计算机网络体系结构
计算机网络体系结构
分层结构
一、ISO/OSI模型
OSI 参考模型 有 7 层，自下而上依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层（记忆：物链网输会示用）
低三层统称为 通信子网，它是为了联网而附加的通信设备，完成数据的传输功能
传输层 承上启下
高三层统称为 资源子网，它相当于计算机系统，完成数据的处理等功能。
1.1 物理层
物理层的传输单位是 比特，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流，不用参与数据封装工作。为了实现该功能，物理层需要定义 硬件设备标准，如电缆类型、接口类型、电压标准等。
1.2 数据链路层
数据链路层的传输单位是 帧，两台主机之间的数据传输总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层协议。
数据链路层将网络层交来的 IP 分组封装成帧，并且可靠地传输到相邻结点的网络层。主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为尽可能可靠的 数据链路。数据链路层的功能可以概括为：物理寻址、组帧、差错控制、点对点流量控制、数据重发和传输管理等。
1.3 网络层
网络层（Netweork Layer）的传输单位是 数据报，它关心的是通信子网的运行控制，主要任务是把网络层的 协议数据单元（分组）从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。关键问题是对分组进行 路由选择，并实现整个网络的流量控制。
1.4 传输层
传输层（Transport Layer）的传输单位是报文段或用户数据报，传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能是为 端到端 连接提供可靠的传输服务，为 端到端 连接提供流量控制（端到端）、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。
数据链路层提供的是 点到点 的通信，传输层提供的是 端到端 的通信，两者不同。点到点 可以理解为主机到主机之间的通信；端到端的通信是指运行在 不同主机内的两个进程之间的通信，只有传输层及以上各层的通信才能称为端到端。
1.5 会话层
会话层（Session Layer）允许不同主机上的各个进程之间进行会话。这 会话 这种服务主要为用户进程建立连接，并在连接上有序地传输数据，这就是 会话。
会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的 检查点 机制来维持可靠会话，使通信会话在通信失效时从检查点继续恢复通信，即断点下载的原理。
1.6 表示层
表示层 主要处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。不同机器采用的 编码 和表示方法不同，使用的数据结构也不同。为了使不同表示方法的数据和信息之间能互相交换，表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的 编码 形式。此外，数据压缩、加密和解密 也是表示层的功能。
1.7 应用层
应用层是 OSI 参考模型的最高层，是用户与网络的接口。应用层为特定类型的网络应用提供访问 OSI 参考模型环境的手段。因为用户的实际应用多种多样，这就要求 应用层 采用不同的应用 协议 来解决不同类型的应用要求，因此 应用层 是最复杂的一层，使用的 协议 也最多
二、TCP/IP模型
TCP/IP 模型 有4层 ，从低到高依次为：网络接口层、网际层、传输层、应用层
- 网络接口层：对应 OSI 参考模型 中的物理层和数据链路层
- 网际层、传输层 和 应用层：对应 OSI 参考模型 中的会话层、表示层和应用层）
- TCP/IP 由于得到广泛应用而成为事实上的国际标准
TCP/IP 模型 的层次结构如下图所示：
TCP/IP 模型 与 OSI 模型 的不同点在于 网络接口层 和 应用层，可以理解为 TCP/IP 模型 中这两层涵盖了 OSI 协议 中多层的功能：
学习计算机网络时，我们往往采取折中的办法，即综合 OSI 参考模型 和 TCP/IP 模型 的优点，采用一种如下图所示的只有 5 层协议 的体系结构，即我们所熟知的【物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层】。
三、协议数据单元
在网络中，协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）是指在某一层协议中传输的数据单元。每一层在接收来自上一层的数据时，都会在其头部添加控制信息（称为首部 Header），然后将其当作一个新的 PDU 交给下一层处理。这就是所谓的 封装 过程。
| OSI 层级 | PDU 名称 |
|---|---|
| 7 应用层 | Data（数据） |
| 6 表示层 | Data（数据） |
| 5 会话层 | Data（数据） |
| 4 传输层 | UDP Datagram（UDP 数据报） TCP Segment（TCP 数据段、TCP 分段） |
| 3 网络层 | IP Packet（IP 分组，IP 数据包，IP 报文） |
| 2 数据链路层 | 帧（Frame） |
| 1 物理层 | 比特（Bit） |
网络设备总结
一、冲突域
冲突域 是指在以太网中，当两个设备同时发送数据时，可能发生冲突的一组网络设备所组成的区域。在这个区域内，如果两个或多个设备同时发送帧，由于 共享介质 ，就会产生数据冲突，导致通信失败，需要重新发送。
📌 冲突发生的根本原因：
以太网（尤其是早期使用 共享总线 或 集线器 的方式）采用了 CSMA/CD 协议（载波监听多路访问/冲突检测） 协议：
- 每个设备发送前先监听是否有信号；
- 如果发现没人发，就开始发；
- 如果两个设备几乎同时监听到空闲并发送，就会发生 冲突 。
冲突域的边界由 二层设备（如集线器和交换机） 决定：
- 集线器（Hub）：所有端口共享同一个冲突域。连接在集线器上的设备同时发送数据会发生碰撞，因此无法隔离冲突域。
- 交换机（Switch）：每个端口形成独立冲突域，设备之间的发送不会互相干扰，从而有效隔离冲突。
二、广播域
广播域 指通过广播方式发送的数据包能够到达的所有主机组成的网络范围。通常，我们讨论的是 IP 层的广播域（ARP 广播也属于此类）。
在同一个 IP 广播域内，设备可以相互接收广播消息。举例来说：如果电脑 A 发送一个广播报文（例如 192.168.1.255），同一广播域内的电脑 B 和电脑 C 都能够接收到该消息。
广播域的边界由 三层设备（如路由器） 决定：
- 交换机（Switch）：仅在二层转发帧，不会阻止广播，广播帧会发送到除来源端口以外的所有端口。
- 路由器（Router）：在三层划分网络，会阻止广播，因此每个路由器接口形成一个独立的广播域。
三、设备功能
下表给出了不同设备的层次以及是否能够隔离冲突域和广播域：
| 设备 | 功能描述 | 设备位于哪一层 | 隔离 冲突域 ？ | 隔离 广播域 ？ |
|---|---|---|---|---|
| 中继器 | 放大或再生数字信号 | 物理层 | ❌ | ❌ |
| 集线器 | 多个设备的连接，广播所有传入的数据 | 物理层 | ❌ | ❌ |
| 网桥 | 连接并分隔局域网的段落，减少冲突 | 数据链路层 | ✅ | ❌ |
| 交换机 | 连接多个设备，仅向目标设备转发数据 | 数据链路层 | ✅ | ❌ |
| 路由器 | 连接不同的网络并路由数据 | 网络层 | ✅ | ✅ |
各层协议总结
一、网络协议要素
网络协议规定了通信双方交互的规则，主要包括以下三要素：
- 语法 ：定义信息的格式和结构（如报文结构、编码方式等）
- 语义 ：规定控制信息的含义和需要完成的操作
- 时序 ：定义事件的发生顺序和通信双方的协同工作方式（如请求与响应的先后顺序）
二、应用层协议
应用层协议直接面向用户，为应用程序之间的通信提供服务：
| 协议 | 端口号 | 依赖协议 | 简要说明 |
|---|---|---|---|
| HTTP/HTTPS | 80 / 443 | TCP | 超文本传输协议，用于网页浏览。HTTPS 是加密版本，基于 TLS/SSL。 |
| FTP | 20 / 21 | TCP | 文件传输协议，用于文件上传与下载。20 为数据通道，21 为控制通道。 |
| SMTP | 25 | TCP | 简单邮件传输协议，用于邮件的发送。 |
| POP3 | 110 / 995 | TCP | 邮局协议，用于从邮件服务器接收邮件。995 是加密版本（POP3S）。 |
| DNS | 53 | UDP（部分 TCP） | 域名系统，将域名解析为 IP 地址。较大响应或区域传输时使用 TCP。 |
| DHCP | 67（服务器）/ 68（客户端） | UDP | 动态主机配置协议，用于自动分配 IP 地址及其他网络参数。 |
三、传输层协议
传输层为应用进程间提供可靠或不可靠的数据传输服务：
- TCP （Transmission Control Protocol） ：面向连接，提供可靠的字节流服务，适用于要求高可靠性的应用（如 HTTP、FTP）。
- UDP （User Datagram Protocol） ：无连接，不保证可靠性，但开销小、速度快，适用于实时性要求高的场景（如 DNS、视频流）。
四、网络层协议
网络层负责实现数据包从源主机到目标主机的传输：
- IP （Internet Protocol） ：不可靠的无连接协议，提供数据报服务，是整个互联网的核心协议。
- ICMP （Internet Control Message Protocol） ：用于发送错误报告与网络诊断信息（如 ping 命令使用的就是 ICMP 回显请求）。
- RIP / OSPF / BGP ：路由选择协议，主要用于自治系统内部（RIP、OSPF）或之间（BGP）的路由计算
- NAT （Network Address ）：网络地址转换，在私网和公网之间转换 IP 地址
五、数据链路层协议
数据链路层负责将网络层传来的数据组装成帧，在链路上传输并进行差错控制：
- ARP （Address Resolution Protocol） ：地址解析协议，用于将 IP 地址解析为对应的 MAC 地址。
- PPP （Point-to-Point Protocol） ：点对点协议，用于点对点链路的数据传输，常用于拨号上网。
- HDLC （High-Level Data Link Control） ：高级数据链路控制协议，用于同步链路的帧传输，支持面向比特流的通信。