【計算機網絡】五層體系結構

計算機各層網絡協議

協議數據單元PDU（Protocol Data Unit）是指對等層次之間傳遞的數據單位

物理層

• 典型設備：中繼器、集線器
  使用了光纖、同軸電纜、雙絞線……
• 中間設備：中繼器、集線器

  • 中繼器
    中繼器（Repeater）又被稱為轉發器或放大器，執行物理層協議，負責第一層（物理層）的數據中繼，實現電氣信號的“再生”。用於互連兩個相同類型的網段，主要功能是延伸網段和改變傳輸媒體，從而實現信息位的轉發。它本身不執行信號的過濾功能。

  • 集線器
    集線器（HUB）是一種典型或稱為特殊的轉發器。它的作用可以簡單的理解為將一些機器連接起來組成一個局域網。它不具有智能處理能力，處理的數據只是電流而已，它采用共享帶寬的工作方式，附接端口的所有計算機采用CSMA/CD方式競爭帶寬的使用，任一時刻只能由兩台計算機之間進行通信。
• 數據單元：數據位（bit）binary digit 二進制數據的縮寫
• 網絡協議：無

數據鏈路層

• 典型設備：網卡、網橋、交換機
• 中間設備：網橋、交換機
  • 網橋
    網橋（Gate Bridge）負責第二層（數據鏈路層）的數據中繼。互連兩個獨立的、僅在低兩層實現上有差異的子網。
  • 交換機
    實質上是一個多接口的網橋。
• 數據單元：數據幀 （Frame）
• 網絡協議：
  • ARQ（Automatic Repeat-reQuest ）自動重傳請求協議，錯誤糾正協議之一，包括停止等待ARQ 協議和連續ARQ 協議，錯誤偵測、正面確認、逾時重傳與負面確認繼以重傳等機制。

  • SW（stop-and-wait）停止等待協議。停止等待就是每發送完一個分組就停止發送，等待對方的確認。在收到確認后再發送下一個分組。用於通信系統中，兩個相連的設備相互發送信息時使用，以確保信息不因丟包或包亂序而丟失，是最簡單的自動重傳請求方法。

  • CSMA/CD(Carrrier Sense Multiple Access with Collision Detection)載波監聽多點接入/碰撞檢測協議。總線型網絡，協議的實質是載波監聽和碰撞檢測。載波監聽即發數據前先檢測總線上是否有其他計算機在發送數據，如暫時不發數據，避免碰撞。碰撞檢測為計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。

  • PPP(Point-to-Ponit Protocol)點對點協議面向字節，由三部分組成：
    • 一個將IP 數據報封裝到串行鏈路的方法；
    • 一個用於建立、配置和測試數據鏈路連接的鏈路控制協議LCP；
    • 一套網絡控制協議NCP。

  • HDLC （High-Level Data Link Control ）高級數據鏈路控制同步網上傳輸數據、面向比特的數據鏈路層協議。

  • ATM （Asynchronous Transfer Mode ）異步傳遞方式，建立在電路交換和分組交換的基礎上的一種面向連接的快速分組交換技術。 “異步”是指將ATM 信元“異步插入”到同步的 SDH 比特流中。如同步插入則用戶在每幀中所占的時隙相對位置固定不變。“同步”是指網絡中各鏈路上的比特流都是受同一非常精確的主時鍾的控制。Wi-Fi 、WiMAX 、DTM 、令牌環、以太網、FDDI 、幀中繼、 GPRS 、 EVDO 、HSPA 、L2TP 、ISDN。

網絡層

• 典型設備：路由器、防火牆、多層交換機
• 中間設備：路由器
  • 路由器
    路由器（Router）負責第三層（網絡層）的數據中繼。它能理解數據中的IP地址，如果它接收到一個數據包，就檢查其中的IP地址，如果目標地址是本地網絡的就不理會，如果是其他網絡的，就將數據包轉發出本地網絡。它的作用在於連接相同或不同類型網絡，並且能找到網絡中數據傳輸最合適的路徑即路由選擇。
• 數據單元：數據包（Packet）
• 網絡協議：

  • IP (IPv4 · IPv6) (Internet Protocol) 網絡之間互連的協議

  • ARP (Address Resolution Protocol) 即地址解析協議，實現通過IP 地址得 知其物理地址。

  • RARP (Reverse Address Resolution Protocol)反向地址轉換協議允許局域 網的物理機器從網關服務器的 ARP 表或者緩存上請求其 IP地址。

  • ICMP (Internet Control Message Protocol ）Internet 控制報文協議。它是TCP/IP 協議族的一個子協議，用於在IP 主機、路由器之間傳遞控制消息。

  • ICMPv6 (Internet Control Managemet Protocol Version 6)互聯網控制信息協議版本六。ICMPv6為了與IPv6配套使用而開發的互聯網控制信息協議。與IPv4一樣，IPv6也需要使用ICMP，舊版本的ICMP不能滿足IPv6全部要求，因此開發了新版本的ICMP，稱為ICMPv6。

  • IGMP (Internet Group Management Protocol) Internet 組管理協議,是因特 網協議家族中的一個組播協議，用於 IP 主機向任一個直接相鄰的路由器報 告他們的組成員情況。

  • RIP (Router information protocol) 路由信息協議是一種在網關與主機之間交換路由選擇信息的標准。

  • OSPF (Open Shortest Path Firs)開放式最短路徑優先,分布式鏈路狀態協議。

  • BGP（Border Gateway Protocol ）邊界網關協議，用來連接Internet 上獨立系統的路由選擇協議.采用路徑向量路由選擇協議。

運輸層

• 典型設備：進程和端口
• 中間設備：網關
  • 網關
    網關（Gateway）負責第三層（網絡層）以上的數據中繼，實現不同體系結構的網絡協議轉換，它通常采用軟件的方法實現，並且與特定的應用服務一一對應。比如：OSI的文件傳輸服務FTAM和TCP/IP的文件傳輸服務FTP，盡管二者都是文件傳輸但是由於所執行的協議不同不能直接進行通信，而需要網關將兩個文件傳輸系統互連，達到相互進行文件傳輸的目的。
• 數據單元：數據段 （Segment）
• 網絡協議：

  • TCP （Transmission Control Protocol ）傳輸控制協議，提供可靠的面向連接的服務，傳輸數據前須先建立連接，結束后釋放。可靠的全雙工信道。可靠、有序、無丟失、不重復。

  • UDP (User Datagram Protocol ）用戶數據報協議，發送數據前無需建立連接，不使用擁塞控制，不保證可靠交付，最大努力交付。

應用層

• 典型設備:應用程序，如FTP，SMTP ，HTTP)
• 中間設備：網關
  • 網關
    網關（Gateway）負責第三層（網絡層）以上的數據中繼，實現不同體系結構的網絡協議轉換，它通常采用軟件的方法實現，並且與特定的應用服務一一對應。比如：OSI的文件傳輸服務FTAM和TCP/IP的文件傳輸服務FTP，盡管二者都是文件傳輸但是由於所執行的協議不同不能直接進行通信，而需要網關將兩個文件傳輸系統互連，達到相互進行文件傳輸的目的。
• 數據單元：報文（message）
• 網絡協議：

  • DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)動態主機分配協議，使用 UDP 協議工作，主要有兩個用途：給內部網絡或網絡服務供應商自動分配 IP 地址，給用戶或者內部網絡管理員作為對所有計算機作中央管理的手段。實現即插即用連網。

  • DNS （Domain Name System ）域名解析 <端口號53>

  • FTP （File Transfer Protocol ）文件傳輸協議 <端口號21> ，減少或消除不同操作系統下處理文件的不兼容性。

  • HTTP （Hypertext Transfer Protocol ）超文本傳輸協議 <端口號 80>， 面向事務的應用層協議。

  • POP3 (Post Office Protocol 3) 即郵局協議的第3 個版本，用於接受郵件。

  • SMTP （Simple Mail Transfer Protocol ）簡單郵件傳輸協議 <端口號25> 用於發送郵件。

  • SSH （Secure Shell ）安全外殼協議

  • TELNET（Telnet） 遠程登錄協議 <端口號23>

計算機網絡通信方式

為了實現跨越互聯網的，主機 A 的進程 P1，和主機 B 的進程 P2 之間的通信，我們逐層把這個任務交給 TCP/IP 協議棧。

• 運輸層：“如果有人能幫我把數據從某個網絡中的機器 A 搬到另一個網絡中的機器 B，我就可以搞定這個任務，因為我知道不同的數據應該交給機器上的哪個進程。”
• 網絡層：“如果有人能幫我把數據從局域網中直接相連的一台機器搬到另一台機器，我就可以把數據從一個網絡搬到另一個網絡，因為我知道路線怎么走，要經過哪些節點。”
• 數據鏈路層：“我知道怎樣在局域網中搬數據，還能用 CSMA/CD 協議協調工作，還能用 CRC32 校驗發送的數據和接收的數據是一致的，balabala... But，我只是說說，我不干苦力活。”
• 物理層：“樓上的大爺們發話了，兄弟們上。”