網絡工程師學習筆記(二)

第2章 網絡體系結構及協議

主要內容:
1、網絡體系結構及協議的定義
2、開放系統互連參考模型OSI
3、TCP/IP協議集

一、網絡體系結構及協議的定義

　　1、網絡體系結構:是計算機之間相互通信的層次，以及各層中的協議和層次之間接口的集合。

　　2、網絡協議:是計算機網絡和分佈系統中互相通信的對等實體間交換信息時所必須遵守的規則的集合。

　　3、語法(syntax):包括數據格式、編碼及信號電平等。

　　4、語義(semantics):包括用於協議和差錯處理的控制信息。

　　5、定時(timing):包括速度匹配和排序。

二、開放系統互連參考模型

　　1、國際標準化組織ISO在1979年建立了一個分委員會來專門研究一種用於開放系統的體系結構，提出了開放系統互連OSI模型，這是一個定義連接異種計算機的標準主體結構。

　　2、OSI簡介:OSI採用了分層的結構化技術，共分七層，物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。

　　3、OSI參考模型的特性:是一種異構系統互連的分層結構;提供了控制互連繫統交互規則的標準骨架;定義一種抽象結構，而並非具體實現的描述;不同系統中相同層的實體爲同等層實體;同等層實體之間通信由該層的協議管理;相信層間的接口定義了原語操作和低層向上層提供的服務;所提供的公共服務是面向連接的或無連接的數據服務;直接的數據傳送僅在最低層實現;每層完成所定義的功能，修改本層的功能並不影響其他層。

　　4、物理層:提供爲建立、維護和拆除物理鏈路所需要的機械的、電氣的、功能的和規程的特性;有關的物理鏈路上傳輸非結構的位流以及故障檢測指示。5、數據鏈路層:在網絡層實體間提供數據發送和接收的功能和過程;提供數據鏈路的流控。

　　6、網絡層:控制分組傳送系統的操作、路由選擇、擁護控制、網絡互連等功能，它的作用是將具體的物理傳送對高層透明。

　　7、傳輸層:提供建立、維護和拆除傳送連接的功能;選擇網絡層提供最合適的服務;在系統之間提供可靠的透明的數據傳送，提供端到端的錯誤恢復和流量控制。

　　8、會話層:提供兩進程之間建立、維護和結束會話連接的功能;提供交互會話的管理功能，如三種數據流方向的控制，即一路交互、兩路交替和兩路同時會話模式。

　　9、表示層:代表應用進程協商數據表示;完成數據轉換、格式化和文本壓縮。

　　10、應用層:提供OSI用戶服務，例如事務處理程序、文件傳送協議和網絡管理等。

三、TCP/IP的分層

　　1、TCP/IP的分層模型
Internet採用了TCP/IP協議，如同OSI參考模型，TCP/IP也是一種分層模型。它是基於硬件層次上的四個概念性層次構成，即網絡接口層、IP層、傳輸層、應用層。
網絡接口層:也稱數據鏈路層，這是TCP/IP最底層。功能:負責接收IP數據報併發送至選定的網絡。
IP層:IP層處理機器之間的通信。功能:它接收來自傳輸層的請求，將帶有目的地址的分組發送出去。將分組封裝到數據報中，填入數據報頭，使用路由算法以決定是直接將數據報傳送至目的主機還是傳給路由器，然後把數據報送至相應的網絡接口來傳送。
傳輸層:是提供應用層之間的通信，即端到端的通信。功能:管理信息流，提供可靠的傳輸服務，以確保數據無差錯的地按序到達。

　　2、TCP/IP模型的分界線
協議地址分界線:以區分高層和低層的尋址，高層尋址使用IP地址，低層尋址使用物理地址。應用程序IP層之上的協議軟件只使用IP地址，而網絡接口層處理物理地址。
操作系統分界線:以區分系統與應用程序。在傳輸層和應用層之間。

　　3、複用與分解
發送報文時，發送方在報文中加和了報文類型、選用協議等附加信息。所有的報文以幀的形式在網絡中複用傳送，形成一個分組流。在接收方收到分組時，參考附加信息對接收到的分組進行分解。

四、IP協議

　　1、Internet體系結構
一個TCP/IP互聯網提供了三組服務。最底層提供無連接的傳送服務爲其他層的服務提供了基礎。第二層一個可靠的傳送服務爲應用層提供了一個高層平臺。最高層是應用層服務。

　　2、IP協議: 這種不可靠的、無連接的傳送機制稱爲internet協議。

　　3、IP協議三個定義:
(1)IP定義了在TCP/IP互聯網上數據傳送的基本單元和數據格式。
(2)IP軟件完成路由選擇功能，選擇數據傳送的路徑。
(3)IP包含了一組不可靠分組傳送的規則，指明瞭分組處理、差錯信息發生以及分組德育的規則。

　　4、IP數據報:聯網的基本傳送單元是IP數據報，包括數據報頭和數據區部分。

　　5、IP數據報封裝:物理網絡將包括數據報報頭的整個數據報作爲數據封裝在一個幀中。

　　6、MTU網絡最大傳送單元:不同類型的物理網對一個物理幀可傳送的數據量規定不同的上界。

　　7、IP數據報的重組:一是在通過一個網絡重組;二是到達目的主機後重組。後者較好，它允許對每個數據報段獨立地進行路由選擇，且不要求路由器對分段存儲或重組。

　　8、生存時間:IP數據報格式中設有一個生存時間字段，用來設置該數據報在聯網中允許存在的時間，以秒爲單位。如果其值爲0，就把它從互聯網上刪除，並向源站點發回一個出錯消息。

　　9、IP數據報選項:
IP數據報選項字段主要是用於網絡測試或調試。包括:記錄路由選項、源路由選項、時間戳選項等。
路由和時間戳選項提供了一種監視或控制互聯網路由器路由數據報的方法。

五、用戶數據報協議UDP

　　1、UDP協議功能
爲了在給定的主機上能識別多個目的地址，同時允許多個應用程序在同一臺主機上工作並能獨立地進行數據報的發送和接收，設計用戶數據報協議UDP。
使用UDP協議包括:TFTP、SNMP、NFS、DNS
UDP使用底層的互聯網協議來傳送報文，同IP一樣提供不可靠的無連接數據報傳輸服務。它不提供報文到達確認、排序、及流量控制等功能。

　　2、UDP的報報文格式
每個UDP報文分UDP報頭和UDP數據區兩部分。報頭由四個16位長(8字節)字段組成，分別說明該報文的源端口、目的端口、報文長度以及校驗和。

　　3、UDP協議的分層與封裝
在TCP/IP協議層次模型中，UDP位於IP層之上。應用程序訪問UDP層然後使用IP層傳送數據報。IP層的報頭指明瞭源主機和目的主機地址，而UDP層的報頭指明瞭主機上的源端口和目的端口。

　　4、UDP的複用、分解與端口
UDP軟件應用程序之間的複用與分解都要通過端口機制來實現。每個應用程序在發送數據報之前必須與操作系統協商以獲得協議端口和相應的端口號。
UDP分解操作:從IP層接收了數據報之後，根據UDP的目的端口號進行分解操作。
UDP端口號指定有兩種方式:由管理機構指定的爲著名端口和動態綁定的方式。

六、可靠的數據流傳輸TCP

　　1、TCP/IP的可靠傳輸服務五個特徵:面向數據流、虛電路連接、有緩衝的傳輸、無結構的數據流、全雙工的連接。

　　2、TCP採用了具有重傳功能的肯定確認技術作爲可靠數據流傳輸服務的基礎。

　　3、爲了提高數據流傳輸過程的效率，在上述基礎上引入滑動窗口協議，它允許發送方在等待一個確認之前可以發送多個分組。滑動窗口協議規定只需重傳未被確認的分組，且未被確認的分組數最多爲窗口的大小。

　　4、TCP功能
TCP定義了兩臺計算機之間進行可靠的傳輸而交換的數據和確認信息的格式，以及計算機爲了確保數據的正確到達而採取的措施。

　　5、TCP連接使用是一個虛電路連接，連接使用一對端點來標識，端點定義爲一對整數(host,port)其中host是主機的IP地址，port是該主機上TCP端口號。

　　6、TCP使用專門的滑動窗口協議機制來解決傳輸效率和流量控制這兩個問題，TCP採用的滑動窗口機制解決了端到端的流量控制，但並未解決整個網絡的擁塞控制。

　　7、TCP允許隨時改變窗口小，通過通告值來說明接收方還能再接收多少數據，通告值增加，發送方擴大發送滑動窗口;通告值減小，發送方縮小發送窗口。

　　8、TCP的報文格式
報文分爲兩部分:報頭和數據，報頭攜帶了所需要的標識和控制信息。
確認號字段指示本機希望接收下一個字節組的序號;
順序號字段的值是該報文段流向上的數據流的位置，即發送序號;
確認號指的是與該報文段流向相反方向的數據流。

　　9、TCP使用6位長的碼位來指示報文段的應用目的和內容
URG緊急指針字段可用;ACK確認字段可用;PSH請求急近操作;RST連接復位;SYN同步序號;FIN發送方字節流結束。

　　10、TCP的三次握手
爲了建立一個TCP連接，兩個系統需要同步其初始TCP序號ISN。序號用於跟蹤通信順序並確保多個包傳輸時沒有丟失。初始序號是TCP連接建立時的起始編號。
同步是通過交換攜帶有ISN和1位稱爲SYN的控制位的數據包來實現的。
握手可由一方發起也可以雙方發起，建立就可以實現雙向對等地數據流動，沒有主從關係。