计算机网络之五层协议

一：概述

计算机网络（网络）把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起，是网络的网络。因特网是世界上最大的互联网。

以小写字母i开始的internet(互联网或互连网)是通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议（通信规则）可以是任意的。

以大写字母I开始的Interent（因特网）是专有名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用的是TCP/IP协议族 作为通信规则，且其前身是美国的ARPANET。

因特网现在采用存储转发的分组交换技术，以及三层因特网服务提供者（ISP）结构。

因特网按工作方式可以划分为边缘部分和核心部分，主机在网络的边缘部分，作用是进行信息处理。路由器是在网络的核心部分，作用是：按存储转发方式进行分组交换。

计算机通信是计算机的进程（运行着的程序）之间的通信，计算机网络采用通信方式：客户–服务器方式和对等连接方式（P2P方式）

按作用范围不同，计算机网络分为：广域网WAN,城域网MAN，局域网LAN和个人区域网PAN。

五层协议的体系结构由：应用层，运输层，网络层，数据链路层和物理层。

<1>:应用层： 是体系结构中的最高层，应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。

<2>:运输层：任务是负责向两个主机中的进程之间的通信提供可靠的端到端服务，应用层利用该服务传送应用层报文。

TCP：提供面向连接的，可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段。

ＵDP：提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务，不保证数据传输的可靠性。

<3>网络层：网络层的任务就是要选择合适的路由，在发送数据时， 网络层把运输层产生的报文段或者用户数据报封装成分组或包进行交付给目的站的运输层。

<4>数据链路层：数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。

<5>:物理层：物理层的任务就是透明地传送比特流，物理层还要确定连接电缆插头的定义及连接法。

运输层最重要的协议是：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，而网络层最重要的协议是网络协议IP。

分组交换的优点：高效、灵活、迅速、可靠。

网络协议主要由三个要素组成：   （1）语法：即数据和控制信息的结构或者格式； （2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 （3）同步：即事件实现顺序的详细说明。

二：物理层

物理层的主要任务：描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性。

机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等，平时常见的各种规格的插件都有严格的标准化的规定。

电气特性：接口电缆上的各条线上出现的电压范围。

功能特性：某条线上出现的某一电平的点电压表示何种意义；

过程特性：指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序。

通信的目的是：传送消息，数据是运送消息的实体。信号是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表参数的取值方式不同。信号分为：模拟信号（连续无限）+数字信号（离散有限）。代表数字信号不同的离散数值的基本波形称为码元。

通信的双方信息交互的方式来看，有三中基本方式：

单向通信（广播）

双向交替通信（**半双工**_对讲机）

双向同时通信（全双工_电话）

调制：来自信源的信号常称为基带信号。其包含较多低频成分，较多信道不能传输低频分量或直流分量，需要对其进行调制。

调制分为两大类：基带调制（仅对波形转换，又称编码，D2D）+带通调制(基带信号频率范围搬移到较高频段，载波调制，D2M)。

编码方式：

不归零制（正电平1/负0）

归零制度（正脉冲1/负0）

曼彻斯特编码（位周期中心的向上跳变为0/下1）

差分曼彻斯特编码（每一位中心处有跳变，开始辩解有跳变为0，无跳变1）

带通调制方法： 调幅（AM）：(0, f1) 。调频（FM）：(f1, f2) 。调相（PM）：（0 ， 180度） 。

正交振幅调制（QAM）物理层下面的传输媒体（介质）：不属于任何一层。包括有：引导性传输媒体：双绞、同轴电缆、光缆 、非引导性传输媒体：短波、微波、红外线。

信道复用技术：频分复用：（一样的时间占有不不同资源） ；时分复用：（不同时间使用同样资源） ；统计时分复用、波分复用（WDM）、码分复用（CDM）。

宽带接入技术： 非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subcriber Line)（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）

三：数据链路层

数据链路层使用的信道有两种类型：*点对点(PPP)信道+广播*信道

点对点信道的数据链路层的协议数据单元--帧

数据链路层协议有许多，三个基本问题是共同的

封装成桢

透明传输

差错检测

局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路层（LLC）子层+媒体接入控制（MAC）子层；

适配器的作用：

计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器，适配器本来是主机箱内插入的一块网络接口板，又称网络接口卡，简称（网卡）。

以太网采用无连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认，目的站收到差错帧就丢掉。

以太网采用的协议是：具有冲突检测的载波监听多点接入(CSMA/CD)。协议的要点是：发送前先监听，边发送边监听，一旦发现总线出现了碰撞，就立即停止发送。

以太网的硬件地址，MAC地址实际上就是适配器地址或者适配器标识符。48位长， 以太网最短帧长：64字节。争用期51.2微秒。

以太网适配器有过滤功能：只接收单播帧，广播帧，多播帧。

使用集线器可以在物理层扩展以太网（半双工），使用网桥可以在数据链路层扩展以太网（半双工），网桥转发帧时，不改变帧的源地址。网桥优点：对帧进行转发过滤，增大吞吐量。扩大网络物理范围，提高可靠性，可互连不同物理层，不同MAC子层和不同速率的以太网。 网桥缺点：增加时延，可能产生广播风暴。

透明网桥：自学习办法处理接收到的帧。

四：网络层

TCP/IP体系中的网络层向上只提供简单灵活的、无连接，尽最大努力交付的数据报服务。网络层不提供服务质量的承诺，不保证分组交付的时限，进程之间的通信的可靠性由运输层负责。

一个IP地址在整个因特网范围内是唯一的，分类的IP地址包括A类（1~126）、B类（128~191）、C类（192~223单播地址）、D类（多播地址）。

分类的IP地址由网络号字段和主机号字段组成。

物理地址（硬件地址）是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址，数据链路层看不见数据报的IP地址。

IP首部中的生存时间段给出了IP数据报在因特网中经过的最大路由器数，可防止IP数据报在互联网中无限制的兜圈子。

地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol）把IP地址解析为硬件地址，它解决同一个局域网的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题，是一种解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位一个下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。如果目标主机不再同一链路上时，可以通过ARP查找下一跳路由器的MAC地址，不过ARP只适用于IPV4，不能用于IPV6，IPV6中可以用ICMPV6替代ARP发送邻居搜索消息。

路由选择协议有两大类：内部网关协议（RIP和OSPE）和外部网关协议（BGP-4）。

网际控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol ）控制报文协议。是IP层协议，ICMP报文作为IP数据报的数据，加上首部后组成IP数据报发送出去，使用ICMP并不是实现了可靠传输。ICMP允许主机或者路由器报告差错情况和提供有关异常的情况报告。

ICMP是一个重要应用是分组网间探测PING

与单播相比，在一对多的通信中，IP多播可大大节约网络资源， IP多播使用D类地址，IP多播需要使用网际组管理协议IGMP和多播路由选择协议。

五: 运输层

网络层为主机之间提供逻辑通信,运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。

运输层有两个协议TCP和UDP

运输层用一个16位端口号来标志一个端口。

UDP特点：无连接、尽最大努力交付、面向报文、无拥塞控制、支持一对一，多对一，一对多，多对多的交互通信。首部开销小。

TCP特点：面向连接，每一条TCP连接只能是点对点、提供可靠的交付服务，提供全双工通信、面向字节流。

TCP用主机的IP地址加上主机上的端口号作为TCP连接的端点，这样的端点就叫套接字。

流量控制是一个端到端的问题，是接收端抑制发送端发送数据的速率，以方便接收端来得及接收。拥塞控制是一个全局性过程，涉及到所有的主机，所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

TCP拥塞控制采用四种算法：慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复。

传输有三个连接：连接建立、数据传送、连接释放。

TCP连接建立采用三次握手机制，连接释放采用四次握手机制。

六:应用层

文件传送协议FTP使用TCP可靠传输服务。FTP使用客户服务器方式，一个FTP服务器进程可同时为多个客户进程提供服务。在进行文件传输时，FTP的客户和服务器之间要建立两个并行的TCP连接，控制连接和数据连接，实际用于传输文件的是数据连接。

万维网WWW是一个大规模，联机式的信息储藏所，可以方便从因特网上一个站点链接到另一个站点。

万维网使用统一资源定位符URL来标志万维网上的各种文档，并使每一个文档在整个因特网的范围内具有唯一的标识符URL。