网络协议

HiGY
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为了更好的促进互联网网路的研究和发展，国际标准化组织ISO在1985年制定了网络互连模型

OSI参考模型（Open System Interconnect Reference Model），具有7层结构

7应用层（Application）
6表示层（Presentation）
5会话层（Session）
4运输层（Transport）
3网络层（Network）
2数据链路层（Data Link）
1物理层（Physical）

TCP/IP协议

4应用层（Application）
3运输层（Transport）
2网际层（Internet）
1网络接口层（Network Access）

学习研究

5应用层（Application）
4运输层（Transport）
3网络层（Network）
2数据链路层（Data Link）
1物理层（Physical）

网络分层

5应用层（Application）FTP、HTTP、SMTP、DNS、DHCP报文，用户数据
4运输层（Transport）TCP UDP段（Segments）
3网络层（Network）IP ARP ICMP包（Packets）
2数据链路层（Data Link）CSMA/CD PPP帧（Frames）
1物理层（Physical）比特流（Bits）

1. 物理层（Physical）

物理层定义了接口标准、线缆标准、传输速率、传输方式等

模拟信号（Analog Signal）

连续的信号，适合长距离传输

抗干扰能力差，受到干扰时波形变形很难纠正

数字信号（Digital Signal）

离散的信号，不合适长距离传输

抗干扰能力强，受到干扰时波形失真可以修复

数据通信模型

信道（Channel）

信道：信息传输的通道，一条传输介质上（比如网线）上可以有多条信道

  • 单工通信

    信号只能往一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向

    比如无线电广播、有线电视广播

  • 半双工通信

    信号可以双向传输，但必须是交替进行，同一时间只能往一个方向传输

    比如对讲机

  • 全双工通信

    信号可以同时双向传输

    比如手机（打电话，听说同时进行）

2. 数据链路层（Data Link）

链路：从1个节点到相邻节点的一段物理线路（有线或无线），中间没有其他交换节点

数据链路：在一条链路上传输数据时，需要有对应的通信协议来控制数据的传输

不同类型的数据链路，所用的通信协议可能是不同的

  • 广播信道：CSMA/CD协议（比如同轴电缆，集线器等组成的网络）

  • 点对点信道：PPP协议（比如2个路由器之间的信道）

数据链路层的3个基本问题

  • 封装成帧
  • 透明传输
  • 差错检验

封装成帧

  • 帧（Frame）的数据部分

    就是网络层传递下来的数据包（IP数据包，Packet）

  • 最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）

    每一种数据链路层协议都规定了所能够传送的帧的数据长度上限，以太网的MTU为1500个字节

透明传输

使用SOH（Start Of Header）：作为帧开始符

使用EOT（End Of Transmission）：作为帧结束符

数据部分一旦出现了SOH、EOT，就需要进行转义

差错检验

FCS：根据 数据部分+首部 计算得出的

CSMA/CD协议

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectio）

载波侦听多路访问、冲突检测

使用了CSMA/CD的网络可以成为是以太网（Ethernet），它传输的是以太网帧

以太网帧的格式有：Ethernet V2标准、IEEE的802.3标准

使用最多的是Ethernet V2标准

为了能够检测正在发生的帧是否产生了冲突，以太网的帧至少要64字节

用交换机组建的网络，已经支持全双工通信，不需要再使用CSMA/CD，但它传输的帧依然是以太网帧

所以，用交换机组建的网络，依然可以叫做以太网

以太网（Ethernet）

Ethernet V2帧的格式

  • 首部： 目标MAC地址 + 源MAC地址 + 网络类型

  • 以太网帧：首部 + 数据 + FCS

  • 数据长度至少是：64 - 6 - 6 - 2 - 4 = 46字节

  • 当数据部分的长度小于46字节时，数据链路层会在数据的后面加入一些字节填充，接收端会将添加的字节去掉

长度总结：

  • 以太网帧的数据长度： 46 - 1500 字节
  • 以太网帧的长度：64 - 1518字节（目标MAC + 源MAC + 网络类型 + 数据 + FCS）

网卡接收到一个帧，首先会进行差错校验，如果校验通过则接收，否则丢弃

PPP（Point to Point Protocol）

  • Address字段：图中的值是0xFF，形同虚设，点到点信道不需要源MAC，目标MAC地址
  • Control字段：图中的值是0x03，目前没什么作用
  • Protocol字段：内部用到的协议类型
  • 帧开始符、帧结束符：0x7E

字节填充：

将 0x7E 替换成 0x7D5E

将 0x7D 替换成 0x7D5D

3. 网络层（Network）

网络层数据包（IP数据包，Packet）由首部、数据2部分组成

  • 数据部分

    很多时候是由传输层传递下来的数据段（Segment）

首部数据格式

  • 版本（Version）

    占4位，标识IP首部的版本号

    0b0100：IPV4

    0b0110：IPV6

  • 首部长度（IHL：Internet Header Length）

    占4位，表明IP首部的大小，二进制乘以4才是最终长度

    0b0101：20（最小值）

    0b1111：60（最大值）

  • 区分服务（TOS：Type Of Service）

    占8位，可以用于提高网络的服务质量（QoS，Quality Of Service）

  • 总长度（Total Length）

    占16位

    首部 + 数据的长度之和，最大值65535 （2^16）

    由于帧的数据不能超过1500字节，所以过大的IP数据包，需要分成片（fragments）传输给数据链路层

    每一片都有自己的网络层首部（IP首部）

  • 标识（ID：Identification）

    占16位

    数据包得ID，当数据包过大进行分片时，同一个数据包的所有片的标识都是一样的，有一个计数器专门管理数据包的ID，每发出一个数据包，ID就加1

  • 标志（Flags）

    占3位

    • 第一位（Reserved Bit）：保留

    • 第二位（Don`t Fragment）

      指示是否可以分片

      1代表不允许分片，0代表允许分片

    • 第三位（More Fragment）

      包被分片的情况下，表示是否为最后一个包

      1代表不是最后一片，0代表是最后一片

  • 片偏移（FO：Fragment Offset）

    占13位

    用来标识被分片的每一个分段相对于原始数据的位置。第一个分片对应的值为0.由于FO占13位，因此最多可以表示8192（2^13）个相对位置。单位为8字节，因此最大可表示原始数据8*8192=65536字节的位置

  • 生存时间（TTL：Time To Live）

    占8位

    每个路由器在转发之前会将TTL减1，一旦发现TTL减为0，路由器会返回错误报告

    观察使用ping命令后的TTL，能够推测出对方的操作系统，中间经过了多少个路由器

    操作系统版本默认TTL
    WindowsServer 2003、XP、7、10128
    Linux2.0.x kernel、Red Hat 964
    Linux2.2.14 kernel、2.4 kernel255
    Mac OS60
    Mac OS X64

  • 协议（Protocol）

    占8位

    表明所封装的数据是使用了什么协议

    协议ICMPIGMPIPTCPEGPIGPUDPIPV6ESPOSPF
    值（十进制）12468917415089

  • 首部校验和（Header Checksum）

    占16位

    该字段值校验数据报的首部，不校验数据部分。它主要确保IP数据报不被破坏

  • 源IP地址（Source Address）

    占32位，表示发送端的IP地址

  • 目标IP地址（Destination Address）

    占32位，表示接收端IP地址

  • 可选项（Options）

    长度可变，最大40字节。通常只在进行试验或诊断时使用。该字段包含如下几点信息

    • 安全级别
    • 源路径
    • 路径记录
    • 时间戳

  • 填充（Padding）

    也称作填补物。在有可选项的情况下，首部长度可能不是32位的整数倍。为此，通过向字段填充0，调整为32位的整数倍

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