HCIA-Datacom笔记之网络参考模型

二、网络参考模型

2.1 数据

数字化时代，各种信息以数据的形式充斥着我们的生活。什么是数据？数据又是如何传递的？

应用的存在，是为了满足人们的各种需求，比如访问网页，在线游戏，在线视频等。

伴随着应用会有信息的产生。比如文本，图片，视频等都是信息的不同呈现方式。

在计算机领域，数据是各种信息的载体。

大部分应用程序所产生的数据需要在不同的设备之间传递。

计算机只能识别0和1的组成的电子数据(digital data)。它不具备读取各种信息的能力，所以信息需要通过一定的规则翻译成数据。

而对人来说，我们不具备读取电子数据的能力，所以在读取信息的时候，需要将数据转成人能理解的信息。

对于一名网络工程师来说，需要更关注数据的端到端传递的过程。

2.2 网络参考模型与标准协议

2.2.1 OSI参考模型

OSI 模型(Open Systems Interconnection Model)，由国际化标准组织ISO (The International Organization for Standardization ) 收录在ISO 7489标准中并于1984年发布。

OSI参考模型又被称为七层模型，由下至上依次为：

物理层：在设备之间传输比特流，规定了电平、速度和电缆针脚等物理特性。

数据链路层：将比特组合成字节，再将字节组合成帧，使用链路层地址（以太网使用MAC地址）来访问介质，并进行差错检测。

网络层：定义逻辑地址，供路由器确定路径，负责将数据从源网络传输到目的网络。

传输层：提供面向连接或非面向连接的数据传递以及进行重传前的差错检测。

会话层：负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。

表示层：提供各种用于应用层数据的编码和转换功能，确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。

应用层：OSI参考模型中最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务。

2.2.2 TCP/IP参考模型

TCP/IP模型在结构上与OSI模型类似，采用分层架构，同时层与层之间联系紧密。

TCP/IP标准参考模型将OSI中的数据链路层和物理层合并为网络接入层，这种划分方式其实是有悖于现实协议制定情况的，故融合了TCP/IP标准模型和OSI模型的TCP/IP对等模型被提出，后面的讲解也都将基于这种模型。

因为OSI协议栈比较复杂，且TCP和IP两大协议在业界被广泛使用，所以TCP/IP参考模型成为了互联网的主流参考模型。

2.2.3 分层模型的概念的好处

不论是OSI参考模型还是TCP/IP参考模型，都采用了分层的设计理念。

各个层次之间分工、界限明确，有助于各个部件的开发、设计和故障排除

通过定义在模型的每一层实现什么功能，鼓励产业的标准化

通过提供接口的方式，使得各种类型的网络硬件和软件能够相互通信，提高兼容性

2.2.4 TCP/IP常见协议

2.2.4.1 应用层

HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议）：用来访问在网页服务器上的各种页面。

FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）：为文件传输提供了途径，它允许数据从一台主机传送到另一台主机上。

DNS（Domain Name Service，域名称解析服务）：用于实现从主机域名到IP地址之间的转换。

2.2.4.2 传输层

TCP （Transmission Control Protocol，传输控制协议） ：为应用程序提供可靠的面向连接的通信服务。目前，许多流行的应用程序都使用TCP。

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）：提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性的保证。

2.2.4.3 网络层

IP（Internet Protocol，互联网协议）：将传输层的数据封装成数据包并完成源站点到目的站点的转发，提供无连接的、不可靠的服务。

IGMP（Internet Group Management Protocol，因特网组管理协议）：负责IP组播成员管理的协议。它用来在IP主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系。

ICMP（Internet Control Message Protocol，网际报文控制协议）：基于IP协议在网络中发送控制消息，提供可能发生在通信环境中的各种问题反馈。通过这些信息，使管理者可以对所发生的问题作出诊断，然后采取适当的措施解决。

2.2.4.4 数据链路层

PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）：一种点对点模式的数据链路层协议，多用于广域网。

Ethernet( 以太网协议 )：一种多路访问广播型数据链路层协议，是当前应用最为广泛的局域网技术。

PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet，以太网承载PPP协议）：PPPoE提供通过简单桥接访问设备（接入设备）把一个网络的多个主机连接到远程访问集中器的功能。常见的应用有家庭宽带拨号上网。

2.2.5 常见协议标准化组织

IETF(Internet Engineering Task Force):负责开发和推广互联网协议（特别是构成TCP/IP协议族的协议）的志愿组织，通过RFC发布新的或者取代老的协议标准。

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)：IEEE制定了全世界电子、电气和计算机科学领域30%左右的标准，比较知名的有IEEE802.3(Ethernet)、IEEE802.11(WiFi)等。

ISO(International Organization for Standardization):在制定计算机网络标准方面，ISO是起着重大作用的国际组织，如OSI模型，定义于ISO/IEC 7498-1。

TCP/IP每一层都让数据得以通过网络进行传输，这些层之间使用PDU（Packet Data Unit，协议数据单元）彼此交换信息，确保网络设备之间能够通信。

不同层的PDU中包含有不同的信息，因此PDU在不同层被赋予了不同的名称。

2.2.6 应用层

应用层为应用软件提供接口，使应用程序能够使用网络服务。应用层协议会指定使用相应的传输层协议，以及传输层所使用的端口等。

TCP/IP每一层都让数据得以通过网络进行传输，这些层之间使用PDU（Packet Data Unit，协议数据单元）彼此交换信息，确保网络设备之间能够通信。

应用层的PDU被称为Data（数据）。

常见协议	说明
HTTP	80 (TCP)超文本传输协议，提供浏览网页服务
Telnet	23 (TCP)远程登陆协议，提供远程管理服务
FTP	20、21 (TCP)文件传输协议，提供互联网文件资源共享服务
SMTP	25 (TCP)简单邮件传输协议，提供互联网电子邮件服务
TFTP	69 (UDP)简单文件传输协议，提供简单的文件传输服务

2.2.6.1 FTP

FTP（File Transfer Protocol）是一个用于从一台主机传送文件到另一台主机的协议，用于文件的“下载”和“上传”，它采用C/S（Client/Server）结构。

FTP客户端：提供本地设备对远程服务器的文件进行操作的命令。用户在PC上通过应用程序作为FTP Client，并与FTP服务器建立连接后，可以对FTP Server上的文件进行操作。

FTP服务器：运行FTP服务的设备。提供远程客户端访问和操作的功能，用户可以通过FTP客户端程序登录到服务器上，访问设备上的文件。

2.2.6.2 Telnet

Telnet是数据网络中提供远程登录服务的标准协议。 Telnet为用户提供了在本地计算机上完成远程设备工作的能力。

用户通过Telnet客户端程序连接到Telnet服务器。用户在Telnet客户端中输入命令，这些命令会在服务器端运行，就像直接在服务端的控制台上输入一样。

2.2.6.3 HTTP

HTTP（HyperText Transfer Protocol）是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。设计HTTP最初的目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法。

2.2.7 传输层

传输层协议接收来自应用层协议的数据，封装上相应的传输层头部，帮助其建立“端到端”（Port to Port）的连接。

传输层的PDU被称为Segment（段）。

TCP：一种面向连接的、可靠的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。

UDP：一种简单的无连接的传输层协议，由IETF的RFC 768定义。

2.2.7.1 TCP和UDP – 报文格式

TCP报文头部：

1. Source Port：源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
2. Destination Port：目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
3. Sequence Number：序号字段。TCP链接中传输的数据流每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送数据的第一个字节的序号。长度为32比特。
4. Acknowledgment Number：确认序列号，是期望收到对方下一个报文段数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收到的数据段的最后一个字节数据的序号加1。只有Ack标识为1，此字段有效。长度为32比特。
5. Header Length：头部长度，指出TCP报文头部长度，以32比特（4字节）为计算单位。若无选项内容，则该字段为5，即头部为20字节。
6. Reserved：保留，必须填0。长度为6比特。
7. Control bits：控制位，包含FIN、ACK、SYN等标志位，代表不同状态下的TCP数据段。
8. Window：窗口TCP的流量控制，这个值表明当前接收端可接受的最大的数据总数（以字节为单位）。窗口最大为65535字节。长度为16比特。
9. Checksum：校验字段，是一个强制性的字段，由发端计算和存储，并由收端进行验证。在计算检验和时，要包括TCP头部和TCP数据，同时在TCP报文段的前面加上12字节的伪头部。长度为16比特。
10. Urgent:紧急指针，只有当URG标志置1时紧急指针才有效。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。长度为16比特。
11. Options：选项字段（可选），长度为0-40字节。

UDP报文头部：

1. Source Port:源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
2. Destination Port:目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
3. Length:该字段指定UDP报头和数据总共占用的长度。可能的最小长度是8字节，因为UDP报头已经占用了8字节。由于这个字段的存在，UDP报文总长不可能超过65535字节（包括8字节的报头，和65527字节的数据）。
4. Checksum:覆盖UDP头部和UDP数据的校验和，长度为16比特。

2.2.7.2 TCP和UDP – 端口号

客户端使用的源端口一般随机分配，目标端口则由服务器的应用指定；

源端口号一般为系统中未使用的，且大于1023；

目的端口号为服务端开启的应用（服务）所侦听的端口，如HTTP缺省使用80。

2.2.7.3 TCP的建立 - 三次握手

任何基于TCP的应用，在发送数据之前，都需要由TCP进行“三次握手”建立连接。

TCP连接建立的详细过程如下：

1. 由TCP连接发起方（图中PC1），发送第一个SYN位置1的TCP报文。初始序列号a为一个随机生成的数字，因为没收到过来自PC2的任何报文，所以确认序列号为0 ；
2. 接收方（图中PC2）接收到合法的SYN报文之后，回复一个SYN和ACK置1的TCP报文。初始序列号b为一个随机生成的数字，同时因为此报文是回复给PC1的报文，所以确认序列号为a+1；
3. PC1接收到PC2发送的SYN和ACK置位的TCP报文后，回复一个ACK置位的报文，此时序列号为a+1,确认序列号为b+1。PC2收到之后，TCP双向连接建立。

2.2.7.4 TCP的序列号与确认序列号

TCP使用序列号和确认序列号字段实现数据的可靠和有序传输。

假设PC1要给PC2发送一段数据，传输过程如下：

1. PC1将全部待TCP发送的数据按照字节为单位编上号。假设第一个字节的编号为“a+1”，第二个字节的序号为“a+2”，依次类推。
2. PC1会把每一段数据的第一个字节的编号作为序列号（Sequence number），然后将TCP报文发送出去。
3. PC2在收到PC1发送来的TCP报文后，需要给予确认同时请求下一段数据，如何确定下一段数据呢？序列号( a+1 )+载荷长度=下一段数据的第一个字节的序号（a+1+12）
4. PC1在收到PC2发送的TCP报文之后，发现确认序列号为“a+1+12” ，说明“a+1”到“a+12”这一段的数据已经被接受，需要从“a+1+12”开始发送。

为了提升发送效率，也可以一次性发送多段数据，由接收方统一确认。

2.2.7.5 TCP的窗口滑动机制

TCP通过滑动窗口机制来控制数据的传输速率。

1. 在TCP三次握手建立连接时，双方都会通过Window字段告诉对方本端最大能够接受的字节数（也就是缓冲区大小）。
2. 连接建立成功之后，发送方会根据接受方宣告的Window大小发送相应字节数的数据。
3. 接受方接受到数据之后会放在缓冲区内，等待上层应用来取走缓冲的数据。若数据被上层取走，则相应的缓冲空间将被释放。
4. 接收方根据自身的缓存空间大小通告当前的可以接受的数据大小( Window )。
5. 发送方根据接收方当前的Window大小发送相应数量的数据。

2.2.7.6 TCP的关闭 - 四次挥手

当数据传输完成，TCP需要通过“四次挥手”机制断开TCP连接，释放系统资源。

TCP支持全双工模式传输数据，这意味着同一时刻两个方向都可以进行数据的传输。在传输数据之前，TCP通过三次握手建立的实际上是两个方向的连接，因此在传输完毕后，两个方向的连接必须都关闭。如图所示：

1. 由PC1发出一个FIN字段置”1 ”的不带数据的TCP段；
2. PC2收到PC1发来的FIN置位的TCP报文后，会回复一个ACK置位的TCP报文。
3. 若PC2也没有需要发送的数据，则直接发送FIN置位的TCP报文。假设此时PC2还有数据要发送，那么当PC2发送完这些数据之后会发送一个FIN置位的TCP报文去关闭连接。
4. PC1收到FIN置位的TCP报文，回复ACK报文，TCP双向连接断开。

2.2.8 网络层

传输层负责建立主机之间进程与进程之间的连接，而网络层则负责数据从一台主机到另外一台主机之间的传递。

网络层的PDU被称为Packet（包）。

网络层也叫Internet层：负责将分组报文从源主机发送到目的主机 。

网络层作用

1. 为网络中的设备提供逻辑地址。
2. 负责数据包的寻径和转发。

常见协议如IPv4，IPv6、ICMP，IGMP等。

2.2.8.1 网络层协议工作过程

当采用IP作为网络层协议时，通信的双方都会被分配到一个“独一无二”的IP地址来标识自己。

IP地址可被写成32位的二进制整数值形式，但为了方便人们阅读和分析，它通常被写成点分十进制的形式，即四个字节被分开用十进制表示，中间用点分隔，比如192.168.1.1。

IP数据包的封装与转发：

1、网络层收到上层（如传输层）协议传来的数据时候，会封装一个IP报文头部，并且把源和目的IP地址都添加到该头部中。

2、中间经过的网络设备（如路由器），会维护一张指导IP报文转发的“地图”——路由表，通过读取IP数据包的目的地址，查找本地路由表后转发IP数据包。

3、IP数据包最终到达目的主机，目的主机通过读取目的IP地址确定是否接受并做下一步处理。

除了IP协议外，网络层中还有如OSPF、IS-IS、BGP等各种路由协议帮助路由器建立路由表，ICMP帮忙进行网络的控制和状态诊断。

2.2.9 数据链路层

数据链路层位于网络层和物理层之间，可以向网络层的IP、IPv6等协议提供服务。数据链路层的PDU被称为Frame（帧）。

以太网（Ethernet）是最常见的数据链路层协议。

数据链路层位于网络层和物理层之间：

1. 数据链路层向网络层提供“段内通信”。
2. 负责组帧、物理编址、差错控制等功能。

常见的数据链路层协议有：以太网、PPPoE、PPP等

2.2.9.1 以太网

以太网是一种广播式数据链路层协议，支持多点接入。

个人电脑的网络接口遵循的就是以太网标准。

一般情况下，一个广播域对应着一个IP网段。

2.2.9.2 MAC地址

MAC (Media Access Control)地址在网络中唯一标识一个网卡，每个网卡都需要且会有唯一的一个MAC地址。

MAC用于在一个IP网段内，寻址找到具体的物理设备。

工作在数据链路层的设备。例如以太网交换机，会维护一张MAC地址表，用于指导数据帧转发。

2.2.9.3 地址解析协议 (ARP)

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是根据IP地址获取数据链路层地址的一个TCP/IP协议。

ARP是IPv4中必不可少的一种协议，它的主要功能是：

1. 将IP地址解析为MAC地址；
2. 维护IP地址与MAC地址的映射关系的缓存，即ARP表项；
3. 实现网段内重复IP地址的检测。

2.2.9.3.1 ARP的工作原理

网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache）。ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。

1、在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。

如果缓存表中存在对方设备的ARP表项，则直接采用该表项中的MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。

如果缓存表中不存在相应信息，则通过发送ARP Request报文来获得它。

学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内（缺省：180s），设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了这段有效期，ARP表项会被自动删除。

如果目标设备位于其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址。然后将数据发送给网关。最后网关再把数据转发给目的设备。

2、主机1的ARP缓存表中不存在主机2的MAC地址，所以主机1会发送ARP Request来获取目的MAC地址。

ARP Request报文封装在以太帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机1的MAC地址。此时，由于主机1不知道主机2的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。

ARP Request报文中包含发送端MAC地址、发送端IP地址、目的端MAC地址、目的端IP地址，其中目的端MAC地址的值为0。ARP Request报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接收到此ARP Request报文。

3、ARP Request是广播数据帧，因此交换机收到后，会对该帧执行泛洪操作。

4、所有的主机接收到该ARP Request报文后，都会检查它的目的端IP地址字段与自身的IP地址是否匹配。

如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP Request报文。

如果匹配，则该主机会将ARP请求报文中的发送端MAC地址和发送端IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行响应。

主机2发现IP地址匹配，则会将ARP报文中的发送端MAC地址和发送端IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中。主机2会向主机1回应ARP Reply报文。

ARP Reply报文中的发送端IP地址是主机2自己的IP地址，目的端IP地址是主机1的IP地址，

目的端MAC地址是主机1的MAC地址，发送端MAC地址是自己的MAC地址，同时操作类型被设置为Reply。

ARP Reply报文通过单播传送。

5、主机1收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的端IP地址字段与自身的IP地址是否匹配。如果匹配，ARP报文中的发送端MAC地址和发送端IP地址会被记录到主机1的ARP缓存表中。

2.2.10 物理层

数据到达物理层之后，物理层会根据物理介质的不同，将数字信号转换成光信号、电信号或者是电磁波信号。

物理层的PDU被称为比特流（Bitstream）。

理层位于模型的最底层：

负责比特流在介质上的传输。

规范了线缆、针脚、电压、接口等物理特性规范。

常见的传输介质有：双绞线、光纤、电磁波等。

2.2.10.1 常见传输介质

双绞线：

当今以太网最常见的传输介质，按照抗电磁干扰能力还可以分为：

STP-屏蔽双绞线

UTP-非屏蔽双绞线

光纤传输，按照功能部件可分为：

光纤：光传输介质，简单的说，就是一根玻璃纤维，用于约束光传输的通道。

光模块：将电信号与光信号互转的器件，产生光信号。

串口电缆在WAN（Wide Area Network，广域网）中大规模使用，根据WAN线路类型不同，串口电缆在设备上连接的接口类型也不同：异/同步串口、ATM接口、POS接口、CE1/PRI接口等。

无线信号的传输可以通过电磁波进行，例如：无线路由器将数据通过调制以电磁波发送出去，移动终端的无线网卡将电磁波解调，得到数据，完成从无线路由器到移动终端的数据传输。

2.2.11 数据通信过程

2.2.11.1 发送方数据封装

假设你正在通过网页浏览器访问华为官网，当你输入完网址，敲下回车后，计算机内部会发生下列事情：

1. IE浏览器(应用程序)调用HTTP(应用层协议)，完成应用层数据的封装(图中DATA还应包括HTTP头部，此处省略) 。
2. HTTP依靠传输层的TCP进行数据的可靠性传输，将封装好的数据传递到TCP模块。
3. TCP模块给应用层传递下来的Data添加上相应的TCP头部信息(源端口、目的端口等)。此时的PDU被称作Segment(段)。
4. 在IPv4网络中，TCP模块会将封装好的Segment传递给网络层的IPv4模块(若在IPv6环境，会交给IPv6模块进行处理)。
5. IPv4模块在收到TCP模块传递来的Segment之后，完成IPv4头部的封装，此时的PDU被称为Packet(包)。
6. 由于使用了Ethernet作为数据链路层协议，故在IPv4模块完成封装之后，会将Packet交由数据链路层的Ethernet模块(例如以太网卡)处理。
7. Ethernet模块在收到IPv4模块传递来的Packet之后，添加上相应的Ethernet头部信息和FCS帧尾，此时的PDU被称为Frame(帧)。
8. 在Ethernet模块封装完毕之后，会将数据传递到物理层。
9. 根据物理介质的不同，物理层负责将数字信号转换成电信号，光信号，电磁波(无线)信号等。
10. 转换完成的信号在网络中开始传递。

2.2.11.2 中间网络数据传输

一般情况下：

网络中的二层设备（如以太网交换机）只会解封装数据的二层头部，根据二层头部的信息进行相应的“交换”操作。

网络中的三层设备（如路由器）只会解封装到三层头部，并且根据三层头部的信息进行相应的“路由”操作。

注：“交换”和“路由”的详细细节和原则，将会在后面的课程中详细介绍。

2.2.11.3 接收方数据解封装

经过中间网络传递之后，数据最终到达目的服务器。根据不同的协议头部的信息，数据将被一层层的解封装并做相应的处理和传递，最终交由WEB服务器上的应用程序进行处理。