用于有线电视)、光纤, 现在的wifi无线网使用电磁波等都属于物理层的概念。
  物理层的能力决定了最大传输速率、传输距离、抗干扰性等. 集线器(Hub)工作在物理层。
• 数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别。
  例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层。
• 网络层: 负责地址管理和路由选择。
  例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层。
• 传输层: 负责两台主机之间的数据传输。
  如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到目标主机。
• 应用层: 负责应用程序间沟通。
  如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等. 我们的网络编程主要就是针对应用层。

一般而言：
对于一台主机, 它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容。
对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层。
对于一台交换机,它实现了从数据链路层到物理层。
对于集线器, 它只实现了物理层。

但是并不绝对. 很多交换机也实现了网络层的转发; 很多路由器也实现了部分传输层的内容(比如端口转发);

4.认识IP/MAC地址

MAC地址：物理地址，一台设备可以有多个网卡。

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点。
• 长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)。
• 在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)。

IP地址：逻辑地址，屏蔽物理地址，代表网络上某台设备。

• IP地址是在IP协议中, 用来标识网络中不同主机的地址。
• 对于IPv4来说, IP地址是一个4字节, 32位的整数。
• 我们通常也使用 “点分十进制” 的字符串表示IP地址。
  例如 192.168.0.1 ; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255;

注意：

• 网络设备发送数据时，需要知道对方的MAC地址，才能发送。
• 主机和路由器有IP和MAC地址。

5.网络传输的基本流程

5.1相关硬件功能解释

主机、路由器具有的功能：
（1）具有MAC和IP
（2）进行数据的封装和分用
（3）ARP缓存表：缓存ARP值（IP转换MAC）

集线器：
        

5.2局域网连接方式

局域网_交换机

        

局域网_交换机+路由器

        

5.3案例

案例一：同一个网段内的两台主机进行文件传输

        

案例二：两台计算机通过TCP/IP协议通讯
       
案例三：跨网段的主机的文件传输： 数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器
       

6.通信

6.1 点对点通信

理解在局域网链路层（通过网线之间连接的设备之间如何通信）？

1. 数据传播的特性——广播：一台结点发送数据，所有的结点都能收到
2. 数据中带着标识（MAC地址），只有MAC地址一样的结点才接受数据，其他结点把数据直接丢弃即可
3. 冲突域/冲突域：冲突的检测+冲突的避免（等待的时间是随机的）
   注意： 集线器存在冲突域/冲突域问题，交换机是不会去隔离冲突的。

6.2 端对端通信

理解在局域网中数据如何从A的应用层到达B的应用层？

封装：从上到下按特定格式封装。
解包：从下到上层层“拆快递”，解析出需要的数据。
分用：数据应该交付给上层谁的问题？
       

解释数据包封装和分用

• 应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装(Encapsulation)。
• 首部信息中包含了一些类似于首部有多长, 载荷(payload)有多长, 上层协议是什么等信息。
• 数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部, 根据首部中的 “上层协议字段” 将数据交给对应的上层协议处理。

数据封装的过程：

       
数据分用的过程：
       

6.3 跨局域网通信（重点）

理解在广域网中（互联网）数据如何传输？

答：数据在跨局域网传输过程中，动态的选择传输的路线。

1.数据的传输过程是不断的封装+解包。
2.每经过一个局域网（路由器）—— 源MAC和目的MAC都会发生改变。
3.IP指导MAC地址的变化。