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网络七层模型与网络数据包

网络基本概念

OSI模型

OSI模型(Open System Interconnection model)是一个由国际标准化组织提出概念模型,试图提供一个使各种不同的计算机和网络在世界范围内实现互联的标准框架。

它将计算机网络体系结构划分为七层,每层都可以提供抽象良好的接口。了解OSI模型有助于理解实际上互联网络的工业标准——TCP/IP协议。

OSI模型各层间关系和通讯时的数据流向如图所示:

OSI模型

显然,如果一个东西想包罗万象通常而言是不可能的;在实际的开发应用中一般是在此模型的基础上进行裁剪、整合!

七层模型介绍

  • 物理层

物理层负责最后将信息编码成电流脉冲或其它信号用于网上传输。eg:RJ45等将数据转化成0和1。

  • 数据链路层

数据链路层通过物理网络链路提供数据传输。不同的数据链路层定义了不同的网络和协 议特征,其中包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、数据帧序列以及流控;

可以简单的理解为:规定了0和1的分包形式,确定了网络数据包的形式。

  • 网络层

网络层负责在源和终点之间建立连接。可以理解为,此处需要确定计算机的位置。怎么确定?IPv4,IPv6!

  • 传输层

传输层向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务。可以理解为:每一个应用程序都会在网卡注册一个端口号,该层就是端口与端口的通信,常用的(TCP/IP)协议。

  • 会话层

会话层建立、管理和终止表示层与实体之间的通信会话,建立一个连接(自动的手机信息、自动的网络寻址)。

  • 表示层

表示层提供多种功能用于应用层数据编码和转化,以确保以一个系统应用层发送的信息 可以被另一个系统应用层识别。可以理解为:解决不同系统之间的通信,eg:Linux下的QQ和Windows下的QQ可以通信。

  • 应用层

OSI的应用层协议包括文件的传输、访问及管理协议(FTAM),以及文件虚拟终端协议(VIP)和公用管理系统信息(CMIP)等;规定数据的传输协议。

常见的应用层协议:

常见的应用层协议

互联网分层结构的好处:上层的变动完全不影响下层的结构。

TCP/IP协议基本概念

OSI模型所分的七层,在实际应用中,往往有一些层被整合,或者功能分散到其他层去。TCP/IP没有照搬OSI模型,也没有一个公认的TCP/IP层级模型,一般划分为三层到五层模型来描述TCP/IP协议。

在此描述用一个通用的四层模型来描述,每一层都和OSI模型有较强的相关性但是又可能会有交叉。

TCP/IP的设计,是吸取了分层模型的精华思想——封装。每层对上一层提供服务的时 候,上一层的数据结构是黑盒,直接作为本层的数据,而不需要关心上一层协议的任何细节。

TCP/IP分层模型的分层以以太网上传输UDP数据包如图所示;

UDP数据包

数据包

宽泛意义的数据包:每一个数据包都包含“标头”和“数据”两个部分。“标头”包含本数据包的一些说明,“数据”则是本数据包的内容。

细分数据包

  • 应用程序数据包:标头部分规定应用程序的数据格式,数据部分传输具体的数据内容,对应上图中的数据!
  • TCP/UDP数据包:标头部分包含双方的发出端口和接收端口。
  • UDP数据包:“标头”长度——8个字节,“数据包”总长度最大为65535字节,正好放进一个IP数据包。
  • TCP数据包:理论上没有长度限制,但是,为了保证网络传输效率,通常不会超过IP数据长度,确保单个包不会被分割(对应上图中的UDP数据)。
  • IP数据包:标头部分包含通信双方的IP地址、协议版本、长度等信息。“标头”长度——20~60字节,“数据包”总长度最大为65535字节(对应上图中的IP数据)。
  • 以太网数据包:最基础的数据包。标头部分包含了通信双方的MAC地址,数据类型等。“标头”长度为18字节,“数据”部分长度为46~1500字节(对应上图中的以太网数据)。

四层模型

网络接口层

网络接口层包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议。

它定义像地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)这样的协议,提供 TCP/IP 协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口。

可以理解为:确定了网络数据包的形式。

网间层

网间层对应于 OSI 七层参考模型的网络层,本层包含 IP 协议、RIP 协议(Routing Information Protocol,路由信息协议),负责数据的包装、寻址和路由。同时还包含网间控制报文协议(Internet Control Message Protocol,ICMP)用来提供网络诊断信息;

可以理解为:该层时确定计算机的位置。

传输层

传输层对应于 OSI 七层参考模型的传输层,它提供两种端到端的通信服务。其中 TCP 协议(Transmission Control Protocol)提供可靠的数据流运输服务,UDP 协议(Use Datagram Protocol)提供不可靠的用户数据报服务。

TCP:三次握手、四次挥手;UDP:只发不管别人收不收得到–任性哈

应用层

应用层对应于 OSI 七层参考模型的应用层和表达层;

不明白的再看看7层参考模型的描述。

TCP/IP 协议族常用协议

  • 应用层:TFTP,HTTP,SNMP,FTP,SMTP,DNS,Telnet 等等
  • 传输层:TCP,UDP
  • 网络层:IP,ICMP,OSPF,EIGRP,IGMP
  • 数据链路层:SLIP,CSLIP,PPP,MTU

重要的 TCP/IP 协议族协议进行简单介绍:

IP(Internet Protocol,网际协议)是网间层的主要协议,任务是在源地址和和目的地址之间传输数据。IP 协议只是尽最大努力来传输数据包,并不保证所有的包都可以传输 到目的地,也不保证数据包的顺序和唯一。

IP 定义了 TCP/IP 的地址,寻址方法,以及路由规则。现在广泛使用的 IP 协议有 IPv4 和 IPv6 两种:IPv4 使用 32 位二进制整数做地址,一般使用点分十进制方式表示,比如 192.168.0.1。

IP 地址由两部分组成,即网络号和主机号。故一个完整的 IPv4 地址往往表示 为 192.168.0.1/24 或192.168.0.1/255.255.255.0 这种形式。

IPv6 是为了解决 IPv4 地址耗尽和其它一些问题而研发的最新版本的 IP。使用 128 位 整数表示地址,通常使用冒号分隔的十六进制来表示,并且可以省略其中一串连续的 0,如:fe80::200:1ff:fe00:1。

目前使用并不多!

ICMP(Internet Control Message Protocol,网络控制消息协议)是 TCP/IP 的 核心协议之一,用于在 IP 网络中发送控制消息,提供通信过程中的各种问题反馈。 ICMP 直接使用 IP 数据包传输,但 ICMP 并不被视为 IP 协议的子协议。常见的联网状态诊断工具比如依赖于 ICMP 协议;

TCP(TransmissionControlProtocol,传输控制协议)是一种面向连接的,可靠的, 基于字节流传输的通信协议。TCP 具有端口号的概念,用来标识同一个地址上的不 同应用。描述TCP的标准文档是 RFC793。

UDP(UserDatagramProtocol,用户数据报协议)是一个面向数据报的传输层协 议。UDP 的传输是不可靠的,简单的说就是发了不管,发送者不会知道目标地址 的数据通路是否发生拥塞,也不知道数据是否到达,是否完整以及是否还是原来的 次序。
它同 TCP 一样有用来标识本地应用的端口号。所以应用 UDP 的应用,都能 够容忍一定数量的错误和丢包,但是对传输性能敏感的,比如流媒体、DNS 等。

ECHO(EchoProtocol,回声协议)是一个简单的调试和检测工具。服务器器会 原样回发它收到的任何数据,既可以使用 TCP 传输,也可以使用 UDP 传输。使用端口号 7 。

DHCP(DynamicHostConfigrationProtocol,动态主机配置协议)是用于局域 网自动分配 IP 地址和主机配置的协议。可以使局域网的部署更加简单。

DNS(DomainNameSystem,域名系统)是互联网的一项服务,可以简单的将用“.” 分隔的一般会有意义的域名转换成不易记忆的 IP 地址。一般使用 UDP 协议传输, 也可以使用 TCP,默认服务端口号 53。

FTP(FileTransferProtocol,文件传输协议)是用来进行文件传输的标准协议。 FTP 基于 TCP 使用端口号 20 来传输数据,21 来传输控制信息。

TFTP(Trivial File Transfer Protocol,简单文件传输协议)是一个简化的文 件传输协议,其设计非常简单,通过少量存储器就能轻松实现,所以一般被用来通过网络引导计算机过程中传输引导文件等小文件;

SSH(SecureShell,安全Shell),因为传统的网络服务程序比如TELNET本质上都极不安全,明文传说数据和用户信息包括密码,SSH 被开发出来避免这些问题, 它其实是一个协议框架,有大量的扩展冗余能力,并且提供了加密压缩的通道可以为其他协议使用。

POP(PostOfficeProtocol,邮局协议)是支持通过客户端访问电子邮件的服务, 现在版本是 POP3,也有加密的版本 POP3S。协议使用 TCP,端口 110。

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol,简单邮件传输协议)是现在在互联网 上发送电子邮件的事实标准。使用 TCP 协议传输,端口号 25。

HTTP(HyperTextTransferProtocol,超文本传输协议)是现在广为流行的WEB 网络的基础,HTTPS 是 HTTP 的加密安全版本。协议通过 TCP 传输,HTTP 默认 使用端口 80,HTTPS 使用 443。

感谢作者Yangsc对本文的授权。

作者简介: Yangsc,曾就职于RaiseChip,负责底层驱动的编写、音频、视频驱动的编写和优化、目前在北京从事iOS音视频相关的开发,微博:O_oYangsc,博客:http://www.jianshu.com/users/9913981cb400/latest_articles

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