第三章 计算机网络体系结构

这是一篇关于第三章 计算机网络体系结构的思维导图。计算机网络体系结构是指计算机网络层次结构模型，它是各层的协议以及层次之间的端口的集合。在计算机网络中实现通信必须依靠网络通信协议，目前广泛采用的是国际标准化组织（ISO）1997年提出的开放系统互联（Open System Interconnection，OSI）参考模型，习惯上称为ISO/OSI参考模型。

计算机网络体系结构

• 网络体系结构
  • 概念：
    • 是网络各层及其协议的集合。
  • 原理：
    • 网络体系结构是为了完成计算机间的协同工作，为了减少网络通信设计的复杂性,把计算机间互联的功能划分成具有明确定义的层次，每一层实现一些特定的功能，同时规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。
  • 层次及层次间关系：
    • 以功能作为划分层次的基础，且每层功能明确，相互独立。
    • 第N-1层为第N层提供服务，第N层是第N-1层的用户
    • 第N层的实体实现自身功能的同时，直接使用第N-1层的服务，并通过第N-1层间接使用第N-1层以下各层的服务。
    • 各层仅在相邻层有接口 ，且所提供的具体实现对上一层完全屏蔽。
  • 网络体系结构相关名称概念：
    • 实体
      • 每一层中的活动元素通常称为实体。实体既可以是软件实体（如同一个进程），也可以是硬件实体（如智能输入/输出芯片）
    • 对等实体
      • 不同通信结点上的同一层实体称为对等实体。
    • 对等层
      • 不同结点的相同层次是对等层，也称同等层。对等层通过协议通信。
    • 相邻层：
      • 同一结点的上下两层是相邻层，相邻层通过端口通信。
    • 接口：
      • 接口是同一系统内相邻层之间交换信息的连接点，也是相邻层的通信规则。
• 协议
  • 概念：
    • 网络协议是为了网络数据交换而制定的规则、约定与标准。
  • 网络协议三要素：
    • 语义：
      • 用于解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。——要做什么。
    • 语法：
      • 用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义。——要怎么做。
    • 时序(同步)：
      • 事件实现顺序的详细说明。——做得顺序。
• OSI参考模型
  • 1.含义
    • 起源
      • 世界上第一个网络ARPANET，经过长期的时间发现，对于复杂网络而言，层级结构模型更适用于我们的网络。国际标准化组织（ISO）于1984年正式颁布的“开放系统互联/参考模型“（ISO/RM)，该模型定义了不同计算机互联的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。
    • 目的
      • 解决异构网络的互联问题
    • OSI/RM
      • 开放系统互联/参考模型
    • ISO
      • 国际标准化组织
  • 2.概述
    • 应用层
      • 概念
        • 用户与网络的接口
      • 功能
        • 直接为用户提供服务，处理应用程序之间的通信。
      • 应用
        • telnet、网络应用软件
    • 表示层
      • 概念
        • 提供数据格式转换服务
      • 功能
        • 数据加密、压缩、格式转换
      • 应用
        • 编码形式，如ASCII码、图形格式JPEG等
    • 会话层
      • 概念
        • 建立端连接并提供访问验证和会话管理
      • 功能
        • 建立、管理、终止进程之间的会话
      • 应用
        • 数据库服务器与客户端通信
    • PDU:数据
    • 传输层
      • 概念
        • 提供应用进程之间的逻辑通信
      • 功能
        • 端到端传输
        • 差错控制
        • 流量控制
      • PDU:数据段
    • 网络层
      • 概念
        • 在通信双方之间选择一条最佳线路
      • 功能
        • 路由选择
        • IP寻址（逻辑寻址）
        • 拥塞控制
      • PDU:数据报/包
    • 数据链路层
      • 概念
        • 在通信实体之间建立数据链路连接
      • 功能
        • 封装成帧
        • 差错检测
        • 链路管理
        • MAC地址寻址（物理寻址）
      • 标准
        • IEEE802.3/IEEE802.2
      • PDU:数据帧
    • 物理层
      • 概念
        • 为数据端设备提供原始比特流的传输的通路
      • 特点
        • 规定机械特性、电气特性、功能特性、过程特性
      • 功能
        • 在通信双方之间建立通信线路，为数据链路层提供必需的物理连接，以二进制位流形式传输数据。
      • PDU:比特
• TCP/IP模型
  • 概念：TCP/IP是一组用于实现网络互联的通信协议，Internet网络体系结构以TCP/IP为核心，它是互联网协议簇中的母协议。
  • 分层特点：
    • 开放的协议标准，可以免费使用，独立于特定的计算机硬件和操作系统。
    • 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网和互联网中。
    • 统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网络中都具有唯一的地址。
    • 标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。
  • 分层
    • 网络接口层
      • 对应OSI模型中的物理层和数据链路层
      • 相关技术：
        • 局域网技术
          • 以太网、令牌环网、FDDI
        • 广域网技术
          • 串行线、帧中继、ATM
    • 网络层
      • 对应OSI模型中的网络层
      • 协议
        • IP(网际互连协议)
          • TCP/IP的“心脏”，提供不可靠的、无连接的数据报传递服务。
        • ARP(地址解析协议)
        • RARP(逆向地址解析协议)
        • ICMP(控制报文协议)
    • 传输层
      • 对应OSI模型中的传输层
      • 协议
        • TCP(传输控制协议）
          • 提供面向连接的可靠数据传输服务
          • 建立TCP连接，需要“三次握手”
        • UDP（用户数据报协议）
    • 应用层
      • 对应OSI模型中的会话、表示、应用层
      • 协议
        • SMTP（简单邮件传输协议）
          • 用于发送邮件
        • POP3（邮局协议）
          • 用于接收邮件
        • DNS（域名系统）
          • 用于实现从域名到IP地址的转换
        • FTP（文件传输协议）
          • 为文件的传输提供途径，允许数据从一台主机传输到另一台主机，也可以从FTP服务器上传和下载文件。
          • 采用客户机/服务器工作模式。
          • 常见FTP类型
            • 传统的FTP命令行
            • 浏览器
            • FTP下载工具（CuteFTP、FlashFXP)
        • TFTP（简单文件传输协议）
        • TELNET（远程登录协议）
          • 可以让本地用户登录进远距离的另一台联网主机。
        • SNMP（简单网络管理协议）
        • DHCP（动态主机配置协议）
          • 用于实现动态获取IP地址，为客户端自动分配TCP/IP配置信息
• IP地址
  • 含义
    • TCP/IP网络中的每个结点都使用一32位二进制的地址（IPv4）来标识自己。
  • 表示
    • IPv4
      • 出现的原因：
        • MAC地址（物理地址）不好记忆，出现了IP地址（逻辑地址）
      • 现状：
        • 现在常用；地址耗尽；中国有2.77亿个；
      • 32位二进制数组成。通常把二进制数转换成用十进制数表示，每段取值范围为0~255。IP地址通常用4段点分十进制数表示。
      • 二进制——十进制 转换
    • IPv6
      • 出现的原因：
        • IPv4的网络地址资源数量有限，为了解决IP地址匮乏问题而出现；可以为地球上每一粒沙子提供IP地址。
      • 128位二进制数，通常用冒号分十六进制数表示。
  • 结构
    • 网络号（网络地址）
      • 表示网络规模的大小，用于标识一个网络；
      • 同一个网络中每台主机的网络号必定相同；
    • 主机号（主机地址）
      • 表示网络中主机的编号，用于标识和区别网络中的每台主机；
      • 同一个网络中的每台计算机主机号都不同；
  • 分类
    • A类
      • 用于大型网络
    • B类
      • 用于中型网络
    • C类
      • 用于小型网络
    • D类
      • 用于组播
    • E类
      • 用于实验
  • 特殊的IP地址
    • 本地回环地址（回送地址、测试地址）：127.0.0.1
    • 网络地址：网络位随意，主机位全0
    • 直接广播地址（定向广播）：网络位随意，主机位全1
    • 有限广播地址（受限广播）：255.255.255.255
    • 任意的网络：0.0.0.0
    • 私有地址
      • A类：10.0.0.0~10.255.255.255
      • B类：172.16.0.0~172.31.255.255
      • C类：192.168.0.0~192.168.255.255
• 子网
  • 子网
    • 相同网络号的计算机之间才能直接通信，不同网络号的计算机要通过网关才能互通；
    • 把基于每类IP的网络进一步分成更小的网络，称为子网。
  • 子网掩码
    • 表示方式
      • 对应IP地址的网络部分用1表示，主机部分用0表示
    • 功能
      • 用于划分IP地址的网络位和主机位
      • 根据计算网络地址是否相同，判断任意两个IP地址是否属于同一子网
  • 可变长掩码（VLSM)
    • 将一个大的IP网络划分成若干小的网络
  • 子网应用
    • 根据IP地址和子网掩码求子网数和主机数
      • 子网数：2的N次方，N等于网络位的位数
      • 主机位数：2的M次方-2，M等于主机位的位数
    • 根据IP地址和主机数量（子网数量）求子网掩码
• 把IP地址与子网掩码做与运算
• 层次间的关系及分层相关概念
• 封装&解封过程