计算机网络知识总结(一)

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计算机网络学习的核心内容就是网络协议的学习。网络协议是为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或者说是约定的集合。因为不同用户的数据终端可能采取的字符集是不同的,两者需要进行通信,必须要在一定的标准上进行。

计算机网络协议同我们的语言一样,多种多样。而ARPA公司与1977年到1979年推出了一种名为ARPANET的网络协议受到了广泛的热捧,其中最主要的原因就是它推出了人尽皆知的TCP/IP标准网络协议。目前TCP/IP协议已经成为Internet中的“通用语言”。

1. 网络层次划分

为了使不同计算机厂家生产的计算机能够相互通信,以便在更大的范围内建立计算机网络,国际标准化组织(ISO)在1978年提出了“开放系统互联参考模型”,即著名的OSI/RM模型(Open System Interconnection/Reference Model)。它将计算机网络体系结构的通信协议划分为七层,自下而上依次为:物理层(Physics Layer)、数据链路层(Data Link Layer)、网络层(Network Layer)、传输层(Transport Layer)、会话层(Session Layer)、表示层(Presentation Layer)、应用层(Application Layer)。其中第四层完成数据传送服务,上面三层面向用户。

除了标准的OSI七层模型以外,常见的网络层次划分还有TCP/IP四层协议以及TCP/IP五层协议。

2. OSI七层网络模型

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1)物理层(Physical Layer)

  • 激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。
  • 简单的说,物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。
  • 物理层记住两个重要的设备名称,中继器(Repeater,也叫放大器)和集线器。

附:
中继器是网络物理层上面的连接设备。适用于完全相同的两类网络的互连,主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发,来扩大网络传输的距离。中继器就是用来在网线中放大信号的。
集线器 ,它的作用可以简单的理解为将一些机器连接起来组成一个局域网。

2)数据链路层(Data Link Layer)
数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务,其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。为达到这一目的,数据链路必须具备一系列相应的功能,主要有:如何将数据组合成数据块,在数据链路层中称这种数据块为帧(frame),帧是数据链路层的传送单位;如何控制帧在物理信道上的传输,包括如何处理传输差错,如何调节发送速率以使与接收方相匹配;以及在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放的管理。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括:物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

有关数据链路层的重要知识点:

  • 数据链路层为网络层提供可靠的数据传输;
  • 基本数据单位为帧;
  • 主要的协议:以太网协议;
  • 两个重要设备名称:网桥和交换机。

附:
交换机 (又名交换式集线器)作用与集线器大体相同。但是两者在性能上有区别:集线器采用的式共享带宽的工作方式,而交换机是独享带宽。
数据链路层互联的设备是网桥(bridge),在网络互联中它起到数据接收、地址过滤与数据转发的作用,用来实现多个网络系统之间的数据交换。简单的来说,网桥工作在数据链路层,将两个LAN连起来,根据MAC地址来转发帧,可以看作一个“低层的路由器”(路由器工作在网络层,根据网络地址如IP地址进行转发)。

3)网络层(Network Layer)
网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送,具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。如果您想用尽量少的词来记住网络层,那就是“路径选择、路由及逻辑寻址”。

网络层中涉及众多的协议,其中包括最重要的协议,也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单,仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有:无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。具体的协议我们会在接下来的部分进行总结,有关网络层的重点为:

  • 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外,网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能;
  • 基本数据单位为IP数据报;
  • 包含的主要协议:IP协议(Internet Protocol,因特网互联协议)、ICMP协议(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议)、ARP协议(Address Resolution Protocol,地址解析协议)、RARP协议(Reverse Address Resolution Protocol,逆地址解析协议);
  • 重要的设备:路由器。

附:

  • 路由器的一个作用是连通不同的网络,另一个作用是选择信息传送的线路。
    IP协议的主要功能-用途:在相互连接的网络之间传递IP数据报。其中包括两个部分:
  • 寻址与路由:首先要用IP地址来标识Internet的主机:在每个IP数据报中,都会携带源IP地址和目标IP地址来标识该IP数据报的源和目的主机。IP协议可以根据路由选择协议提供的路由信息对IP数据报进行转发,直至抵达目的主机。然后IP地址和MAC地址的匹配,ARP协议。数据链路层使用MAC地址来发送数据帧,因此在实际发送IP报文时,还需要进行IP地址和MAC地址的匹配,由TCP/IP协议簇中的ARP完成。
  • 分段与重组:IP数据报通过不同类型的通信网络发送,IP数据报的大小会受到这些网络所规定的最大传输单元(MTU)的限制。再将IP数据报拆分成一个个能够适合下层技术传输的小数据报,被分段后的IP数据报可以独立地在网络中进行转发,在到达目的主机后被重组,恢复成原来的IP数据报。
  • 因特网使用的IP协议是无连接的,因此其传输是不可靠的。
  • 为了提高IP数据报交付成功的机会,使用了ICMP协议,它作为IP层数据报的数据,加上数据报的首部,组成IP数据报发送出去。
  • ARP:地址解析协议,在以太网(ARP协议只适用于局域网)中,如果本地主机想要向某一个IP地址的主机(路由表中的下一跳路由器或者直连的主机,注意此处IP地址不一定是IP数据报中的目的IP)发包,但是并不知道其硬件地址,此时利用ARP协议提供的机制来获取硬件地址。
  • RARP:逆地址解析协议,将局域网中某个主机的物理地址转换为IP地址,比如局域网中有一台主机只知道物理地址而不知道IP地址,那么可以通过RARP协议发出征求自身IP地址的广播请求,然后由RARP服务器负责回答。RARP协议广泛应用于无盘工作站引导时获取IP地址。

4)传输层(Transport Layer)

第一个端到端,即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外,传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。

传输层的任务是根据通信子网的特性,最佳的利用网络资源,为两个端系统的会话层之间,提供建立、维护和取消传输连接的功能,负责端到端的可靠数据传输。在这一层,信息传送的协议数据单元称为段或报文。
  
网络层只是根据网络地址将源结点发出的数据包传送到目的结点,而传输层则负责将数据可靠地传送到相应的端口。
  
有关网络层的重点:

  • 传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输以及端到端的差错控制和流量控制问题;
  • 包含的主要协议:TCP协议(Transmission Control Protocol,传输控制协议)、UDP协议(User Datagram Protocol,用户数据报协议);
  • 重要设备:网关。

附:

  • 网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连,是最复杂的网络互连设备。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言,甚至体系结构完全不同的两种系统之间,网关是一个翻译器。
  • 网关和路由的区别是:
    网关和路由的关系表述为:网关是网络连接的基础,路由是网络连接的桥梁。
  • 通俗来说,路由器相当于两个不同房间相连的路,网关相当于门。


    网关和路由的关系
  • TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)是一种面向连接(连接导向)的、可靠的、 基于IP的传输层协议。有3次握手,4次挥手。
  • UDP协议也是传输层协议,它是无连接,不保证可靠的传输层协议。
  • TCP适合实时性要求不高,但要求内容要完整传输的应用。相比而言,UDP由于无连接、无重传确认,所以传输效率高、延时小,适合实时性要求高的应用,如游戏服务器,音频,视频等;另外,由于不用维持大的并发量,所以适合巨量服务的server。
     5)会话层

会话层管理主机之间的会话进程,即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。

6)表示层

表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。

7)应用层

为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。

会话层、表示层和应用层重点:

  • 数据传输基本单位为报文;

  • 包含的主要协议:FTP(文件传送协议)、Telnet(远程登录协议)、DNS(域名解析协议)、SMTP(邮件传送协议),POP3协议(邮局协议),HTTP协议(Hyper Text Transfer Protocol)。

  • HTTP协议的主要特点可概括如下:
    1.支持客户/服务器模式。
    2.简单快速:客户向服务器请求服务时,只需传送请求方法和路径。请求方法常用的有GET、HEAD、POST。每种方法规定了客户与服务器联系的类型不同。由于HTTP协议简单,使得HTTP服务器的程序规模小,因而通信速度很快。
    3.灵活:HTTP允许传输任意类型的数据对象。正在传输的类型由Content-Type加以标记。
    4.无连接:无连接的含义是限制每次连接只处理一个请求。服务器处理完客户的请求,并收到客户的应答后,即断开连接。采用这种方式可以节省传输时间。
    5.无状态:HTTP协议是无状态协议。无状态是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息,则它必须重传,这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面,在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。

3. IP地址

1)网络地址

IP地址由网络号(包括子网号)和主机号组成,网络地址的主机号为全0,网络地址代表着整个网络。

2)广播地址

广播地址通常称为直接广播地址,是为了区分受限广播地址。

广播地址与网络地址的主机号正好相反,广播地址中,主机号为全1。当向某个网络的广播地址发送消息时,该网络内的所有主机都能收到该广播消息。

3)组播地址

D类地址就是组播地址。

先回忆下A,B,C,D类地址吧:

A类地址以0开头,第一个字节作为网络号,地址范围为:0.0.0.0~127.255.255.255;

B类地址以10开头,前两个字节作为网络号,地址范围是:128.0.0.0~191.255.255.255;

C类地址以110开头,前三个字节作为网络号,地址范围是:192.0.0.0~223.255.255.255。

D类地址以1110开头,地址范围是224.0.0.0~239.255.255.255,D类地址作为组播地址(一对多的通信);

E类地址以1111开头,地址范围是240.0.0.0~255.255.255.255,E类地址为保留地址,供以后使用。

注:只有A,B,C有网络号和主机号之分,D类地址和E类地址没有划分网络号和主机号。

4)255.255.255.255

该IP地址指的是受限的广播地址。受限广播地址与一般广播地址(直接广播地址)的区别在于,受限广播地址只能用于本地网络,路由器不会转发以受限广播地址为目的地址的分组;一般广播地址既可在本地广播,也可跨网段广播。例如:主机192.168.1.1/30上的直接广播数据包后,另外一个网段192.168.1.5/30也能收到该数据报;若发送受限广播数据报,则不能收到。

注:一般的广播地址(直接广播地址)能够通过某些路由器(当然不是所有的路由器),而受限的广播地址不能通过路由器。

5)0.0.0.0

常用于寻找自己的IP地址,例如在我们的RARP,BOOTP和DHCP协议中,若某个未知IP地址的无盘机想要知道自己的IP地址,它就以255.255.255.255为目的地址,向本地范围(具体而言是被各个路由器屏蔽的范围内)的服务器发送IP请求分组。

6)回环地址

127.0.0.0/8被用作回环地址,回环地址表示本机的地址,常用于对本机的测试,用的最多的是127.0.0.1。

7)A、B、C类私有地址

私有地址(private address)也叫专用地址,它们不会在全球使用,只具有本地意义。

A类私有地址:10.0.0.0/8,范围是:10.0.0.0~10.255.255.255

B类私有地址:172.16.0.0/12,范围是:172.16.0.0~172.31.255.255

C类私有地址:192.168.0.0/16,范围是:192.168.0.0~192.168.255.255

4. 子网掩码及网络划分

随着互连网应用的不断扩大,原先的IPv4的弊端也逐渐暴露出来,即网络号占位太多,而主机号位太少,所以其能提供的主机地址也越来越稀缺,目前除了使用NAT在企业内部利用保留地址自行分配以外,通常都对一个高类别的IP地址进行再划分,以形成多个子网,提供给不同规模的用户群使用。

这里主要是为了在网络分段情况下有效地利用IP地址,通过对主机号的高位部分取作为子网号,从通常的网络位界限中扩展或压缩子网掩码,用来创建某类地址的更多子网。但创建更多的子网时,在每个子网上的可用主机地址数目会比原先减少。

什么是子网掩码?

子网掩码是标志两个IP地址是否同属于一个子网的,也是32位二进制地址,其每一个为1代表该位是网络位,为0代表主机位。它和IP地址一样也是使用点式十进制来表示的。如果两个IP地址在子网掩码的按位与的计算下所得结果相同,即表明它们共属于同一子网中。

在计算子网掩码时,我们要注意IP地址中的保留地址,即“ 0”地址和广播地址,它们是指主机地址或网络地址全为“ 0”或“ 1”时的IP地址,它们代表着本网络地址和广播地址,一般是不能被计算在内的。

子网掩码的计算:

对于无须再划分成子网的IP地址来说,其子网掩码非常简单,即按照其定义即可写出:如某B类IP地址为 10.12.3.0,无须再分割子网,则该IP地址的子网掩码255.255.0.0。如果它是一个C类地址,则其子网掩码为 255.255.255.0。其它类推,不再详述。下面我们关键要介绍的是一个IP地址,还需要将其高位主机位再作为划分出的子网网络号,剩下的是每个子网的主机号,这时该如何进行每个子网的掩码计算。

下面总结一下有关子网掩码和网络划分常见的面试考题:

1)利用子网数来计算

在求子网掩码之前必须先搞清楚要划分的子网数目,以及每个子网内的所需主机数目。

(1) 将子网数目转化为二进制来表示;

如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成27个子网:27=11011;

(2) 取得该二进制的位数,为N;

该二进制为五位数,N = 5

(3) 取得该IP地址的类子网掩码,将其主机地址部分的的前N位置1即得出该IP地址划分子网的子网掩码。

将B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址前5位置 1,得到 255.255.248.0

2)利用主机数来计算

如欲将B类IP地址168.195.0.0划分成若干子网,每个子网内有主机700台:

(1) 将主机数目转化为二进制来表示;

700=1010111100;

(2) 如果主机数小于或等于254(注意去掉保留的两个IP地址),则取得该主机的二进制位数,为N,这里肯定 N<8。如果大于254,则 N>8,这就是说主机地址将占据不止8位;

该二进制为十位数,N=10;

(3) 使用255.255.255.255来将该类IP地址的主机地址位数全部置1,然后从后向前的将N位全部置为 0,即为子网掩码值。

将该B类地址的子网掩码255.255.0.0的主机地址全部置1,得到255.255.255.255,然后再从后向前将后 10位置0,即为:11111111.11111111.11111100.00000000,即255.255.252.0。这就是该欲划分成主机为700台的B类IP地址 168.195.0.0的子网掩码。

3)还有一种题型,要你根据每个网络的主机数量进行子网地址的规划和计算子网掩码。这也可按上述原则进行计算。

比如一个子网有10台主机,那么对于这个子网需要的IP地址是:

10+1+1+1=13

注意:加的第一个1是指这个网络连接时所需的网关地址,接着的两个1分别是指网络地址和广播地址。

因为13小于16(16等于2的4次方),所以主机位为4位。而256-16=240,所以该子网掩码为255.255.255.240。

如果一个子网有14台主机,不少人常犯的错误是:依然分配具有16个地址空间的子网,而忘记了给网关分配地址。这样就错误了,因为14+1+1+1=17,17大于16,所以我们只能分配具有32个地址(32等于2的5次方)空间的子网。这时子网掩码为:255.255.255.224。

参考文章:http://www.cnblogs.com/maybe2030/p/4781555.html#_label3

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