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：

  1. 应用层：直接为应用进程提供服务，如 HTTP、FTP、SMTP、DNS 等协议
  2. 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
  3. 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
  4. 数据链路层：将 IP 数据报封装成帧，在相邻节点间传送
  5. 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：

  1. 封装成帧：在数据前后添加首部（SOH）和尾部（EOT），构成完整的帧
  2. 透明传输：使用转义字符 ESC 处理数据中的控制字符
  3. 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：

  1. 查看本地 ARP 表，如有则直接使用
  2. 如无则广播 ARP 请求
  3. 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       11000000.10101000.00001010.11000000

CIDR 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：

  1. 客户端发送 SYN=1，seq=x，进入 SYN-SENT 状态
  2. 服务器回复 SYN=1，ACK=1，ack=x+1，seq=y，进入 SYN-RCVD 状态
  3. 客户端发送 ACK=1，ack=y+1，seq=x+1，进入 ESTABLISHED 状态
  4. 服务器收到确认后进入 ESTABLISHED 状态

四次挥手

释放连接过程：

  1. 客户端发送 FIN=1，seq=u，进入 FIN-WAIT-1 状态
  2. 服务器回复 ACK=1，ack=u+1，seq=v，进入 CLOSE-WAIT 状态
  3. 服务器发送 FIN=1，seq=w，ack=u+1，进入 LAST-ACK 状态
  4. 客户端回复 ACK=1，ack=w+1，seq=u+1，进入 TIME-WAIT 状态
  5. 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：

  1. 慢启动：拥塞窗口成倍增长
  2. 拥塞避免：达到阈值后线性增长
  3. 快重传：收到 3 个重复确认立即重传
  4. 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：

  1. 主机广播发现报文（DHCP DISCOVER）
  2. DHCP 服务器回复提供报文（DHCP OFFER）
  3. 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
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