网络通信原理

OSI模型

OSI模型的由来

       OSI模型是一种网络标准,所有软件和硬件开发都遵循统一的标准(OSI模型)。   

OSI七层模型(物 数 网 传 会 表 应)

层名称

功能

应用层

为用户提供各种服务功能,比如各种应用程序(系统内部实现)

表示层

数据的表示、安全、压缩、加密等(系统内部实现)

会话层

建立、维护、终止会话(系统内部实现)

传输层

定义设备之问传输数据的方式,以及进行流量控制和差错校验(设备之间)

网络层

对设备进行编址以及寻址,夹现不同网段的互通(设备之间)

数据链路层

建立资道连接,让数据成锁、以及对数据进行差错校验等功能,实现同网段的互通(设备之间)

物理层

建立、维护及断开物理连接(设备之间)

OSI七层的功能讲解

* 物理层
* 定义设备的物理特性,比如形状。
* 定义设备的电气特性,比如电压高低。
* 确保设备之间连接正常,表示数据是通过电信号中的高电压和低电压。
* 数据链路层
* 负责设备之间的逻辑链路的建立、维护和拆除。
* 设备之问真正用来传输数据,依靠的是“逻辑连接”。
* 该层为设备定义了设备拥有的一个全球唯一的地址,MAC地址(十二位十六进制字符串)。
* 网络层
* 负责定义设备上网需要的逻辑地址,比如IP地址。
* 在不同网段的设备之间寻找最优的转发路径。
* 传输层
* 负责确定设备之间传输数据的方式
* 可以实现数据的稳定传输,但是速度慢一点。
* 可以实现数据的快速传输 ,但是质量差一点。
* 可以通过不同的端口的来区分不同的应用程序产生的数据。
* 会话层
* 负责设备之间的会话的建立、维护和拆除。
* 最终用来传输数据的话,是通过“会话” 来实现的。
* 表示层
* 定义传递信息的语法和语义 ,统一语法之后,不同的编程语言才可以互通。
* 编码和解码、压缩和解压缩、加密和解密。
* 应用层
* 包含的是在设备上安装的各种软件和程序,比如QQ、微信、抖音等。
* 网络设备之果的通信,最终指的就是“应用层的软件〞之间的数据转发。
* 不同的软件产生的数据 ,在传输层使用的端口号是不同的。

TCP/IP模型简介

       OSI 模型,仅仅是ISO 提出的一个 “参考”标准。实际的网络中更多使用TCP/IP 5层模型 ,但是实现的功能是相同的。

TCP/IP协议族的组成

        TCP/IP是一系列协议的集合,所以严格称呼应是TCP/IP协议族。在物理层和数据链路层,TCP/IP并未定义任何特定协议。

TCP/IP 5层模型

常见协议

应用层

HTTP/FTP/TFTP/SMTP/SNMP/DNS

传输层

TCP/UDP

网络层

ICMP/IGMP/IP/ARP/RARP

数据链路层

以太网/PPP/HDLC/FR等

物理层

由底层网络定义的协议

* 网络层
* IP协议:互联网协议,定义了网络层地址。
* ICMP协议 :网络控制消息协议,提供报错信息,便于网络故障排查。
* ARP协议:地址解析协议,把IP地址解析为MAC地址,实现数据转发。
* OSPF协议:开放式最短路径优先协议(路由协议),学习其他路由网段实现不同网段之间的互通。
* 传输层
* TCP:传输控制协议,面向连接的可靠的协议 ,但传输速度慢。
* UDP:用户数据报协议,面向非连接的不可靠的协议,但传输速度快。
* 应用层
* HTTP:超文本传输协议,端口 TCP 80。
* VETP:文件传输协议,端口 TCP 20、21。
* TFTP:简单文件传输协议,端口 UDP 69
* DHCP:动态主机配置协议,端口 UDP 67、68

数据通信

        所谓的设备之间的通信,指的是设备之间能够互相传输数据。

        设备之间的数据传输,一定是双向的。每个方向都分为了3个阶段:

* 产生数据,也称之为 “数据封装”。
* 传输数据,也称之为“网络传输”。
* 接收数据,也称之为 “数据解封装”。
数据通信过程

        数据通信过程是双向的。

        产生数据——————数据封装

        传输数据——————网络传输

        接收数据——————数据解封装

        封装和解封装的过程类似于快递打包和拆快递。

        每一层数据单元:PDU(协议数据单元,即协议的数据包。)

应用层———数据———计算机

传输层———数据段———防火墙

网络层———数据包———路由器

数据链路层———数据帧——交换机

物理层———比特流———网卡

数据封装过程

数据解封装过程

各层PDU

各层间通信

设备与层的对应关系

 

数据通信流程总结

* 产生数据
        即数据封装,指的是数据通过应用层产生以后,发送到第一层,每经过一层都添加一个协议头部的过程。

* 传输数据
       即数据在由不同的网络设备组成的互联网中传输的过程。主要是依靠交换机和路由器实现数据在不同设备之间的转发。

* 接收数据
      
即数据解封装,指的是数据被设备通过网线接收以后,形成数据帧,然后一层一层分析头部,然后传递给上一层处理,一直到应用层的过程。也可以说是:不断的分析并删除每层的协议头部的过程。

物理层

物理层概述

        物理层是TCP/IP模型的最底层。

        物理层为数据传输提供稳定的物理连接。

物理层功能

* 定义设备的物理特性 ,比如形状、大小
* 定义设备的电气特性,比如电压高低
* 定义数据在物理层的表示,即通过高低电压表示 1和0。
物理层介质与设备

有线介质:双绞线、光纤。

无线介质:无线电、微波、激光、红外线。

超5类线缆:局域网环境最常见线缆,线缆外表有清晰 “米标”,传输速1000Mbps。

6类线缆:增加十字骨架,抗干扰,传输速率1000Mbps。

超6类线缆:增加双层屏薇,强抗干扰,传输速率 10Gbps。

7类和8类线缆:7类速率 10Gbps,8类速率 40Gbps。

光纤(单模)

* OS1,黄色,支持1Gb/10Gb的传输,最大距离10KM。
* OS2,OS1的升级版,可支持40Gb/100Gb,距离200KM,适合用于长距离传输。
光纤(多模)

* OM1,橙色,千兆,300米,适用于 LAN 等短程网络。
* OM2,橙色,干兆,600米,适用于 LAN 等短程网络。
* OM3,浅绿色,万兆,300米,适用于 更大的专用网络。
* OM4,浅绿色,万兆,550米,适用于高通网络/数据中心/金融中心。
* OM5,石灰绿,OM4的升级版,主要支持 40Gb/100Gb高速网络,适合用于短距离传输。
布线套装:测线仪、寻线仪、网线钳

剥线刀、光纤切割刀、炫接机、光功率计、红光笔。

网络机柜:1U=4.45CM,指的是高度。

                    理线架、配线架。

数据链路层

数据链路层概述

        位于物理层与物理层之间。

功能:数据链路的建立、维护与拆除,帧形成、帧传输、帧同步、帧的差错恢复和流量控制。

协议:Ethernet(以太网)、PPP、HDLC. Frame-relay、ATM

以太网概述

      
我们平常使用的网络设备,数据链路层都是 Ethernet。所以通常使用的网络,都是称之为“以太网”。以太网中可以同时连接多个设备,所以又称之为广播型网络。

主机A与主机B之间的通信,可能遇见的问题

* 如何标识和区分不同设备发送的数据。(使用Mac地址)
* 多设备传输数据,是否会产生信号冲突。(统一格式:数据帧格式)
以太网地址(Mac地址)

Mac地址:数据链路层的身份标识,全球唯一。

Mac地址特性

* Mac地址由48比特组成。
* 前24标识是厂商标识,后24厂商自己的编号。
* 前24位中的第八比特,为0----单播地址,为1----组播地址。

 Ethernet II帧格式

数据转发时,要统一通信语言-----在数据链路层里称为数据帧格式

目的MAC 6字节 源MAC 6字节类型2字节数据46-1500尾部校验4字节

头部(14字节):目的地址(6字节)+源地址(6字节)+类型(2字节)

尾部(4字节):帧检验序列

数据:大小范围46~1500字节

数据帧大小范围:64~1518字节

类型:当数据帧头部和尾部解封装之后,数据要交给上层(网络层)协议处理,具体交给上层的哪个协议处理,用类型字段来区分。

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