计算机网络模型
理解 OSI 七层模型、TCP/IP 四层模型和五层网络模型的结构与协议
问题
如何理解计算机网络模型的分层结构？
解答
网络模型分类
计算机网络的各层及其协议的集合被称为网络的体系结构，主要分为三种模型：
七层网络模型（OSI）
开放式系统互联模型（OSI）是国际标准化组织提出的概念模型，包含应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。
四层网络模型（TCP/IP）
TCP/IP 协议族包含应用层、传输层、网际层、网络接口层，是事实上的国际标准。
五层网络模型
五层模型是学习和开发中最常用的模型，将 TCP/IP 的网络接口层细化为数据链路层和物理层：
- 应用层：直接为应用进程提供服务，如 HTTP、FTP、SMTP、DNS 等协议
- 传输层：为两台主机中的进程提供通信服务，主要协议为 TCP 和 UDP
- 网络层：为两台主机提供通信服务，通过路由选择将数据传递到目标主机
- 数据链路层：将 IP 数据报封装成帧，在相邻节点间传送
- 物理层：确保数据在各种物理媒介上传输
物理层
物理层定义了与传输媒介相关的接口特性，包括机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。
传输媒介分为导引型（双绞线、同轴电缆、光缆）和非导引型（短波、微波）。
信道分类：
- 单工信道：只能单向通信
- 半双工信道：双向通信但不能同时进行
- 全双工信道：可同时双向通信
信道复用技术：
- 频分复用（FDM）：将总带宽划分为多个子频带
- 时分复用（TDM）：不同时段传输不同信号
- 统计时分复用（STDM）：动态分配时隙，提高利用率
- 波分复用（WDM）：不同波长的光载波在同一光纤中传输
- 码分复用（CDM）：通过不同编码区分各路信号
数据链路层
基本功能：
- 封装成帧：在数据前后添加首部（SOH）和尾部（EOT），构成完整的帧
- 透明传输：使用转义字符 ESC 处理数据中的控制字符
- 差错检测：使用循环冗余校验（CRC）生成校验码
PPP 协议
点到点协议是最广泛使用的数据链路层协议，包含 IP 数据报封装方法、链路控制协议（LCP）和网络控制协议（NCP）。
MAC 地址
MAC 地址是 48 位的物理地址，用于在网络中唯一标识网卡。格式为 6 个字节，如 08:00:20:0A:8C:6D，前 3 字节为厂商标识，后 3 字节由厂商分配。
以太网
以太网是使用最广泛的局域网，帧格式包含目的 MAC 地址、源 MAC 地址、类型、数据和校验和。
网络层
IP 协议
IP 数据报格式包含版本、首部长度、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间（TTL）、协议、首部校验和、源地址和目的地址等字段。
ARP 协议
地址解析协议用于根据 IP 地址获取 MAC 地址。主机维护 ARP 缓存表，存储 IP 地址与 MAC 地址的映射关系。查询过程：
- 查看本地 ARP 表，如有则直接使用
- 如无则广播 ARP 请求
- 目标主机单播回复 MAC 地址
IP 地址分类
传统 IP 地址分为 A、B、C、D、E 五类：
- A 类：网络号 1-126，每个网络最多 16777215 台主机
- B 类：网络号 128.1-191.255，每个网络最多 65534 台主机
- C 类：网络号 192.0.1-223.255.255，每个网络最多 254 台主机
子网划分
从主机号借用若干位作为子网号，将 IP 地址划分为：网络号 + 子网号 + 主机号。通过子网掩码进行路由选择，例如：
IP 地址：192.168.10.198 11000000.10101000.00001010.11000110
子网掩码：255.255.255.224 11111111.11111111.11111111.11100000
网络地址：192.168.10.192 11000000.10101000.00001010.11000000CIDR 无类别域间路由
采用无分类的两级编址：网络前缀 + 主机号，使用斜线记法表示，如 128.14.35.7/20。支持路由聚合，减少路由表项目。
专用地址
三个专用地址块只能用于内部通信：
- 10.0.0.0/8
- 172.16.0.0/12
- 192.168.0.0/16
NAT 和 VPN
NAT（网络地址转换）允许专用地址主机通过路由器的全球 IP 地址访问互联网。VPN（虚拟专用网）利用公共互联网连接远程专用网，使用 IPSec 加密保证安全。
IPv6
IPv6 地址长度为 128 位，解决 IPv4 地址耗尽问题。
传输层
UDP 协议
用户数据报协议特点：
- 无连接，不保证可靠交付
- 面向报文
- 无拥塞控制
- 支持一对一、一对多、多对一、多对多通信
- 首部开销小，仅 8 字节
首部包含源端口号、目的端口号、长度和校验和。
TCP 协议
传输控制协议特点：
- 面向连接
- 提供可靠交付
- 全双工通信
- 面向字节流
TCP 报文段首部包含源端口、目的端口、序号、确认号、数据偏移、控制位（URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN）、窗口、校验和、紧急指针等字段。
三次握手
建立连接过程：
- 客户端发送 SYN=1，seq=x，进入 SYN-SENT 状态
- 服务器回复 SYN=1，ACK=1，ack=x+1，seq=y，进入 SYN-RCVD 状态
- 客户端发送 ACK=1，ack=y+1，seq=x+1，进入 ESTABLISHED 状态
- 服务器收到确认后进入 ESTABLISHED 状态
四次挥手
释放连接过程：
- 客户端发送 FIN=1，seq=u，进入 FIN-WAIT-1 状态
- 服务器回复 ACK=1，ack=u+1，seq=v，进入 CLOSE-WAIT 状态
- 服务器发送 FIN=1，seq=w，ack=u+1，进入 LAST-ACK 状态
- 客户端回复 ACK=1，ack=w+1，seq=u+1，进入 TIME-WAIT 状态
- 客户端等待 2MSL 后进入 CLOSED 状态
可靠传输
采用停止等待协议、连续 ARQ 协议和滑动窗口协议。超时重传时间计算：
RTO = RTT_S + 4 × RTT_D
新的 RTT_S = (1-α) × 旧的 RTT_S + α × 新的 RTT 值
新的 RTT_D = (1-β) × 旧的 RTT_D + β × |RTT_S - 新的 RTT 值|拥塞控制
采用四种算法：
- 慢启动：拥塞窗口成倍增长
- 拥塞避免：达到阈值后线性增长
- 快重传：收到 3 个重复确认立即重传
- 快恢复：调整阈值和窗口大小
应用层
DNS 域名系统
将域名转换为 IP 地址。域名分为根域名、顶级域名（国家顶级域名、通用顶级域名、基础结构域名、新顶级域名）和子域名。
FTP 文件传输协议
用于网络文件传输，服务器包含一个主进程和多个从属进程，可同时为多个客户端提供服务。
HTTP 超文本传输协议
定义浏览器如何请求文档以及服务器如何传送文档。配合 URL（统一资源定位符）和 HTML（超文本标记语言）构成万维网基础。
DHCP 动态主机配置协议
提供即插即用联网机制，自动配置 IP 地址、子网掩码、默认路由器和域名服务器等信息。工作流程：
- 主机广播发现报文（DHCP DISCOVER）
- DHCP 服务器回复提供报文（DHCP OFFER）
- 分配临时 IP 地址，设置租用期
关键点
- 五层网络模型是学习的基础，从下到上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层
- 数据链路层使用 MAC 地址标识设备，网络层使用 IP 地址标识主机，传输层使用端口号标识进程
- TCP 通过三次握手建立连接，四次挥手释放连接，提供可靠的字节流传输服务
- UDP 无连接、不可靠但开销小，适用于实时性要求高的场景
- IP 地址分类、子网划分和 CIDR 是网络层地址管理的核心技术
目录