Linux网络编程（2）：网络模型、协议

5.网络模型

OSI七层参考模型

红I层模型，亦称OSI(Open System Interconnection)参考模型，即开放式系统互联。参考模型是国际标准化组织(ISO)制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系，一般称为OSI参考模型或七层模型。它是一个七层的、抽象的模型体，不仅包括一系列抽象的术语或概念，也包括具体的协议。

1. 物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流(就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后再转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换)。这一层的数据叫做比特。


2. 数据链路层：建立逻辑连接、进行硬件地址(MAC)寻址、差错校验等功能。义了如何让格式化数据以帧为单位进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。将比特组合成字节进而组合成帧，用MAC地址访问介质。


3. 网络层：进行逻辑地址(IP)寻址，在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。


4. 传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号(www端口80等)，如：TCP (传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据)，UDP (用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据是小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的)。主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。


5. 会话层：通过传输层(端口号：传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求。


6. 表示层：数据的表示、安全、压缩。主要是进行对接收的数据进行解释、加密与解密、压缩与解压缩等(也就是把计算机能够识别的东西转换成人能够能识别的东西(如图片声音等)。


7. 应用层：网络服务与最终用户的一个接口。这一层为用户的应用程序(例如电子邮件、文件传输和终端仿真)提供网络服务。

TCP/IP四层模型

简介

现在Internet(因特网)使用的主流协议族是TCP/IP协议族，它是一个分层多协议的通信体系。TCP/P协议族是一个四层协议系统，自底而上分别是数据链路层、网络层、传输层和应用层。每一层完成不同的功能，且通过若干协议来实现，上层协议使用 下层协议提供的服务。

TCP/IP协议在一定程度上参考了OSI的体系结构。OSI 模型共有七层，从下到上分别是物理层数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。但是这显然是有些复杂的，所以在TCP/IP协议中，它们被简化为了四个层次。

(1)应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大，所以在TCP/IP协议中，它们被合并为应用层一个层次。

(2)由于传输层和网络层在网络协议中的地位十分重要，所以在TCP/IP协议中它们被作为独立的两个层次。

(3)因为数据链路层和物理层的内容相差不多，所以在TCP/IP协议中它们被归并在网络接口层一个欠里。只有四层体系结构的TCP/IP协议，与有七层体系结构的OSI相比要简单了不少，也正是这样，TCP/IP 协议在实际的应用中效率更高，成本更低。

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四层介绍

1. 应用层：应用层是TCP/IP协议的第一层，是直接为应用进程提供服务的。
   
   (1)对不同种类的应用程序它们会根据自己的需要来使用应用层的不同协议，邮件传输应用使用了SMTP协议、万维网应用使用了HTTP协议、远程登录服务应用使用了有TELNET协议。
   
   (2)应用层还能加密、解密、格式化数据。
   
   (3)应用层可以建立或解除与其他节点的联系，这样可以充分节省网络资源。


2. 传输层：作为TCP/IP协议的第二层，运输层在整个TCP/IP协议中起到了中流砥柱的作用。且在运输层中，TCP和UDP也同样起到了中流砥柱的作用。


3. 网络层：网络层在TCP/IP协议中的位于第三层。在TCP/IP协议中网络层可以进行网络连接的建立和终止以及IP地址的寻找等功能。


4. 网络接口层：在TCP/IP协议中，网络接口层位于第四层。由于网络接口层兼并了物理层和数据链路具所以，网络接口层既是传输数据的物理媒介，也可以为网络层提供一条准确无误的线路。

6.协议

简介

协议，网络协议的简称，网络协议是通信计算机双方必须共同遵从的一组约定。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。只有遵守这个约定，计算机之间才能相互通信交流。它的三要素是：语法、语义、时序。为了使数据在网络上从源到达目的，网络通信的参与方必须遵循相同的规则，这套规则称为协议(protocol)，它最终体现为在网络上传输的数据包的格式。

协议往往分成几个层次进行定义，分层定义是为了使某一层协议的改变不影响其他层次的协议。

常见协议

应用层常见的协议有：FTP协议(File Transfer Protocol文件传输协议)、HTTP协议(Hyper Text Transfer Protocol超文本传输协议)、NFS (Network File System网络文件系统)。

传输层常见协议有：TCP协议(Transmission Control Protocol传输控制协议)、UDP协议(User Datagram Protocol用户数据报协议)。

网络层常见协议有：IP协议(Internet Protocol因特网互联协议)、ICMP协议(Internet Control Message Protocol因特网控制报文协议)、IGMP协议(Internet Group Management Protocol因特网组管理协议)。

网络接口层常见协议有：ARP协议(Address Resolution Protocol地址解析协议)、RARP协议 (Reverse Address Resolution Protocol反向地址解析协议)。

UDP协议

1. 源端口号：发送方端口号


2. 目的端口号：接收方端口号


3. 长度：UDP用户数据报的长度，最小值是8(仅有首部)


4. 校验和：检测UDP用户数据报在传输中是否有错，有错就丢弃

TCP协议

1. 源端口号：发送方端口号


2. 目的端口号：接收方端口号


3. 例号：本报文段的数据的第一个字节的号


4. 确认序号：期望收到对方下一个报文段的第一个数据字节的序号


5. 首部长度(数据偏移)：TCP 报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，即首部长度。单位：32位，即以4节为计算单位


6. 保留：占6位，保留为今后使用，目前应置为0


7. 紧急URG：此位置1，表明紧急指针字段有效，它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽快传送


8. 确认ACK：仅当ACK=1时确认号字段才有效，TCP 规定，在连接建立后所有传达的报文段都必须把ACK置1


9. 推送PSH：当两个应用进程进行交互式的通信时，有时在一端的应用进程希望在键入一个命令后立即就能够收到对方的响应。在这种情况下，TCP 就可以使用推送(push) 操作，这时，发送方TCP把PSH置1，并立即创建一个报文段发送出去，接收方收到PSH = 1的报文段，就尽快地(即“推送”向前)交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填满后再向上交付


10. 复位RST：用于复位相应的TCP连接


11. 同步SYN：仅在三次握手建立TCP连接时有效。当SYN = 1而ACK = 0时，表明这是一个连接请求报文段，对方若同意建立连接，则应在相应的报文段中使用SYN = 1和ACK = 1。因此，SYN 置 1 就表示这是一个连接请求或连接接受报文


12. 终止FIN：用来释放一个连接。当FIN = 1时，表明此报文段的发送方的数据已经发送完毕，并要求释放运输连接


13. 窗口：指发送本报文段的一方的接收窗口(而不是自己的发送窗口)


14. 校验和：校验和字段检验的范围包括首部和数据两部分，在计算校验和时需要加上12字节的伪头部


15. 紧急指针：仅在URG = 1时才有意义，它指出本报文段中的紧急数据的字节数(紧急数据结束后就是普通数据)，即指出了紧急数据的末尾在报文中的位置，注意：即使窗口为零时也可发送紧急数据


16. 选项：长度可变，最长可达40字节，当没有使用选项时，TCP首部长度是20字节

IP协议

1. 版本：IP协议的版本。通信双方使用过的IP协议的版本必须一致，目前最广泛使用的IP协议版本号为4(即IPv4)


2. 首部长度：单位是32位(4字节)


3. 服务类型：一般不适用，取值为0


4. 总长度：指首部加上数据的总长度，单位为字节


5. 标识(identification)：IP 软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段


6. 标志(flag)：目前只有两位有意义。标志字段中的最低位记为MF。MF = 1即表示后面“还有分片”的数据报。MF=0表示这已是若干数据报片中的最后一个。标志字段中间的一位记为DF，意思是“不能分片”，只有当DF = 0时才允许分片。


7. 片偏移：指出较长的分组在分片后，某片在源分组中的相对位置，也就是说，相对于用户数据段的起点，该片从何处开始。片偏移以8字节为偏移单位。


8. 生存时间：TTL，表明是数据报在网络中的寿命。即为“跳数限制”，由发出数据报的源点设这个字段。路由器在转发数据之前就把TTL值减 1 ，当TTL值减为零时，就丢弃这个数据报。


9. 协议：指出此数据报携带的数据时使用何种协议，以便使目的主机的IP知道应将数据部分上交给哪个处理过程，常用的ICMP(1)，IGMP(2)，TCP(6)，UDP(17)，IPv6(41)


10. 首部校验和：只校验数据报的首部，不包括数据部分。


11. 源地址：发送方IP地址


12. 目的地址：接收方IP地址

以太网帧协议

类型：0x800表示IP、0x806表示ARP、0x835表示 ARP

ARP协议

1. 硬件类型：1表示MAC地址


2. 协议类型：0x800 表示IP地址


3. 硬件地址长度：6


4. 协议地址长度：4


5. 操作：1表示ARP请求，2表示ARP应答，3表示RARP请求，4表示RARP应答

封装

上层协议是如何使用下层协议提供的服务的呢？其实这是通过封装(encapsulation)实现的。应用程序数据在发送到物理网络上之前，将沿着协议栈从上往下依次传递。每层协议都将在上层数据的基础上加上自己的头部信息(有时还包括尾部信息)，以实现该层的功能，这个过程就称为封装。

分用

当帧到达目的主机时，将沿着协议栈自底向上依次传递。各层协议依次处理帧中本层负责的头部数据，以获取所需的信息，并最终将处理后的帧交给目标应用程序。这个过程称为分用(demultiplexing)。分用是依靠头部信息中的类型字段实现的。