《王道》计算机网络--总结版1

国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型，称为开放系统互联参考模型（OSI/RM），通常称为OSI参考模型。OSI有七层，自下而上依次为：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层。

TCP/IP体系结构共四层，自下而上依次为：网络接口层、网际层IP、运输层（TCP/UDP）、应用层。

1 物理层

物理层主要为了屏蔽掉不同通信手段和传输媒体带来的差异，使得上一层的数据链路层能够直接使用物理层提供的服务，只专心考虑其本层次所需要完成的任务。

物理层设备

（1）中继器（repeater）/转发器

中继器是位于第1层（OSI参考模型的物理层）的网络设备。当数据离开源在网络上传送时，它是转换为能够沿着网络介质传输的电脉冲或光脉冲的——这些脉冲称为信号（signal）。当信号离开发送工作站时，信号是规划的，而且很容易辨认出来。但是，当信号沿着网络介质进行传送时，随着经过的线缆越来越长，信号就会变得越来越弱，越来越差。中继器的目的是在比特级别对网络信号进行再生（放大信号）和重定时，从而使得它们能够在网络上传输更长的距离。

（2）集线器（hub）

集线器的目的是对网络信号进行再生和重定时。它的特性与中继器很相似（被称为多端口中继器multiport repeater）。HUB是网络中各个设备的通用连接点，它通常用于连接LAN的分段。HUB含有多个端口。每一个分组到达某个端口时，都会被复制到其他所有端口，以便所有的LAN分段都能看见所有的分组。集线器并不认识信号、地址或数据中任何信息模式。

中继器与集线器的区别在于连接设备的线缆的数量。一个中继器通常只有两个端口，而一个集线器通常有4至20个或更多的端口。

2 数据链路层

数据链路 = 物理链路 + 必要的通信协议。

数据链路层的协议数据单元——帧。

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

（1）点对点信道

（2）广播信道

数据链路层协议三个基本问题：

（1）封装成帧

首部和尾部进行帧定界。

帧的数据部分长度上限——最大传送单元MTU（Maximun Transfer Unit）。

（2）透明传输

含义：无论怎么样的比特组合的数据都能够通过这个数据链路层。透明是一个很重要的术语。表示：某一个实际存在的事物看起来却是好像不存在一样。

用字节填充法解决透明传输问题。

（3）差错检测

循环冗余检验CRC ( Cyclic Reundancy Check )检错技术。

数据链路层协议：

（1）PPP协议（Point-to-Point Protocol）

点对点信道使用的最广泛的数据链路层协议。

（2）CSMA/CD （Carrier Sense Multiple Access Protocol /Collision Detection）载波监听多点访问冲突检测协议

广播信道使用的协议。

    多点接入说明是总线型网络，计算机以多点接入的方式连接在一根总线上，协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。
    载波监听就是利用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送。载波监听实际上就是检测信道。在发送前，每个站不停地检测信道，是为了获得发送权；在发送中检测信道，是为了及时发现有没有其他站的发送和本站发送的碰撞，这就是碰撞检测。总之，载波监听是全程都在进行的。
    碰撞检测就是边发送边监听。就是网卡边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据的时候其他站是否也在发送数据。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大（互相叠加），当网卡检测到的信号电压超过一定的门限值时，说明总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞（冲突），所以也称为冲突检测。这时，由于接收的信号已经识别不出来，所以任何一个正在发送的站就会立即停止发送数据，然后等待一段随机事件以后再次发送。

适配器（网卡）

用于计算机与外界局域网进行连接。计算机硬件地址在适配器ROM中，软件地址（IP地址）在计算机存储器中。

MAC地址

数据链路层在概念上常被划分为两个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。

数据链路层负责分配MAC地址/物理地址/硬件地址，是局域网上的每一台主机固化在适配器的RPM中的地址。

由48位即6个字节组成，前3个字节是厂商向IETF等机构申请用来标识厂商的代码，后3个字节由厂商自行分配，是各个厂商制造的所有网卡的一个唯一编号。因此，一个网卡会有一个全球唯一固定的MAC地址，但可对应多个IP地址。

MAC地址的第48位是组播地址标志位。

数据链路层设备

（1）网桥（bridge）/桥接器

数据链路层设备。它也是转发数据包的设备，但和HUB不一样的是，它工作在数据链路层，HUB只能看懂物理层上的东西（比如一段物理信号），网桥却能看懂一些帧的信息（在链路层上，把上面传下来的数据封装后，封装好了的数据就是帧，但这里我用“数据包”这样的泛指去代替“帧”这个专业术语）。在以太网构造的局域网上，最终的寻址是以数据链路层的MAC地址作为标识的(就是用MAC地址可以在局域网上找到一台唯一的机器)，网桥能从发来的数据包中提取MAC信息，并且根据MAC信息对数据包进行有目的的转发，而不采用广播的方式，这样就能减少广播风暴的出现，提升整个网络的效率。

（2）交换机（switch）

网桥与交换机的区别在与市场，而不在与技术。交换机对网络进行分段的方式与网桥相同，交换机就是一个多端口的网桥。确切地说，高端口密度的网桥就称为局域网交换机。

3 网络层

网络层数据的单位称为分组或数据报。

虚拟互连网络

即逻辑互连网络，意思就是互连起来的各种物理网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络，这种使用IP协议的虚拟互连网络可简称为IP网。

将网络互相连接起来要使用一些中间设备。根据中间设备所在的层次，可以有以下四种不同的中间设备：

（1）物理层：中继器/转发器（repeater）

（2）数据链路层：网桥/桥接器（bridge）

（3）网络层：路由器（router）

（4）网络层以上：网关（gateway）

IP地址

IP地址就是给因特网上的每一个主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内唯一的32位的标识符。

用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因为这些局域网具有相同的网络号。具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。

IP地址的编址方法共经过了三个历史阶段：

（1）分类的IP地址

（2）子网的划分

（3）构成超网

IP地址与硬件地址的区别

IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址放在MAC帧的首部。在网络层和网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。

分类的IP地址

（1）定义
所谓分类的IP地址就是将IP地址划分为若干个固定类，每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号(net-id)，它标志主机(或路由器)所连接到的网络。一个网络号在整个因特网范围内必须是唯一的。第二个字段是主机号(host-id)，它标志该主机(或路由器)。一个主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。由此可见，一个IP地址在整个因特网范围内是唯一的。

（2）IP地址中的网络号和主机号字段

点分十进制记法

（3）常用的三种类别IP地址的指派范围

（4）一般不使用的特殊IP地址

【1】网络号字段全为0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”；

【2】网络号为127（01111111）保留作为本地环路自检地址，此地址表示任意主机本身；

【3】主机号全为0表示该IP地址是“本主机”连接到的单个网络地址；

【4】主机号全为1表示该网络上的所有主机。

划分子网

（1）思路

【1】一个拥有许多物理网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网。划分子网纯属一个单位内部的事情。本单位以外的网络看不见这个网络是由多少个子网组成，因为这个单位对外仍然表现为一个网络。

【2】划分子网的方法是从网络的主机号借用若干位作为子网号 subnet-id，当然主机号就减少了同样的位数。两级IP地址在本单位内部就变成三级地址：网络号、子网号、主机号。

【3】根据IP数据报的目的网络号找到连接在本单位网络上的路由器，但此路由器在收到IP数据报后，再按目的网络号和子网号找到目的子网，把IP数据报交付给目的主机。

（2）子网掩码

子网掩码：IP数据报的首部并不知道源主机或目的主机所连接的网络是否包含子网的划分，使用子网掩码解决这个问题。使用子网掩码的好处就是不管网络有没有划分子网，只要把子网掩码和IP地址进行逐位“与”运算，就立即得出网络地址来。

所有网络都要使用子网掩码，包括没有划分子网的，便于查找路由表，路由表中有子网掩码这一栏，如果一个网络不划分子网，那么该网络的子网掩码就使用默认子网掩码，默认子网掩码中1的位置和IP地址中的网络号字段net-id正好对应，这样对于不划分子网的IP地址逐位与运算，就刚好得到目的地址的网络地址。

A类地址的默认子网掩码是 255.0.0.0

B类地址的默认子网掩码是 255.255.0.0

C类地址的默认子网掩码是 255.255.255.0

子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。路由器在和相邻的路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻的路由器，在路由器的路由表中的每一个项目，除了给出目的网络地址外，还必须同时给出网络的子网掩码。划分子网增加了灵活性，但却减少了能够连接的网络上的主机总数。

构成超网（无分类编址CIDR（无分类域间路由选择,Classless Inter-Domain Routing））

CIDR是在使用变长度子网掩码的基础上提出的一种消除A、B、C类网络划分，并且可以在软件的支持下实现超网构造的一种IP地址的网络划分方法。这样可以大幅度提高IP地址空间的利用率，并减小路由表大小，提高路由器的路由转发能力。

CIDR的主要特点如下：

（1）消除了传统的A、B、C类地址以及子网的概念，因而可以更加有效的分配IPv4的地址空间。CIDR使用“网络前缀”概念代替子网络概念。这样IP地址分为两部分：网络前缀、主机号。

CIDR使用斜线记法，即IP地址/网络前缀所占比特数。其中，网络前缀所占比特数对应于网络号部分，等效于子网掩码中连续1的部分。

（2）将网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”。一个CIDR地址块可以包括多个A、B、C类地址，这种地址的聚合称为路由聚合，或称为构成超网。

地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol）

网络层以上的协议用IP地址来标识网络接口，但以太数据帧传输时，以物理地址来标识网络接口。因此我们需要进行IP地址与物理地址之间的转化。

对于IPv4来说，我们使用ARP地址解析协议来完成IP地址与物理地址的转化。

ARP协议提供了网络层地址（IP地址）到物理地址（mac地址）之间的动态映射。ARP协议是地址解析的通用协议。

ARP高速缓存：ARP给IP地址和MAC地址中间做了动态映射，也就是说缓存了一个ARP表，将得到的IP地址和MAC地址对应起来，如果在表中没有查到IP地址对应的MAC地址，就会发广播去找。随着用户的使用，ARP表如果不做任何措施，就会变得越来越臃肿缓慢，就降低了网络传输数据的效率，所以ARP缓存中每一项被设置了生存时间，一般是20分钟，从被创建时开始计算，到时则清除，如果在计时期间又被使用了，计时会重置。

请注意，ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。

还有一个旧的协议叫做逆地址解析协议RARP，它的作用是使只知道自己硬件地址的主机通过RARP协议找出其IP地址。现在的DHCP协议已经包含该协议内容。

网际控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）

为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议ICMP，允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。

它不是高层协议，而是IP层的协议。 ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。

ICMP报文种类

（1）ICMP差错报告报文

      ICMP差错报告报文共有五种：
      1) 终点不可达：路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文
      2) 源点抑制：路由器或主机由于拥塞丢弃数据报，就向源点发送此数据报，告诉源点应当把数据报的发送速率放慢
      3) 时间超过：路由器收到生成时间为零的数据报时，除了丢弃数据报外，还要向源点发送时间超时报文
      4) 参数问题：首部字段不正确
      5) 改变路由（重定向）：让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器

（2）ICMP询问报文

ICMP询问报文共有两种：

        1) 回送请求和回答
        ICMP回送请求报文是主机向一个特定的目的主机发出的询问，收到此报文的必须给源主机发送ICMP回送回答报文
        2) 时间戳请求和回答
        请求某个主机回答当前的日期和时间

ICMP应用

PING命令工作在应用层，它直接使用网络层的ICMP协议，而没有使用传输层的TCP或UDP协议。

因特网的路由选择协议

路由选择协议即讨论路由表中的路由是怎样得出的。

因特网采用分层的路由选择协议。

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量，以确定分组在该AS内的路由；同时还使用一种AS之间的路由选择协议，用以确定分组在AS之间的路由。

因特网将路由选择协议分成两大类：

1) 内部网关协议IGP（Interior Gateway Protocol）：在一个自治系统内部使用的路由选择协议，如RIP和OSPF。

2) 外部网关协议EGP（External Gateway Protocol）：若源主机和目的主机处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。如BGP。

自治系统之间的路由选择也叫做域间路由选择。自治系统内部的路由选择也叫做域内路由选择。

内部网关协议RIP（Routing Information Protocol）

（1）工作原理

（2）RIP协议的特点

（3）路由表中最主要的信息

到某个网络的距离（即最短距离），以及应该经过的下一跳地址。

内部网关协议OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）

当互联网规模很大时，OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。

OSPF最主要的特征是使用分布式的链路状态协议，而不是像RIP那样的距离向量协议。和RIP相比，OSPF的三个要点和RIP的都不一样：

（1）向本自治系统中所有路由器发送消息，使用“洪泛法”。RIP只是向自己相邻的几个路由器发送信息。

（2）发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，“链路状态”就是说明本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的度量。RIP发送的是“到所有网络的距离和下一跳路由器”。

（3）只有链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器用洪泛法发送此消息。而不像RIP那样，不管网络拓扑有无变化，路由器都定期交换路由表信息。

外部网关协议BGP（Border Gateway Protocol）

网际组管理协议IGMP（Internet Group Manage Protocol）