计算机网络基础

 

计算机通信网的组成

计算机网络由通信子网和资源子网组成。其中通信子网负责数据的无差错和有序传递，其处理功能包括差错控制、流量控制、路由选择、网络互连等。

其中资源子网是计算机通信的本地系统环境，包括主机、终端和应用程序等， 资源子网的主要功能是用户资源配置、数据的处理和管理、软件和硬件共享以及负载均衡等。

总的来说，计算机通信网就是一个由通信子网承载的、传输和共享资源子网的各类信息的系统。

通信协议

为了完成计算机之间有序的信息交换，提出了通信协议的概念，其定义是相互通信的双方（或多方）对如何进行信息交换所必须遵守的一整套规则。

协议涉及到三个要素，分别为：

• • 语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现顺序的意义;

• • 语义：用于解释比特流的每一部分的意义;

• • 时序：事件实现顺序的详细说明;

1：OSI七层模型

1.1：概念

1：OSI(open system Interconnect),即开放式系统互联。一般叫OSI参考模型，是ISO(国际标准化组织)组织在 1985 年研究的网络互联模型。

2：ISO为了更好的使网络应用更为普及，推出了OSI参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范，就能产生互联。

3：OSI定义了网络互联的七层框架（物理层、数据链层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），即ISO 开放互连系统参考模型。

4：每一层实现各自的功能和协议，并完成与相邻层的接口通信。OSI 的服务定义详细说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其下各层的一种功能，它同通过接口提供更高一层。各层所提供的服务与这些服务是怎末实现无关。

1.2：常见的应用层协议

1.3：各层的作用介绍

1：应用层：

应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等。

类比：应用层相当于一个公司的老板。

应用层作用：

• • • 包括各种协议，它们定义了具体的面向用户的应用：如电子邮件、文件传输等

2：表示层：

表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。

类比：表示层相当于公司中替老板写文档、演示文稿的助理。

表示层作用：

• • • 提供数据格式、变换和编码转换

• • • 涉及正在传输数据的语法和语义

• • • 将消息以合适电子传输的格式编码

• • • 执行该层的数据压缩和加密

• • • 从应用层接收消息，转换格式，并传送到会话层，该层常合并在应用层中

3：会话层：

会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（会话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。例如，一个交互的用户会话以登录到计算机开始，以注销结束。

类比：会话层相当于公司中收寄信、写信封与拆信封的秘书。

会话层作用：

• • • 提供节点之间通信过程的协调

• • • 负责执行会话规则（如：连接是否允许半双工或全双工通信）、同步数据流以及当故障发生时重新建立连接

• • • 使用上面的表示层和下面的传输层的功能

4：传输层：

传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠的、透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。

传输层传送的协议数据单元称为段（data segment）或报文（Message）。

类比：传输层相当于公司中跑邮局的送信职员。

传输层作用：

• • • 提供无差错的数据传输

• • • 接收来自会话层的数据，如果需要，将数据分割成更小的分组，向网络层传送分组并确保分组完整和正确到达它们的目的地

• • • 在系统之间提供可靠的透明的数据传输,提供端到端的错误恢复和流量控制

5：网络层：

网络层是为其上层传输层提供服务，传送的协议数据单元称为数据包(Packet)或分组。该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地。另外，为避免通信子网中出现过多的数据包而造成的网络阻塞，需要对流入的数据包数量进行控制（拥塞控制）。当数据包要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。

类比：网络层相当于邮局中的信件分拣人员。

网络层的作用：

• • • 负责端到端的数据的路由或交换，为透明地传输数据建立连接

• • • 寻址并解决与数据在异构网络间传输相关的所有问题

• • • 使用上面的传输层和下面的数据链路层的功能

• • • 格式化的消息称为分组

6：数据链层：

数据链路层是为其上层网络层提供服务，解决两个相邻结点之间的通信问题，传送的协议数据单元称为数据帧(Data frame)。

数据帧中包含物理地址（又称MAC地址）、控制码、数据及校验码等信息。该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。

此外，数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。

类比：数据链路层相当于邮局中的装拆箱人员。

数据链层的作用：

• • • 在物理链路的两端之间传输数据

• • • 在网络层实体间提供数据传输功能和控制

• • • 提供数据的流量控制

• • • 检测和纠正物理链路产生的差错

• • • 格式化的消息称为帧

7：物理层：

物理层是OSI参考模型的最底层，它利用传输介质为其上层数据链路层提供物理连接。它主要关心的是通过物理链路从一个节点向另一个节点传送比特流（bit），物理链路可能是铜缆、光纤、无线或其他的通讯媒介。它关心的问题有：多少伏电压代表1？多少伏电压代表0？时钟速率是多少？采用全双工、半双工还是单工通信？

总的来说物理层关心的是链路的机械、电气、功能和规程特性。

类比：物理层相当于邮局中的搬运工人。Physical Layer

物理层的作用：

• • • 提供建立、维护和释放物理链路所需的机械、电气功能和规程等特性

• • • 通过传输介质进行数据流(比特流)的物理传输、故障监测和物理层管理

• • • 从数据链路层接收帧，将比特流转换成底层物理介质上的信号

1.4：总结

低三层模型属于通信子网，涉及为用户间提供透明连接，操作主要以每条链路（ hop-by-hop）为基础，在节点间的各条数据链路上进行通信。由网络层来控制各条链路上的通信，但要依赖于其他节点的协调操作。

高三层属于资源子网，主要涉及保证信息以正确可理解形式传送。

传输层是高三层和低三层之间的接口，它是第一个端到端的层次，保证透明的端到端连接，满足用户的服务质量（QoS）要求，并向高三层提供合适的信息形式。

2：TCP/IP 五层模型

2.1：简述

由于ISO指定的OSI参考模型过于庞大、复杂、在实现制作过程造成了很多困难，从而招致了很多批评。在现实中，TCP/IP协议获得了广泛的应用。目前主流的操作系统网络协议基本上都采用了TCP/IP协议。

2.2：TCP/IP五层模型与OSI七层模型的区别

1：开放式系统互联模型是一个参考标准，解释协议相互之间应该如何相互作用。TCP/IP协议是美国国防部发明的，是让互联网成为了目前这个样子的标准之一。

2：开放式系统互联模型中没有清楚地描绘TCP/IP协议，但是在解释TCP/IP协议很容易想到开放式系统互联模型。两者的主要区别如下：TCP/IP协议中的应用层处理开放式系统互联模型中的第五层、第六层和第七层的功能。TCP/IP协议中的传输层并不能总是保证在传输层可靠地传输数据包，而开放式系统互联模型可以做到。TCP/IP协议还提供一项名为UDP（用户数据报协议）的选择。UDP不能保证可靠的数据包传输。

2.3：TCP和UDP的区别

1：连接方面区别：

i：TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）。

ii：UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接。

2：安全方面的区别：

i：TCP提供可靠的服务，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达。

ii：UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付。

3：传输效率的区别：

i：TCP传输效率相对较低。

ii：UDP传输效率高，适用于对高速传输和实时性有较高的通信或广播通信。

4：连接对象数量的区别：

i：TCP连接只能是点到点、一对一的。

ii：UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信。

2.4：TCP连接的三次握手：

2.5：TCP连接的释放（四次挥手）：

A 必须等待 2MSL 的时间

第一，为了保证 A 发送的最后一个 ACK 报文段能够到达 B。

第二，防止 “已失效的连接请求报文段”出现在本连接中。A 在发送完最后一个 ACK 报文段后，再经过时间 2MSL，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段，都从网络中消失。这样就可以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。

TCP 的有限状态机：

TCP 有限状态机的图中每一个方框都是 TCP 可能具有的状态。

每个方框中的大写英文字符串是 TCP 标准所使用的 TCP 连接状态名。状态之间的箭头表示可能发生的状态变迁。

箭头旁边的字，表明引起这种变迁的原因，或表明发生状态变迁后又出现什么动作。

图中有三种不同的箭头。

粗实线箭头表示对客户进程的正常变迁。

粗虚线箭头表示对服务器进程的正常变迁。

另一种细线箭头表示异常变迁。

电子邮件：

电子邮件(e-mail)是因特网上使用得最多的和最受用户欢迎的一种应用。电子邮件把邮件发送到收件人使用的邮件服务器，并放在其中的收件人邮箱中，收件人可随时上网到自己使用的邮件服务器进行读取。

电子邮件不仅使用方便，而且还具有传递迅速和费用低廉的优点。

现在电子邮件不仅可传送文字信息，而且还可附上声音和图像。

发送邮件的协议：SMTP

读取邮件的协议：POP3 和 IMAP

MIME 在其邮件首部中说明了邮件的数据类型(如文本、声音、图像、视像等)，使用 MIME 可在邮件中同时传送多种类型的数据。

1、发送和接收电子邮件的几个重要步骤：

发件人调用 PC 中的用户代理撰写和编辑要发送的邮件。

发件人的用户代理把邮件用 SMTP 协议发给发送方邮件服务器，

SMTP 服务器把邮件临时存放在邮件缓存队列中，等待发送。

发送方邮件服务器的 SMTP 客户与接收方邮件服务器的 SMTP 服务器建立 TCP 连接，然后就把邮件缓存队列中的邮件依次发送出去。

运行在接收方邮件服务器中的SMTP服务器进 程收到邮件后，把邮件放入收件人的用户邮箱中，等待收件人进行读取。

‘ 收件人在打算收信时，就运行 PC 机中的用户代理，使用 POP3（或 IMAP）协议读取发送给自己的邮件。

请注意，POP3 服务器和 POP3 客户之间的通信是由 POP3 客户发起的。

电子邮件由信封(envelope)和内容(content)两部分组成。

电子邮件的传输程序根据邮件信封上的信息来传送邮件。用户在从自己的邮箱中读取邮件时才能见到邮件的内容。

在邮件的信封上，最重要的就是收件人的地址。

TCP/IP 体系的电子邮件系统规定电子邮件地址的格式如下：

收件人邮箱名@邮箱所在主机的域名

2、SMTP 通信的三个阶段 ：

1. 连接建立：连接是在发送主机的 SMTP 客户和接收主机的 SMTP 服务器之间建立的。SMTP不使用中间的邮件服务器。

2. 邮件传送

3. 连接释放：邮件发送完毕后，SMTP 应释放 TCP 连接。

邮件读取协议POP3 和 IMAP：

邮局协议 POP 是一个非常简单、但功能有限的邮件读取协议，现在使用的是它的第三个版本 POP3。POP 也使用客户服务器的工作方式。在接收邮件的用户 PC 机中必须运行 POP 客户程序，而在用户所连接的 ISP 的邮件服务器中则运行 POP 服务器程序。

IMAP 协议，IMAP 也是按客户服务器方式工作，现在较新的是版本 4，即 IMAP4。用户在自己的 PC 机上就可以操纵 ISP 的邮件服务器的邮箱，就像在本地操纵一样。因此 IMAP 是一个联机协议。当用户 PC 机上的 IMAP 客户程序打开 IMAP 服务器的邮箱时，用户就可看到邮件的首部。若用户需要打开某个邮件，则该邮件才传到用户的计算机上。

注意：

不要将邮件读取协议 POP 或 IMAP 与邮件传送协议 SMTP 弄混。发信人的用户代理向源邮件服务器发送邮件，以及源邮件服务器向目的邮件服务器发送邮件，都是使用 SMTP 协议。

而 POP 协议或 IMAP 协议则是用户从目的邮件服务器上读取邮件所使用的协议。

3、基于万维网的电子邮件：

电子邮件从 A 发送到网易邮件服务器是使用 HTTP 协议。

两个邮件服务器之间的传送使用 SMTP。

邮件从新浪邮件服务器传送到 B 是使用 HTTP 协议。

动态主机配置协议 DHCP：

简介

动态主机配置协议 (Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP) 是一个用于局域网的网络协议，位于OSI模型的应用层，使用UDP协议工作，主要用于自动分配IP地址给用户，方便管理员进行统一管理。

DHCP服务器端使用UDP 67 Port，客户端使用UDP 68 Port。

DHCP运行分为四个基本过程，分别为：

• • • • 请求IP租约

• • • • 提供IP租约

• • • • 选择IP租约

• • • • 确认IP租约

客户端在获得了一个IP地址以后，就可以发送一个ARP请求来避免由于DHCP服务器地址池重叠而引发的IP冲突。

工作原理：

为了将软件协议做成通用的和便于移植，协议软件的编写者把协议软件参数化。这就使得在很多台计算机上使用同一个经过编译的二进制代码成为可能。一台计算机和另一台计算机的区别，都可通过一些不同的参数来体现。在软件协议运行之前，必须给每一个参数赋值。

动态主机配置协议 DHCP 提供了即插即用连网(plug-and-play networking)的机制。这种机制允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与。

需要 IP 地址的主机在启动时就向 DHCP 服务器广播发送发现报文（DHCPDISCOVER），这时该主机就成为 DHCP 客户。

本地网络上所有主机都能收到此广播报文，但只有 DHCP 服务器才回答此广播报文。

DHCP 服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息。若找到，则返回找到的信息。若找不到，则从服务器的 IP 地址池(address pool)

中取一个地址分配给该计算机。DHCP 服务器的回答报文叫做提供报文（DHCPOFFER）。