计算机网络之物理层、链路层、网络层

计算机网络之物理层、数据链路层、和网络层

OSI参考模型:

  • 应用层:应用层是直接为应用进程提供服务的。其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时,完成一系列业务处理所需的服务。包括文件传输、电子邮件远程登录和远端接口调用等协议。
  • 表示层:向上对应用进程服务,向下接受会话层提供的服务,表示层位于OSI标准模型的第六层,表示层的主要作用就是将设备的固有数据格式转换为网络标准传输格式。数据处理(编码解码、加密解密等)。
  • 会话层:会话层位于OSI标准模型的第五层,他是建立在传输层之上,利用传输层提供的服务建立和维持会话。管理(建立、维护、重连)通信回会话
  • 传输层:传输层位于OSI标准模型的第四层,它在整个OSI标准模型中起到了至关重要的作用。传输层涉及到两个节点之间的数据传输,向上层提供可靠的数据传输服务。传输层的服务一般要经历 传输连接建立阶段,数据传输阶段,传输连接释放阶段3个阶段才算完成一个完整的服务过程。管理端到端的通信连接。
  • 网络层:网络层位于OSI标准模型的第三层,它位于传输层和数据链路层的中间,将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到另一端,从而向传输层提供最基本的端到端 数据传送服务。
  • 数据链路层:数据链路层位于物理层和网络层中间,数据链路层定义了在单个链路上如何传输数据。
  • 物理层:物理层是OSI标准模型中最低的一层,物理层是整个OSI协议的基础,就如同房屋的地基一样,物理层为设备之间数据通信提供传输媒体即互联设备,为数据传输提供可靠的环境。

物理层:

  1. 物理层的作用:连接不同的物理设备,传输比特流。
  2. 物理层上传送的数据单位是比特
  3. 信道的基本概念:信道是往一个方向传输信息的媒体,一条通信电路包含一个发送信道和一个接受信道。
    • 单工通信信道:只能一个方向通信,没有反方向返回的信道。
    • 半双工通信信道:双方都可以发送和接受信息,但不能同时发送也不能同时接受。
    • 全双工通信信道:双方都可以同时发送和接收。
  4. 信道的分用-复用技术:大大提升信道的利用率,分为频分复用、时分复用、波分复用、码分复用。

数据链路层:

  1. 数据链路层概述:

    1. 封装成帧:“帧是数据链路层数据的基本单位,对一段数据的前后添加首部和尾部,接收端在收到物理层上交的比特流后,就能根据首部和尾部的标记,从比特流中识别帧的开始和结束。
    2. 透明传输:在传送的数据中出现可帧首部或帧尾部相同的字符,数据链路层就把中间的数据当做帧尾部进行识别,把剩下的那部分数据丢弃。这种情况下就不是透明传输。
    3. 差错检测:奇偶校验码、冗余校验码CRC。
  2. 最大传输单元

    最大传输单元MTU,数据链路层的数据帧不是无限大的,数据帧长度受到MTU限制。

    路径MTU由链路中MTU的最小值决定。

  3. 以太网协议

    MAC地址:每一个设备都拥有唯一的MAC地址,共48位,使用十六进制表示。

    以太网协议:是一种使用广泛的局域网技术,是一种应用于数据链路层的协议,使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输,数据格式如下:

    目的地址 源地址 类型 帧数据 CRC
    6 6 2 46-1500 4
  4. PPP协议

    PPP协议是Point to Point Protocol,即点对点协议,是一种链路层协议,是在为同等单元之间传输数据包而设计的。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据,使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。

网络层

我们所处的网络,是无数个子网络构成的。广播的时候,也只有同一个子网里面的计算机能够收到。

如果没有子网的这种划分的话,计算机A想要通过广播的方式发一个数据包个计算机B,其他所有计算机都能收到这个数据包,然后进行对比舍弃,世界上那么多,每一台计算机都能收到其他所有的数据包,那不就崩溃了,因此产生了子网。

那么问题来了,我们如何区分哪些 MAC 地址是属于同⼀个⼦⽹的呢?假如是同⼀个⼦⽹,那我们就⽤ ⼴播的形式把数据传送给对⽅,如果不是同⼀个⼦⽹的,我们就会把数据发给⽹关,让⽹关进⾏转发。 为了解决这个问题,于是,有了 IP 协议。

IP协议

虚拟互联网络的产生:实际的计算机网络错综复杂;物理设备通过使用IP协议,屏蔽了物理网络之间的差异;当网络中主机使用IP协议连接时,无需关注网络细节,于是形成了虚拟网络。

IP协议使得复杂的实际网络变为一个细腻互联的网络;并且解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题。

IP协议是互联网协议(Internet Protocol),位于网络层。IP是整个TCP/IP协议族的核心,也是构成互联网的基础。IP能够为运输层提供数据分发,同时也能够组装数据供传输层使用。它将多个单个网络连接称为一个互联网,这样能够提高网络的可扩展性,实现大规模的网络互联。二是分割顶层网络和底层网络之间的耦合关系。

IP协议转发过程

计算机网络之物理层、链路层、网络层_第1张图片

IP地址的子网划分

分类的IP地址:A类(8网络号+24主机号)、B类(16网络号+16主机号)、C类(24网络号+8主机号),对比如下:

计算机网络之物理层、链路层、网络层_第2张图片

ARP协议

ARP协议是地址解析协议,即Address Resolution Protocol,它能够根据IP地址获取物理地址。主机发送信息时会将包含目标IP的ARP请求广播到局域网络上的所有主机,并接受返回消息,从此来确定物理地址。收到消息后的物理地址和IP地址会在ARP中缓存一段时间,下次查询的时候直接从ARP查询即可。可以把网络层32位地址转化为数据链路层MAC48位地址。

ARP缓存表:是IP地址与MAC地址的映射对应表(IP地址是变化的)

RARP(Reverse Address Resolution Protocol)协议指逆地址解析协议,可以把数据链路层MAC48位地址转化为网络层32位地址。

ICMP协议

ICMP协议:网际控制报文协议(Internet Control Message Protocol),可以报告错误信息或异常情况,ICMP报文封装在IP数据报当中。ICMP协议主要用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。ICMP属于网络层的协议,当遇到IP无法访问目标IP路由器无法按照当前传输速率转发数据包时,会自动发送ICMP消息,从这个角度来说,ICMP协议可以看做是错误侦测与回报机制,让我们检查网络状况、也能够确保连线的准确性。结构如下:

计算机网络之物理层、链路层、网络层_第3张图片

ICMP协议的应用:

  • ping应用:网络故障的排查;
  • Traceroute应用:可以探测IP数据报在网络中走过的路径。

DNS服务器

我们是如何知道对方计算机的IP地址的呢?当我们想要访问某个网站的时候,我们可以输入IP来进行访问,但是很多人是输入一个网址域名的,例如访问百度是输入www.baidu.com这个域名。当我们输入这个域名的时候,会有一个DNS服务器来帮我们解析这个域名,然后返回这个域名对应的IP给我们。

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