计算机网络基础知识

1. IP、子网掩码、子网

A类 0－127     0      8位   24位 
B类 128－191 10  1 6位   16位 
C类 192－223 110   24位  8位 
D类 224－239 1110 组播地址 
E类 240－255 1111 保留试验使用

引入子网的概念后，

IP地址的结构分为三部分：网络位、子网位和主机位。网络位加上子网位才能全局唯一地标识一个网络。把所有的网络位用1来标识，主机位用0来标识，就得到了子网掩码

常见的题型：

1) 一个主机的IP地址是202.112.14.137，掩码是255.255.255.224，要求计算这个主机所在网络的网络地址和广播地址。

C类：202.120.14.[1110 0000] 可以划分为14个子网，每个子网最多32个主机

常规解法：把这个主机地址和子网掩码都换算成二进制数，两者进行逻辑与运算后即可得到网络地址。

另一个方法：255.255.255.224的掩码所容纳的IP地址有256－224＝32个（包括网络地址和广播地址），那么具有这种掩码的网络地址一定是32的倍数。而网络地址是子网IP地址为开始，广播地址是结束，可使用的主机地址在这个范围内，因此略小于137而又是32的倍数的只有128，所以得出网络地址是202.112.14.128。而广播地址就是下一个网络的网络地址减1。而下一个32的倍数是160，因此可以得到广播地址为202.112.14.159

2. OSI参考模型    TCP/IP参考模型

1　OSI参考模型

　　谈到网络不能不谈OSI参考模型，虽然OSI参考模型的实际应用意义不是很大，但其的确对于理解网络协议内部的运作很有帮助，也为我们学习网络协议提供了一个很好的参考。在现实网络世界里，TCP/IP协议栈获得了更为广泛的应用。

1.1　OSI参考模型的分层结构

　　OSI参考模型（OSI/RM）的全称是开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM），它是由国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）提出的一个网络系统互连模型。
　　OSI参考模型采用分层结构，如图1-2所示。

 

　　在这个OSI七层模型中，每一层都为其上一层提供服务、并为其上一层提供一个访问接口或界面。
　　不同主机之间的相同层次称为对等层。如主机A中的表示层和主机B中的表示层互为对等层、主机A中的会话层和主机B中的会话层互为对等层等。
　　对等层之间互相通信需要遵守一定的规则，如通信的内容、通信的方式，我们将其称为协议（Protocol）。
　　我们将某个主机上运行的某种协议的集合称为协议栈。主机正是利用这个协议栈来接收和发送数据的。
　　OSI参考模型通过将协议栈划分为不同的层次，可以简化问题的分析、处理过程以及网络系统设计的复杂性。
　　OSI参考模型的提出是为了解决不同厂商、不同结构的网络产品之间互连时遇到的不兼容性问题。但是该模型的复杂性阻碍了其在计算机网络领域的实际应用。与此对照，后面我们将要学习的TCP/IP参考模型，获得了非常广泛的应用。实际上，也是目前因特网范围内运行的唯一一种协议。

1.2　OSI参考模型中各层的作用

　　在OSI参考模型中，从下至上，每一层完成不同的、目标明确的功能。
　　1、物理层（Physical Layer）
　　物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。
　　在这一层，数据的单位称为比特（bit）。
　　属于物理层定义的典型规范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等。
　　2、数据链路层（Data Link Layer）
　　数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。
　　在这一层，数据的单位称为帧（frame）。
　　数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。
　　3、网络层（Network Layer）
　　网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。
　　在这一层，数据的单位称为数据包（packet）。
　　网络层协议的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等。
　　4、传输层（Transport Layer）
　　传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。
　　在这一层，数据的单位称为数据段（segment）。
　　传输层协议的代表包括：TCP、UDP、SPX等。
　　5、会话层（Session Layer）
　　会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。
　　会话层协议的代表包括：NetBIOS、ZIP（AppleTalk区域信息协议）等。
　　6、表示层（Presentation Layer）
　　表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。
　　表示层协议的代表包括：ASCII、ASN.1、JPEG、MPEG等。
　　7、应用层（Application Layer）
　　应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。
　　应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。

1.3　OSI参考模型中的数据封装过程

图1-3　 OSI参考模型中的数据封装过程

　　如图1-2所示，在OSI参考模型中，当一台主机需要传送用户的数据（DATA）时，数据首先通过应用层的接口进入应用层。在应用层，用户的数据被加上应用层的报头（Application Header，AH），形成应用层协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU），然后被递交到下一层-表示层。
　　表示层并不"关心"上层-应用层的数据格式而是把整个应用层递交的数据包看成是一个整体进行封装，即加上表示层的报头（Presentation Header，PH）。然后，递交到下层-会话层。
　　同样，会话层、传输层、网络层、数据链路层也都要分别给上层递交下来的数据加上自己的报头。它们是：会话层报头（Session Header，SH）、传输层报头（Transport Header，TH）、网络层报头（Network Header，NH）和数据链路层报头（Data link Header，DH）。其中，数据链路层还要给网络层递交的数据加上数据链路层报尾（Data link Termination，DT）形成最终的一帧数据。
　　当一帧数据通过物理层传送到目标主机的物理层时，该主机的物理层把它递交到上层-数据链路层。数据链路层负责去掉数据帧的帧头部DH和尾部DT（同时还进行数据校验）。如果数据没有出错，则递交到上层-网络层。
　　同样，网络层、传输层、会话层、表示层、应用层也要做类似的工作。最终，原始数据被递交到目标主机的具体应用程序中。

2　TCP/IP参考模型

 

　　ISO制定的OSI参考模型的过于庞大、复杂招致了许多批评。与此对照，由技术人员自己开发的TCP/IP协议栈获得了更为广泛的应用。如图2-1所示，是TCP/IP参考模型和OSI参考模型的对比示意图。

     上图   TCP/IP参考模型

2.1　TCP/IP参考模型的层次结构

　　TCP/IP协议栈是美国国防部高级研究计划局计算机网（Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET）和其后继因特网使用的参考模型。ARPANET是由美国国防部（U.S．Department of Defense，DoD）赞助的研究网络。最初，它只连接了美国境内的四所大学。随后的几年中，它通过租用的电话线连接了数百所大学和政府部门。最终ARPANET发展成为全球规模最大的互连网络-因特网。最初的ARPANET于1990年永久性地关闭。
　　TCP/IP参考模型分为四个层次：应用层、传输层、网络互连层和主机到网络层。如图2-2所示。

上图　 TCP/IP参考模型的层次结构

　　在TCP/IP参考模型中，去掉了OSI参考模型中的会话层和表示层（这两层的功能被合并到应用层实现）。同时将OSI参考模型中的数据链路层和物理层合并为主机到网络层。下面，分别介绍各层的主要功能。
　　1、主机到网络层
　　实际上TCP/IP参考模型没有真正描述这一层的实现，只是要求能够提供给其上层-网络互连层一个访问接口，以便在其上传递IP分组。由于这一层次未被定义，所以其具体的实现方法将随着网络类型的不同而不同。
　　2、网络互连层
　　网络互连层是整个TCP/IP协议栈的核心。它的功能是把分组发往目标网络或主机。同时，为了尽快地发送分组，可能需要沿不同的路径同时进行分组传递。因此，分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，这就需要上层必须对分组进行排序。
　　网络互连层定义了分组格式和协议，即IP协议（Internet Protocol）。
　　网络互连层除了需要完成路由的功能外，也可以完成将不同类型的网络（异构网）互连的任务。除此之外，网络互连层还需要完成拥塞控制的功能。
　　3、传输层
　　在TCP/IP模型中，传输层的功能是使源端主机和目标端主机上的对等实体可以进行会话。在传输层定义了两种服务质量不同的协议。即：传输控制协议TCP（transmission control protocol）和用户数据报协议UDP（user datagram protocol）。
　　TCP协议是一个面向连接的、可靠的协议。它将一台主机发出的字节流无差错地发往互联网上的其他主机。在发送端，它负责把上层传送下来的字节流分成报文段并传递给下层。在接收端，它负责把收到的报文进行重组后递交给上层。TCP协议还要处理端到端的流量控制，以避免缓慢接收的接收方没有足够的缓冲区接收发送方发送的大量数据。
　　UDP协议是一个不可靠的、无连接协议，主要适用于不需要对报文进行排序和流量控制的场合。
　　4、应用层
　　TCP/IP模型将OSI参考模型中的会话层和表示层的功能合并到应用层实现。
　　应用层面向不同的网络应用引入了不同的应用层协议。其中，有基于TCP协议的，如文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）、虚拟终端协议（TELNET）、超文本链接协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP），也有基于UDP协议的，如简

2.2 分层

TCP/IP参考模型分为四层：应用层（Application Layer）、传输层（Transport Layer）、网络层（Internet Layer）、链路层（Link Layer）。

TCP/IP分层
协议
OSI 分层

应用层
FTP,SMTP,Telnet,DNS,SNMP
7

传输层
TCP,UDP
4

网络层
IP, ICMP,(RIP, OSPF),ARP, RARP
3

链路层
Ethernet,Token Bus,Token Ring,FDDI,WLAN
2,1

1，应用层

该层包括所有和应用程序协同工作，利用基础网络交换应用程序专用的数据的协议。如,

HTTPS(Hypertext Transfer Protocol over Secure Socket Layer, or HTTP over SSL),安全超文本传输协议。

HTTP(Hypertext Transfer Protocol),超文本传输协议。

TELNET (Teletype over the Network, 网络电传) ，通过一个终端(terminal)登陆到网络(运行在TCP协议上)。

FTP (File Transfer Protocol, 文件传输协议) ，由名知义(运行在TCP协议上) 。

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议) ，用来发送电子邮件(运行在TCP协议上) 。

DNS (Domain Name Service，域名服务) ，用于完成地址查找，邮件转发等工作(运行在TCP和UDP协议上) 。

NTP? (Network Time Protocol，网络时间协议) ，用于网络同步(运行在UDP协议上) 。

SNMP (Simple Network Management Protocol, 简单网络管理协议) ，用于网络信息的收集和网络管理。

2，传输层

该层提供端对端的通信。最重要的传输层协议是传输控制协议TCP。

传输控制协议TCP (Transport Control Protocol) - 数据流传输（面向连接，可靠）

用户数据报文协议UDP (User Datagram Protocol) - 数据报文传输(无连接不可靠)

3，网络层

该层负责数据转发和路由。从该层上面往下看，可以认为底下存在的是一个不可靠无连接的端对端的数据通路。最核心的协议当然是IP协议。此外还有ICMP，RIP,OSPF,IS-IS,BGP,ARP,RARP等。

2.3，因特网协议栈中的层

人们已经进行了一些讨论关于如何将TCP/IP参考模型映射到到OSI模型。由于TCP/IP和OSI模型组不能精确地匹配，还没有一个完全正确的答案。

另外，OSI模型下层还不具备能够真正占据真正层的位置的能力；在传输层和网络层之间还需要另外一个层（网络互连层）。特定网络类型专用的一些协议应该运行在网络层上，但是却运行在基本的硬件帧交换上。类似协议的例子有地址解析协议和生成树协议（用来保持冗余网桥的空闲状态直到真正需要它们）。然而，它们是本地协议并且在网络互连功能下面运行。不可否认，将两个组（更不用说它们只是运行在如ICMP等不同的互连网络协议上的逻辑上的网络层的一部分）整个放在同一层会引起混淆，但是OSI模型还没有复杂到能够做更好的工作。

下面的图表试图显示不同的TCP/IP和其它的协议在最初OSI模型中的位置：

7 应用层 例如HTTP、SMTP、SNMP、FTP、Telnet、SIP、SSH、NFS、RTSP、XMPP、Whois、ENRP

6 表示层 例如XDR、ASN.1、SMB、AFP、NCP

5 会话层 例如ASAP、TLS、SSH、ISO 8327 / CCITT X.225、RPC、NetBIOS?、ASP、Winsock、BSD sockets

4 传输层 例如TCP、UDP、RTP、SCTP、SPX、ATP、IL

3 网络层 例如IP、ICMP、IGMP、IPX、BGP、OSPF、RIP、IGRP、EIGRP、ARP、RARP、 X.25

2 数据链路层 例如Ethernet、Token ring、HDLC、Frame relay、ISDN、ATM、802.11 WiFi?、FDDI、PPP

1 物理层 例如wire、radio、fiber optic、Carrier pigeon

通常人们认为OSI模型的最上面三层（应用层、表示层和会话层）在TCP/IP组中是一个应用层。由于TCP/IP有一个相对较弱的会话层，由TCP和 RTP下的打开和关闭连接组成，并且在TCP和UDP下的各种应用提供不同的端口号，这些功能能够被单个的应用程序（或者那些应用程序所使用的库）增加。与此相似的是，IP是按照将它下面的网络当作一个黑盒子的思想设计的，这样在讨论TCP/IP的时候就可以把它当作一个独立的层。

4 应用层（OSI5 到 7层）例如HTTP、FTP、DNS（如BGP和RIP这样的路由协议，尽管由于各种各样的原因它们分别运行在TCP和UDP上，仍然可以将它们看作网络层的一部分）

3 传输层（OSI4 和 5层）例如TCP、UDP、RTP、SCTP（如OSPF这样的路由协议，尽管运行在IP上也可以看作是网络层的一部分）

2 网络互连层(OSI3层) 对于TCP/IP来说这是因特网协议（IP）（如ICMP和IGMP这样的必须协议尽管运行在IP上，也仍然可以看作是网络互连层的一部分；ARP不运行在IP上）

1 链接层(OSI1和2层) 例如Ethernet、Wi-Fi、MPLS等。

1，链路层

链路层实际上并不是因特网协议组中的一部分，但是它是数据包从一个设备的网络层传输到里另外一个设备的网络层的方法。这个过程能够在网卡的软件驱动程序中控制，也可以在韧体或者专用芯片中控制。这将完成如添加报头准备发送、通过物理媒介实际发送这样一些数据链路功能。另一端，链路层将完成数据帧接收、去除报头并且将接收到的包传到网络层。

然而，链路层并不经常这样简单。它也可能是一个虚拟专有网络（VPN）或者隧道，在这里从网络层来的包使用隧道协议和其它（或者同样的）协议组发送而不是发送到物理的接口上。VPN和隧道通常预先建好，并且它们有一些直接发送到物理接口所没有的特殊特点（例如，它可以加密经过它的数据）。由于现在链路“层”现在是一个完整的网络，这种协议组的递归使用可能引起混淆。但是它是一个实现常见复杂功能的一个优秀方法。（尽管需要注意以防一个已经封装并且经隧道发送下去的数据包进行再次地封装和发送）。

2，网络层

正如最初所定义的，网络层解决在一个单一网络上传输数据包的问题。类似的协议有X.25和ARPANET的Host/IMP Protocol。

随着因特网思想的出现，在这个层上添加了附加的功能，也就是将数据从源网络传输到目的网络。这就牵涉到在网络组成的网上选择路径将数据包传输，也就是因特网。

在因特网协议组中，IP完成数据从源发送到目的基本任务。IP能够承载多种不同的高层协议的数据；这些协议使用一个唯一的IP协议号进行标识。ICMP和IGMP分别是1和2。

一些IP承载的协议，如ICMP（用来发送关于IP发送的诊断信息）和IGMP（用来管理多播数据），它们位于IP层之上但是完成网络层的功能，这表明了因特网和OSI模型之间的不兼容性。所有的路由协议，如BGP、 OSPF、和RIP实际上也是网络层的一部分，尽管似乎它们应该属于更高的协议栈。

3，传输层

传输层的协议能够解决诸如可靠性（“数据是否已经到达目的地？”）和保证数据按照正确的顺序到达这样的问题。在TCP/IP协议组中，传输协议也包括所给数据应该送给哪个应用程序。

在TCP/IP协议组中技术上位于这个层的动态路由协议通常被认为是网络层的一部分；一个例子就是OSPF（IP协议89）。

TCP（IP协议6）是一个“可靠的”、面向连结的传输机制，它提供一种可靠的字节流保证数据完整、无损并且按顺序到达。TCP尽量连续不断地测试网络的负载并且控制发送数据的速度以避免网络过载。另外，TCP试图将数据按照规定的顺序发送。这是它与UDP不同之处，这在实时数据流或者路由高网络层丢失率应用的时候可能成为一个缺陷。

较新的SCTP也是一个“可靠的”、面向连结的传输机制。它是面向纪录而不是面向字节的，它在一个单独的连结上提供了通过多路复用提供了多个子流。它也提供了多路自寻址支持，其中连结终端能够被多个IP地址表示（代表多个物理接口），这样的话即使其中一个失败了连接也不中断。它最初是为电话应用开发的（在IP上传输SS7），但是也可以用于其它的应用。

UDP（IP协议号17）是一个无连结的数据报协议。它是一个“best effort”或者“不可靠”协议——不是因为它特别不可靠，而是因为它不检查数据包是否已经到达目的地，并且不保证它们按顺序到达。如果一个应用程序需要这些特点，它必须自己提供或者使用TCP。

UDP的典型性应用是如流媒体（音频和视频等）这样按时到达比可靠性更重要的应用，或者如DNS查找这样的简单查询/响应应用，如果建立可靠的连结所作的额外工作将是不成比例地大。

DCCP目前正由IEFT开发。它提供TCP流动控制语义，但对于用户来说保留了UDP的数据报服务模型。

TCP和UDP都用来支持一些高层的应用。任何给定网络地址的应用通过它们的TCP或者UDP端口号区分。根据惯例一些大众所知的端口与特定的应用相联系。

RTP是为如音频和视频流这样的实时数据设计的数据报协议。RTP是使用UDP包格式作为基础的会话层，然而据说它位于因特网协议栈的传输层。

4，应用层

应用层是大多数普通与网络相关的程序为了通过网络与其它程序通信所使用的层。这个层的处理过程是应用特有的；数据从网络相关的程序的以这种应用内部使用的格式的传过来，然后被编码成标准协议的格式。

一些特定的程序被认为运行在这个层上。它们提供服务直接支持用户应用。这些程序和它们对应的协议包括HTTP（The World Wide Web）、FTP（文件传输）、SMTP（电子邮件）、SSH（安全远程登陆）、DNS （名称<-> IP 地址寻找）以及许多其它协议。

一旦从应用程序来的数据被编码成一个标准的应用层协议，它将被传送到IP栈的下一层。

在传输层，应用程序最常用的是TCP或者UDP，并且服务器应用程序经常与一个公开的端口号相联系。服务器应用程序的端口由Internet Assigned Numbers Authority （IANA）正式地分配，但是现今一些新协议的开发者经常选择它们自己的端口号。由于在同一个系统上很少超过少数几个的服务器应用，端口冲突引起的问题很少。应用软件通常也允许用户强制性地指定端口号作为运行参数。

连结外部的客户端程序通常使用系统分配的一个随机端口号。监听一个端口并且然后通过服务器将那个端口发送到应用的另外一个副本以建立对等连结（如IRC上的dcc文件传输）的应用也可以使用一个随机端口，但是应用程序通常允许定义一个特定的端口范围的规范以允许端口能够通过实现网络地址翻译的路由器映射到内部。