第一章：网络参考模型

一、专业术语

ISO---（International Organization for Standardization）国际标准化组织

OSI---（Open System Interconnection Reference Model）开放式系统互联通信参考模型

IEEE---(Institute of Electrical and Electronics Engineers)电气与电子工程师协会

IETF---(Internet Engineering Task Force)互联网工程师任务组

Telnet---远程登录

FTP---（file transfer protocol）文件传输协议

TFTP---（trivial file transfer protocol）简单文件传输协议

SNMP---（simple network management protocol）简单网络管理协议

HTTP---（hyper text transfer protocol）超文本传输协议 HTTP：明文传输 HTTPS：加密功能

SMTP---（simple network management protocol）简单邮件传输协议

DNS---（domain name system）域名系统

DHCP---（dynamic host configuration protocol）动态主机配置协议

TCP---（transmission control protocol）传输控制协议

UDP---（user datagram protoclo）用户数据包协议

PDU---（protocol data unit）协议数据单元

TCP/IP---（transmission control protocol/Internet protocol）传输控制协议/网际协议

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二、为什么要有OSI

没有OSI：1.是一个整体 2.不兼容3.不利于开发和排错

ISO推出了OSI：1.不是一个整体（分层）2.兼容3.有利于开发和排错

三、OSI模型与TCP/IP模型

1. OSI参考模型

ISO国际标准组织所定义的开放系统互连七层模型的定义和各层功能。

优点：将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来

注意：可以通过All People Seems To  need Data Process来记忆这7层的位置

2.TCP/IP参考模型

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。

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1）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。

应用层的PDU被称为Data（数据）。

端口号 - 23是端口号，服务器端是有很多端口的，每个应用程序对应一个端口号，通过类似门牌号的端口号，客户端才能真正的访问到该服务器。为了对端口进行区分，将每个端口进行了编号，这就是端口号。

常见应用层协议 - Telnet：数据网络中提供远程登录服务的标准协议。

常见应用层协议 - FTP（File Transfer Protocol）：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。

常见应用层协议 - HTTP（HyperText Transfer Protocol)：互联网上应用最为广泛的一种网络协议。

2）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和UDP – 报文格式

Source Port：源端口，标识哪个应用程序发送。长度为16比特。

Destination Port：目的端口，标识哪个应用程序接收。长度为16比特。

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。

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。

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。

Reserved：保留，必须填0。长度为6比特。

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。

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。

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。

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：

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 ；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

注意：TCP与UDP的比较

总结：语音流 视频流对时延要求高 用UDP 

          要传输可靠的 HTTP 邮件用 TCP

3）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）。

网络层协议工作过程：

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。

IP协议工作时，需要如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。

4）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。

以太网与MAC地址

MAC地址由48比特（6个字节）长，12位的16进制数字组成。例如：48-A4-72-1C-8F-4F

ARP（Address Resolution Protocol）地址解析协议：

根据IP地址获取数据链路层地址的一个TCP/IP协议。

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主要功能：

将IP地址解析为MAC地址；

维护IP地址与MAC地址的映射关系的缓存，即ARP表项；

实现网段内重复IP地址的检测。

ARP的工作原理 ：

Step 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MAC地址，则直接采用该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ARP来获取。

Step 2：主机1通过发送ARP Request报文来获取主机2的MAC地址。由于不知道目的MAC地址，因此ARP Request报文内的目的端MAC地址为0。

Step 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。

Step 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。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。

Step 5：主机2通过发送ARP Reply报文来响应主机1的请求。此时主机2已知主机1的MAC地址，因此ARP Reply是单播数据帧。

Step 6：交换机收到该单播数据帧后，会对该帧执行转发操作。

Step 7：主机1收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的端IP地址字段是否与自己的IP地址匹配。如果匹配，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。

5）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）。

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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。

四、封装与解封装

1.PDU（Protocol Data Unit）协议数据单元：指对等层次之间传递的数据单位。

2.各层的设备

重点掌握：

路由器（Router）：是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络间起网关的作用。

交换机（Switch）：意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。

3.数据通信过程

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1）发送方数据封装

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。

3）接收方数据解封装

 

五、真题

1.OSI参考模型从高层到底层分别为（）

A、应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

B、应用层 会话层 表示层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

C、应用层 表示层 会话层 网络层 传输层 数据链路层 物理层

D、应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

试题答案：D

试题解析：考察OSI七层模型：应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层，本题选D。

2.DNS协议的主要作用是（）

A、域名解析

B、文件传输

C、远程接入

D、邮件传输协议

试题答案：A

试题解析：答案A为DNS的主要作用、答案B为FTP和TFTP的作用、答案C为telnet的作用、答案C为SMTP的作用。

 

3.关于OSI参考模型中网络层的功能说法正确的是？

A、在设备之间传输比特流规定了电平、速度和电缆针脚

B、OSI参考模型中最靠近用户的那一层，为应用程序提供网络服务

C、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

D、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

E、提供逻辑寻址，实现数据从源到目的地的转发

4.应用层数据经过数据链路层处理后称为？

A、segment

B、PDU

C、Frame

D、Packet

试题答案：[[‘C']]

试题解析：物理层的PDU为bit，数据链路层为frame，传输层为segment

传输层：segment 段 网络层 packet 包 数据链路层：帧 物理层：位Bit

5.Telnet基于TCP协议。

A、对

B、错

试题答案：A

试题解析：telnet是基于传输层的TCP协议工作的，其端口号为23，答案选对。