【计算机网络】OSI的七层协议

0、计算机网络体系结构

计算机网络体系结构，如下图所示：

各层作用及协议（从底层往上层）：

分层	作用	协议
物理层	通过媒介传输比特，确定机械及电气规范（比特 Bit）	RJ45、CLOCK、IEEE802.3（中继器，集线器）
数据链路层	将比特组装成帧和点到点的传递（帧 Frame）	PPP、FR、HDLC、VLAN、MAC（网桥，交换机）
网络层	负责数据包从源到宿的传递和网际互连（包 Packet）	IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF、IPX、RIP、IGRP（路由器）
运输层	提供端到端的可靠报文传递和错误恢复（ 段 Segment）	TCP、UDP、SPX
会话层	建立、管理和终止会话（会话协议数据单元 SPDU）	NFS、SQL、NETBIOS、RPC
表示层	对数据进行翻译、加密和压缩（表示协议数据单元 PPDU）	JPEG、MPEG、ASII
应用层	允许访问OSI环境的手段（应用协议数据单元 APDU）	FTP、DNS、Telnet、SMTP、HTTP、WWW、NFS

一、物理层

• 传输数据的单位：比特 Bit
• 数据传输系统：源系统（源点、发送器） --> 传输系统 --> 目的系统（接收器、终点）

通道：

• 单向通道（单工通道）：只能一个方向通信，没有反方向交互，如广播
• 双向交替通信（半双工通信）：通信双方都可发消息，但不能同时发送或接收
• 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接收信息

通道复用技术：

• 频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）：不同用户在不同频带，所用用户在同样时间占用不同带宽资源
• 时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）：不同用户在同一时间段的不同时间片，所有用户在不同时间占用同样的频带宽度
• 波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）：光的频分复用
• 码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）：不同用户使用不同的码，可以在同样时间使用同样频带通信

二、数据链路层

主要信道：

• 点对点信道
• 广播信道

（1）点对点信道

• 数据单元：帧

三个基本问题：

• 封装成帧：把网络层的 IP 数据报封装成帧，SOH - 数据部分 - EOT
• 透明传输：不管数据部分什么字符，都能传输出去；可以通过字节填充方法解决（冲突字符前加转义字符）
• 差错检测：降低误码率（BER，Bit Error Rate），广泛使用循环冗余检测（CRC，Cyclic Redundancy Check）

点对点协议（Point-to-Point Protocol）：

• 即用户计算机和 ISP 通信时所使用的协议

（2）广播信道

• 硬件地址（物理地址、MAC 地址）
• 单播（unicast）帧（一对一）：收到的帧的 MAC 地址与本站的硬件地址相同
• 广播（broadcast）帧（一对全体）：发送给本局域网上所有站点的帧
• 多播（multicast）帧（一对多）：发送给本局域网上一部分站点的帧

三、网络层

• IP（Internet Protocol，网际协议）是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。
• ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）
• ICMP（Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议）
• IGMP（Internet Group Management Protocol，网际组管理协议）

IP 网际协议

IP 地址分类：

• IP 地址由四段组成，每个字段是一个字节 8 位，使用点分十进制记法。
• IP 地址由两部分组成，即网络地址和主机地址。网络地址表示其属于互联网的哪一个网络，主机地址表示其属于该网络中的哪一台主机，二者是主从关系。
• A、B、C 类分别用于大型网络、中型网络、小型网络。A 类能容纳网络 2^7-2，即 126 个网络，依次类推。我们亚洲使用的是 B 类地址。
• 另外，0.0.0.0 指的是任意网络。255.255.255.255 是当前子网的广播地址。

IP 数据报格式：

ICMP 网际控制报文协议

ICMP 报文格式：

应用：

• PING（Packet InterNet Groper，分组网间探测）测试两个主机之间的连通性。
• TTL（Time To Live，生存时间）该字段指定 IP 包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量。

内部网关协议

• RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）
• OSPF（Open Sortest Path First，开放最短路径优先）

外部网关协议

• BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）

IP多播

• IGMP（Internet Group Management Protocol，网际组管理协议）
• 多播路由选择协议

VPN 和 NAT

• VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）
• NAT（Network Address Translation，网络地址转换）

路由表包含什么？

• 网络 ID（Network ID, Network number）：就是目标地址的网络 ID。
• 子网掩码（subnet mask）：用来判断 IP 所属网络。
• 下一跳地址/接口（Next hop / interface）：就是数据在发送到目标地址的旅途中下一站的地址。其中 interface 指向 next hop（即为下一个 route）。一个自治系统（AS, Autonomous system）中的 route 应该包含区域内所有的子网络，而默认网关（Network id: 0.0.0.0, Netmask: 0.0.0.0）指向自治系统的出口。

根据应用和执行的不同，路由表可能含有如下附加信息：

• 花费（Cost）：就是数据发送过程中通过路径所需要的花费。

• 路由的服务质量。

• 路由中需要过滤的出/入连接列表。

四、运输层

协议：

• TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）
• UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）

具体的内容留到下一篇讲解。

五、应用层

端口：

应用程序	FTP	TELNET	SMTP	DNS	TFTP	HTTP	HTTPS	SNMP
端口号	21	23	25	53	69	80	443	161

FTP

• FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）是用于在网络上进行文件传输的一套标准协议，使用客户/服务器模式，使用 TCP 数据报，提供交互式访问，双向传输。
• TFTP（Trivial File Transfer Protocol，简单文件传输协议）一个小且易实现的文件传输协议，也使用客户-服务器方式，使用 UDP 数据报，只支持文件传输而不支持交互，没有列目录，不能对用户进行身份鉴定。

TELNET

• TELNET 协议是 TCP/IP 协议族中的一员，是 Internet 远程登陆服务的标准协议和主要方式。它为用户提供了在本地计算机上完成远程主机工作的能力。
• HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是用于从 WWW（World Wide Web，万维网）服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）是一组用于由源地址到目的地址传送邮件的规则，由它来控制信件的中转方式。SMTP 协议属于 TCP/IP 协议簇，它帮助每台计算机在发送或中转信件时找到下一个目的地。
• Socket 建立网络通信连接至少要一对端口号（Socket）。Socket 本质是编程接口（API），对 TCP/IP 的封装，TCP/IP 也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是 Socket 编程接口。

SMTP

• SMTP（Simple Main Transfer Protocol，简单邮件传输协议）是在 Internet 传输 Email 的标准，是一个相对简单的基于文本的协议。在其之上指定了一条消息的一个或多个接收者（在大多数情况下被确认是存在的），然后消息文本会被传输。可以很简单地通过 Telnet 程序来测试一个 SMTP 服务器。SMTP 使用 TCP 端口 25。

DNS

• DNS（Domain Name System，域名系统）是互联网的一项服务。它作为将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。DNS 使用 TCP 和 UDP 端口 53。当前，对于每一级域名长度的限制是 63 个字符，域名总长度则不能超过 253 个字符。

域名

• w3school.com.cn 就是一个域名，当你键入一个像 http://www.w3school.com.cn这样的域名，域名会被 DNS 服务器翻译为数字。

• 在全世界，数量庞大的 DNS 服务器被连入因特网。DNS 服务器负责将域名翻译为 TCP/IP 地址，同时负责使用新的域名信息更新彼此的系统。

• 当一个新的域名连同其 TCP/IP 地址一同注册后，全世界的 DNS 服务器都会对此信息进行更新。域名系统是一个分布的数据库，它提供将主机名（就是网址啦）转换成IP地址的服务。

WWW

• WWW（World Wide Web，环球信息网，万维网）是一个由许多互相链接的超文本组成的系统，通过互联网访问。

URL

• URL（Uniform Resource Locator，统一资源定位符）是因特网上标准的资源的地址（Address）

标准格式：

• 协议类型:[//服务器地址[:端口号]][/资源层级UNIX文件路径]文件名[?查询][#片段ID]

完整格式：

• 协议类型:[//[访问资源需要的凭证信息@]服务器地址[:端口号]][/资源层级UNIX文件路径]文件名[?查询][#片段ID]

其中【访问凭证信息@；:端口号；?查询；#片段ID】都属于选填项
如：https://github.com/huihut/interview#cc

HTTP

HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议。HTTP 是万维网的数据通信的基础。

请求方法：

方法	意义
OPTIONS	请求一些选项信息，允许客户端查看服务器的性能
GET	请求指定的页面信息，并返回实体主体
HEAD	类似于 get 请求，只不过返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头
POST	向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改
PUT	从客户端向服务器传送的数据取代指定的文档的内容
DELETE	请求服务器删除指定的页面
TRACE	回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断

状态码参考：菜鸟教程 . HTTP状态码

SNMP

• SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）构成了互联网工程工作小组（IETF，Internet Engineering Task Force）定义的 Internet 协议族的一部分。该协议能够支持网络管理系统，用以监测连接到网络上的设备是否有任何引起管理上关注的情况。

其它协议

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机设置协议）是一个局域网的网络协议，使用 UDP 协议工作，主要有两个用途：

• 用于内部网络或网络服务供应商自动分配 IP 地址给用户
• 用于内部网络管理员作为对所有电脑作中央管理的手段

参考：

GitHub-interview