第二章：计算机网络体系结构 |自强学园

1、OSI七层参考模型起源

电脑1946年产生 计算机网络1969年产生

随着技术的发展，不同的组织有不同的网络，组织之间联网就成为一个很实际的问题，各自的网络标准不一样，很难完成组织网络互联，于是有一个组织出来，制定一个统一的网络标准，大家都按照这个来执行

国际标准化组织ISO(International Standard Oraganization)，在1984年颁布开放系统互连OSI参考模式(Open System Interconnection)

从上于下依次是：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。

降低复杂性 标准化接口 简化模块化设计 确保技术的互操性 加快发展速度 简化教学

2、OSI七层模型功能

2.1、OSI与TCP/IP模型关系

2.1、应用层

应用层是计算机网络体系结构的最顶层。应用层为操作系统或应用软件提供访问网络的接口，并提供常见的网络应用服务，主要有域名系统，万维网www，电子邮件系统，文件传送协议FTP，P2P文件共享，动态主机配置协议DHCP等等，这些协议，网络工程师/业务运维工程师，一般都接触不到，这些都是研发负责的。

2.1.1 应用程序通讯模型

计算机网络中应用程序部署在不同的网络上，它们彼此之间通过某一个协议通信来完成一次交互，当今比较主流的两种应用模型是客户端/服务器(c/s)和对等模型(p2p)。

在c/s模型中，服务器对外提供服务，客户端请求服务。多个客户端，可以同时访问一个服务进程，一个客户端也可以同时访问多个服务进程。如web浏览器/服务器，微信客户端/服务器，淘宝客户端/服务器等。

在c/s模型里，服务器有固定的公网IP地址，有固定的监听端口，它总是处于运行状态，每时每刻，都在等待客户端过来访问。b/s模型是c/s模型的变种，由browser代替client端应用。随着H5技术的发展，b/s由原来只能处理一些轻量化的应用，演进到它也可以处理一些重量级应用，于clinet端无区别。

优点：所有资源集中在服务器里，我想放开给谁访问，就给谁访问，有利于权限管理与系统安全。

缺点：服务器对应若干客户端，在高峰期，容易造成网络带宽拥塞，容易造成服务器压力过大，而崩溃，宕机，引起资源无法正常访问。

P2P模型中，每个客户端即当作客户端访问专门的服务器，同时它下载资源后，它又可以作服务器端，向其它小伙伴提供资源，供它们去下载。客户端也需要连接专门的服务器，如迅雷等。

优点：资源分散存储，安全性高，访问方便。只要安装了P2P软件，进行了下载，它就是一台资源服务器，即使某1台出问题，不影响资源的获取。服务成本低，由成千上万台机器提供资源，并且是就近提供，对服务器，对带宽来说，压力很少。

缺点：没有固定的资源提供者，客户端可能下载不到资源或无法下载完资源，资源过于分散，难以进行权限管制。

2.1.2 万维网www

www(world wide web）又称万维网，简称Web，是Internet技术发展中的一个重要里程碑。

www中最重要的协议是超文本传输协议(http=Hyper Text Transfer Protocol)，它是一种用于分布式、协作式和超媒体信息的应用层协议，它是万维网的数据通信基础。

它定义了浏览器(万维网客户端)怎么向万维网服务器请求资源，以及万维网服务器怎样把万维网文档传送给浏览器。

它是一个b/s结构。

URL统一资源定位符

<URL访问>：//<主机>:<端口>/<路径>

url访问方式，一般指ftp或htttp，主机表示域名或IP地址，端口与路径有时候可以省略。

http是一种无状态协议，不会保存请求和响应之间的通信状态，服务器在发送数据时，它并不知道以前有没有发送过数据，发送了哪些数据。但后期引入了Cookie技术，这个Cookie会记录一些服务器与客户端的一些交互过的信息，下次客户端访问服务器，会带上这个Cookie，服务器就能知道客户端是谁，以前操作过什么，现在状态是什么。

http对连接可分为持久与非持久。非持久HTTP请求响应完成，服务端和客户端就中断连接，这种方式可以提高并发性能，服务器会节省一些资源开销。持久HTTP请求响应完成，不会立即断开连接，而是等待一段时间，看客户端有没有新的请求，如果没有，到一定时间后，才断开连接。持久HTTP好处是可以提高效率，减少短时间内建立连接的次数。

http/1.0版本下采用的是非持久连接，收到响应后就立即关闭连接。

http/1.1版本采用持久连接，并且它还可以采用流水线工作方式，浏览器可以连接发送多个请求报文给服务器，服务器收到这些报文后，一个个返回呼应报文。

HTTP相应状态码（总计33种）

www代理服务器

在www中可 使用缓存机制来提高www的访问效率，安装了缓存软件的服务器叫代理服务器(proxy server)，著名的软件叫squid，Web缓存软件会把最近一些请求和响应的信息存储在本地磁盘中，当新的请求来访问时，查找已缓存的资源，若有，直接返回数据给客户端，而不需要按URL地址再次去后端的服务器访问该资源。

2.1.3 电子邮件

电子邮件系统采用c/s模式，主要由用户代理程序，邮件服务程序，及电子邮箱协议组成。

电子邮件客户端软件又称用户代理程序，负责用户与电子邮箱服务器端的接口连接及转码。

邮件服务器具有发送和接收邮件，还负责用户管理，邮件管理。

协议有邮件发送协议SMTP和邮件读取协议POP3。

2.1.4 文件传输

在异构网络中，任意2台服务器之间传输大文件，这个需求，产生了FTP文件传输协议。

2.1.5 DHCP服务

动态主机配置协议DHCP，提供了一种网络即连即用的技术，允许1台计算机加入网络时，自动获取Ip地址，DNS等网络信息，而不用手工进行配置。

DHCP报文在传输层用UDP协议，客户端使用68号端口，服务器使用67号端口。

2.1.6、DNS服务

因特网访问采用层次树状的域名结构，各域名由若干分量组成，各分量之间用“点”号间隔。每个分量都由英文字母和数字组成，不超过63个字符，不区分大小写字母。

根域名服务器，IPV4地址下，全球13台

域名和IP地址的关系必须保存在域名服务器中，供其它应用查询。

2.2、表示层

表示层responsibility是OSI参考模型的第六层。主要作用是将数据转化为为接收设备可以理解的格式，它对上层数据或信息进行变换以便在不同系统之间进行通信，确保数据在传输过程中能够被正确的解释和理解。

表示层3个功能：

• 数据格式转换(data formatting) 将数据从一种格式转换为另一种格式，例将ASCII码转换为Unicode码，或者图片转为png结构

• 数据压缩(data compression)，可以地数据进行压缩和解压缩，以减少数据传输的带宽和时间，例如web网站中的gzip压缩

• 数据加密(data encryption)，可对数据进行加密和解密，以确保数据的安全性，如使用SSL/TLS协议对网域进行加密传输

2.3、会话层

会话层(session Layer)，双方进行通信时创建、维持，之后终止或断开连接的会话功能，如服务器验证用户登录，断点续传。

它定义了一种机制，允许发送方和接收方启动或停止请求会话，以及当双方发生拥塞时仍然能保持对话。

数据传输基本单位为报文。包的主要协议有FTP，TELNET，DNS，SMTP，POP3，HTTP。

2.4、传输层

起着可靠传输的作用，将数据从一端传输到另一端，提供端到端的可靠报文传输和错误恢复。只在通信双方节点上进行处理，而无需在路由器上处理。会话层负责决定建立连接和断开连接的时机，而传输层进行实际的建立和断开处理。如TCP,UDP,进程，端口(socket）

TCP传输控制协议：提供面向连接的、可靠的数据传输服务。

最可靠的技术是：确认与超时重传、滑动窗口机制进行流量控制。

网络中三元组：主机地址、进程端口号，传输层使用的协议（TCP/UDP)

差错控制：

校验，错误重传机制 TCP采用校验、确认以及超时重传，进行差错控制。 接收方对数据进行校验，判断数据传输是否出现错误，接收方对正确接收的数据进行确认，发送方发送数据时，启动定时器，超时未接收到确认，几时重传数据。

流量控制：

TCP采用滑动窗口进行流量控制，通过窗口大小来告诉对方，在没有收到确认之前，最多可以发送的数据量。 UDP是一种无连接的、不可靠的传输层协议，它提供了有限的差错检验功能。

2.5、网络层

将数据传输到目标地址。目标地址可以是多个网络通过路由器连接而成的某个地址。因此这一层主要负责寻址和路由选择。如防火墙，路由器，多层交换机，IP,IPX,OSPF协议

为传输层服务，跨越不同的网络将传输层的数据送到目的地

网络层的主要功能

路由控制：利用网络拓扑，报文分组选择路径传送数据

拥塞控制：控制和预防网络中出现过多的分组

异构网络互连：不同的网络协议，不同的分组大小进行转换解决

2.6、数据链路层

数据链路层作用：通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。

常用的校错码：奇偶校验码、循环冗余编码CRC。

负责物理层上的互联、节点之间的通信传输。例如与1个以太网相连的2个节点之间的通信。将0、1序列划分为具有意义的数据帧传送给对端（数据帧的生成与接收）。如网卡，网桥 ，二层交换机。

2.7、物理层

物理层：负责0、1比特流（0、1序列）与电压的高低、光的闪灭之间的互换。如中继器，集线器，网线，HUB，RJ45标准。

在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。

3 、数据封装/解封

电脑A通过浏览器访问https://www.liuguohua.com页面。

第一步：浏览器使用http协议封装这个访问的数据。

第二步：数据送到传输层时，会加上TCP的包头，因为http协议是用tcp来进行传输的。

第三步：数据从传输层到网络层时，会加上IP包头

第四步：数据从网络层到数据链路层时，会加上帧头和帧尾

第五步：数据从链路层到物理层时，会把数据帧转换为比特，然后再通过网卡把比特转换为电信号通过线缆等传输介质发送出去。

第六步：数据到达路由器，设备会对数据进行还原，把电信号转为数据帧，查看MAC地址表，是否是同一网络，是的话，从相应端口转发出去，不是同一网络，数据帧会送往网络层，由网络层查看IP表，再选择路由信息，从某一端口发送出去。

第七步：中间通过若干路由器，通过查看IP地址信息，选择路由的方式，最终到达电脑B。

第八步：电脑B收到数据包，先解封数据包，去掉帧，把数据往上层送，送到网络层，再去掉IP，再往上层送，到传输层，传输层通过TCP协议，根据端口号找到相应的应用程序，如apache或nginx等应用程序，把数据传给应用程序。

第九步：应用程序收到数据后，回应数据，再类似第一步的方式，把数据从B传到A。

4、数据传输MAC地址变化