（嵌入式八股）第7章 计算机网络(一)

OSI七层模型

OSI（Open Systems Interconnection，开放系统互联）模型是一个分层的计算机网络通信框架，用于理解和描述计算机网络中的不同协议和数据流动。OSI模型将网络通信分为七个不同的层级，每一层都有其独特的功能，确保数据从一个设备传输到另一个设备时的完整性、效率和可靠性。

七层模型的层次从物理层到应用层逐层向上，以下是每一层的详细介绍：

物理层（Physical Layer）

作用：物理层是OSI模型中的第一层，负责设备间的实际物理连接和数据传输。它处理比特的传输，涉及电气信号的编码和解码。

功能：定义电气信号的标准（如电压、频率）。传输原始的比特流（0和1）。定义传输介质（如电缆、光纤、无线信号）。

示例协议和设备：IEEE802.1、 IEEE802.2-802.11、网络适配器、集线器、交换机端口、传输介质（铜线、光纤）。

数据链路层（Data Link Layer）

• 作用：数据链路层的任务是将物理层传输的比特流分组为数据帧，并负责错误检测和纠正。它确保数据的正确传输，提供设备间的逻辑链接。
• 功能：数据帧的封装和解封装。错误检测（如校验和）和纠正。访问控制，管理多个设备共享物理媒介。
• 示例协议和设备：：FDDI、Ethernet、PPP、交换机、网卡。

网络层（Network Layer）

• 作用：网络层负责在不同网络之间转发数据包，决定数据包的传输路径（路由）。它提供逻辑地址（如IP地址）和路由机制。
• 功能：路由选择，确定数据包的路径。地址分配与管理（如IP地址）。数据包的分段和重组。
• 示例协议和设备：IP协议（IPv4/IPv6）、ICMP、路由协议（RIP、OSPF）、ARP、路由器。

传输层（Transport Layer）

• 作用：传输层确保数据在发送方和接收方之间的可靠传输。它负责数据的分段、流量控制和错误检测。
• 功能：提供端到端的通信，确保数据的可靠性。流量控制，确保数据不会传输过快或过慢。错误检测和恢复。数据重组，确保数据正确到达。
• 示例协议：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）。

会话层（Session Layer）

• 作用：会话层负责在不同的应用程序之间建立、管理和终止会话。它支持全双工或半双工通信，并维护通信的状态。
• 功能：建立、维护和终止会话。会话恢复，支持会话断开后的恢复。数据同步和控制。
• 示例协议：SSL、TLS。

表示层（Presentation Layer）

• 作用：表示层负责数据格式的转换和加密解密，使得不同系统能够理解彼此的数据。
• 功能：数据格式的转换（例如，从ASCII到EBCDIC）。数据压缩和解压。数据加密和解密，确保安全性。
• 示例协议：JPEG、ASCII、DECORIC、加密格式。

应用层（Application Layer）

• 作用：应用层是OSI模型的第七层，直接为用户提供网络服务。它为应用程序提供网络服务接口，使得用户能够通过网络与其他系统进行通信。
• 功能：提供应用服务，如文件传输、电子邮件、浏览器等。确保网络应用程序与底层协议（如TCP/IP）之间的互操作。
• 示例协议：TTP、FTP、Telnet、SNMP、DNS。

总结

• 物理层：负责数据的物理传输。
• 数据链路层：确保数据帧的正确传输，并提供错误检测。
• 网络层：负责数据包的路由选择和传递。
• 传输层：确保端到端的可靠数据传输。
• 会话层：管理会话和会话的状态。
• 表示层：负责数据格式的转换、压缩和加密。
• 应用层：为用户提供网络服务接口。

7.2 TCP/IP四层模型

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议）是一个用于网络通信的协议集，它定义了如何在网络上进行数据传输。TCP/IP模型通常被用作实际互联网和局域网通信的基础，其结构更简单，并且广泛应用于互联网通信。TCP/IP模型由四层组成，下面详细介绍每一层及其功能。

1. 网络接口层（Network Interface Layer）

• 功能：网络接口层负责将数据从计算机发送到物理网络（如局域网或互联网）。它处理设备间的通信细节，包括物理媒介和数据链路层的通信。
• 包括的协议：
• 以太网（Ethernet）
• Wi-FiARP（地址解析协议）
• PPP（点对点协议）
• FDDI（光纤分布数据接口）

工作方式：这一层确保网络硬件设备（如网卡、交换机等）通过物理和数据链路层将数据包正确传输到目标设备。

1. 网络层（Network Layer）

• 功能：网络层的任务是处理数据包的寻址和路由，确保数据能够从源设备通过多个网络到达目标设备。网络层主要使用IP协议来执行数据的路由和转发。
• 包括的协议：
• IP（Internet Protocol）：为数据包提供源地址和目的地址，并负责数据包的路由。
• ICMP（Internet Control Message Protocol）：用于网络设备之间的控制消息交换（如ping）。
• ARP（Address Resolution Protocol）：将IP地址映射到物理地址（如MAC地址）。
• 工作方式：该层处理数据包的封装和寻址，决定如何通过不同的路由将数据从源设备传输到目标设备。

1. 传输层（Transport Layer）

• 功能：传输层负责端到端的通信，确保数据在源设备和目标设备之间可靠传输，并处理数据的顺序、完整性和错误校验。此层的协议能够确保数据按顺序到达，不丢失。
• 包括的协议：
• TCP（Transmission Control Protocol）：一个面向连接的协议，提供可靠的、无误的传输服务，确保数据按顺序到达，并且进行流量控制和错误校验。
• UDP（User Datagram Protocol）：一个无连接的协议，提供简单快速的传输服务，但不保证数据的可靠性。
• 工作方式：在这层，数据被分割成小的数据段，每个段都包括序列号和校验信息，传输过程中的错误会导致数据重发。

1. 应用层（Application Layer）

• 功能：应用层提供用户与网络之间的接口，负责不同应用程序之间的通信。这一层处理与用户相关的功能和协议，如网页浏览、电子邮件等。
• 包括的协议：
• HTTP（HyperText Transfer Protocol）：用于万维网上传输超文本。
• FTP（File Transfer Protocol）：用于文件传输。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）：用于发送电子邮件。
• DNS（Domain Name System）：将域名解析为IP地址。
• Telnet：远程终端协议。POP3、IMAP：用于接收邮件。
• 工作方式：应用层将用户需求转化为网络通信请求，并将结果返回给用户。该层负责支持不同应用程序的功能。

TCP/IP模型与OSI模型的对比

总结

• TCP/IP模型更简洁，适用于互联网等分布式网络环境。它以四层结构描述了网络协议的功能，重点关注实际通信过程中的协议与数据传输。
• OSI七层模型则更为详细，是网络教学和理论学习中的基础模型，提供了更清晰的分层结构以帮助理解网络通信的各个方面。

7.3 CS模型与P2P模型

客户-服务器（C/S）模型

定义：

• 在C/S模型中，网络中的计算机分为两类：客户端和服务器。客户端是服务的请求方，服务器是服务的提供方。客户端发起请求，服务器接收请求并处理，最后返回处理结果给客户端。

工作方式：

• 客户端发送请求给服务器。
• 服务器处理请求并返回相应的结果。
• 服务器通常处理多个客户端的请求，可以是多个客户端同时访问同一服务。

优点：

• 服务器集中管理资源和数据，便于管理和维护。
• 安全性较高，因为客户端仅能通过请求访问服务器，数据可以得到集中控制。

缺点：

• 如果服务器出现问题或不可用，所有客户端的请求将无法处理。
• 服务器可能会成为性能瓶颈。

应用场景：

• Web应用：如浏览器与网站之间的通信。
• 数据库访问：客户端应用程序请求数据库服务器提供数据。
• 电子邮件服务：通过邮件客户端与邮件服务器进行通信。

对等连接（P2P）模型

定义：

• P2P模型中，网络中的所有设备都是对等的，没有明确的客户端和服务器角色。每台计算机（即节点）既可以是服务请求方，也可以是服务提供方。它们可以相互交换资源和信息，通信是平等的。

工作方式：

• 在P2P网络中，任何一台计算机可以发起请求并提供服务，不依赖中心服务器。
• 数据通常分布式存储在网络的各个节点上，节点之间通过直接通信交换信息。

优点：

• 没有单点故障，网络更具容错性。
• 资源分布广泛，能够充分利用每个节点的计算和存储能力。

缺点：

• 没有中心管理，可能导致一些节点提供不稳定或不安全的服务。
• 在大规模网络中，可能会遇到性能问题，如带宽瓶颈和网络延迟。

应用场景：

• 文件共享：如BitTorrent协议，用户之间可以共享文件。
• 即时通讯：如Skype，节点之间直接通信。
• 分布式计算：如SETI@home，多个计算节点共同完成计算任务。

总结

客户-服务器（C/S）模型：

• 适用于集中式应用，服务器集中管理和提供服务，客户端请求并接收服务。
• 典型应用：Web浏览、电子邮件、数据库访问。

对等连接（P2P）模型：

• 适用于去中心化的应用，所有计算机互相连接，资源共享，通信平等。
• 典型应用：文件共享、即时通讯、分布式计算。

7.4 什么是TCP/IP？

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议）是一种用于计算机网络中数据传输的协议，它是互联网中最常用的协议之一。TCP/IP协议通过将网络通信分为多个协议来实现数据传输，提供了一种可靠的端到端的通信方式。

1. TCP（传输控制协议）

• 作用：TCP是面向连接的协议，提供可靠的、无误的数据传输。它负责将数据从源设备传输到目标设备，并且确保数据包按正确的顺序到达。

特点：

可靠性：通过重传机制确保丢失的包被重新发送。

顺序控制：通过序列号确保数据按正确顺序到达。

流量控制：通过窗口机制控制数据流，防止网络过载。

拥塞控制：在网络拥堵时，通过减少数据发送速率来缓解拥塞。

2. IP（互联网协议）

• 作用：IP是网络层协议，负责根据目标IP地址将数据包从源设备传递到目标设备。它使用唯一的IP地址来标识每个设备，并且通过路由器将数据包从一个网络传递到另一个网络。

特点：

寻址：IP协议为每个设备分配唯一的IP地址，用于网络间的标识。

路由：IP协议通过路由器确定数据包的传输路径。

分片与重组：IP协议可以根据目标网络的最大传输单元（MTU）将较大的数据包分片，并在目标设备处重新组合。

TCP/IP的组合

TCP和IP协议相辅相成，TCP提供可靠的传输保障，而IP负责数据的路由和寻址。二者结合，提供了端到端的数据传输，这也是互联网能够实现可靠通信的基础。

TCP报文格式

TCP报文的结构包含多个字段，下面是这些字段的详细说明：

源端口（Source Port）：

• 16位字段，标识发送端的端口号，表示发送方的应用程序或服务。

目标端口（Destination Port）：

• 16位字段，标识接收端的端口号，表示接收方的应用程序或服务。

序列号（Sequence Number）：

• 32位字段，标识数据报文的顺序，用于确保数据包按正确的顺序组装。

确认号（Acknowledgment Number）：

• 32位字段，表示期望接收的下一个字节的序列号，用于确认已接收的数据。

数据偏移（Data Offset）：

• 4位字段，表示TCP头部的长度，用于指示数据区的起始位置。

保留位（Reserved）：

• 6位字段，保留位供将来使用，目前保持为0。

控制位（Flags）：

6位字段，表示TCP报文的控制信息：

URG（Urgent）：紧急指针字段是否有效。

ACK（Acknowledgment）：确认号字段是否有效。

PSH（Push）：接收方应尽快将数据交给应用程序。

RST（Reset）：重置连接。

SYN（Synchronize）：用于建立连接。

FIN（Finish）：用于关闭连接。

窗口大小（Window Size）：

• 16位字段，表示接收方的缓