计算机网络基础篇

---

引言

先来讲讲我自身的感受，偶然看到知乎上一位刚入学的学生问如何学习计算机网络这门课，我毕业多年，依稀还能记得这门课确实挺枯燥，因为没有什么实践，都停留在理论阶段，兹认为一旦实践，就是网络安全的实验课了。

对于一个软件开发者而言，接触的最频繁的莫过于网络请求，停留在代码阶段。当产品交付时，移交给运维人员，产品即刻由于写代码的疏忽，各种漏洞被人攻击，树大就招风，末笑笑自己未见。

网络安全是个学科，网络的基础也多而复杂，慢慢，慢慢靠近并揭开它无趣的面纱。

一、OSI七层协议模型、TCP/IP四层模型学习笔记

1. OSI七层和TCP/IP四层的关系

开放系统互连参考模型 (Open System Interconnect 简称OSI）

OSI七层模型图云盘链接 密码：1fm4

1.1 OSI引入了服务、接口、协议、分层的概念，TCP/IP借鉴了OSI的这些概念建立TCP/IP模型。

1.2 OSI先有模型，后有协议，先有标准，后进行实践；而TCP/IP则相反，先有协议和应用再提出了模型，且是参照的OSI模型。

1.3 OSI是一种理论下的模型，而TCP/IP已被广泛使用，成为网络互联事实上的标准。

TCP：transmission control protocol 传输控制协议

UDP：user data protocol 用户数据报协议

OSI七层网络模型	TCP/IP四层概念模型	对应网络协议
应用层（Application）	应用层	HTTP、TFTP,、FTP、 NFS、 WAIS、SMTP
表示层（Presentation）	应用层	Telnet、 Rlogin、 SNMP、Gopher
会话层（Session）	应用层	SMTP、 DNS
传输层（Transport）	传输层	TCP、UDP
网络层（Network）	网络层	IP, ICMP, ARP, RARP, AKP, UUCP
数据链路层（Data Link）	数据链路层	FDDI, Ethernet, Arpanet, PDN, SLIP, PPP
物理层（Physical）	数据链路层	IEEE 802.1A, IEEE 802.2到IEEE 802.11

2. OSI七层协议模型

七层结构记忆方法：应、表、会、传、网、数、物

应用层协议需要掌握的是：HTTP（Hyper text transfer protocol）、FTP（file transfer protocol）、SMTP（simple mail transfer protocol）、POP3（post office protocol 3）、IMAP4（Internet mail access protocol）

3. TCP/IP四层模型

3.1 应用层：对应OSI中的应用层、表示层、会话层

3.2 物理链路层：对应OSI中的数据链路层、物理层（也有叫网络接口层）

3.3 数据包说明：

IP层传输单位是IP分组，属于点到点的传输；TCP层传输单位是TCP段，属于端到端的传输

二、OSI参考模型

OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层网络模型称为开放式系统互联参考模型 ，是一个逻辑上的定义，一个规范，它把网络从逻辑上分为了7层。每一层都有相关、相对应的物理设备，比如路由器，交换机。OSI 七层模型是一种框架性的设计方法 ，建立七层模型的主要目的是为解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来，通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯。

1．物理层（Physical Layer）

物理层定义了所有电子及物理设备的规范。其中特别定义了设备与物理媒介之间的关系，这包括了针脚、电压、线缆规范、集线器、中继器、网卡、主机适配器（在SAN中使用的主机适配器）以及其他的设备的设计定义。因为物理层传送的是原始的比特数据流，即设计的目的是为了保证当发送时的信号为二进制“1”时，对方接收到的也是二进制“1”而不是二进制“0”。因而就需要定义哪个设备有几个针脚，其中哪个针脚发送的多少电压代表二进制“1”或二进制“0”，还有例如一个bit需要持续几微秒，传输信号是否在双向上同时进行，最初的连接如何创建和最终如何终止等问题。

为了更好理解物理层与数据链路层之间的区别，可以把物理层认为是主要的，是与某个单一设备与传输媒介之间的交互有关，而数据链路层则更多地关注使用同一个通讯媒介的多个设备（例如，至少两个设备）之间的互动。物理层的作用是告诉某个设备如何传送信号至一个通讯媒介，以及另外一个设备如何接收这个信号（大多数情况下它并不会告诉设备如何与通讯媒介相连接）。有些过时的物理层标准如RS-232倒是的确使用物理线缆来控制通讯媒介的接入。

物理层的主要功能和提供的服务如下：

在设备与传输媒介之间创建及终止连接。
参与通讯过程使得资源可以在共享的多用户中有效分配。例如，冲突解决机制和流量控制。
对信号进行调制或转换使得用户设备中的数字信号定义能与信道上实际传送的数字信号相匹配。这些信号可以经由物理线缆（例如铜缆和光缆）或是无线信道传送。

2.数据链路层（Datalink Layer）

数据链路层（Data Link Layer）是OSI模型的第二层，负责建立和管理节点间的链路。该层的主要功能是：通过各种控制协议，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。

在计算机网络中由于各种干扰的存在，物理链路是不可靠的。因此，这一层的主要功能是在物理层提供的比特流的基础上，通过差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路，即提供可靠的通过物理介质传输数据的方法。

该层通常又被分为介质访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）两个子层。

MAC子层的主要任务是解决共享型网络中多用户对信道竞争的问题，完成网络介质的访问控制；

LLC子层的主要任务是建立和维护网络连接，执行差错校验、流量控制和链路控制。
数据链路层的具体工作是接收来自物理层的位流形式的数据，并封装成帧，传送到上一层；同样，也将来自上层的数据帧，拆装为位流形式的数据转发到物理层；并且，还负责处理接收端发回的确认帧的信息，以便提供可靠的数据传输。

3．网络层（Network Layer）

网络层（Network Layer）是OSI模型的第三层，它是OSI参考模型中最复杂的一层，也是通信子网的最高一层。它在下两层的基础上向资源子网提供服务。其主要任务是：通过路由选择算法，为报文或分组通过通信子网选择最适当的路径。该层控制数据链路层与传输层之间的信息转发，建立、维持和终止网络的连接。具体地说，数据链路层的数据在这一层被转换为数据包，然后通过路径选择、分段组合、顺序、进/出路由等控制，将信息从一个网络设备传送到另一个网络设备。

一般地，数据链路层是解决同一网络内节点之间的通信，而网络层主要解决不同子网间的通信.例如在广域网之间通信时，必然会遇到路由（即两节点间可能有多条路径）选择问题。

在实现网络层功能时，需要解决的主要问题如下：

寻址：数据链路层中使用的物理地址（如MAC地址）仅解决网络内部的寻址问题。在不同子网之间通信时，为了识别和找到网络中的设备，每一子网中的设备都会被分配一个唯一的地址。由于各子网使用的物理技术可能不同，因此这个地址应当是逻辑地址（如IP地址）。

交换：规定不同的信息交换方式。常见的交换技术有：线路交换技术和存储转发技术，后者又包括报文交换技术和分组交换技术。

路由算法：当源节点和目的节点之间存在多条路径时，本层可以根据路由算法，通过网络为数据分组选择最佳路径，并将信息从最合适的路径由发送端传送到接收端。

连接服务：与数据链路层流量控制不同的是，前者控制的是网络相邻节点间的流量，后者控制的是从源节点到目的节点间的流量。其目的在于防止阻塞，并进行差错检测。

4．传输层（Transport Layer）

O S I 模型中最重要的一层。传输协议同时进行流量控制或是基于接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。除此之外，传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割。例如，以太网无法接收大于1 5 0 0 字节的数据包。发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片，同时对每一数据片安排一序列号，以便数据到达接收方节点的传输层时，能以正确的顺序重组。该过程即被称为排序。工作在传输层的一种服务是 T C P / I P 协议套中的T C P （传输控制协议），另一项传输层服务是I P X / S P X 协议集的S P X （序列包交换）。

5．会话层（Session Layer）

负责在网络中的两节点之间建立、维持和终止通信。 会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。

你可能常常听到有人把会话层称作网络通信的“交通警察”。当通过拨号向你的 ISP （因特网服务提供商）请求连接到因特网时，ISP 服务器上的会话层向你与你的 PC 客户机上的会话层进行协商连接。若你的电话线偶然从墙上插孔脱落时，你终端机上的会话层将检测到连接中断并重新发起连接。会话层通过决定节点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限

6．表示层（Presentation Layer）

应用程序和网络之间的翻译官，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理。例如：在 Internet上查询你银行账户，使用的即是一种安全连接。你的账户数据在发送前被加密，在网络的另一端，表示层将对接收到的数据解密。除此之外，表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。

7．应用层（Application Layer）

应用层（Application Layer）是OSI参考模型的最高层，它是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口，其功能是直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。它在其他6层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外，该层还负责协调各个应用程序间的工作。

应用层为用户提供的服务和协议有：文件服务、目录服务、文件传输服务（FTP）、远程登录服务（Telnet）、电子邮件服务（E-mail）、打印服务、安全服务、网络管理服务、数据库服务等。上述的各种网络服务由该层的不同应用协议和程序完成，不同的网络操作系统之间在功能、界面、实现技术、对硬件的支持、安全可靠性以及具有的各种应用程序接口等各个方面的差异是很大的。

应用层的主要功能如下：
用户接口：应用层是用户与网络，以及应用程序与网络间的直接接口，使得用户能够与网络进行交互式联系。
实现各种服务：该层具有的各种应用程序可以完成和实现用户请求的各种服务。

三、TCP/IP的5层模型

相比于OSI的七层模型，更常用的是TCP/IP的5层模型。TCP/IP的5层模型是将ISO的七层模型的应用层、表示层、会话层合并为应用层，得到如下图所示的五层模型:

TCP/IP通信的三次握手、四次挥手

三次握手：

第一次握手：客户端发送syn包(syn=x)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；

第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=x+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=y），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=y+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。

四次挥手

第一次挥手：主动关闭方发送一个FIN，用来关闭主动方到被动关闭方的数据传送，也就是主动关闭方告诉被动关闭方：我已经不会再给你发数据了(当然，在fin包之前发送出去的数据，如果没有收到对应的ack确认报文，主动关闭方依然会重发这些数据)，但是，此时主动关闭方还可以接受数据。

第二次挥手：被动关闭方收到FIN包后，发送一个ACK给对方，确认序号为收到序号+1（与SYN相同，一个FIN占用一个序号）。

第三次挥手：被动关闭方发送一个FIN，用来关闭被动关闭方到主动关闭方的数据传送，也就是告诉主动关闭方，我的数据也发送完了，不会再给你发数据了。

第四次挥手：主动关闭方收到FIN后，发送一个ACK给被动关闭方，确认序号为收到序号+1，至此，完成四次挥手。

四、了解交换机、路由器、网关的概念，并知道各自的用途

1.交换机

在计算机网络系统中，交换机是针对共享工作模式的弱点而推出的。交换机拥有一条高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，当控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口。目的MAC若不存在，交换机才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。

交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过ARP协议学习它的MAC地址，保存成一张ARP表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。

交换机被广泛应用于二层网络交换，俗称“二层交换机”。

交换机的种类有：二层交换机、三层交换机、四层交换机、七层交换机分别工作在OSI七层模型中的第二层、第三层、第四层和第七层，并因此而得名。

2.路由器

路由器（Router）是一种计算机网络设备，提供了路由与转送两种重要机制，可以决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径（host到host之间的传输路径），这个过程称为路由；将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端(在路由器内部进行)，这称为转送。路由工作在OSI模型的第三层——即网络层，例如网际协议。

路由器的一个作用是连通不同的网络，另一个作用是选择信息传送的线路。 路由器与交换机的差别，路由器是属于OSI第三层的产品，交换机是OSI第二层的产品(这里特指二层交换机)。

3.网关

网关（Gateway），网关顾名思义就是连接两个网络的设备，区别于路由器（由于历史的原因，许多有关TCP/IP的文献曾经把网络层使用的路由器（Router）称为网关，在今天很多局域网采用都是路由来接入网络，因此现在通常指的网关就是路由器的IP），经常在家庭中或者小型企业网络中使用，用于连接局域网和Internet。 网关也经常指把一种协议转成另一种协议的设备，比如语音网关。

在传统TCP/IP术语中，网络设备只分成两种，一种为网关（gateway），另一种为主机（host）。网关能在网络间转递数据包，但主机不能转送数据包。在主机（又称终端系统，end system）中，数据包需经过TCP/IP四层协议处理，但是在网关（又称中介系统，intermediate system）只需要到达网际层（Internet layer），决定路径之后就可以转送。在当时，网关（gateway）与路由器（router）还没有区别。

在现代网络术语中，网关（gateway）与路由器（router）的定义不同。网关（gateway）能在不同协议间移动数据，而路由器（router）是在不同网络间移动数据，相当于传统所说的IP网关（IP gateway）。

网关是连接两个网络的设备，对于语音网关来说，他可以连接PSTN网络和以太网，这就相当于VOIP，把不同电话中的模拟信号通过网关而转换成数字信号，而且加入协议再去传输。在到了接收端的时候再通过网关还原成模拟的电话信号，最后才能在电话机上听到。

对于以太网中的网关只能转发三层以上数据包，这一点和路由是一样的。而不同的是网关中并没有路由表，他只能按照预先设定的不同网段来进行转发。网关最重要的一点就是端口映射，子网内用户在外网看来只是外网的IP地址对应着不同的端口，这样看来就会保护子网内的用户。

4.初识路由表

路由表（routing table）或称路由择域信息库（ Routing Information Base），是一个存储在路由器或者联网计算机中的电子表格（文件）或类数据库。路由表存储着指向特定网络地址的路径（在有些情况下，还记录有路径的路由度量值）。路由表中含有网络周边的拓扑信息。路由表建立的主要目标是为了实现路由协议和静态路由选择。

路由表使用了和利用地图投递包裹相似的思想。只要网络上的一个节点需要发送数据给网络上的另一个节点，它就必须要知道把数据发送到哪。设备不可能直接连接到目的节点，它需要找到另一个方式去发送数据包。在局域网中，节点也不知道如何发送IP包到网关。将数据包发到正确的地址是一个复杂的任务，网关需要记录发送数据包的路径信息。路由表就存储着这样的路径信息，就如地图一样，是一个记录路径信息，并为需要这些信息的节点提供服务的数据库。

如下图所示为一张路由表：

路由表参数说明：

• Destination：目的网段

• mask：子网掩码

• interface：到达该目的地的本路由器的出口ip

• gateway：下一跳路由器入口的ip，路由器通过interface和gateway定义一条到下一个路由器的链路，通常情况下，interface和gateway是同一网段的

• metric：跳数，该条路由记录的质量，一般情况下，如果有多条到达相同目的地的路由记录，路由器会采用metric值小的那条路由

5.TCP、UDP和HTTP区别于联系

TCP/IP协议是一个协议簇，这个协议簇中包含了很多种协议，TCP、UDP和HTTP只是TCP/IP协议簇的成员。之所以命名为TCP/IP协议，因为TCP,IP协议是两个很重要的协议，就用他两命名了。

1)TCP/IP协议簇，大致可分为三个层次：网络层、传输层和应用层。
在网络层有IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议。
在传输层中有TCP协议与UDP协议。
在应用层有FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议。
HTTP也是一个协议，是从Web服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议。

2）HTTP协议是建立在请求/响应模型上的。首先由客户建立一条与服务器的TCP链接，并发送一个请求到服务器，请求中包含请求方法、URI、协议版本以及相关的MIME样式的消息。服务器响应一个状态行，包含消息的协议版本、一个成功和失败码以及相关的MIME式样的消息。
HTTP/1.0为每一次HTTP的请求/响应建立一条新的TCP链接，因此一个包含HTML内容和图片的页面将需要建立多次的短期的TCP链接。一次TCP链接的建立将需要3次握手。
另外，为了获得适当的传输速度，则需要TCP花费额外的回路链接时间（RTT）。每一次链接的建立需要这种经常性的开销，而其并不带有实际有用的数据，只是保证链接的可靠性，因此HTTP/1.1提出了可持续链接的实现方法。HTTP/1.1将只建立一次TCP的链接而重复地使用它传输一系列的请求/响应消息，因此减少了链接建立的次数和经常性的链接开销。

3）虽然HTTP本身是一个协议，但其最终还是基于TCP的。目前，有人正在研究基于TCP+UDP混合的HTTP协议。