计算机网络基础--网络体系结构

目录   

网络层次划分

物理层

数据链路层

以太网协议

MAC地址

广播与ARP协议

广播

ARP协议

网络层

IP协议

ARP协议

DNS服务器

运输层

应用层

数据传输过程

---

网络层次划分

        计算机网络体系结构分为三种：OSI体系结构、TCP/IP体系结构、五层体系结构，现在我们来对这三个体系结构做一个了解：

        OSI体系结构优点是概念清楚、理念完整，缺点是复杂、不够实用。

        TCP/IP四层体系结构包含了一系列构成互联网基础的网络协议，但最下面的网络接口层并没有具体内容。

        五层体系结构融合了上述两种体系结构，中和其优点，故一般我们采用折中方法，学习五层体系结构来了解计算机网络。

        在这里我们简约了解一下五层协议中每一层的大体功能和作用，了解一下五层协议的结构，关于每一层的重要作用我们之后单独进行总结。

物理层

        物理层规定传输媒体接口的标准，它的任务是连接两台计算机，在计算机之间通过高低电频传送0、1这样的电信号（物理层规定了电气特性，信号的电平用+10V~+15V表示二进制的0，用-10V~-15V表示二进制的1）

        在物理层我们通常会提到中继器， 中继器在物理层的作用是对信号进行再生和还原，增加信号的传输距离。因为在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，当衰减到一定程度时，就会造成信号失真，从而导致接受错误，这个时候就需要中继器了。

数据链路层

        物理层用来连接计算机进行数据传输，传输的是0、1这样的电信号，若这些数据传送毫无规则，计算机无法进行解读，所以要制定一套规则来规范信号的传送。

        于是以太网协议应运而生：

以太网协议

        以太网协议规定一组电信号构成一个数据包，这个数据包就称之为帧，帧的

的构成如下所示：

        帧的大小一般为64~1518个字节，若需要传输的数据很大，需要分成多个帧进行传送 

MAC地址

        当一台计算机的数据通过物理层和链路层发送给另一台计算机，而接收方出现多台计算机，那么如何区分需要发送的那一台计算机是哪一个呢，这个时候就需要MAC地址。

        连入网络的每一个计算机都有网卡接口，每个网卡都有唯一的地址，这就是MAC地址，计算机之间的数据传送就是通过MAC地址来进行寻找传输。MAC地址由48个字节构成，具有唯一性。

广播与ARP协议

广播

        上图中，若发送方计算机1知道了接收方计算机2的MAC地址，想要进行数据传输，但是由于计算机1连接的不只有计算机2，还有其他的计算机，虽然计算机1知道计算机2的MAC地址，但是不知道计算机2在哪一条路线。举例：班主任进行家访，知道同学甲、乙、丙的地址，她要去同学甲的家进行家访，到了路口有三条路分别通向三位同学的家，但是没有路标，所以虽然知道同学甲的地址，但是不知道走哪一条路才能正确找到同学甲的家。

        为了解决上述问题，就有了广播的出现。计算机1通过广播方式发送数据包，这个数据包内含有计算机2的MAC地址，通过广播方式同一个子网内所有计算机2、3、4都会接收到数据包，然后取出数据包中的MAC地址与自身MAC地址进行对比，如果两者相同，就接受该数据包，否则丢弃。拿上面的例子举例：班主任通过路口的广播播报地址信息，这个时候广播传到三位同学的家里，然后同学甲知道这是要来自己家，就接收该信息。同学乙、丙知道不是家访自己，就不予理会该信息。

ARP协议

        上面我们都是说计算机1知道计算机2的MAC地址，然后进行传输，那么计算机1如何知道计算机2的MAC地址的呢？这就是通过ARP协议获悉的。由于ARP协议涉及IP地址，所以我们下面讲解IP地址时进行详述，这里我们只需要知道，通过ARP协议，我们就可以知道子网中其他计算机的MAC地址。就好比上例中，班主任怎么知道同学们的家庭住址的呢，是通过学校的地址花名册知道的，这里的地址花名册就好比ARP协议。

网络层

        网络层的作用为分组交换网上的不同主机提供通信服务，也可以理解为作用是帮助发送方找到接收方计算机，判断是否属于一个子网。

        首先我们先了解一下子网，在上面的概念中我们也有提到过子网。可以这样去理解，网络是由无数个子网构成的，广播是在一个子网内发生，只有同处于一个子网内的计算机能接收到，就好比一个村的广播范围有限，不会传播到其他村去，其他村的村民听不到。

        既然子网有很多，计算机也有很多，那我们怎么判断哪些计算机属于同一个子网呢。这个时候就需要IP协议：

IP协议

        IP协议所定义的地址，我们称之为IP地址。IP地址由32位二进制组成，一般为了方便查看，我们会将其分成四段的十进制表示，地址范围为：0.0.0.0~255.255.255.255

        每一台联网计算机都会有一个IP地址，这个地址分为两部分，前一部分代表网络部分，后一部分代表主机部分，网络部分和主机部分所占用的二进制位数不固定。若多台计算机的网络部分相同，则这些计算机处于同一个子网。那么我们如何去判断IP地址的网络部分和主机部分呢，这里就需要用到子网掩码。

        子网掩码同样也是由32位二进制组成，它的网络部分规定全部为1，主机部分全部为0。各个计算机通过子网掩码与IP地址做与运算，比较各个结果，如果结果相同，就代表是一个子网，否则不是一个子网。   

ARP协议

        上面讲数据链路层的时候，我们有提到过ARP协议是用来帮助发送计算机知道接收计算机MAC地址的，现在我们有了IP协议的了解，就来仔细了解一下ARP协议的机制。

        ARP协议也是通过广播形式给子网中的每台电脑发送数据包，不同的是这个数据包会包含接收方的IP地址，当对方接受到该数据包后，取出IP地址与自身的MAC地址进行对比，若相同则将自己的MAC地址回复给发送方，否则丢弃。继续拿上面的例子，也就是说当老师广播自己要去家访的地址，同学甲乙丙接收到该信息，同学甲辨认出这是自己家的地址，就打电话联系老师告诉老师自己家的具体地址应该是哪一条路，这样老师就知道同学甲的地址具体是哪一条路了。

        若两台计算机的IP不是处于同一个子网，此时我们将数据包发送给网关，让网关进行转发传送。就好比寄快递，如果派送点是同城，我们就通过快递车进行直接派送，如果是在外省，那么我们就借助物流公司进行派送，这里的物流公司就好比网关，起到转接作用。

DNS服务器

        前面我们提到，IP地址格式是32位的二进制数字，但是我们发现，当我们访问网站时，输入地址却不是这种格式，例如访问CSDN，域名是http://www.csdn.net/,那么我们怎么获得它的IP地址？这个时候用到的就是DNS域名服务器，DNS的作用就是解析域名，返回域名对应的IP。

运输层

        通过物理层、数据链路层、网络层，我们已经完成了数据从发送方计算机到接收方计算机的过程。但是接收方计算机内含有多种应用程序，计算机要如何判断接收到的数据应该给谁呢，这个时候就用到了端口（Port）。当我们将数据从发送方计算机传输给接收方计算机，还需要指定一个端口来提供特定的应用程序来接受处理。

        那么运输层的功能就是建立端口到端口的通信，这里要区别于网络层，网络层的功能是建立主机到主机之间的通信。只有拥有了IP和端口，我们才能准确地进行通信。有的端口是需要进行指定，而有的传输协议已经设定了默认端口，例如http的传输默认端口是80，这些端口信息包含在数据包内，所以看似我们没有指定端口，其实端口已经默认包含了。

        运输层最常见的两大协议是TCP协议和UDP协议，TCP提供可靠传输，UDP提供不可靠传输。关于这两大协议我们之后在后面的博客专门进行针对性的详细介绍。

应用层

        应用层这一层最接近用户。当我们经过前面四层的数据传输，已经收到了相应的数据。但是数据分为许多格式，html、css、js、mp4等多种格式。那么要呈现给用户数据的话，就必须要指定这些数据的格式规则，收到后进行解读渲染才能将数据呈现给用户。通常针对不同的网络应用需要不同的应用层协议。应用层交互的数据单元也称之为报文。

数据传输过程

        两个主机之间的传输过程，用五层体系结构来看可以用下图进行表示