计算机网络之五层协议

一：概述

计算机网络 （网络）把许多 计算机 连接在一起，而 互联网 则把许多网络连接在一起，是 网络的网络 。因特网是世界上最大的互联网。

以小写字母i开始的internet( 互联网或互连网 )是 通用 名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议（通信规则）可以是 任意 的。

以大写字母I开始的Interent（ 因特网 ）是 专有 名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用的是 TCP/IP 协议族 作为通信规则，且其前身是美国的 ARPANET 。

因特网现在采用 存储转发 的 分组交换 技术，以及三层因特网服务提供者（ISP）结构。

因特网按 工作方式 可以划分为 边缘 部分和 核心 部分，主机在网络的边缘部分，作用是进行信息处理。 路由器 是在网络的核心部分，作用是：按存储转发方式进行 分组交换 。

计算机通信是计算机的 进程 （运行着的程序）之间的通信，计算机网络采用 通信方式 ：客户–服务器方式和对等连接方式（P2P方式）

按作用 范围 不同，计算机网络分为：广域网WAN,城域网MAN，局域网LAN和个人区域网PAN。

五层协议 的体系结构由：应用层，运输层，网络层，数据链路层和物理层。

<1>:应用层 ： 是体系结构中的最高层，应用层的任务是 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用 。应用层协议定义的是 应用进程间通信和交互的规则 。

<2>:运输层 ：任务是负责向 两个主机中的进程之间的通信提供可靠的端到端服务 ，应用层利用该服务传送应用层报文。

TCP ：提供面向连接的，可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段。

UDP ：提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务，不保证数据传输的可靠性。

<3>网络层： 网络层的任务就是要选择合适的路由，在发送数据时， 网络层把运输层产生的报文段或者用户数据报 封装 成分组或包进行交付给目的站的运输层。

<4>数据链路层： 数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。

<5>:物理层： 物理层的任务就是 透明 地传送比特流，物理层还要确定连接电缆插头的 定义 及 连接法 。

运输层最重要的协议是：传输控制协议 TCP 和用户数据报协议 UDP ，而网络层最重要的协议是网络协议 IP 。

分组交换的优点：高效、灵活、迅速、可靠。

网络协议主要由三个要素组成：   （1）语法：即数据和控制信息的结构或者格式； （2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 （3）同步：即事件实现顺序的详细说明。

二：物理层

物理层的主要任务：描述为确定与 传输媒体 的 接口 有关的一些特性。

机械特性 ：接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等，平时常见的各种规格的插件都有严格的 标准化的规定 。

电气特性 ：接口电缆上的各条线上出现的电压 范围 。

功能特性 ：某条线上出现的某一电平的点电压表示何种 意义 ；

过程特性 ：指明对不同功能的各种可能事件的出现 顺序 。

通信的目的 是： 传送消息 ， 数据 是运送消息的 实体 。 信号 是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表 参数 的取值方式不同。 信号分为 ： 模拟信号 （连续无限）+ 数字信号 （离散有限）。代表数字信号不同的离散数值的基本波形称为 码元 。

通信 的双方信息交互的方式来看，有三中 基本方式 ：

单向 通信（广播）

双向交替 通信（半双工_对讲机）

双向同时 通信（ 全双工 _电话）

调制 ：来自信源的信号常称为基带信号。其包含较多低频成分，较多信道不能传输低频分量或直流分量，需要对其进行调制。

调制分为 两大类 ： 基带调制 （仅对波形转换，又称 编码 ，D2D）+ 带通调制 (基带信号频率范围搬移到较高频段， 载波 调制，D2M)。

编码方式 ：

不归零制 （正电平1/负0）

归零制度 （正脉冲1/负0）

曼彻斯特编码 （位周期中心的向上跳变为0/下1）

差分曼彻斯特编码 （每一位中心处有跳变，开始辩解有跳变为0，无跳变1）

带通调制方法 ： 调 幅 （ AM ）：(0, f1) 。调 频 （ FM ）：(f1, f2) 。调 相 （ PM ）：（0 ， 180度） 。

正交振幅调制（QAM）物理层 下面 的 传输媒体 （介质）： 不属于任何一层 。包括有： 引导性传输媒体 ：双绞、同轴电缆、光缆 、 非引导性传输媒体 ：短波、微波、红外线。

信道复用技术 ： 频分复用 ：（一样的时间占有不不同资源） ； 时分复用 ：（不同时间使用同样资源） ；统计时分复用、波分复用（WDM）、码分复用（CDM）。

宽带接入技术 ： 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Line)（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）

三：数据链路层

数据链路层使用的 信道 有 两种类型： 点对点(PPP) 信道+ 广播信道

点对点信道的数据链路层的协议数据单元- -帧

数据链路层协议有许多， 三个基本问题 是共同的

封装成桢

透明传输

差错检测

局域网的数据链路层拆成两个子层，即 逻辑链路层（LLC） 子层+ 媒体接入控制（MAC） 子层；

适配器的作用：

计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器，适配器本来是主机箱内插入的一块网络接口板，又称网络接口卡，简称（ 网卡 ）。

以太网采用 无连接 的工作方式，对发送的数据帧 不进行编号 ，也不要求对方发回确认，目的站收到差错帧就丢掉。

以太网采用的协议是：具有 冲突检测 的 载波监听多点接入 ( CSMA/CD )。协议的要点是： 发送前先监听，边发送边监听，一旦发现总线出现了碰撞，就立即停止发送。

以太网的硬件地址 ， MAC 地址实际上就是适配器地址或者适配器标识符。 48位长 ， 以太网最短帧长：64字节。争用期512微秒。

以太网适配器有 过滤 功能：只接收 单播帧，广播帧，多播帧 。

使用 集线器 可以在 物理层 扩展以太网（半双工），使用 网桥 可以在 数据链路层 扩展以太网（半双工），网桥转发帧时， 不改变帧 的源地址。网桥 优点 ：对帧进行转发过滤，增大 吞吐量 。扩大网络物理范围，提高 可靠 性，可 互连 不同物理层，不同MAC子层和不同速率的以太网。 网桥 缺点 ：增加时延，可能产生广播风暴。

透明网桥 ： 自学习 办法处理接收到的帧。

四：网络层

TCP/IP 体系中的网络层向上只提供简单灵活的、无连接，尽最大努力交付的数据报服务。网络层不提供服务质量的承诺，不保证分组交付的时限， 进程 之间的通信的 可靠性 由 运输层 负责。

一个IP地址在整个因特网范围内是唯一的，分类的 IP地址 包括A类（ 1~126 ）、B类（ 128~191 ）、C类（ 192~223 单播地址）、D类（ 多播 地址）。

分类的IP地址由 网络号字段 和 主机号字段 组成。

物理地址（硬件地址）是数据链路层和物理层使用的地址，而 IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种 逻辑地址 ，数据链路层看不见数据报的IP地址。

IP首部中的 生存时间 段给出了IP数据报在因特网中经过的 最大路由器数 ，可防止IP数据报在互联网中无限制的 兜圈 子。

地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol） 把IP地址解析为 硬件地址 ，它解决 同一个局域网的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题 ，是一种解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位一个下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。如果目标主机不再同一链路上时，可以通过ARP查找下一跳路由器的MAC地址，不过ARP只适用于IPV4，不能用于IPV6，IPV6中可以用ICMPV6替代ARP发送邻居搜索消息。

路由选择协议有两大类： 内部网关 协议（RIP和OSPE）和 外部网关 协议（BGP-4）。

网际控制报文协议 ICMP （Internet Control Message Protocol ）控制报文协议。是IP层协议，ICMP报文作为IP数据报的数据，加上首部后组成IP数据报发送出去，使用ICMP并不是实现了可靠传输。ICMP允许主机或者路由器 报告差错 情况和 提供有关异常 的情况报告。

ICMP是一个重要应用是分组网间探测 PING

与单播相比，在一对多的通信中，IP多播可大大节约网络资源， IP多播使用D类地址，IP多播需要使用 网际组管理协议IGMP 和多播路由选择协议。

五: 运输层

网络层为主机之间提供逻辑通信,运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。

运输层有两个协议 TCP和UDP

运输层用一个 16位 端口号来标志一个端口。

UDP特点 ：无连接、尽最大努力交付、面向报文、无拥塞控制、支持一对一，多对一，一对多，多对多的交互通信。首部开销小。

TCP特点： 面向连接，每一条TCP连接只能是点对点、提供可靠的交付服务，提供全双工通信、面向字节流。

TCP用主机的IP地址加上主机上的端口号作为TCP连接的端点，这样的端点就叫 套接字 。

流量控制 是一个 端到端 的问题，是接收端抑制发送端发送数据的速率，以方便接收端来得及接收。 拥塞控制 是一个全局性过程，涉及到所有的主机，所有的路由器，以及与降低网络传输性能有关的所有因素。

TCP拥塞控制采用四种算法： 慢开始、拥塞避免、快重传、快恢复 。

传输有 三个连接 ：连接建立、数据传送、连接释放。

TCP连接建立采用三次握手机制，连接释放采用四次握手机制。

六:应用层

文件传送协议FTP 使用 TCP 可靠传输服务。FTP使用客户服务器方式，一个FTP服务器进程可同时为多个客户进程提供服务。在进行文件传输时，FTP的客户和服务器之间要建立两个并行的TCP连接，控制连接和数据连接，实际用于传输文件的是 数据连接 。

万维网 WWW 是一个大规模，联机式的信息储藏所，可以方便从因特网上一个站点链接到另一个站点。

万维网使用 统一资源定位符URL 来标志万维网上的各种文档，并使每一个文档在整个因特网的范围内具有唯一的标识符 URL 。

在上一篇文章中，我们已经介绍过，车载网络系统一般分为三类：低速(A类网络)、中速(B类网络)和高速(C类和D类网络)。这些车载网络系统的总线特性和协议特性及参数如表1-3所示。其中：表1-3车载网络系统的总线特性、使用的协议特性和参数1低速(A)总线和通信协议低速(A)总线及通信协议早期多采用UART(异步发送/接收电路)通信协议，现在普遍采用低速总线作为LIN总线，是一种用于汽车分布式电子控制系统的低成本串行通信系统。LIN采用低成本单线连接方式，传输速率最高可达20Kb/s，非常适合后视镜、电动窗的调节以及各种灯光的控制。2中速(B)总线和通信协议中速(b)总线和通信协议大多使用ISO11898或ISO11519通信协议。中速总线多采用CAN总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1MB/s，广泛应用于车身舒适系统和仪表显示系统。3高速(C)总线和通信协议高速(C)总线和通信协议大多采用CAN总线的ISO11898标准，主要用于高速实时闭环控制的多路传输网络。传输速率在125KB/s1mb/s之间，广泛应用于牵引力控制、发动机控制、ABS控制、安全气囊控制等系统。4多媒体网络总线和通信协议车载多媒体网络总线和通信协议可分为低速、高速和无线三种。美国汽车工程师协会将这三种分别定义为IDB-C、IDB-M和IDB-Wireless，传输速率为250kb/s100mb/so。(1)低速网络总线低速网络总线和通信协议适用于故障诊断和一般信息传输，IDB-C采用2500Kb/s的比特率，按照CAN总线的格式传输信息。由于其低成本，IDB-C(IDE-1394)有望成为车载多媒体网络总线的通用标准。(2)高速网络总线高速网络总线和通信协议适用于实时音视频传输，如DVD播放器、CD播放器和MP3、MP4或MP5播放器。光纤通常被用作传输介质。这样的网络协议包括DDB、MOST和IEEE1394。DDB模型是一个用于车辆多媒体和通信的分布式网络，它还可以与语音控制单元、电话和互联网连接。MOST是车内局域网的接口规范，连接车载导航仪和无线电设备的数据传输速率为24MB/s。5触发线对之间的通信总线和通信协议。时间触发通信总线也称为线控总线。这是一种具有高速实时传输特性的新型总线，通常采用FLEXRAY通信协议，具有广泛的应用前景。6自诊断网络总线和通信协议自诊断是汽车不可或缺的特殊功能。国内很多汽车厂商采用ISO14230作为自诊断系统的通信标准，可以满足OBD-II和OBD-III诊断系统的要求。欧洲早期的车辆诊断系统采用的是IS09141通信协议，这是一种基于UART(异步发送/接收电路)的诊断标准，可以满足0BD-II的要求。现在欧洲车辆使用的是基于CAN总线的诊断标准ISO315765，可以满足E-0BD-N系统的要求。美国从2004年开始采用基于VAN网络总线的J2480诊断系统标准。目前汽车上流行的网络有CAN、LonWorks、PROFoldUS、HART、FF、LIN等。但是，应用最广泛的是残和林。CAN协议已作为ISO标准颁布，即ISO11898和ISO11519-2，与之相对应形成CAN总线和LIN总线，是汽车电子系统控制中应用最广泛的两种总线。现在很多车辆都是将车身和舒适性控制单元连接到CAN总线上，通过LIN总线来控制外围设备。汽车的高速控制系统通常通过高速CAN总线连接。远程信息处理和多媒体连接需要高速互联，视频传输需要同步数据格式，这些都可以通过DDB或MOST协议实现。无线通信通过蓝牙技术实现。

IP，icmp，ARP，RARP。

IP协议在源地址与目的地址间传输IP数据包，TCP和UDP封装的数据将传给下一层的IP协议来传输。

ICMP协议在路由器、主机传输控制信息，如网络不通、路由是否可用等信息。

ARP协议的地址解析协议，根据IP地址获取物理地址。

RARP协议的反向地址转换协议，根据物理地址获取IP地址，通过发送请求给RARP服务器请求其IP地址。

扩展资料：

注意事项：

数据包在Internet中的传输，Internet既有局域网，又有广域网，既有光纤，又有铜线，无线，还有不同的协议，这是Internet复杂所在。

虚拟网络把复杂的Internet看成一个网络，化简问题。虚拟互联网络就是逻辑互联网络，他的意思就是互联起来的各种物理网络的异构性本来就是客观存在的， 但是利用IP协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络，而不用考虑具体的网络异构细节。

-网络层

-网络协议

　　数据链路层协议=二层网络协议

　　数据链路层协议分类

　　1面向字符的链路层协议

　　Ø ISO的IS1745，基本型传输控制规程及其扩充部分（BM和XBM）

　　Ø IBM的二进制同步通信规程（BSC）

　　ØDEC的数字数据通信报文协议（DDCMP）

　　Ø PPP

　　2面向比特的链路层协议

　　Ø IBM的SNA使用的数据链路协议SDLC（Synchronous Data Link Control protocol）；

　　Ø ANSI修改SDLC，提出ADCCP（Advanced Data Communication Control Procedure）；

　　Ø ISO修改SDLC，提出HDLC（High-level Data Link Control）；

　　Ø CCITT修改HDLC，提出LAP（Link Access Procedure）作为X25网络接口标准的一部分，后来改为LAPB。

在任何时候，一台主机有IP数据报文发送给另一台主机，它都要知道接收方的逻辑（IP）地址。但是IP地址必须封装成帧才能通过物理网络。这就意味着发送方必须有接收方的物理（MAC）地址，因此需要完成逻辑地址到物理地址的映射。而ARP协议可以接收来自IP协议的逻辑地址，将其映射为相应的物理地址，然后把物理地址递交给数据链路层。具体过程分为ARP请求和响应

实际网络中，这个LAN可能有几十上百的主机，我们只知道了IP地址的话怎样才能顺利的将数据包从Pc1发送到Pc2呢？

这时，Pc1在发送数据包之前，ARP协议就会采用以太网的“广播”功能进行一次ARP请求：将会以广播的形式发送一个ARP请求包，用来请求目标IP的对应mac地址，交换机或WiFi设备（无线路由器）收到广播包时，会将此数据发给同一局域网的其他所有主机，此时每一台主机都会接受并处理这个ARP请求报文，然后进行验证，是目标IP的主机会进行响应，而拿到ARP请求包的其他主机发现目标IP不是自己的IP则将其丢掉。

也正是这种广播的请求方式为网络带来了很多隐患

验证成功的主机会返回一个ARP响应报文，这个响应报文包含接收方的IP地址和物理地址。 当然，ARP回应包不在是通过广播的形式去发送的，大部分网络协议在设计的时候，都需要保持极度克制，不需要的交互就砍掉，能合并的信息就合并，能不用广播就用单播，以此让带宽变得更多让网络变得更快。 同时呢，两台主机分别写入对方的IP和MAC到自己的ARP映射表中，这样下次请求就不需要再次进行ARP交互了。

明白了ARP的工作原理之后，我们会发现上面提到了拿到IP对应的mac地址后会进行缓存，为了解决请求速度问题，每台安装TCP/IP协议的电脑里，都有一个ARP高速缓冲表，表里的IP地址与MAC地址是一一对应的。

那么如何查看该表呢，我们可以在命令行键入arp -a获取本机ARP高速缓存的所有内容：

如上图所示，主机A需要与主机B通信时，目的IP地址与本机的IP地址位于不同网络，但是由于主机A未配置网关，所以它会将以广播形式发送ARP request报文，请求主机B的MAC地址。但是，广播报文无法被路由器转发，所以主机B无法收到主机A的ARP请求报文，当然也就无法应答。

而在路由器上启用代理ARP功能，就可以解决这个问题。启用代理ARP后，路由器收到这样的请求，会查找路由表，如果存在主机B的路由表项，路由器将会使用自己的G0/0/0接口的MAC地址来回应该ARP request。主机A收到ARP reply后，将以路由器的G0/0/0接口MAC地址作为目的MAC地址进行数据转发。

我们知道我们计算机中的IP地址是自动获得的，在最开始我们也提到说ARP是将mac和IP做的一种映射，前面提到的都是已知IP地址去请求mac地址的方式，那我们计算机在获得IP地址的时候，其实就是逆向ARP请求，也叫RARP

ARP欺骗原理

ARP欺骗主要是攻击者发送大量假的ARP数据包到网络上，尤其是网关上。假设你的网关的IP地址是19216802,MAC地址为00-11-22-33-44-55,你发送的数据都会从这个MAC地址经过，这时候我发送大量ARP数据包，然而我的包是构造出来的，IP是你的IP，但是MAC地址我替换成了我的MAC地址，这时候你更新你的ARP缓存时，就会把我机器的MAC地址当成19216802的MAC地址，于是你的流量都到我这来了，我可以把你的数据改改再发给网关，或者什么都不做，你都上不了网了。

那么ARP欺骗核心其实就是：监听广播段的ARPrequest，然后处理信息并为请求主机返回一个虚假的mac地址，此时后返回的mac地址会覆盖缓存表中的mac信息，这样之后该主机向目标IP发送的数据都会先经过你返回的虚假mac地址，由你处理后再进行二次发送（或直接截获）

TCP/IP是供已连接因特网的计算机进行通信的通信协议。

TCP/IP协议TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。

TCP/IP传输协议，即传输控制/网络协议，也叫作网络通讯协议。它是在网络的使用中的最基本的通信协议。TCP/IP传输协议对互联网中各部分进行通信的标准和方法进行了规定。并且，TCP/IP传输协议是保证网络数据信息及时、完整传输的两个重要的协议。

TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构，应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含其中。

网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。在Internet上通用的协议是TCP／IP协议。

网络协议是由三个要素组成：

1、语义。语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。

2、语法。语法是用户数据和控制信息的结构和格式，以及数据出现的顺序。

3、时机。时间是事件发生顺序的详细描述。（也称为“同步”）。这三个要素被生动地描述为：做什么的语义表示，怎么做的语法表示，以及做事情顺序的时间表示。

扩展资料：

网络协议方法：

网络协议是网络中所有设备（网络服务器、计算机、交换机、路由器、防火墙等）之间的一套通信规则。它规定了信息在通信中必须使用的格式以及这些格式的含义。

大多数网络采用分层结构，每一层都建立在下一层之上，为下一层提供服务，并屏蔽如何在下一层实现服务的细节。一个设备上的第N层与另一个设备上的第N层通信的规则是第N层协议。

在网络的每一层都有许多协议。同一层的接收方和发送方的协议必须相同，否则一方将无法识别另一方发送的消息。网络协议使网络上的各种设备能够相互交换信息。常用协议有：TCP／IP协议、IPX／SPX协议、NetBEUI协议等。

TCP／IP协议的主要特点：

1、TCP／IP协议不依赖于任何特定的计算机硬件或 *** 作系统，提供了开放的协议标准，即使不考虑Internet，TCP／IP协议也得到了广泛的支持。因此TCP／IP协议成为一个实用的系统，它将各种硬件和软件结合在一起。

2、TCP／IP协议不依赖于特定的网络传输硬件，因此TCP／IP协议可以与多种网络集成。用户可以使用以太网、令牌网络、拨号上线、X．25和所有网络传输硬件。

3、统一的网络地址分配方案使得整个TCP／IP设备在网络中拥有唯一的地址

4、标准化的高级协议可以提供各种可靠的用户服务。

－－网络协议

－－TCP／IP协议