TCP/IP_网络基础知识

Bertha 。 2022-05-21 06:40 191阅读 0赞

## TCP/IP\_网络基础知识 ##

为了理解TCP/IP的知识，这一篇文章主要讲一下相关的必备的知识，包括OSI参考模型、网络的构成要素、TCP/IP参考模型等

**OSI参考模型**  
OSI参考模型即是常说的七层参考模型，如下所示：  
![这里写图片描述][70]  
OSI参考模型是将通信功能划分为7个分层，称作OSI参考模型。OSI协议是以OSI参考模型为基础界定了每个阶层的协议和每个阶层之间接口相关的标准，与OSI参考模型指代的意义不同。OS参考模型中各个分层的作用：  
1、应用层：**针对特定应用的协议**，为应用程序提供服务并规定应用程序中通信相关的细节。包括文件传输、电子邮件、远程登录等协议。  
2、表示层：**设备固有数据格式和网络标准数据格式的转换。**不同设备对同一比特流的解释结果可能不同，这一层会使他们保持一致。  
3、会话层：**通信管理。负责建立和断开通信连接。管理传输层以下的分层。**  
4、传输层：**管理两个节点之间的数据传输。负责可靠传输(确保数据被可靠的传送到目标地址)。**  
5、网络层：**地址管理与路由选择。**  
6、数据链路层：**互联设备之间传送和识别数据帧。**  
7、物理层：负责0、1比特流与电压高低之间的互换。

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OSI参考模型举例：  
![这里写图片描述][70 1]  
如上所示，假如A给B发送一封电子邮件。过程大致为：  
1、在应用层协议会给所要传送的数据加上一个首部信息，这一首部信息给接收端的对应软件，来获取数据的内容。  
![这里写图片描述][70 2]

2、在表示层，将数据从“某个计算机特定的数据格式”转换为“网络通用的标准数据格式”后在发送出去。接收端收到数据之后将这些网络标准格式的数据恢复为“该计算机特定的数据格式”再进行处理。使得异构机型之间数据也可以保持一致性。通常为了识别编码格式也会附加首部信息。  
![这里写图片描述][70 3]

3、会话层是决定何时建立连接与断开连接。例如对于这个例子，可以每发一封邮件时建立一次连接，然后随后断开连接。还可以一建立连接就发几封邮件给对方。决定采用何种连接方式是会话层的主要责任，通常会话层也会在收到的数据前端加首部，这些首部记录着数据传送顺序的信息。**会话层只是对何时建立连接、何时发送数据进行管理，并不具有实际传输数据的功能。真正负责传输的是会话层的以下层**  
![这里写图片描述][70 4]

4、在两个主机之间创建逻辑上的通信连接是传输层的主要作用。此外，传输层为确保所传数据到达目的地址，会在通信两端计算机之间进行确认，数据没有到达会重发。  
![这里写图片描述][70 5]

5、网络层的作用是在网络与网络互联的环境中，将数据从发送端主机发送到接收端。  
![这里写图片描述][70 6]

6、数据链路层的作用就是在通过传输介质互联的设备之间进行数据处理。网络层与数据链路层都是基于目标地址将数据发送给接收端的，但是网络层负责将整个数据发送给最终目标地址，而数据链路层只负责发送一个分段内的数据（MAC地址）。  
![这里写图片描述][70 7]

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**网络构成的要素**  
搭建一套网络环境要涉及各种各样的电缆和网络设备，包含的网络设备主要有：  
![这里写图片描述][70 8]  
在介绍上面的网络设备之前，要介绍几个相关的概念：  
在数据传输的过程中，两个设备之间数据流动的物理速度称为传输速率(单位bps)。从严格意义上讲，各种传输媒介中信号的流动速度是恒定的。因此，即使数据链路的传输速率不相同，也不会出现传输的速度忽快忽慢的情况。传输速率（又称为带宽）高是指单位时间内传输的数据量有多少。（如同我们交通一样，低速数据链路就如同车道比较少，高速数据链路就相当于有多个车道）此外，主机之间实际的传输速率称为吞吐量。吞吐量不仅衡量带宽，同时也衡量主机CPU处理能力、网络的拥堵程度等信息。  
1、网卡  
任何一台计算机连接网络时，必须使用网卡。集成了连接局域网功能的设备。  
2、中继器  
中继器是在物理层面上延长网络的设备。由电缆传过来的电信号或光信号由中继器的波形调整和放大再传给另一个电缆。一般中继器连接的是两个相同的媒介，中继器不能在传输速度不同的媒介之间转发。通过中继器进行网络延长，其距离有限不可以无限扩大。  
![这里写图片描述][70 9]  
有些中继器提供多个端口服务，被称作中继集线器，可以看做是一个多口中继器。  
3、网桥/2层交换机  
网桥是在数据链路层上连接两个设备。它能够识别数据链路层中的数据帧，并将这些数据帧存储于内存，在重新生成信号作为一个全新的帧转发给相连的另一个网段。由于可以存储，所以可以连接传输速率不同的数据链路，并且不限制个数。通过检查FCS来将损坏的数据丢弃。  
![这里写图片描述][70 10]  
通常还有一种自学式网桥，这类网桥会记住曾经通过自己转发的所有数据帧的MAC地址，并保存到内存表中。如下所示：  
![这里写图片描述][70 11]  
以太网等网络中经常使用的交换集线器(Hub)，也是属于网桥的一种。

4、路由器/三层交换机  
路由器是在网络层面上连接两个网络，并对分组报文进行转发的设备。网桥是根据物理地址（MAC地址）进行处理，路由器是根据IP地址进行处理的。  
![这里写图片描述][70 12]

5、4~7层交换机  
4~7层交换机负责处理从传输层到应用层的数据，分析收发数据并对其进行处理。例如：对于一个访问量非常大的WEB站点，使用一台服务器不足以满足访问需求，通常需要多个服务器来分担，但是前端的入口地址通常只会有一个URL，为了通过同一个URL将前端访问分发到多个后台服务器上，可以在服务器前端加上一个负载均衡器，这就是一个4~7层交换机。  
![这里写图片描述][70 13]

6、网关  
网关与4~7层交换机一样都是处理传输层及以上的数据，但是网关不仅转发数据还负责对数据进行转换，通常会使用一个表示层或应用层网关，在两个不能直接通信的协议之间进行翻译，最终实现通信。  
![这里写图片描述][70 14]  
例如，互联网邮件与手机邮件之间的转换。此外，代理服务器也是网关的一种，属于应用网关，有了代理服务器，客户端与服务器之间无需在网络层上直接通信，而是从传输层到应用层对数据和访问进行各种控制处理。  
![这里写图片描述][70 15]

**TCP/IP协议分层模型**  
首先给出TCP/IP与OSI参考模型之间的联系：  
![这里写图片描述][70 16]  
OSI参考模型注重通信协议必要的功能是什么，而TCP/IP则更强调“在计算机上实现协议应该开发哪种程序”。

1、硬件（物理层）  
TCP/IP的最底层是负责数据传输的硬件。这种硬件就相当于以太网或电话线路等物理层的设备。  
2、网络接口层（数据链路层）  
网络接口层利用以太网中的数据链路层进行通信，属于接口层。可以把它当做让NIC起作用的“驱动程序”。  
3、互联网层（网络层）  
相当于OSI模型中的第三层。IP协议基于IP地址转发分包数据。TCP/IP分层中的互联网层与传输层的功能通常由操作系统提供。尤其是路由器，它必须得实现通过互联网层转发分组数据包的功能。

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IP：  
IP是跨越网络传送数据包，使整个互联网都可以收到数据的协议。IP还隐含着数据链路层的功能。通过IP，相互通信的主机之间不论经过怎样的底层数据链路都可以实现通信。**虽然IP是分组交换的一种协议，但是不具有重发的机制，即使分组数据包未能到达对端主机也不会重发。因此属于非可靠性传输。**  
ICMP：  
IP数据包在发送途中一旦发生异常无法到达对端目标地址时，要给发送端发送一个发生异常的通知，ICMP协议就是用与此。  
ARP：  
从分组数据包的IP地址中解析出物理地址的一种协议。

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4、传输层  
有两个具有代表性的协议，TCP（面向有连接的传输层协议）、UDP（面向无连接的传输层协议）。该层的功能与OSI参考模型中的传输层类似。传输层最主要的功能就是能够让应用程序之间实现通信。必须分清楚是哪些程序与哪些程序在进行通信，识别这些程序的是端口号。  
![这里写图片描述][70 17]

5、应用层（会话层以上的分层）  
TCP/IP分层中，将OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层的功能都集中到了应用程序中实现。TCP/IP应用程序功能，通常不仅实现OSI参考模型中应用层的功能，还会实现会话层与表示层的功能。

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WWW：  
浏览器与服务端之间通信所用的协议是HTTP，所传输数据的主要格式是HTML。其中HTTP属于OSI应用层的协议，而HTML属于表示层的协议。

电子邮件：  
发送电子邮件时用到的协议叫做SMTP。最初，只能发送文本格式的邮件。在由MIME协议（属于OSI模型的表示层）扩展以后，可以发送各式各样的信息。

文件传输：  
文件传输过程用到的协议是FTP，在FTP中进行文件传输时会建立两个TCP连接，分别是发出传输请求时所用到的控制连接与实际传输数据时用到的数据连接。

远程登录：  
TCP/IP网络中远程登录常用TELNET和SSH两种协议。

网络管理：  
在TCP/IP中进行网络管理时，采用SNMP协议。使用SNMP管理的主机、网桥、路由器等称作SNMP代理，进行管理的那一端叫做管理器。SNMP就是代理与管理器之间用到的协议。在SNMP的代理端，保存着网络接口的信息、数据量等信息。这些信息通过MIB访问，在TCP/IP的网络管理中SNMP属于应用协议，MIB属于表示层协议。

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