网络参考模型与标准协议(二)-TCP/IP对等模型详细介绍

应用层

  • 应用层为应用软件提供接口,使应用程序能够使用网络服务。应用层协议会指定使用相应的传输层协议,以及传输层所使用的端口等。
  • TCP/IP每一层都让数据得以通过网络进行传输,这些层之间使用PDU ( Paket Data Unit,协议数据单元)彼此交换信息,确保网络设备之间能够通信。
  • 不同层的PDU中包含有不同的信息,因此PDU在不同层被赋予了不同的名称。应用层的PDU被称为Data ( 数据)。

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FTP

FTP ( File Transfer Protocol)是一个用于从一台主机传送文件到另一台主机的协议,用于文件的“下载”和“上传”,它采用C/S ( Client/Server) 结构。

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Telnet

Telnet是数据网络中提供远程登录服务的标准协议。 Telnet为用户提供了在本地计算机上完成远程设备工作的能力。

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HTTP

HTTP( HyperText Transfer Protocol) 是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。设计HTTP最初的目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法。

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传输层

  • 传输层协议接收来自应用层协议的数据,封装上相应的传输层头部,帮助其建立“端到端”( Port to Port) 的连接。
  • 传输层的PDU被称为Segment ( 段)。

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TCP报文头部

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  • Source Port: 源端口,标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
  • Destination Port: 目的端口,标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
  • Sequence Number: 序号字段。TCP链接中传输的数据流每个字节都编上一个序号。序号字段的值指的是本报文段所发送数据的第一个字节的序号。长度为32比特。
  • Acknowledgment Number: 确认序列号,是期望收到对方下一个报文段数据的第1个字节的序号,即上次已成功接收到的数据段的最后一个字节数据的序号加1。只有Ack标识为1,此字段有效。长度为32比特。
  • Header Length: 头部长度,指出TCP报文头部长度,以32比特(4字节)为计算单位。若无选项内容,则该字段为5,即头部为20字节。
  • Reserved: 保留,必须填0。长度为3比特。
  • Control bits: 控制位,包含FIN、ACK、SYN等标志位,代表不同状态下的TCP数据段。
  • Window: 窗口TCP的流量控制,这个值表明当前接收端可接受的最大的数据总数(以字节为单位)。窗口最大为65535字节。长度为16比特。
  • Checksum: 校验字段,是一个强制性的字段,由发端计算和存储,并由收端进行验证。在计算检验和时,要包括TCP头部和TCP数据,同时在TCP报文段的前面加上12字节的伪头部。长度为16比特。
  • Urgent: 紧急指针,只有当URG标志置1时紧急指针才有效。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节( 紧急数据放在本报文段数据的最前面)。长度为16比特。
  • Options: 选项字段(可选),长度为0-40字节。

UDP报文头部

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  • Source Port: 源端口,标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
  • Destination Port: 目的端口,标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
  • Length: 该字段指定UDP报头和数据总共占用的长度。可能的最小长度是8字节,因为UDP报头已经占用了8字节。由于这个字段的存在,UDP报文总长不可能超过65535字节(包括8字节的报头,和65527字节的数据)。
  • Checksum: 覆盖UDP头部和UDP数据的校验和,长度为16比特。

TCP和UDP - 端口号

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TCP的建立- 三次握手

任何基于TCP的应用,在发送数据之前,都需要由TCP进行“三次握手”建立连接。

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TCP连接建立的详细过程如下:

  • 由TCP连接发起方(图中PC1),发送第一个SYN位置1的TCP报文。初始序列号a为一个随机生成的数字,因为没收到过来自PC2的任何报文,所以确认序列号为0;
  • 接收方(图中PC2)接收到合法的SYN报文之后,回复一个SYN和ACK置1的TCP报文初始序列号b为一个随机生成的数字,同时因为此报文是回复给PC1的报文,所以确认序列号为a+1;
  • PC1接收到PC2发送的SYN和ACK置位的TCP报文后,回复一个ACK置位的报文,此时序列号为a+1,确认序列号为b+1。PC2收到之后,TCP双向连接建立。

TCP的关闭- 四次挥手

当数据传输完成,TCP需要通过“四次挥手”机制断开TCP连接,释放系统资源。

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TCP支持全双工模式传输数据,这意味着同一时刻两个方向都可以进行数据的传输。在传输数据之前,TCP通过三次握手建立的实际上是两个方向的连接,因此在传输完毕后,两个方向的连接必须都关闭。如图所示:

  • 1: 由PC1发出一个FIN字段置”1”的不带数据的TCP段。
  • 2: PC2收到PC1发来的FIN置位的TCP报文后,会回复一个ACK置位的TCP报文。
  • 3: 若PC2也没有需要发送的数据,则直接发送FIN置位的TCP报文。假设此时PC2还有数据要发送,那么当PC2发送完这些数据之后会发送一个FIN置位的TCP报文去关闭连接。
  • 4: PC1收到FIN置位的TCP报文,回复ACK报文,TCP双向连接断开。

网络层

  • 传输层负责建立主机之间进程与进程之间的连接,而网络层则负责数据从一台主机到另外一台主机之间的传递。
  • 网络层的PDU被称为Packet (包)。
  • IPv4( Internet Protocol Version 4),简称IP,是目前应用最广泛的网络层协议

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网络层协议工作过程

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  • 当采用IP作为网络层协议时,通信的双方都会被分配到一个“独一无二”的IP地址来标识自己。IP地址可被写成32位的二进制整数值形式,但为了方便人们阅读和分析,它通常被写成点分十进制的形式,即四个字节被分开用十进制表示,中间用点分隔,比如192.168.1.1

  • IP数据包的封装与转发:

    • 网络层收到上层(如传输层)协议传来的数据时候,会封装一个IP报文头部,并且把源和目的IP地址都添加到该头部中。
    • 中间经过的网络设备(如路由器 ),会维护一张指导IP报文转发的“地图”一一路由表,通过读取IP数据包的目的地址,查找本地路由表后转发IP数据包。
    • IP数据包最终到达目的主机,目的主机通过读取目的IP地址确定是否接受并做下一步处理。
  • IP协议工作时,需要如OSPF、IS-IS、BGP等各种路由协议帮助路由器建立路由表,ICMP帮忙进行网络的控制和状态诊断。

数据链路层

  • 数据链路层位于网络层和物理层之间,可以向网络层的IP、IPv6等协议提供服务。
  • 数据链路层的PDU被称为Frame(帧)。
  • 以太网( Ethernet)是最常见的数据链路层协议。

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以太网与MAC地址

MAC地址由48比特( 6个字节)长,12位的16进制数字组成。例如: 8-A4-72-1C-8F-4F

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地址解析协议(ARP)

ARP ( Address Resolution Protocol) 地址解析协议: 根据已知的IP地址解析获得其对应的MAC地址。

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  • ARP( Address Resolution Protocol,地址解析协议 )是根据IP地址获取数据链路层地址的一个TCP/IP协议。
  • ARP是IPv4中必不可少的一种协议,它的主要功能是:
    • 将IP地址解析为MAC地址。
    • 维护IP地址与MAC地址的映射关系的缓存,即ARP表项。
    • 实现网段内重复IP地址的检测。

物理层

  • 数据到达物理层之后,物理层会根据物理介质的不同,将数字信号转换成光信号、电信号或者是电磁波信号。
  • 物理层的PDU被称为比特流( Bitstream )

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常见传输介质

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  • 双绞线: 当今以太网最常见的传输介质,按照抗电磁干扰能力还可以分为:
    • STP-屏蔽双绞线
    • UTP-非屏蔽双绞线
  • 光纤传输,按照功能部件可分为:
    • 光纤: 光传输介质,简单的说,就是一根玻璃纤维,用于约束光传输的通道。
    • 光模块: 将电信号与光信号互转的器件,产生光信号。
  • 串口电缆在WAN ( Wide Area Network,广域网)中大规模使用,根据WAN线路类型不同串口电缆在设备上连接的接口类型也不同: 异/同步串口、ATM接口、POS接口、CE1/PRI接口等。
  • 无线信号的传输可以通过电磁波进行,例如: 无线路由器将数据通过调制以电磁波发送出去,移动终端的无线网卡将电磁波解调,得到数据,完成从无线路由器到移动终端的数据传输。

数据通信过程

发送方数据封装

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假设你正在通过网页浏览器访问华为官网,当你输入完网址,敲下回车后,计算机内部会发生下列事情:

  1. IE浏览器(应用程序)调用HTTP(应用层协议),完成应用层数据的封装(图中DATA还应包括HTTP头部,此处省略)。
  2. HTTP依靠传输层的TCP进行数据的可靠性传输,将封装好的数据传递到TCP模块。
  3. TCP模块给应用层传递下来的Data添加上相应的TCP头部信息(源端口、目的端口等)。此时的PDU被称作Segment(段)。
  4. 在Pv4网络中,TCP模块会将封装好的Segment传递给网络层的IPv4模块(若在IPv6环境,会交给IPv6模块进行处理)。
  5. IPv4模块在收到TCP模块传递来的Segment之后,完成IPv4头部的封装,此时的PDU被称为Packet(包)。
  6. 由于使用了Ethernet作为数据链路层协议,故在IPv4模块完成封装之后,会将Packet交由数据链路层的Ethernet模块(例如以太网卡)处理。
  7. Ethernet模块在收到IPv4模块传递来的Packet之后,添加上相应的Ethernet头部信息和FCS帧尾,此时的PDU被称为Frame(帧)。
  8. 在Ethernet模块封装完毕之后,会将数据传递到物理层。
  9. 根据物理介质的不同,物理层负责将数字信号转换成电信号,光信号,电磁波(无线)信号等。
  10. 转换完成的信号在网络中开始传递。

中间网络数据传输

封装好的完整数据,将会在网络中被传递。

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一般情况下:

  • 网络中的二层设备(如以太网交换机)只会解封装数据的二层头部,根据二层头部的信息进行相应的“交换”操作。
  • 网络中的三层设备(如路由器)只会解封装到三层头部,并且根据三层头部的信息进行相应的“路由”操作。

接收方数据解封装

经过中间网络传递之后,数据最终到达目的服务器。根据不同的协议头部的信息,数据将被一层层的解封装并做相应的处理和传递,最终交由WEB服务器上的应用程序进行处理。

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总结

  • 不论是OSI参考模型还是TCP/IP参考模型,都采用了分层的设计理念。
    • 各个层次之间分工、界限明确,有助于各个部件的开发、设计和故障排除
    • 通过定义在模型的每一层实现什么功能,鼓励产业的标准化
    • 通过提供接口的方式,使得各种类型的网络硬件和软件能够相互通信,提高兼容性
  • 数据的产生与传递,需要各模块之间相互协作,同时每个模块又需要“各司其职”。

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