网络分层

网络分层

网络互连模型

• 为了更好的促进互联网的研究和发展，国际标准组织 ISO 在1985年制定了网络互连模型
  • OSI (Open System Interconnect Reference Model), 具有7层结构

• 应用层
  • 协议 : FTP,HTTP,SMTP,DNS,DHCP
  • 报文，用户数据
• 传输层
  • 协议：TCP,UDP
  • 段(Segments)
• 网络层
  • IP，ARP，ICMP
  • 包(Packets)
• 数据链路层
  • CSMA,CD,PPP
  • 帧(Frames)
• 物理层
  • 比特流

物理层

• 物理层定义了接口标准，线缆标准，传输速率，传输方式等

数字信号，模拟信号

模拟信号(Analog Signal)

• 连续的信号，适合长距离传输
• 抗干扰能力差，受到干扰时波形变形很难纠正

数字信号(Digital Signal)

• 离散的信号，不适合长距离传输
• 抗干扰能力强，受到干扰时波形失真可以修复

数据通信模型

• 局域网通信模型
  • PC 通过网线传输数字信号与集线器/交换机通信
  • 另一台PC同样通过这种方式与集线器/交换机通信。 进而实现两台计算机通信
  • 注意网线不能超过100米
• 广域网通信模型
  • PC 通过网线与调制解调器(猫)通信 (传输数字信号)
  • 调制解调器通过电话线与另外一个调制解调器通信 (传输模拟信号)
  • 再由调制解调器将模拟信号转换问数字信号
  • 注意光纤的使用光电调制解调器

信道(Channel)

• 信道：信息传输的通道，一个传输介质上(比如网线) 上可以有多条信道
• 单工通信
  • 信号只能往一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向
  • 比如无线电广播，有线电视广播
• 半双工通信
  • 信号可以双向传输，但必须交替进行，同一时间只能往一个方向传输
  • 比如对讲机
• 全双工通信
  • 信号可以同时双向传输
  • 比如手机(听，说同时进行)

数据链路层

• 链路：从1个节点到相邻节点的一个段物理线路(有线或无线)，中间没有其他转换节点
• 数据链路: 在一条链路上传输数据时，需要有对应的通信协议来控制数据的传输
  • 不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的
    • 广播信道: CSMA/CD协议 (比如同轴电缆，集线器等组成的网络)
    • 点对点信道: PPP协议(比如2个路由器之间的信道)
• 数据链路的3个基本问题
  • 封装成帧
  • 透明传输
  • 差错检验

数据链路层 - 封装成帧

• 帧(Frame) 的数据部分
  • 就是网络层传递下来的数据包(IP数据包，Packet)
• 最大传输单元MTU (Maximum Transferr Unit)
  • 每一种数据链路层协议都规定了所能够传送的帧的数据长度上限
  • 以太网的MTU为1500个字节

数据链路层 - 透明传输

• 使用SOH(Start Of Header) 作为帧开始符
• 使用EOT(End Of Transmission) 作为帧结束符

会出现如下问题 :

当数据部分出现EOT时，部分数据会被当作无效帧而丢弃

所以，数据部分一旦出现了SOH，EOT，就需要进行转义

数据链路层 - 差错校验

• FCS是根据数据部分 + 首部计算得出的

CSMA/CD协议

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
  • 载波侦听多路访问 / 冲突检测
• 使用了 CSMA/CD的的网络可以成为以太网(Ethenet), 它传输的是以太网帧
  • 以太网帧的格式有： Ethernet V2标准，以太网的帧至少64字节
  • 用交换机组建呢的网络，现在已经支持全双工通信，不再需要使用CSMA/CD，但它传输的帧依然是以太网帧
    • 所以，用交换机组建的网络，依然可以称为以太网

Ethernet V2帧的格式

• 首部 : 目标MAC + 源MAC
• 以太网帧 : 首部 + 数据 + FCS
• 数据的长度至少是: 64 -6 -6 -2 - 4 = 46字节
• 当数据部分的长度小于46字节时
  • 数据链路层会在数据的后面加入一些字节填充
  • 接收端会将添加的字节去掉
• 长度总结
  • 以太网帧的数据长度 : 46 - 1500字节
  • 以太网帧的长度 ： 64 - 1518字节(目标MAC + 源MAC + 网络类型 + 数据 + FCS)

网卡

• 网卡接收到一个帧，首先会进行差错校验，如果校验通过则接收，否则丢弃
• Wireshark抓到的帧没有FCS，因为它抓到的是差错校验通过的帧(帧尾的FCS会被硬件去掉)
  • Wireshark抓不到差错校验的帧

PPP协议(Point to Point Protocol)

• Address字段 : 图中的值都是 0xFF, 形同虚设，点到点信道不需要源MAC，目标MAC地址
• Control字段 ：图中的值都是 0x03,目前没什么用
• Protocol字段 : 内部用到的协议类型
• 帧开始符，帧结束符: 0x7E

PPP协议 - 字节填充

网络层

• 网络层数据包(IP数据包，Packet) 由首部，数据两部分组成

  • 数据 : 很多时候由传输层传递下来的数据段(Segment)

  

网络层首部 - 版本，首部长度，区分服务

• 版本(Version)
  • 占4位
    • 0b0100 : IPv4
    • 0b0110 : IPv6
• 首部长度(Header Length)
  • 占4位，二进制乘以4才是最终长度
  • 0b0101 : 20(最大值)
  • 0b1111 : 60(最大值)
• 区分服务(Differentiated Services Field)
  • 占8位
  • 可用于提高网络的服务质量(QoS, Quality of Service)
• 总长度
  • 占16位
  • 首部 + 数据的长度之和，最大值是65535
  • 由于帧的数据不能超过1500字节，所以过大的IP数据包，需要分成片(fragments) 传输给数据链路层
    • 每一篇都有自己的网络层首部(IP首部)
• 标识(Identification)
  • 占16位
  • 数据包的ID，当你数据包过大进行拆分时，同一个数据包的所有片的标识都是一样的
  • 有一个计数器专门管理数据包的ID，每发出一个数据包，ID就加1
• 标识(Flags)
  • 占3位
  • 第一位 : 保留
  • 第二位 ：1代表不允许分片，0代表允许分片
  • 第三位 : 1代表不是最后一片，0代表是最后一片

ping - 几个用法

• ping /?
  • 查看 ping 的用法
• ping ip地址 -l 数据包大小
  • 发送指定大小的数据包
• ping ip地址 -f
  • 不允许网络层分页
• pinng ip地址 -i TTL
  • 设置TTL的值
• 通过tracert, pathping 命令，可以跟踪数据包经过了那些路由器

网络层首部 - 片偏移

• 片偏移 (Fragment Offset)
  • 占13位
  • 片偏移乘以8 ： 字节偏移
  • 每一片的长度一定是8的整数倍

• 生存时间

  • 占8位

  • 每个路由器在转发之前会将TTL减1，一旦发现TTL减为0，路由器会返回错误报告

  • 观察使用ping命令后的TTL，能够推测出对方的操作系统，中间经过了多少个路由器

    

• 协议(Protocol)

  • 占8位

  • 表明所封装的数据是使用了什么协议

  • 首部校验和(Header Checksum)

    • 用于检查首部是否有错误

    

传输层(Transport)

• 传输层有2个协议

  • TCP(Transmission Control Protocol), 传输控制协议

  • UDP(User Datagram Protocol), 用户数据报协议

    	TCP	UDP
    连接性	面向连接	无连接
    可靠性	可靠传输，不丢包	不可靠传输，尽最大努力交付，可能丢包
    首部占用空间	大	小
    传输速率	慢	快
    资源消耗	大	小
    应用场景	浏览器，文件传输，邮件发送	音视频通话，直播
    应用层协议	HTTP，HTTPS，FTP，SSMTP，DNS	DNS

UDP - 数据格式

• UDP 是无连接的，减少了建立和释放连接的开销
• UDP尽最大努力交付，不保证可靠交付
  • 因此不需要维护一些复杂的参数，首部只有8个字节(TCP的首部至少20个字节)
• UDP长度(Length)
  • 占16位，首部的长度 + 数据的长度

UDP - 检验和(Checksum)

• 检验和的计算内容 : 伪首部 + 首部 + 数据

  • 伪首部 ： 仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层

  

端口(Port)

• UDP首部中端口是占用2字节
  • 可以推测出端口号的取值范围是 0-65535
• 客户端的源端口号是临时开启的随机端口
• 防火墙可以设置开启/关闭某些端口来提高安全性
• 常用命令行
  • netstat -an : 查看被占用的端口
  • netstat -anb : 查看被占用的端口，占用端口的应用程序
  • telnet 主机 端口: 查看是否可以访问某些主机的某个端口

TCP - 数据格式