计算机网络之网络体系结构

计算机网络之网络体系结构

1.网络体系结构

我们把计算机网络的各层及协议集合，成为网络的体系结构。换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义
层与协议：每一层都是为了完成一种功能，为了完成这些功能，需要遵循一些规则，这些规则就是协议，每一层都定义了一些协议
国际标准化组织ISO 于1981年正式推荐了一个网络系统结构—-七层参考模型，叫做开放系统互连模型(Open System Interconnection，OSI)。由于这个标准模型的建立，使得各种计算机网络向它靠拢，大大推动了网络通信的发展。
但由于OSI体系结构太复杂，在实际应用中TCP/IP的四层体系结构得到广泛应用，作为折中，在学习中一般学习五层协议体系机构。各体系结构如下图：

2.OSI七层协议模

2.1网络协议

物理层：RJ45、CLOCK、IEEE802.3 （中继器，集线器，网关）
数据链路：PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC （网桥，交换机）
网络层：IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP、 （路由器）
传输层：TCP、UDP、SPX
会话层：NFS、SQL、NETBIOS、RPC
表示层：JPEG、MPEG、ASII
应用层：FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS

2.2每层作用

每一层的作用如下：
物理层：
实现相邻节点间比特流的透明传输，尽可能屏蔽传输介质和通信手段的差异；
底层数据传输，如网线；网卡标准;
通过媒介传输比特,确定机械及电气规范（比特Bit）
数据链路层：
数据链路层通常简称为链路层。将网络层传下来的IP数据包组装成帧，并再相邻节点的链路上传送帧；
定义数据的基本格式，如何传输，如何标识；如网卡MAC地址；
将比特组装成帧和点到点的传递（帧Frame）
网络层：
选择合适的路由和交换结点，确保数据及时传送。主要包括IP协议;
定义IP编址，定义路由功能；如不同设备的数据转发；
负责数据包从源到宿的传递和网际互连（包PackeT）
传输层：
有时也译为传输层，向主机进程提供通用的数据传输服务。该层主要有以下两种协议；
TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务；
UDP：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，但不保证数据传输的可靠性。
端到端传输数据的基本功能；如 TCP、UDP；
提供端到端的可靠报文传递和错误恢复（段Segment）
会话层：
负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信，如服务器验证用户登录便是由会话层完成的；
控制应用程序之间会话能力；如不同软件数据分发给不同软件；
建立、管理和终止会话（会话协议数据单元SPDU）
表示层：
主要负责数据格式的转换，如加密解密、转换翻译、压缩解压缩等。
数据格式标识，基本压缩加密功能；
对数据进行翻译、加密和压缩（表示协议数据单元PPDU）
应用层：
各种应用软件，包括 Web 应用；
为应用程序提供交互服务。在互联网中的应用层协议很多，如域名系统DNS，支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等；
允许访问OSI环境的手段（应用协议数据单元APDU）

3.五层协议模型

3.1概念

3.2物理层

1.物理层 （physical layer）
在物理层上传输的数据单位是比特，物理层的任务就是透明的传输比特流。也就是说，发送方发送1（或0）时，接收方应当接收1（或0）而不是0（或1）。因此物理层要考虑的是多大的电流代表“1”或“0”，以及接收方如何识别发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各条引脚要如何连接。当然，哪几个比特代表什么意思，则不是物理层所需要管的。注意，传递信息的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆无线信道等，并不在物理层协议之内。
总结：规定了网络中的电气特性，负责传送0和1电气信号。

3.3数据链路层

2.数据链路层（data link layer）
两个主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，也就是说，两个相邻节点（主机和路由器之间或两个路由器之间）传送数据是直接传送的（点对点）。这是就需要专门的链路层协议。连个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层传下来的IP数据报组转城帧（framing），在连个相邻节点透明的传送帧（frame）中的数据。每帧中包含必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。
以太网协议：以太网规定一组电信号组成帧，帧由标头（Head）和数据（Data）组成。
标头包含发送方和接收方的地址（MAC地址）以及数据类型等等。
数据则是数据的具体内容（IP数据包）。
MAC地址每个连入网络的设备都有网卡接口，每个网卡接口在出厂时都有一个独一无二的MAC地址。
通过ARP协议可以知道本网络内的所有机器的MAC地址，以太网通过广播的方式把数据发送到本网络内的所有机器上，让其根据MAC地址自己判断是否接受数据。

3.4网络层

3.网络层
网络层负责为分组交换网上的不同主机提供服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据包，或简称数据报。
网络层的另一个任务就是选择合适的路由，是源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络钟的路哟其找到目标主机。
因特网是一个很大的互联网，由大量的异构网络相互连接起来。因特网的主要网络层协议是无连接的网际层协议IP（Internat Protocol）和许多路由选择协议，因此网络层也叫做网际层或IP层。
依靠以太网的MAC地址发送数据，理论上可以跨地区寻址，但是以太网的广播方式发送数据，不仅效率低，而且局限在发送者所在的局域网。如果两台计算机不在一个子网内，广播是发不过去的。
因此有了网络层，它引入一种新的地址，使得能够区分两台计算机是否在同一个子网内，这套地址叫做网络地址，简称网址。
规定网络地址的协议叫IP协议，所定义的地址叫IP地址，由32个二进制位组成，从0.0.0.0一直到255.255.255.255。IP地址分为两个部分，前面一部分代表网络，后一部分代表主机。处于同一个子网的IP地址，其网络部分必定是相同的。例如前24位代表网络，后8位代表主机，IP地址172.251.23.17和172.251.23.108处在同一个子网。如何判断网络部分是多少位，这就需要子网掩码，它和IP地址都是32个二进制位，代表网络的部分都由1表示，主机部分位0。那么24位的网络地址，子网掩码就是255.255.255.0。将两个IP地址分别和其对应的子网掩码进行AND运算，结果相同说明两个IP在同一个子网络。
因此如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用”路由”方式发送。IP协议作用主要是为分配IP地址和判断那些IP在同一个网络。

不管是tcp还是udp, 都是一个四元组确定一个连接! 或许是书上阐述的不够详细的缘故导致题主有这样疑惑.
或许简单了解下网络层和传输层分别负责的工作, 可以帮助理解:
网络层: 目的是实现两个端系统之间的数据透明传送, 包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等.(主机与主机间)
报文在网络中传输, 路由器将根据ip头的目的ip, 为该报文选择合适的路由, 选择合适的线路, 来让其可以到达最终的目的主机. 就好比写信, 我写了一封信, 寄往xxx市yyy区zzz镇aaa号kkk人收,邮差就会根据前面的地址,将信派发到aaa号的地方, 在这里,邮差就相当于路由器,根据信上的地址, 来选址选方向, 网络层就是提供这样的服务,只要报文段是在网络层以上的, 它就会有这样的功能和义务. 每个ip地址,都是一个实实在在的个体, 是确切可以通信的.
传输层: 实现端到端的数据传输(程序与程序间)
接着上面的例子, 当邮差把信投递到aaa号, 他遍不管了,因为他不知道谁叫kkk,这时候谁来管? 肯定就是aaa号里面的人, 他知道kkk是谁, 所以他就直接把收到的信, 拿给kkk, 到了这一步, 整个通信才算完成, 因为kkk此刻才确切看到信(数据), 如果aaa地方里面, 有好几个叫kkk的人, 那这样就混乱了, 压根不知道给谁, 现实世界如此,在操作系统便是, 所以直接定义端口号不能重复.
所以总结的一点就是:
数据包中:
ip头部, 是为了让报文能够顺利从源主机, 到达目的主机
tcp/udp头部, 是为了让报文在目的主机, 能够正确被投递到正确的程序
但是不管是tcp还是udp, 他们都是四元组来确定一个连接, 他们的区别,更多是在于对连接管理方式而已, 包括可靠性,创建与销毁等等

3.5运输层

4.运输层（transport layer）
运输层的任务就是负责两个主机进程之间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用进程可同时使用运输层的服务，分用是运输层把收到的信息分别交付给上面的应用层的相应进程。
运输层主要使用两种协议： TCP-面向连接的，UDP-无连接的。
计算机有许多需要网络的的程序，比如QQ、浏览器等，如何区分从网上来的数据是属于谁的，于是有了一个参数，这个参数叫做端口（PORT），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。
“端口”是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。
“运输层”的功能，就是建立”端口到端口”的通信。相比之下，”网络层”的功能是建立”主机到主机”的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做”套接字”（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。

3.6应用层

5.应用层（Application layer）
应用层是体系机构的最高层，应用层直接为用户提供进程服务。这里的进程值得就是正在运行的程序。应用层的协议很多，如HTTP、FTP、SMTP等。
应用程序收到”传输层”的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。
“应用层”的作用，就是规定应用程序的数据格式。
举例来说，TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

3.7网络协议

4.TCP/IP四层模型

5.运输层与网络层区别

网络层协议负责的是提供主机间的逻辑通信
运输层协议负责的是提供进程间的逻辑通信

6.数据链路层协议可能提供的服务

成帧、链路访问、透明传输、可靠交付、流量控制、差错检测、差错纠正、半双工和全双工。最重要的是帧定界（成帧）、透明传输以及差错检测

7.什么是网络协议，为什么要对网络协议分层

什么是网络协议，为什么要对网络协议分层？
网络协议是计算机在通信过程中要遵循的一些约定好的规则。

网络分层的原因：
1.易于实现和维护，因为各层之间是独立的，层与层之间不会收到影响。
2.有利于标准化的制定

8.TCP 和 UDP 分别对应的常见应用层协议有哪些

基于 TCP 的应用层协议有：HTTP、FTP、SMTP、TELNET、SSH
● HTTP：HyperText Transfer Protocol（超文本传输协议），默认端口 80
● FTP: File Transfer Protocol (文件传输协议), 默认端口 (20 用于传输数据，21 用于传输控制信息)
● SMTP: Simple Mail Transfer Protocol (简单邮件传输协议) , 默认端口 25
● TELNET: Teletype over the Network (网络电传), 默认端口 23
● SSH：Secure Shell（安全外壳协议），默认端口 22

基于 UDP 的应用层协议：DNS、TFTP、SNMP
● DNS : Domain Name Service (域名服务), 默认端口 53
● TFTP: Trivial File Transfer Protocol (简单文件传输协议)，默认端口 69
● SNMP：Simple Network Management Protocol（简单网络管理协议），通过 UDP 端口 161 接收，只有 Trap 信息采用 UDP 端口 162。

9.聊聊五层计算机网络体系结构中，每一层对应的网络协议有哪些

10.说下计算机网络体系结构

思路: 这道题主要考察候选人，计算机网络体系结构这个基础知识点。计算机网路体系结构呢，有三层：ISO 七层模型、TCP/IP 四层模型、五层体系结构。大家可以记住这个图，如下

ISO 七层模型

ISO 七层模型是国际标准化组织（International Organization for Standardization）制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系。

应用层：网络服务与最终用户的一个接口，常见的协议有：HTTP FTP SMTP SNMP DNS.
表示层：数据的表示、安全、压缩。，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。
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.
传输层：定义传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验, 协议有TCP UDP.
网络层：进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择, 协议有ICMP IGMP IP 等.
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。
物理层：建立、维护、断开物理连接。

TCP/IP 四层模型

应用层：对应于 OSI 参考模型的（应用层、表示层、会话层）。
传输层: 对应 OSI 的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能，保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。
网际层：对应于 OSI 参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。
网络接口层：与 OSI 参考模型的数据链路层、物理层对应。

五层体系结构

应用层：对应于 OSI 参考模型的（应用层、表示层、会话层）。
传输层：对应 OSI 参考模型的的传输层
网络层：对应 OSI 参考模型的的网络层
数据链路层：对应 OSI 参考模型的的数据链路层
物理层：对应 OSI 参考模型的的物理层。