本章将通过网络参考模型去了解数据简单的一生。

  1. 理解数据的定义及传递过程
  2. 理解网络参考模型概念及优势
  3. 了解常见的标准协议
  4. 掌握数据封装与解封装过程
  5. 华为设备图标简介

注意：对于一名网络工程师来说，需要更关注数据的端到端传递的过程。

一、网络参考模型与标准协议

1.OSI参考模型

OSI模型层次 说明
应用层 对应用程序提供接口（网络服务）
表示层 进行数据的转换和编码，确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别
会话层 负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话，通过会话层区分不同的应用。
传输层 建立、维护和取消一次端到端的数据传输过程，控制传输节奏的快慢，及进行重传前的差错检测
网络层 定义逻辑地址（ip地址），供路由器确定路径，负责将数据从源网络传输到目的网络
数据链路层 将比特组合为字节、再组合成帧，使用链路层地址（以太网使用MAC地址）来访问介质，实现点到点 or 多点传输。
物理层 在媒介上传输比特流，规定了电平、速度和电缆针脚等物理特性（器械和电气特性）

2.TCP/IP参考模型&常见协议

由于OSI协议栈比较复杂，且TCP/IP的广泛应用故称为了目前的主流参考模型

（1）TCP/IP对等模型：

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TCP/IP标准参考模型将OSI中的数据链路层和物理层合并为网络接入层，这种划分方式其实是有悖于现实协议制定情况的。

故融合了TCP/IP标准模型和OSI模型的TCP/IP对等模型被提出，后面的讲解也都将基于这种模型。

（2）TCP/IP对等模型各层协议：

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<1>应用层：

HTTP（Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议）：用来访问在网页服务器上的各种页面。

FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）：为文件传输提供了途径，它允许数据从一台主机传送到另一台主机上。

DNS（Domain Name Service，域名称解析服务）：用于实现从主机域名到IP地址之间的转换。

<2>传输层：

TCP （Transmission Control Protocol） ：为应用程序提供可靠的面向连接的通信服务。目前，许多流行的应用程序都使用TCP。

UDP（User Datagram Protocol）：提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性的保证。

<3>网络层：

IP（Internet Protocol，互联网协议）：

将传输层的数据封装成数据包并完成源站点到目的站点的转发，提供无连接的、不可靠的服务。

IGMP（Internet Group Management Protocol，因特网组管理协议）：

负责IP组播成员管理的协议。它用来在IP主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系。

ICMP（Internet Control Message Protocol，网际报文控制协议）：

基于IP协议在网络中发送控制消息，提供可能发生在通信环境中的各种问题反馈。通过这些信息，使管理者可以对所发生的问题作出诊断，然后采取适当的措施解决。

<4>数据链路层：

PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）：一种点对点模式的数据链路层协议，多用于广域网。

Ethernet( 以太网协议 )：一种多路访问广播型数据链路层协议，是当前应用最为广泛的局域网技术。

PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet，以太网承载PPP协议）：PPPoE提供通过简单桥接访问设备（接入设备）把一个网络的多个主机连接到远程访问集中器的功能。

注意：PPPoE常见的应用有家庭宽带拨号上网。

（3）常见协议标准化组织

  • IETF(Internet Engineering Task Force)

负责开发和推广互联网协议（特别是构成TCP/IP协议族的协议）的志愿组织，通过RFC发布新的或者取代老的协议标准。

  • IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)

IEEE制定了全世界电子、电气和计算机科学领域30%左右的标准，比较知名的有IEEE802.3(Ethernet)、IEEE802.11(WiFi)等。

  • ISO(International Organization for Standardization)

在制定计算机网络标准方面，ISO是起着重大作用的国际组织，如OSI模型，定义于ISO/IEC 7498-1。

3.应用层&应用层协议

（1）应用层：

应用层最为TCP/IP模型的最高层，负责为应用软件提供接口，使应用程序能够使用网络服务。

应用层协议将指定使用相应的传输层协议，以及传输层所使用的端口等。

注意：应用层的PDU被称为Data（数据）。

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（2）应用层协议：FTP

FTP（File Transfer Protocol）是一个用于从一台主机传送文件到另一台主机的协议，用于文件的“下载”和“上传”，它采用C/S结构。

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（3）应用层协议：Telnet

Telnet是数据网络中提供远程登录服务的标准协议。 Telnet为用户提供了在本地计算机上完成远程设备工作的能力。

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（4）应用层协议：HTTP

HTTP是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。设计HTTP最初的目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法。

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4.传输层&传输层协议：

（1）传输层：

传输层协议接收来自应用层协议的数据，封装上相应的传输层头部，帮助其建立端到端（Port to Port）的连接（进程与进程之间）。

注意：传输层的PDU被称为Segment（段）。

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（2）TCP&UDP报文格式：

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<1>TCP报文头部（20Byte）字段说明：
TCP字段 说明
Source Port：源端口 标识哪个应用程序发送，长度为16比特。
Destination Port：目的端口 标识哪个应用程序接收，长度为16比特。
Sequence Number：序号字段 TCP链接中传输的数据流每个字节都编上一个序号，序号字段的值指的是本报文段所发送数据的第一个字节的序号，长度为32比特。
Acknowledgment Number：确认序列号 是期望收到对方下一个报文段数据的第1个字节的序号，即上次已成功接收到的数据段的最后一个字节数据的序号加1。只有Ack标识为1时该字段有效，长度为32比特。
Header Length：头部长度 指出TCP报文头部长度，以32bit（4Byte）为计算单位。若无选项内容，则该字段为5，即头部为20Byte。
Reserved：保留 必须填0，长度为6bit。
Control bits：控制位 包含FIN、ACK、SYN等标志位，代表不同状态下的TCP数据段。
Window：窗口TCP的流量控制 这个值表明当前接收端可接受的最大的数据总数（以Byte为单位）。窗口最大为65535字节。长度为16比特。
Checksum：校验字段 是一个强制性的字段，由发端计算和存储，并由接收端进行验证。在计算检验时，要包括TCP头部和TCP数据，同时在TCP报文段的前面加上12字节的伪头部。长度为16比特。
Urgent:紧急指针 只有当URG标志置1时紧急指针才有效。TCP的紧急方式是发送端向另一端发送紧急数据的一种方式。紧急指针指出在本报文段中紧急数据共有多少个字节（紧急数据放在本报文段数据的最前面）。长度为16比特。
Options：选项字段（可选） 长度为0-40字节。

<2>UDP报文头部（8Byte）字段说明：
UDP字段 说明
Source Port：源端口 标识哪个应用程序发送。长度为16比特。
Destination Port：目的端口 标识哪个应用程序接收。长度为16比特。
Length：该字段指定UDP报头和数据总共占用的长度。 可能的最小长度是8字节，因为UDP报头已经占用了8字节。由于这个字段的存在，UDP报文总长不可能超过65535字节（包括8字节的报头，和65527字节的数据）。
Checksum：覆盖UDP头部和UDP数据的校验和。 长度为16比特。

（3）TCP&UDP端口号：

客户端使用的源端口一般随机分配，目标端口则由服务器的应用指定；

源端口号为系统中未使用的（且大于1023，0-2^16），目的端口号为服务端开启的应用（服务）所侦听的端口，如HTTP缺省使用80。

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（4）TCP的建立三次握手：

注意：任何基于TCP的应用，在发送数据之前，都需要由TCP进行三次握手建立连接（通信之前确认路径搭建完成）。

  • 第1次握手：由TCP连接发起方（图中PC1），发送第一个SYN位置1的TCP报文。初始序列号a为一个随机生成的数字，因为没收到过来自PC2的任何报文，所以确认序列号为0；
  • 第2次握手：接收方（图中PC2）接收到合法的SYN报文之后，回复一个SYN和ACK置1的TCP报文。初始序列号b为一个随机生成的数字，同时此报文是回复给PC1的报文，所以确认序列号为a+1；
  • 第3次握手：PC1接收到PC2发送的SYN和ACK置位的TCP报文后，回复一个ACK置位的报文，此时序列号为a+1,确认序列号为b+1。PC2收到之后，TCP双向连接建立。

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注意：a（某个不定的数字，例如10086）与b没有任何关系

（5）TCP的序列号与确认序列号：

注意：TCP使用序列号和确认序列号字段实现数据的可靠和有序传输。

若PC1要给PC2发送一段数据，其传输过程如下：

  • step1：PC1将全部待TCP发送的数据按照字节为单位编上号。假设第一个字节的编号为a+1，第二个字节的序号为a+2，依次类推。
  • step2：PC1会把每一段数据的第一个字节的编号作为序列号（Sequence number），然后将TCP报文发送出去。
  • step3：PC2在收到PC1发送来的TCP报文后，需要给予确认同时请求下一段数据。

step3如何确定下一段数据呢？序列号( a+1 )+载荷长度=下一段数据的第一个字节的序号（a+1+12）。

  • step4：PC1在收到PC2发送的TCP报文之后，发现确认序列号为a+1+12 ，说明a+1到a+12这一段的数据已经被接受，需要从a+1+12开始发送。

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注意：step3中PC1的Ack没有增长？实际上Ack的值为b+1+0

（6）TCP滑动窗口机制：

注意：TCP通过滑动窗口机制来控制数据的传输速率。

  • step1：在TCP三次握手建立连接时，双方都会通过Window字段告诉对方本端最大能够接受的字节数（即缓冲区大小）。
  • step2：连接建立成功之后，发送方会根据接受方宣告的Window大小发送相应字节数的数据。
  • step3：接受方接受到数据之后会放在缓冲区内，等待上层应用来取走缓冲的数据。若数据被上层取走，则相应的缓冲空间将被释放。
  • step4：接收方根据自身的缓存空间大小通告当前的可以接受的数据大小( Window )。
  • step5：发送方根据接收方当前的Window大小发送相应数量的数据。

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（7）TCP的关闭四次挥手：

注意：当数据传输完成，TCP需要通过“四次挥手”机制断开TCP连接，释放系统资源

TCP支持全双工模式传输数据，这意味着同一时刻两个方向都可以进行数据的传输。

在传输数据之前，TCP通过三次握手建立的实际上是两个方向的连接，因此在传输完毕后，两个方向的连接必须都关闭。

  • step1：由PC1发出一个FIN字段置1 的不带数据的TCP段。
  • step2：PC2收到PC1发来的FIN置位的TCP报文后，会回复一个ACK置位的TCP报文。
  • step3：若PC2也没有需要发送的数据，则直接发送FIN置位的TCP报文。假设此时PC2还有数据要发送，那么当PC2发送完这些数据之后会发送一个FIN置位的TCP报文去关闭连接。
  • step4：PC1收到FIN置位的TCP报文，回复ACK报文，TCP双向连接断开。

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5.网络层

（1）网络层（Internet层）：

传输层负责建立主机之间进程与进程之间的连接，而网络层则负责数据从一台主机到另外一台主机之间的传递。

注意：网络层的PDU被称为Packet（包）。

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（2）网络层协议工作过程：

当采用IP作为网络层协议时，通信的双方都会被分配到一个独一无二的IP地址来标识自己。

IP数据包的封装与转发：

  • step1：网络层收到上层（如传输层）协议传来的数据时候，会封装IP报文头部（包含源和目的IP地址，类似于信封）。
  • step2：中间经过的网络设备（如路由器），会维护一张路由表（指导IP报文转发的地图），通过读取IP数据包的目的地址（读取信封的收件地址），查找本地路由表后再转发IP数据包。
  • step3：IP数据包最终到达目的主机，目的主机通过读取目的IP地址确定是否接受并做下一步处理。

注意：IP协议工作时，需要OSPF、IS-IS、BGP等各种路由协议帮助路由器建立路由表，ICMP帮忙进行网络的控制和状态诊断。

6.数据链路层

（1）数据链路层：

数据链路层位于网络层和物理层之间，可以向网络层的IP、IPv6等协议提供服务。

注意：数据链路层的PDU被称为Frame（帧）。

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以太网（Ethernet）是最常见的数据链路层协议。

（2）以太网与MAC地址

MAC地址（Media Access Control）由48比特长（6个字节），12位的16进制数字组成。例如：48-A4-72-1C-8F-4F。

  1. MAC地址/以太网地址/物理地址，每一个主机都有唯一的MAC地址，标识一张网卡。
  2. MAC地址用于在同一个IP网段地址（广播地址）内进行通信的。
  3. 以太网交换机会负责维护MAC地址表。

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（3）地址解析协议ARP：

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是根据IP地址获取数据链路层地址（MAC地址）的一个TCP/IP协议。

注意：ARP是IPv4中必不可少的一种协议。MAC地址是唯一的不允许修改的，IP地址是允许修改的。

ARP协议的主要功能
1.将IP地址解析为MAC地址
2.维护IP地址与MAC地址的映射关系的缓存，即ARP表项
3.实现网段内重复IP地址的检测

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注意：

  1. Host B响应Host A的ARP请求报文（广播方式）属于单播响应方式。
  2. 任何数据通信的第一步一定是完成ARP响应。

（4）ARP协议的工作原理：

step1：查询ARP缓存表

网络设备都有一个ARP缓存（ARP Cache），用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。

在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。如果缓存表中存在对方设备的ARP表项，则直接采用该表项中的MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过发送ARP Request报文来获得它。

类比：发送快递时，若之前已经有发送过快递可直接使用地址记录，否则需要询问后再填写地址。

学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内（缺省：180s），设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了这段有效期，ARP表项会被自动删除。

如果目标设备在其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址。然后将数据发送给网关，最后网关把数据转发给目的设备。

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注意：主机第一次开机，ARP缓存表的内容将为空。

step2：发送ARP请求

若主机1的ARP缓存表中不存在主机2的MAC地址，则主机1会发送ARP Request来获取目的MAC地址。

ARP Request报文封装在以太帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机1的MAC地址。由于主机1不知道主机2的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF（全MAC地址）。

ARP Request报文中包含发送端MAC地址、发送端IP地址、目的端MAC地址、目的端IP地址，其中目的端MAC地址的值为0。ARP Request报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接收到此ARP Request报文。

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step3：ARP缓存表添加

所有的主机接收到该ARP Request报文后，都会检查它的目的端IP地址字段与自身的IP地址是否匹配。

如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP Request报文。

如果匹配，则该主机会将ARP请求报文中的发送端MAC地址和发送端IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行响应。

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step4：发送ARP响应

主机2会向主机1回应ARP Reply报文。

ARP Reply报文中的发送端IP地址是主机2自己的IP地址，目的端IP地址是主机1的IP地址，目的端MAC地址是主机1的MAC地址，发送端MAC地址是自己的MAC地址，同时操作类型被设置为Reply。

ARP Reply报文通过单播传送。

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step5：ARP缓存表添加

主机1收到ARP Reply以后，会检查ARP报文中目的端IP地址字段与自身的IP地址是否匹配。

如果匹配，ARP报文中的发送端MAC地址和发送端IP地址会被记录到主机1的ARP缓存表中。

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注意：因为MAC地址是通过ARP报文学习得到的，故Type栏为动态Dynamic。

在了解/得到到对方的MAC地址之后，后续的所有报文封装就可以正常进行了。

7.物理层

（1）物理层

数据到达物理层之后，物理层会根据物理介质的不同，将数字信号转换成光信号（光纤）、电信号（双绞线）或者是电磁波信号（WIF）。

注意：物理层的PDU被称为比特流（Bitstream）。

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（2）常见传输介质

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<1>双绞线：

注意：当今以太网最常见的传输介质就是双绞线，按照抗电磁干扰能力还可以分为STP-屏蔽双绞线 and UTP-非屏蔽双绞线

<2>光纤传输：

注意：按照功能部件可分为光纤 and 光模块。

光纤：光传输介质，就是一根玻璃纤维，用于约束光传输的通道。

光模块：将电信号与光信号互转的器件，产生光信号。

<3>同/异步串口电缆：

串口电缆在WAN（Wide Area Network，广域网）中大规模使用，

根据WAN线路类型不同，串口电缆在设备上连接的接口类型也不同：异/同步串口、ATM接口、POS接口、CE1/PRI接口等。

<4>无线传输：

无线信号的传输可以通过电磁波进行，例如：

  1. 无线路由器将数据通过调制以电磁波发送出去。
  2. 移动终端的无线网卡将电磁波解调得到数据，完成从无线路由器到移动终端的数据传输。

二、数据通信过程

1.发送方数据封装

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2.中间网络数据传输

封装好的完整数据，将会在网络中被传递：

网络中的二层设备（如以太网交换机）只会解封装数据的二层头部，根据二层头部的信息进行相应的交换操作。

网络中的三层设备（如路由器）只会解封装到三层头部，并且根据三层头部的信息进行相应的路由操作。

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注意：需要注意交换和路由的详细细节和原则。

3.接收方数据解封装

经过中间网络传递之后，数据最终到达目的服务器。

根据不同的协议头部的信息，数据将被一层层的解封装并做相应的处理和传递，最终交由WEB服务器上的应用程序进行处理。

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思考题：

  1. （简答）分层模型的概念有什么好处？
  2. （简答）常见的应用层、传输层、网络层、数据链路层有哪些协议？
  3. （单选）以下哪个组织不是常见的协议标准化组织?（ ）

A. IETF(Internet Engineering Task Force)

B. IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)

C. ISO(International Organization for Standardization)

D. IEC(International Electrotechnical Commission)

  1. （单选）HTTP协议是基于传输层哪种协议的哪个端口号?（ ）

A. TCP 80

B. TCP 23

C. TCP 25

D. UDP 69

  1. （多选）以下哪些协议属于传输层的协议？（ ）

A. TCP

B. FTP

C. UDP

D. HTTP

  1. （判断）在网络中进行通信时，必须封装IP地址和MAC地址。（ ）

A. 正确True

B. 错误False

  1. （判断）ARP Reply报文是广播形式发送的。（ ）

A. 正确True

B. 错误False