計算機網路體系結構詳解(圖文)

計算機網路體系結構

計算機網路的各層及其協議的集合,稱為網路的體系結構。

網路協議:

為進行網路中的資料交換而建立的規則、標準或約定稱為網路協議。

網路協議主要由以下三要素組成:

1、語法,即資料與控制資訊的結構或格式。

2、語義,即需要發出何種控制資訊,完成何種動作以及做出何種相應。

3、同步,即事件實現順序的詳細說明。

網路協議是計算機網路不可缺少的部分,但是當我們經常在自己的PC機上進行檔案存檔操作時,就不需要任何網路協議,除非這個用來儲存檔案的磁碟是網路上的某個檔案伺服器的磁碟。

具有五層協議的體系結構:

OSI 7層體系結構包括應用層、表示層、會話層、運輸層、網路層、資料鏈路層、物理層。

TCP/IP是一個四層體系結構。包含應用層、運輸層、網際層和網路介面層(用網際層這個名字是強調這一層是強調這一層是為了解決不同網路的互聯問題)。從實質上講,TCP/IP只有最上面三層,因為最下面的網路介面層並沒有什麼具體內容。

因此在學習計算機網路的原理時往往採取折中的方法,採用一種只有5層協議的體系結構。下面我們分別介紹。

物理層

訊號的傳輸離不開傳輸介質,而傳輸介質兩端必然有介面用於傳送和接收訊號。因此,既然物理層主要關心如何傳輸訊號,物理層的主要任務就是規定各種傳輸介質和介面與傳輸訊號相關的一些特性。

     1.機械特性

       指明介面所用的接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。

也叫物理特性,指明通訊實體間硬體連線介面的機械特點,如介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。這很像平時常見的各種規格的電源插頭,其尺寸都有嚴格的規定。
2.電氣特性
指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
規定了在物理連線上,導線的電氣連線及有關電路的特性,一般包括:接收器和傳送器電路特性的說明、訊號的識別、最大傳輸速率的說明、與互連電纜相關的規則、傳送器的輸出阻抗、接收器的輸入阻抗等電氣引數等。
3.功能特性
指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何意。
指明物理介面各條訊號線的用途(用法),包括:介面線功能的規定方法,介面訊號線的功能分類–資料訊號線、控制訊號線、定時訊號線和接地線4類。
4.規程特性
指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
指明利用介面傳輸位元流的全過程及各項用於傳輸的事件發生的合法順序,包括事件的執行順序和資料傳輸方式,即在物理連線建立、維持和交換資訊時,DTE/DCE雙方在各自電路上的動作序列。

關於通道複用的知識,請自行百度。

資料鏈路層



資料鏈路層協議有許多種,但有三個基本問題是相同的,這三個基本問題是:
封裝成幀

      透明傳輸

    差錯檢測

網路層

從一般概念來講,將網路互相連線起來需要使用一些中間裝置,根據中間裝置所在的層次,可以有以下四種不同的中間裝置。

1、物理層使用的中間裝置叫做轉發器(repeater)

2、資料鏈路層使用的裝置叫做網橋或橋接器(bridge)

3、網路層使用的中間裝置叫做路由器(router)

4、在網路層以上使用的中間裝置叫做閘道器(gateway)

用閘道器連線兩個不相容的系統需要在高層進行協議轉換

IP地址

IP地址就是給因特網上的每一個主機(或路由器)的每一個介面分配一個在全世界範圍是唯一的32位的識別符號。

A類、B類和C類地址都是單播地址(一對一通訊)是最常用的。

A類、B類和C類地址的網路號欄位分別為1,2,3個位元組長,而在網路號的最前面有1~3位的類別位,其數值分別規定為0,10和110.

A類、B類C類地址的主機號欄位分別為3個、2個和1個位元組長。

D類地址用於多播(一對多通訊)

而E類地址(前4位是1111)保留為以後用。

IP地址的指派範圍:

特殊的IP地址:

一、0.0.0.0
嚴格說來,0.0.0.0已經不是一個真正意義上的IP地址了。它表示的是這樣一個集合:所有不清楚的主機和目的網路。這裡的“不清楚”是指在本機的路由表裡沒有特定條目指明如何到達。對本機來說,它就是一個“收容所”,所有不認識的“三無”人員,一律送進去。如果你在網路設定中設定了預設閘道器,那麼Windows系統會自動產生一個目的地址為0.0.0.0的預設路由。
二、255.255.255.255
限制廣播地址。對本機來說,這個地址指本網段內(同一廣播域)的所有主機。如果翻譯成人類的語言,應該是這樣:“這個房間裡的所有人都注意了!”這個地址不能被路由器轉發。
三、127.0.0.1
本機地址,主要用於測試。用漢語表示,就是“我自己”。在Windows系統中,這個地址有一個別名“Localhost”。定址這樣一個地址,是不能把它發到網路介面的。除非出錯,否則在傳輸介質上永遠不應該出現目的地址為“127.0.0.1”的資料包。
四、224.0.0.1
組播地址,注意它和廣播的區別。從224.0.0.0到239.255.255.255都是這樣的地址。224.0.0.1特指所有主機, 224.0.0.2特指所有路由器。這樣的地址多用於一些特定的程式以及多媒體程式。如果你的主機開啟了IRDP(Internet路由發現協議,使用組播功能)功能,那麼你的主機路由表中應該有這樣一條路由。
五、169.254.x.x
如果你的主機使用了DHCP功能自動獲得一個IP地址,那麼當你的DHCP伺服器發生故障,或響應時間太長而超出了一個系統規定的時間,Wingdows系統會為你分配這樣一個地址。如果你發現你的主機IP地址是一個諸如此類的地址,很不幸,十有八九是你的網路不能正常執行了。
六、10.x.x.x、172.16.x.x~172.31.x.x、192.168.x.x
私有地址,這些地址被大量用於企業內部網路中。一些寬頻路由器,也往往使用192.168.1.1作為預設地址。私有網路由於不與外部互連,因而可能使用隨意的IP地址。保留這樣的地址供其使用是為了避免以後接入公網時引起地址混亂。使用私有地址的私有網路在接入Internet時,要使用地址翻譯 (NAT),將私有地址翻譯成公用合法地址。在Internet上,這類地址是不能出現的。
對一臺網路上的主機來說,它可以正常接收的合法目的網路地址有三種:本機的IP地址、廣播地址以及組播地址。

網路層提供的兩種服務:

為了更有效地轉發IP資料包和提高交付成功的機會,在網際層使用了網際控制報文協議(ICMP)

ICMP報文的種類有兩種:

ICMP差錯報告報文

ICMP差錯報告報文共有5種
1>  終點不可達:終點不可達分為:網路不可達,主機不可達,協議不可達,埠不可達,需要分片但DF位元已置為1,以及源路由失敗等六種情況,其程式碼欄位分別置為0至5。當出現以上六種情況時就向源站傳送終點不可達報文。
說明:
埠不可達:UDP的規則之一是:如果收到UDP資料包而且目的埠與某個正在使用的程序不相符,那麼UDP返回一個ICMP不可達報文。
2>  源站抑制:當路由器或主機由於擁塞而丟棄資料包時,就向源站傳送源站抑制報文,使源站知道應當將資料包的傳送速率放慢。
3>  時間超過:當路由器收到生存時間為零的資料包時,除丟棄該資料包外,還要向源站傳送時間超過報文。當目的站在預先規定的時間內不能收到一個資料包的全部資料包片時,就將已收到的資料包片都丟棄,並向源站傳送時間超過報文。
4>  引數問題:當路由器或目的主機收到的資料包的首部中的欄位的值不正確時,就丟棄該資料包,並向源站傳送引數問題報文。
5>  改變路由(重定向)路由器將改變路由報文傳送給主機,讓主機知道下次應將資料包傳送給另外的路由器。

ICMP詢問報文

ICMP詢問報文有兩種:

1、回送請求和回答 

ICMP回送請求報文是由主機或路由器向一個特定的目的主機發出的詢問。收到此報文的主機必須給源主機或路由器傳送ICMP回送回答報文,這種詢問報文用來測試目的站是否可達以及瞭解其有關狀態。

2、時間戳請求和回答

ICMP時間戳請求報文是請某個主機或路由器回答當前的日期和時間。在ICMP時間戳回答報文中有一個32位的欄位,其中寫入的整數代表從1900年1月1日起到當前時刻一共有多少秒。時間戳請求與回答可用來進行時鐘同步和測量時間。

IP資料包格式以及路由協議請自行百度。

傳輸層

只有主機的協議棧才有傳輸層,而網路核心部分中的路由器在轉發分組時,都只用到下三層的功能。

傳輸層提供應用程序間的邏輯通訊。也就是說通訊的真正端點不是主機而是主機中的程序。

TCP連線、資料傳輸、與斷開連線示意圖:

應用層

應用層的具體內容就是規定應用程序在通訊時所遵循的協議。

應用層協議分類:

(1)域名系統(Domain Name System,DNS):用於實現網路裝置名字到IP地址對映的網路服務。
(2)檔案傳輸協議(File Transfer Protocol,FTP):用於實現互動式檔案傳輸功能。
(3)簡單郵件傳送協議(Simple Mail Transfer Protocol, SMTP):用於實現電子郵箱傳送功能
(4)超文字傳輸協議(HyperText Transfer
Protocol,HTTP):用於實現WWW服務。
(5)簡單網路管理協議(simple Network Management Protocol,SNMP):用於管理與監視網路裝置。
(6)遠端登入協議(Telnet):用於實現遠端登入功能。
這一層是計算機網路中的最高層,也是我們作為一般使用者經常直接接觸的一層,在此不做過多介紹。
參考文獻:
【1】謝希仁. 計算機網路(第5版)[M].
北京:電子工業出版社, 2012.

後面我還要再深入學習一下這個計算機網路路由協議,請看另一篇部落格。

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