🛜五层体系结构协议复习

Network 计算机网络网络协议复习

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 2024/10/27 

🛜五层体系结构协议复习

首先我们需要了解为什么计算机网络要学习五层结构模型（TCP/IP模型），因为这更简化，便于我们了解实际网络协议，并且更贴近现实的网络组成。

而七层模型（OSI）则是由国际标准化组织ISO制定的，为网络设计提供了框架，这其实是一个概念模型，虽然在实际上不常用，但为网络设计提供了参考。

层

让我们来看一下五层和七层有哪些层次，七层实际上在五层基础上加了两层：

物理层 Physical
数据链路层 Data Link
网络层 Network
传输层 Transport
- 会话层 Session
- 表示层 Presentation
应用层 Application

对于学过计网的人来说，夹在第四和第五之间的两个层或许不太熟悉，我们来介绍一下。会话层负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。可见主要是Socket的建立和关闭操作。因为传输层只负责端到端的可靠传输，而给上层提供接口靠的是Session层；再看看表示层，它负责处理数据表示形式，包括加密、解密、压缩和格式化，确保不同系统之间的数据能正确解释，例如SSL/TLS加密、JPEG格式转换。可见表示层更切近应用层的具体应用。

让我们回归正题，复习一下五层结构的各类协议/技术。

物理层

实现设备之间的比特传输，定义物理连接（相邻的主机到主机）的标准。

Ethernet（以太网）：有限网络的电气和信号标准。
IEEE 802.11（Wi-Fi）：定义无线局域网的通信方式。
光纤：高速骨干网传输。
Bluetooth（蓝牙）：短距离无线通信协议。

数据链路层

实现同一局域网中的节点（主机和主机）间通信，负责帧的封装、差错检测和流量控制。

Ethernet（以太网）：最广泛的局域网数据传输协议，实现以太帧（Frame）格式的定义和介质访问控制。
PPP（Point-to-Point Protocal）：提供点到点的链路传输，如电话拨号。（也有特殊格式的帧）
HDLC（High-Level Data Link Control）：面向比特的链路控制协议，用来实现时钟同步。（也有特殊格式的帧）
ARP（Address Resolution Protocol）：将IP地址解析为MAC地址，用于局域网通信，实现从三层到二层转换的方式。
VLAN（Virtual LAN）技术：虚拟局域网，使得相同交换机下的主机可以分配到不同子网。

网络层

实现不同网络（局域网）之间的数据传输，负责路径选择和路由转发，实现Internet上主机到主机的连接。

IP（Internet Protocol）：网络层核心，定义数据包的封装与路由，它的任务只是根据数据包标头的ip地址，将数据包从源主机传送到目标主机。
- IPv4:广泛使用的协议，32位IP地址，使用ARP协议地址解析。
- IPv6：128位地址，采用NDP协议。
ICMP（Internet Control Message Protocol）：用于传递网络层错误消息和状态消息，广为流传的ping指令。它是依靠IP协议的协议，IP数据包中有它。利用TTL将路由诊断信息返回到源。
IGMP（Internel Group Management Protocol）：实现IP多播。

路由协议

距离向量路由协议 DVRP

距离向量路由协议（DVRP）也被称为“按跳数计算的路由算法”，其原理是：每个节点都维护到达目的节点所需的距离，每次更新将本节点到所有其他节点的距离向量发送给相邻节点，相邻节点再将其发给相邻节点……直到所有节点的距离向量被更新。最终每个节点都得到了到达目的节点的最短距离。

常见的距离向量路由协议有

RIP（Routing Information Protocol）
IGRP（Interior Gateway Routing Protocol）

链路状态路由协议 LSRP

链路状态路由协议（LSRP）也被称为“基于状态的路由算法”，其原理是每个节点都把自己的链路状态信息发给相邻节点，相邻节点保存下来并传递给其它相邻节点。当所有节点都交换完成链路状态信息之后，每个节点通过计算最短路径算法得到网络的最短路径。

常见的链路状态路由协议有

OSPF（Open Shortest Path First）
IS-IS（Intermediate System to Intermediate System）

静态路由协议

在静态路由协议中，网络管理员手动配置路由表，然后路由器依据配置的路由表进行数据包的转发。

静态路由协议的缺点是不灵活，不能及时响应网络拓扑结构的变化。

动态路由协议

动态路由协议可以根据网络拓扑结构的变化自动调整路由表，路由表的计算是通过运行路由协议来完成的。动态路由协议虽然比静态路由协议更复杂，但是具有灵活、自适应、可靠的优点。

常见的动态路由协议有

BGP
OSPF
IS-IS
RIP
IGRP
EIGRP
OSPFv3

单播、多播、组播路由协议

单播路由协议是指进行单播转发的路由协议。多播路由协议是指进行多播转发的路由协议。组播路由协议是一种组播数据包传输的路由协议，与多播路由协议类似。

内部网关协议和外部网关协议

内部网关协议（IGP）是指在一个企业或组织内部部署、用于内部路由器之间通信的协议，如RIP、IGRP、EIGRP、OSPF和IS-IS等。外部网关协议（EGP）是指在不同的自治系统之间进行路由选择的协议，如BGP,各大ISP进行连接使用的是BSP协议（使用TCP连接）。

工作原理

路由协议的工作原理可以分为四个步骤：

邻居发现
路由表建立
路由表维护
路由表选择

在选择适合特定网络环境的路由协议时，需要综合考虑网络规模、复杂性、性能需求和管理能力。通常，大型企业网络和互联网使用链路状态协议（如OSPF和IS-IS），而小型网络可能会选择距离向量协议（如RIP）。同时，BGP在连接自治系统之间的路由选择方面具有广泛的应用。

以上路由协议部分内容均为这篇华为云社区文章的原创内容，本博客仅作为个人学习使用，无抄袭意图，了解详情请点击超链接进入此博客观看。

传输层

提供端到端（port）的数据传输服务，确保数据包按顺序、无误地传输到目的主机。

TCP（Transmission Control Protocol）：面向连接、可靠的协议，提供可靠的数据传输和流量控制。适用于需要保证数据完整性的应用，如 HTTP、FTP。
UDP（User Datagram Protocol）：无连接协议，不保证数据的可靠传输，但传输速度快。适用于实时应用，如视频流、在线游戏，DNS解析也用UDP。

SCTP（Stream Control Transmission Protocol）：同时支持多流传输的协议，适用于 VoIP 等应用。

TCP与UDP的区别之一是重传丢失的数据。在TCP协议中，每个数据包都被赋予一个唯一的序列号。数据包发送者仔细跟踪发送了哪些数据包。作为响应，接收系统发出一个ACK数据包（代表“确认”），其中包含确认收到的数据包的序列号。如果序列号不匹配或丢失，发送机器将重新发送数据包。这个过程会持续下去，直到匹配的ACK确认传输成功。

第二大区别是通过三向握手建立持久化连接。在TCP中，三向握手是一种通信机制，以确保所有数据的发送和正确接收。简而言之，这发生在三个部分：

初始化(SYN)：SYN是想要建立通信的设备发出的初始数据包。该数据包包含同步标志(SYN)和接收者的IP地址。
确认启动(SYN-ACK)：接下来，接收者发回SYN-ACK数据包，假设它已准备好并愿意进行通信。
最终确认(ACK)：一旦发送方收到SYN-ACK，就会发送最终ACK以确认有效连接。

TCP面向连接是依赖于它的错误检测和流量控制等其他功能（在后文），这些特性成为TCP面向连接的本质的支柱。

TCP错误检测和流量控制简述

应用需要传输的数据可能会非常大，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度），就要将数据包分块，这样即使中途有一个分块丢失或损坏了，只需要重新发送这一个分块，而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为一个 TCP 段（TCP Segment）（IP是超过MTU 1500 Bytes，即以太网帧的载荷后分片，⚠️注意分片标识、偏移量、MF更多分片标识、DF禁止分片标识这些概念）。TCP段对应标识有Seq序列号（如何组装在一起）、确认号（希望接受的下一个字节的序号，累积确认机制标识以及成功接受的数据，未确认的字节等待重传）、FIN关闭连接等。

在 TCP 报文段的头部中，有一个 16 位窗口字段，用于表示接收方的缓冲区可用空间大小。窗口大小值 告诉发送方当前允许发送的未确认数据量。通过该字段，发送方可以动态调整发送速度，确保不会导致接收方的缓冲区溢出。如果接收方缓冲区剩余空间减少，它会将窗口大小缩小；如果可用空间增大，它会增大窗口大小。

应用层

为应用程序提供网络服务接口，用户可以直接使用这些协议访问网络资源。

HTTP/HTTPS（Hypertext Transfer Protocol）：用于传输网页数据，HTTPS 在 HTTP 基础上添加了加密（TLS/SSL）。
FTP（File Transfer Protocol）：用于文件传输，支持上传和下载功能。
SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：用于电子邮件发送。
POP3（Post Office Protocol 3） 和 IMAP（Internet Message Access Protocol）：用于电子邮件接收，IMAP 支持邮件同步。
DNS（Domain Name System）：将域名解析为 IP 地址。

Telnet 和 SSH：用于远程登录，SSH 提供了加密的传输。
DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）：用于自动分配 IP 地址。

URL（uniform resource identifier，统一资源定位符）

在HTTP协议中，用来标识唯一的资源。

Web上可用的每种资源如HTML文档、图像、视频片段、程序等都是一个来URI来定位的

URL组成

访问资源的命名机制
存放资源的主机名
资源自身的名称，由路径表示，着重强调于资源。

HTTP Request

GET /562f25980001b1b106000338.jpg HTTP/1.1
Host    img.mukewang.com
User-Agent    Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/51.0.2704.106 Safari/537.36
Accept    image/webp,image/*,*/*;q=0.8
Referer    http://www.imooc.com/
Accept-Encoding    gzip, deflate, sdch
Accept-Language    zh-CN,zh;q=0.8

POST / HTTP1.1
Host:www.wrox.com
User-Agent:Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 6.0; Windows NT 5.1; SV1; .NET CLR 2.0.50727; .NET CLR 3.0.04506.648; .NET CLR 3.5.21022)
Content-Type:application/x-www-form-urlencoded
Content-Length:40
Connection: Keep-Alive

name=Professional%20Ajax&publisher=Wiley

HTTP Response

GET     请求指定的页面信息，并返回实体主体。
HEAD     类似于get请求，只不过返回的响应中没有具体的内容，用于获取报头
POST     向指定资源提交数据进行处理请求（例如提交表单或者上传文件）。数据被包含在请求体中。POST请求可能会导致新的资源的建立和/或已有资源的修改。
PUT     从客户端向服务器传送的数据取代指定的文档的内容。
DELETE      请求服务器删除指定的页面。
CONNECT     HTTP/1.1协议中预留给能够将连接改为管道方式的代理服务器。
OPTIONS     允许客户端查看服务器的性能。
TRACE     回显服务器收到的请求，主要用于测试或诊断。

关于HTTP协议，详情可参考这篇博客