1 计算机网络基本概念

计算机网络

@author : duanxxnj@163.com
@time : 2016-11-07

很多不同的厂家生产各种型号的计算机，它们运行完全不同的操作系统，并且很多嵌入式设备都没有操作系统，但TCP/IP协议族允许它们互相进行通信。

网络分层

网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。标准的网络分层OSI将网络分为了7层，而TCP/IP协议组将网络分为了5层。OSI和TCP/IP协议族的对应关系如下图所示。

从上图中也可很容易的看出，从传输层往上的网络层属于"Host Layers"，即这部分归操作系统管。而网络层往下，属于"Media Layers"，也就是说，这部分归网卡管理，这里的"Media"指的就是网卡。

上图中还可以看到一点：物理层的数据格式是：Bits，即比特流；数据链路层的数据格式是：Frames，即数据帧；网络层的数据格式是：Packets，即数据包；传输层的数据格式是:Segments，即数据段；应用层的数据格式是：Data，即我们做应用开发时所面对的数据。

由于OSI分层过于细化，所以从开发之初，就只是一个参考协议，并没有实际使用过。在实际中，我们所使用的都是TCP/IP协议族，往后所讲的所有的网络协议分层的方式，都是按照TCP/IP协议族来分层的。

最后，提供一个最为详细的分层及相关协议依赖说明：

物理层（Physical）

设备：网卡，网线，集线器，中继器，调制解调器

物理层的主要功能是：为数据端设备提供传送数据的通路，即利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。

物理层的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异，使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。

物理层定义了一些传输介质具有的特性，比如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

传输介质可以分为导向和非导向，无线即为非导向。

有一点需要明确，网络中由于各种干扰的存在，特别是无线网，非常容易受到电磁干扰，物理层提供的数据传输，是不可靠的！！！。

数据链路层（Data Link）

设备：网桥，交换机(二层)

一个设备工作在哪一层，关键看它工作时利用哪一层的数据头部信息。网桥工作时，是以MAC头部来决定转发端口的，因此显然它是数据链路层的设备。

它的主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。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。

数据链路层被分为介质访问控制（Media Access Control：MAC）和逻辑链路控制（Logical Link Control：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

数据链路层的作用总结：
1. 发送和接收IP数据报
2. 为ARP模块发送ARP请求和接收ARP协议
3. 为RARP发送RARP请求和接受RARP应答

网络层（Network）

设备：路由器

交换机和路由器的区别：交换机实际是一个基于网桥技术的多端口第二层网络设备，其内部核心处有一个交换矩阵，为任意两端口间的通信提供通路。它为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低时延、低开销的通路。而路由器是网络层的分组交换设备，路由器的基本功能是把IP报文传送到正确的网络。路由器主要的功能有：1、路由选择；2、网络连接；3、分隔子网。
生活中使用这两个设备的区别：交换机主要是实现大家通过一根网线上网，但是大家上网是分别拨号的，各自使用自己的宽带，大家各自上网没有影响，哪怕其他人在下载，对自己上网也没有影响，并且所有使用同一条交换机的电脑都是在同一个局域网内。路由器比交换机多了一个虚拟拨号功能，通过同一台路由器上网的电脑是共用一个宽带账号，大家之间上网是相互影响的，比如一台电脑在下载，那么同一个路由器上的其他电脑会很明显的感觉到网速很慢。同一台路由器上的电脑也是在一个局域网内的。
路由器和交换机主要区别如下：
1、路由器可以给你的局域网自动分配IP，虚拟拨号
2、交换机只是用来分配网络数据
3、路由器在网络层，路由器根据IP地址寻址，路由器可以处理TCP/IP协议
4、交换机在中继层，交换机根据MAC地址寻址，不可以处理TCP/IP协议
5、路由器可以把一个IP分配给很多个主机使用，让这些主机组成局域网，而这些主机对外只表现出一个IP。
6、交换机可以把很多主机连起来，这些主机对外各有各的IP。
7、路由器提供防火墙的服务，交换机不能提供该功能
8、集线器、交换机都是做端口扩展的，就是扩大局域网的接入数目，也就是能让局域网可以连进来更多的电脑
9、路由器是用来做网间连接，也就是用来连接不同的网络
10、IP地址是在软件中实现的，描述的是设备所在的网络
11、MAC地址通常是硬件自带的，由网卡生产商来分配，已经固化到了网卡中，一般来说不可更改
一般来说，我们使用路由器和交换机逻辑上满足下面这幅图：

路由器的要任务是：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。

网络层主要的协议是IP协议、ICMP协议、IGMP协议。

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。

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，网络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。

传输层（Transport）

运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。

UDP只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。

在第一幅图中也可以很容易的看到，传输层是以Segments为数据格式的，这一层是"Host Layers"和"Media Layers"的接口。

应用层（Application）

对应于OSI七层参考模型的应用层和表达层。因特网的应用层协议包括Finger、Whois、FTP(文件传输协议)、Gopher、HTTP(超文本传输协议)、Telent(远程终端协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、IRC(因特网中继会话)、NNTP（网络新闻传输协议）等。

应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用程序：
• Telnet 远程登录。
• FTP 文件传输协议。
• SMTP 简单邮件传送协议。
• SNMP 简单网络管理协议。

应用层依赖于下面各层才能实现数据传输，举个例子，这里假设在一个局域网（LAN）中有两台主机，二者都运行FTP协议，那么各层会用到的协议如下:

大多数的网络应用程序都被设计成客户—服务器模式，服务器为客户提供某种服务。

应用程序通常是一个用户进程，而下三层则一般在（操作系统）内核中执行。尽管这不是必需的，但通常都是这样处理的，例如unix操作系统。

应用层关心的是应用程序的细节，而不是数据在网络中的传输活动。下三层对应用程序一无所知，但它们要处理所有的通信细节。

为什么要做网络分层

我一般看问题，都遵循 $2W+1H$ 原则，即 $What、Why、How$。$What ?$，这是个什么东西？ $Why?$，为什么会有这个东西？$How?$，这个是如何实现的？

在前面的介绍中，已经说明了，$What ?$ 和 $How?$，什么是计算机网络分层，计算机网络如何分层。但是，有一个问题还没有说明，就是 $Why?$，为什么要做计算机网络分层?分层的依据又是什么？

网上给出的解释，基本上是一致的：分层之后，各层之间是独立的，易于实现和维护。

一种调侃的说话就是：往好了说，网络分层就是将一个大的开发问题分化成小问题，如上所说低耦合高内聚。然而对于普通开发者来说就是方便甩锅，都是你传送层没做容错机制，怎么怪我IP层！物理层丢包率这么大，我上层无能为力啊！

这里我从计算机网络构成的顺序来说明一下，为什么计算机网络要分层，以及分层的依据：

1. 首先是物理层。历史回到多年之前，在电脑设计之初，那时候还没有计算机网络，我们每个人有一台电脑，自己玩自己的。为了让两台电脑之间可以相互交换数据，于是，就需要用一根通信线将两台电脑连在一起，由于通信线上是按照一定的速率，使用电平的翻转来传输数据的，所以两台电脑需要协商好一些基本的物理连接的协议：网线的物理接口、网线上的电平、电平翻转的速率等等，也就是机械特性、电气特性、功能特性等等。
   
   一旦，实现了两个电脑之间的通信之后，就会考虑将更多的电脑连在一起，当然所有连接进来的网络，必须和之前的电脑遵循相同的物理协议，否则无法相互通信。而这多个电脑连接在一起使用的一般是集线器（Hub）之类的设备。

2. 数据链路层：随着时间的推移，当基于物理层，实现了多个电脑连接在一起之后，有一个必须要解决的问题，那就是相互连在一起的电脑这么多，我如何保证我给A发送的数据就能发到A那里，而不是发给了B呢？这就需要相互连接的电脑每个电脑都有一个独一无二的ID，也就是MAC地址，此时就需要使用交换机。
   
   在交换机上，每一台电脑，都是通过网线，连接到交换机的一个接口上的，而交换机维护着MAC地址和交换机接口的对应表。
   电脑A想要发送数据给电脑B，就只需要向交换机发送电脑B的MAC地址，以及相关的数据，交换机会跟家MAC地址对应的接口，将数据发送给对应的电脑B。到这里，也就组成了所谓的局域网。
   相对于之前只关心连接的物理特性，这里更关心是如何在局域网中传输数据，并且还制定了相关的协议，索性直接将和物理相关的那些协议称为物理层，在局域网中传输数据的协议称为数据链路层。
   如果只是在局域网内部进行数据传输的话，只需要使用MAC地址就可以了！！！

3. 网络层：时间又往后走，基于上面的两个层，已经实现了很多的局域网，于是乎，自然就有人想把各个局域网也连接在一起。但现在又遇到了一个麻烦的问题：就是现有的各个局域网大多是异构的。准确的说法是，当时有很多丧心病狂的人，设计了很多类型的局域网，设计的时候，这些设计局域网的人相互直接也没商量一下，导致局域网之间的协议不一样，协议不一样，就无法通信（就好像有的局域网说的是汉语，有的局域网说的是英语，而有的说的是鸟语，之间根本没法交流）。
   
   这时候，就出现了一个救世主，准确的说是一个翻译官：路由器，路由器可以将异构的网络连接在一起，让异构网络之间可以相互通信，而路由器起的就是一个翻译官的作用，将一个局域网协议的数据，转换成为另一个局域网协议的数据。
   还是以之前举的FTP传输的例子来说，前面举这个例子的时候，是在局域网内部的数据传输，现在要在两个异构的网络之间传输的话，中间就需要使用路由器：
   
   使用了路由器，将局域网连接在了一起，于是乎，就又取了个名字，叫做互联网。
   当然了，路由器也有很多的协议，然后就将这些相关的协议划分为一个层，就成为了网络层
   上面的三层，由于每一层都有实际的媒体设备与之对应，一般统称为 "Media Layes"

4. 传输层主要是为"Media Layes"和应用层做一个接口，同时提供数据服务。