一、网络通信基本概念

一、网络通信的基本概念

通信:是指人与人、人与物、物与物之间通过某种媒介和行为进行的信息传递与交流。

网络通信，是指终端设备之间通过计算机网络进行的通信。

• 数据载荷：可以理解为最终想要传递的信息，但实际上，在具有层次化结构的通信过程中，上一层协议传递给下一层协议的数据单元（报文）都可以称之为下一层协议的数据载荷。

• 报文：网络中交换与传输的数据单元，具有一定的内在格式，通常都具有头部+数据载荷+尾部的基本结构。传输过程中，报文的格式和内容可能发生改变。

• 头部：为了更好的传递信息，在组装报文时，在数据载荷的前面添加的信息段统称为报文的头部。

• 尾部：为了更好的传递信息，在组装报文时，在数据载荷的后面添加的信息段统称为报文的尾部。注意，很多报文是没有尾部的。

• 封装：分层协议所采用的一种技术，底层协议收到来自上层协议的消息时，将该消息附加到底层帧的数据部分。

• 解封装：是封装的逆过程，也就是去掉报文的头部和尾部，获取数据载荷的过程。

• 网关：是在采用不同体系结构或协议的网络之间进行互通时，用于提供协议转换、路由选择、数据交换等功能的网络设备。网关是一种根据其部署位置和功能而命名的术语，而不是一种特定的设备类型。

• 路由器：为报文选择传递路径的网络设备。

• 终端设备：数据通信系统的端设备，作为数据的发送者或接收者，提供用户接入协议操作所需必要功能，可以是计算机、服务器、VoIP、手机等。

 

二、数据通信的基本概念

 

1.概念：

数据通信网络：由路由器、交换机、防火墙、无线控制器、无线接入点，以及个人电 脑、网络打印机、服务器等设备构 成的通信网络。 

功能： 数据通信网络最基本的功能是实现 数据互通

 

2.网络设备类型：

网络设备-交换机：距离终端用户最近的设备，用于终端用户接入网络、对数据帧进行交换等。 

▫终端设备（PC、服务器等）的网络接入 

▫ 二层交换（Layer 2 Switching） 

 

网络设备-路由器：网络层设备，可以在因特网中进行数据报文转发。路由器根据所收到的报文的目的地址选择一条合适的路径，将报文传送到下一个路由器或目的地，路径中最后的路由器负责将报文送

交目的主机

 

▫ 实现同类型网络或异种网络之间的通信

▫ 隔离广播域 ▫ 维护路由表（Routing Table）、运行路由协议

▫ 路径（路由信息）选择、IP报文转发

▫ 广域网接入、网络地址转换 

▫ 连接通过交换机组建的二层网络

 

 

网络设备 - 防火墙：网络安全设备，用于控制两个网络之间的安全通信。它通过监测、限制、更改跨越防火墙的数据流，尽可能地对外部屏蔽网络内部的信息、结构和运行状况，以此来实现对网络的安全

保护。

▫ 隔离不同安全级别的网络

▫ 实现不同安全级别的网络之间的访问控制（安全策略）

▫ 用户身份认证

▫ 实现远程接入功能

▫ 实现数据加密及虚拟专用网业务

▫ 执行网络地址转换

▫ 其他安全功能

 

网络设备-无线设备：无线局域网WLAN广义上是指以无线电波、激光、红外线等无线信号来代替有线局域网中 的部分或全部传输介质所构成的网络。而常见的Wi-Fi是指IEEE 802.11标准上的无线局域网 技术。 

在WLAN中，常见的设备有胖AP、瘦AP和无线控制器AC。 胖AP功能强大，集成所有功能，瘦AP功能弱，大部分功能集成在AC控制器上。

 

3.网络的分类

局域网、城域网、广域网

 

按照地理覆盖范围来划分，网络可以分为局域网 (Local Area Network)、城域网 (Metropolitan Area Network) 和广域网 (Wide Area Network)。

 

 

4.网络拓扑：

网络拓扑（Network Topology）是指用传输介质（例如双绞线、光纤等）互连各种设备（例如计算机终端、路由器、交换机等）所呈现的结构化布局

 

网络拓扑的形态：按照网络的拓扑形态来划分，网络可分为星型网络、总线型网络、环形网络、树形网络、全网状 网络和部分网状网络。

 

二、网络参考模型：

 

1.OSI七层模型

 

2.TCP/IP协议模型

 

因为OSI协议栈比较复杂，且TCP和IP两大协议在业界被广泛使用，所以TCP/IP参考模型 成为了互联网的主流参考模型。 

 

TCP/IP标准参考模型将OSI中的数据链路层和物理层合并为网络接入层，这种划分方式其实 是有悖于现实协议制定情况的，故融合了TCP/IP标准模型和OSI模型的TCP/IP对等模型被提 出，后面的讲解也都将基于这种模型。

 

3.常见协议标准化组织

 

IETF(Internet Engineering Task Force)：负责开发和推广互联网协议（特别是构成TCP/IP协议族的协议）的志愿组织，通过RFC发布新 的或者取代老的协议标准。

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers):IEEE制定了全世界电子、电气和计算机科学领域30%左右的标准，比较知名的有 IEEE802.3(Ethernet)、IEEE802.11(Wi-Fi)等

ISO(International Organization for Standardization): 在制定计算机网络标准方面，ISO是起着重大作用的国际组织，如OSI模型，定义于ISO/IEC 7498-1

 

 

4.TCP/IP模型：

 

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。 应用层的PDU被称为Data（数据）。 

应用层常见协议：

• HTTP 80 (TCP) 超文本传输协议，提供浏览网页服务

• Telnet 23 (TCP) 远程登陆协议，提供远程管理服务

• FTP 20、21 (TCP) 文件传输协议，提供互联网文件资源共享服务 

• SMTP 25 (TCP) 简单邮件传输协议，提供互联网电子邮件服务 

• TFTP 69 (UDP) 简单文件传输协议，提供简单的文件传输服务 

 

 

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）。

传输层常见协议：

ϒ⁄ TCP 一种面向连接的、可靠的传输层 通信协议，由IETF的RFC 793定义。

ϒ⁄ UDP：一种简单的无连接的传输层协 议，由IETF的RFC 768定义。

 

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。 

 

▫ 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。 

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）。

 

网络层也叫Internet层 负责将分组报文从源主机发送到目的主机 。

网络层作用：为网络中的设备提供逻辑地址；负责数据包的寻径和转发；常见协议如IPv4，IPv6、ICMP，IGMP等。

 

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”——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。

 

• 数据链路层向网络层提供“段内通信”。 

• 负责组帧、物理编址、差错控制等功能。

• 常见的数据链路层协议有：以太网、PPPoE、PPP等。

 

数据链路层协议:

以太网是一种广播式数据链路层协议，支持多点接入。 • 个人电脑的网络接口遵循的就是以太网标准。 • 一般情况下，一个广播域对应着一个IP网段。

 

MAC (Media Access Control)地址在网络中唯一标识一个网卡， 每个网卡都需要且会有唯一的一个MAC地址。 • MAC用于在一个IP网段内，寻址找到具体的物理设备。 • 工作在数据链路层的设备。例如以太网交换机，会维护一张 MAC地址表，用于指导数据帧转发。

 

地址解析协议(ARP)

 

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： 

 

ϒ⁄ 将IP地址解析为MAC地址； 

ϒ⁄ 维护IP地址与MAC地址的映射关系的缓存，即ARP表项；

ϒ⁄ 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）。

 

物理层位于模型的最底层： 

• 负责比特流在介质上的传输。 

• 规范了线缆、针脚、电压、接口等物理特性规范。 

• 常见的传输介质有：双绞线、光纤、电磁波等。