21张图详解网络基础知识

桃扇骨 2022-11-15 01:16 150阅读 0赞

![目录][69aaab938373bf4d5661f0736e85e6e6.png]

### 网络协议 ###

我们用手机连接上网的时候，会用到许多网络协议。从手机连接 WiFi 开始，使用的是 **802.11** （即 WLAN ）协议；手机自动获取网络配置，使用的是 **DHCP** 协议。这时手机已经连入局域网了，可以访问局域网内的主机和资源，但还不能使用互联网应用，例如：微信、抖音等。想要访问互联网，还需要在手机的上联网络设备上进行配置，即在无线路由器上配置 **NAT**、 **PPPOE** 等功能，才能把局域网接入到互联网中，手机就可以上网玩微信、刷抖音了。

![网络协议示意图][d034d90af86af0d83f7f580a2ed3c95e.png] 网络协议示意图

> **局域网** ：小范围内的私有网络，一个家庭内的网络、一个公司内的网络、一个校园内的网络都属于局域网。
> 
> **广域网**：把不同地域的局域网互相连接起来的网络。运营商搭建连接远距离区域的广域网。
> 
> **互联网**：由世界各地的局域网和广域网连接起来的网络。互联网是一个开放、互联的网络，不属于任何个人和任何机构。

简单来说，就是手机、无线路由器等设备通过网络协议实现通信。网络协议又是谁规定的呢？ISO 制定了一个 OSI 参考模型，被用于网络协议的制定。

### OSI 参考模型 ###

OSI 参考模型将网络协议提供的服务分成 **7** 层，并定义每一层的**服务**内容，实现每一层服务的是**协议**，协议的具体内容是**规范**。上下层之间通过**接口**进行交互，同一层之间通过**协议**进行交互。OSI 参考模型只对各层的服务做了粗略的界定，并没有对协议进行详细的定义。但是许多协议都对应了 7 个分层的某一层。所以要了解网络，首先要了解 OSI 参考模型。

![OSI 参考模型图][OSI] OSI 参考模型图

#### 应用层 ####

OSI参考模型的第 7 层（最高层）。应用程序和网络之间的接口，直接向用户提供服务。应用层协议有电子邮件、远程登录等协议。

![应用层示例图][2ce9f4bd1359acdec7e9c0d02bb7ec58.png] 应用层示例图

#### 表示层 ####

OSI参考模型的第 6 层。负责数据格式的互相转换，如编码、数据格式转换和加密解密等。保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。

![表示层示例图][95757f91cc1244c5d1198fc947ae2763.png] 表示层示例图

#### 会话层 ####

OSI参考模型的第 5 层。主要是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。

![会话层示例图][0b4b2f9c865a4519ba6acf8e49e876aa.png] 会话层示例图

#### 传输层 ####

OSI参考模型的第 4 层。为上层协议提供通信主机间的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。

![传输层示例图][c0951ea3a0dc263cca4f7581dd8306cc.png] 传输层示例图

#### 网络层 ####

OSI参考模型的第 3 层。将数据传输到目的地址，主要负责寻址和路由选择。

![网络层示例图][19ce9e943af229e33d52a260fa041774.png] 网络层示例图

#### 数据链路层 ####

OSI参考模型的第 2 层。负责两个相邻主机间的通信传输，即数据帧的生成与接收。

![数据链路层示例图][166ff226fb8bd1df1c0995a89c97442d.png] 数据链路层示例图

#### 物理层 ####

OSI参考模型的第 1 层（最底层）。负责逻辑信号（比特流）与物理信号（电信号、光信号）之间的互相转换，利用传输介质为数据链路层提供物理连接。

![物理层示例图][86e4b2fa2ceffca841624a68dc520346.png] 物理层示例图

### TCP/IP 参考模型 ###

由于 OSI 参考模型把服务划得过于琐碎，先定义参考模型再定义协议，有点理想化。TCP/IP 模型则正好相反，通过已有的协议归纳总结出来的模型，成为实际的主流网络协议标准。

先介绍下 TCP/IP 与 OSI 分层之间的对应关系，以及 TCP/IP 每层的主要协议。

![TCP/IP 参考模型][TCP_IP] TCP/IP 参考模型

#### 网络接入层 ####

在 TCP/IP 分层中，有把物理层和数据链路层合并称为网络接入层，有把物理层和数据链路层分别称为硬件、网络接口层。网络接入层是对网络介质的管理，定义如何使用网络来传送数据，但是对物理层和数据链路层在通信过程中起到了不一样的作用。所以 TCP/IP 分为四层或者五层都可以，只要能理解其中的原理就行。

#### 网络层 ####

相当于 OSI 模型中的第 3 层网络层，使用的是IP协议，作用是将数据包从源地址发送到目的地址。

![网络层][28028e0cae14ec8d2dfcf53c1f5fa328.png] 网络层

*  **IP**
    
    IP 是跨越网络传送数据包， 使整个互联网都能收到数据的协议，它使用 IP 地址作为主机的标识。IP 协议独立于底层介质，  
    实现从源到目的的数据转发。
 *  **ICMP**
    
    用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息。被用来诊断网络的健康状况。
 *  **ARP**
    
    从数据包的 IP 地址中解析出 MAC 地址的一种协议。

#### 传输层 ####

相当于 OSI 模型中的第 4 层传输层，主要功能就是让应用程序之间互相通信，通过端口号识别应用程序，使用的协议有面向连接的 TCP 协议和面向无连接的 UDP 协议。

![传输层][4d1bd1ac8218974faad872b62f7ccdc5.png] 传输层

*  **TCP**
    
    TCP 是一种面向有连接的传输层协议，能够对自己提供的连接实施控制。适用于要求可靠传输的应用，例如文件传输。
 *  **UDP**
    
    UDP 是一种面向无连接的传输层协议，不会对自己提供的连接实施控制。适用于实时应用，例如：IP电话、视频会议、直播等。

#### 应用层 ####

相当于 OSI 模型中的第 5 - 7 层的集合，不仅要实现 OSI 模型应用层的功能，还要实现会话层和表示层的功能。HTTP 、 POP3 、 TELNET 、 SSH 、 FTP 、 SNMP都是应用层协议。

![应用层][6aba0066e36de92469fa29dd2e1652bd.png] 应用层

*  **HTTP**
    
    是 WWW 浏览器和服务器之间的应用层通信协议。HTTP 定义高级命令或者方法供浏览器用来与Web服务器通信。
 *  **POP3**
    
    简单邮件传输协议，邮件客户端和邮件服务器使用。
 *  **TELNET**
    
    远程终端协议，用于远程管理网络设备。
 *  **SSH**
    
    安全外壳协议。通过使用SSH，可以把所有传输的数据进行加密。
 *  **SNMP**
    
    简单网络管理协议，用于网管软件进行网络设备的监控和管理。

#### 封装与解封装 ####

数据发送前，按照参考模型从上到下，在数据经过每一层时，添加协议头部信息，这个过程叫**封装**。

![封装][792b06879c832e26bb32c3b8161d1f50.png] 封装

数据接收后，按照参考模型从下到上，在数据经过每一层时，去掉协议头部信息，这个过程叫**解封装**。

![解封装][cde75f5ebab0ca7efd8d0ae523bfad2d.png] 解封装

经过传输层协议封装后的数据称为**段**，经过网络层协议封装后的数据称为**包**，经过数据链路层协议封装后的数据称为**帧**，物理层传输的数据为**比特**。

#### 实际数据传输举例 ####

实际生活中，互联网是使用的 TCP/IP 协议进行网络连接的。我们以访问网站为例，看看网络是如何进行通信的。

![数据传输举例][1edcc1a519b986c0d6f71fe629434aa8.png] 数据传输举例

##### 发送数据包 #####

访问 HTTP 网站页面时，打开浏览器，输入网址，敲下回车键就开始进行 TCP/IP 通信了。

**应用程序处理**

首先，应用程序中会进行 HTML 格式**编码**处理，相当于 OSI 的表示层功能。编码转化后，不一定会马上发送出去，相当于会话层的功能。在请求发送的那一刻，建立 TCP 连接，然后在 TCP 连接上发送数据。接下来就是将数据发送给下一层的 TCP 进行处理。

**TCP 模块处理**

TCP 会将应用层发来的数据顺利的发送至目的地，实现可靠传输的功能，需要给数据封装 TCP 头部信息。TCP 头部信息包括源端口号和目的端口号（识别主机上应用）、序号（确认哪部分是数据）以及校验和（判断数据是否被损坏）。随后**封装**了 TCP 头部信息的段再发送给 IP 。

**IP  模块处理**

IP 将 TCP 传过来的数据段当做自己的数据，并封装 IP 头部信息。IP 头部信息中包含目的 IP 地址和源 IP 地址，以及上层协议类型信息。

IP 包生成后，根据主机**路由表**进行数据发送。

**网络接口处理**

网络接口对传过来的 IP 包封装上以太网头部信息并进行发送处理。以太网头部信息包含目的 MAC 地址、源 MAC 地址，以及上层协议类型信息。然后将以太网数据**帧**通过物理层传输给接收端。

##### 接收数据包 #####

包的接收流程是发送流程的**反向**过程。

**网络接口处理**

收到以太网帧后，首先查看头部信息的目的 MAC 地址是否是发给自己的帧。如果不是发送给自己的帧就丢弃。如果是发送给自己的帧，查看上层协议类型是 IP 包，以太网帧**解封装**成 IP 包，传给 IP 模块进行处理。

**IP  模块处理**

收到 IP 包后，进行类似处理。根据头部信息的目的 IP 地址判断是否是发送给自己包，如果是发送给自己的包，则查看上一层的协议类型，并把 IP 包解封装发送给 TCP 协议处理。

**TCP 模块处理**

收到 TCP 段后，首先查看校验和，判断数据是否被破坏。然后检查是否按照序号接收数据。最后检查端口号，确定具体的应用程序。

数据接收完毕后，发送一个 “ **确认回执** ” 给发送端。

数据被完整接收后，会把 TCP 段解封装发送给由端口号识别的应用程序。

**应用程序处理**

应用程序收到数据后，通过解析数据知道了发送端请求的网页内容，然后按照 HTTP 协议进行后续数据交互。

### 网络构成 ###

搭建一套网络涉及各种线缆和网络设备。下面介绍一些常见的**硬件设备**。

![网络构成要素][235341ae1ff29c593a1105e590ebaa90.png] 网络构成要素 ![主要设备及作用表][38996708a4b9c8ba0fa4bf7518f923f2.png] 主要设备及作用表

#### 通信介质 ####

主机可以通过有线线缆进行连接。有线线缆有双绞线、光纤、串口线等。根据网络接口选择对应的线缆。传输介质还可以被分为电波、微波等不同类型的电磁波。

#### 网卡 ####

主机连接网络时，必须要使用网卡。可以是有线网卡，用来连接有线网络，也可以是无线网卡连接 WiFi 网络。每块网卡都有一个唯一的 **MAC 地址**，也叫做硬件地址或物理地址。

#### 二层交换机 ####

![二层交换机][92c238920704812c5c8ff3041af2d563.png] 二层交换机

二层交换机位于 OSI 模型的第 2 层（数据链路层）。它能够识别数据链路层中的数据帧，并将帧转发给相连的另一个端口。

数据帧中有一个数据位叫做 **FCS** ，用以校验数据是否正确送达目的地。二层交换机通过检查这个值，将损坏的数据丢弃。

二层交换机根据 MAC 地址**自学机制**判断是否需要转发数据帧。这类功能也是数据链路层所具有的功能。

#### 路由器 / 三层交换机 ####

![路由器][d4b7a5a16d0bf13f489f448c0b1f07df.png] 路由器

路由器是在 OSI 模型的第 3 层（网络层）上连接两个网络、并对报文进行转发的设备。二层交换机是根据 MAC 地址进行处理，而路由器 / 三层交换机则是根据 **IP 地址**进行处理的。因此 TCP/IP 中网络层的地址就成为了 IP 地址。

路由器可以连接不同的数据链路。比如连接两个以太网，或者连接一个以太网与一个无线网。家庭里面常见的无线路由器也是路由器的一种。

#### 四层及以上交换机 ####

![负载均衡设备][8ef010fc3aa895a10f32643d1f5655d8.png] 负载均衡设备

四层及以上交换机负责处理OSI模型中从传输层至应用层的数据。例如，下载和视频网站的服务器会用到的**负载均衡设备**，就是四层及以上交换机的一种。还有广域网加速器、防火墙等。

end

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[OSI]: /images/20221022/7b86c509303d4fd7b2df4a18c3ae9a46.png
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[TCP_IP]: /images/20221022/31c7a12ba5554462893820bca47822bb.png
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