02 网络参考模型

网络参考模型与标准协议

OSI参考模型

TCP/IP参考模型

TCP/IP协议栈

TCP/IP协议栈是互联网的基础协议栈，它将网络通信分为四个层次：

应用层 ：Telnet、FTP、TFTP、SNMP、HTTP、SMTP、DNS、DHCP等

• Telnet（远程登录协议）：远程登录应用于远程终端连接，通过它用户能像使用本地系统一样登录远程系统、使用资源。
• FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）：为文件传输提供了途径，它允许数据从一台主机传送到另一台主机上。
• TFTP（Trivial File Transfer Protocol，简单文件传输协议）：文件传输协议FTP的另一种小型简单协议形式，用于客户端和服务器之间不需要复杂交互的应用上，它把业务限制在简单的文件传输上，不需要进行验证。
• SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）：允许远程用户查看和修改网元的管理信息，其目的是保证管理信息在任意两点间传送。
• HTTP（HyperText Transfer Protocol，超文本传输协议）：用来访问在网页服务器上的各种页面。
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol，简单邮件传输协议）：用于在计算机之间传输电子邮件的协议。
• DNS（Domain Name Service，域名称解析服务）：用于实现从主机域名到IP地址之间的转换。
• DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）：DHCP服务器针对DHCP客户端的请求提供对应的配置参数，这些参数通常是客户端主机连接Internet时需要的信息。DHCP同时提供为主机分配IP地址的功能。

传输层：TCP、UDP

• TCP （Transmission Control Protocol，传输控制协议） ：为应用程序提供可靠 的面向连接的通信服务。目前，许多流行的应用程序都使用TCP。
• UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）：提供了无连接通信，且不 对传送数据包进行可靠性的保证。

网络层：ICMP、IGMP、IP

• IP（Internet Protocol，互联网协议）：将传输层的数据封装成数据包并完成源站点到目的站点的转发，提供无连接的、不可靠的服务。
• ICMP（Internet Control Message Protocol，网际报文控制协议）：基于IP协议在网络中发送控制消息，提供可能发生在通信环境中的各种问题反馈。通过这些信息，使管理者可以对所发生的问题作出诊断，然后采取适当的解决措施。
• IGMP（Internet Group Management Protocol，因特网组管理协议）：负责IP组播成员管理的协议。它用来在IP主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系。

数据链路层：PPPoE、Ethernet、PPP

• Ethernet（以太网协议）：一种多路访问广播型数据链路层协议，是当前应用最 为广泛的局域网技术。
• PPP（Point-to-Point Protocol，点对点协议）：一种点对点模式的数据链路层 协议，多用于广域网。
• PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet，以太网承载PPP协议）：PPPoE提供通过简单桥接访问设备（接入设备）把一个网络的多个主机连接到远程访问集中器的功能。常见的应用有家庭宽带拨号上网。

数据通信过程

1. 浏览器（应用程序）调用HTTP（应用层协议），完成应用层数据的封装（图中Data还应包括HTTP头部，此处省略）。
2. HTTP依靠传输层的TCP进行数据的可靠性传输，将封装好的数据传递到TCP模块。
3. TCP模块给应用层传递下来的Data添加上相应的TCP头部信息（源端口、目的端口等）。此时的PDU被称作Segment（段）。在IPv4网络中，TCP模块会将封装好的Segment传递给网络层的IPv4模块（若在IPv6环境，会交给IPv6模块进行处理）。
4. IPv4模块在收到TCP模块传递来的Segment之后，完成IPv4头部的封装，此时的PDU被称为Packet（包）。由于使用了Ethernet作为数据链路层协议，故在IPv4模块完成封装之后，会将Packet交由数据链路层的Ethernet模块（例如以太网卡）处理。
5. Ethernet模块在收到IPv4模块传递来的Packet之后，添加上相应的Ethernet头部信息和FCS（Frame Check Sequence，帧检验序列）帧尾，此时的PDU被称为Frame（帧）。在Ethernet模块封装完毕之后，会将数据传递到物理层。
6. 根据物理介质的不同，物理层负责将数字信号转换成电信号、光信号、电磁波（无线）信号等，转换完成的信号通过传输介质在网络中开始传递。

一般情况下：

• 网络中的二层设备（如交换机）只会解封装到数据的二层头部，根据二层头部的信息进行相应的“交换”操作。
• 网络中的三层设备（如路由器）只会解封装到数据的三层头部，根据三层头部的信息进行相应的“路由”操作。

简答

应用层

应用层概述：

• TCP/IP 模型的最高层
• 直接为用户的应用程序提供网络服务

常用的应用层协议：

• DNS（Domain Name System）
• HTTP/HTTPS（HyperText Transfer Protocol/Secure）
• FTP（File Transfer Protocol）
• SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）
• SSH（Secure Shell）
• Telnet（Teletype Network）

DNS

Domain Name System（域名解析系统）

• 建立 IP 地址与域名之间的映射关系
• 将域名转换为IP地址
• 将IP地址转换为域名

相关命令：

• nslookup (查询域名对应的IP地址)
• ipconfig / displaydns (显示DNS缓存)
• ipconfig / flushdns (清除DNS缓存)

HTTP/HTTPS

HyperText Transfer Protocol（超文本传输协议）

• 用于Web浏览器和服务器之间的通信
• HTTP是无状态的协议
• HTTPS是HTTP的安全版本，使用SSL/TLS加密

邮件服务

Telnet

Telnet（Terminal Network）

• 用于远程管理的主要协议（网络设备、服务器、数据库等）
• 默认端口：23
• 不安全，建议使用SSH替代

FTP/TFTP

FTP（File Transfer Protocol）

• 提供可靠的文件传输协议
• 默认端口：21
• 具有认证 权限功能（传输过程中明文传输用户名和密码）
• 不安全，建议使用SFTP替代

TFTP（Trivial File Transfer Protocol）

• 提供不可靠的文件传输服务
• 默认端口：69
• 不安全，常用于网络设备的配置文件和固件升级

传输层

传输层定义了主机应用程序之间端到端的连通性。传输层中最常见的两个协议分别是传输控制协议 TCP （Transmission Control Protocol）和用户数据报协议 UDP （User Datagram Protocol）。

传输层端口：Port

TCP 和 UDP 数据包结构对比：

TCP

TCP 的三次握手:

TCP 会话的确认：

TCP 会话的拥塞和流量控制：

窗口大小(win) 决定了收到确认前可发送的字节数

TCP 会话的终止-四次挥手：

UDP

• UDP 不提供重传机制，占用资源小，处理效率高
• 一些时延敏感的流量，比如视频、语音等，通常使用UDP作为传输层协议

数据链路层

以太网的分类

以太网的帧结构

MAC 地址

MAC 地址的分类

MAC地址可以分为3种类型：

• 单播MAC地址：也称物理MAC地址，这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端，该地址为全球唯一的硬件地址。
  • 单播MAC地址用于标识链路上的一个单一节点。
  • 目的MAC地址为单播MAC地址的帧发往一个单一的节点。
  • 单播MAC地址可以作为源或目的地址。
  • 注意：单播MAC地址具有全球唯一性，当一个二层网络中接入了两台具有相同MAC地址的终端时（例如误操作等），将会引发通信故障（例如这两台终端无法相互通信），且其他设备与它们之间的通信也会存在问题。

• 广播MAC地址：全1的MAC地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF），用来表示局域网上的所有终端设备。
  • 广播MAC地址可以理解为一种特殊的组播MAC地址。
  • 其具体格式为：FFFF-FFFF-FFFF。
  • 目的MAC地址为广播MAC地址的帧发往链路上的所有节点。

• 组播MAC地址：除广播地址外，第7 bit为1的MAC地址为组播MAC地址（例如01-00-00-00-00-00），用来代表局域网上的一组终端。
  • 组播MAC地址用于标识链路上的一组节点。
  • 目的MAC地址为组播MAC地址的帧发往一组节点。
  • 组播MAC地址不能作为源地址，只能作为目的地址。

网络层

ARP

Address Resolution Protocol，地址解析协议

当设备需要和其他设备通信时，需要知道对方的MAC地址，ARP协议就是用来将IP地址转换为MAC地址的协议。

ARP 请求和相应：

当主机需要根据 IP 地址获取目标主机的 MAC 地址时，会使用 ARP 协议，过程如下：

1. 主机首先在本地 ARP 缓存表中查找目标 IP 对应的 MAC 地址。
2. 若未找到，则构造 ARP 请求报文。
3. ARP 请求以广播方式发送（目的 MAC 为 FF-FF-FF-FF-FF-FF）。
4. 同一网段内所有主机接收该请求，并检查目标 IP：
   • 若不是自身 IP，则丢弃；
   • 若是自身 IP，则生成 ARP 应答。
5. 目标主机以单播方式发送 ARP 应答报文，告知自己的 MAC 地址。
6. 源主机接收应答后，将 IP 与 MAC 的对应关系写入 ARP 缓存表。
7. 此后通信即可使用该 MAC 地址进行数据传输。

免费 ARP（Gratuitous ARP）

免费 ARP 是指设备主动发送 ARP 请求，但目的 IP 地址是自己的 IP 地址。这种行为通常用于：

• 检测网络中是否存在 IP 地址冲突
• 更新其他设备的 ARP 缓存表
• 在设备重启或网络拓扑变化后重新同步 ARP 表项

当设备发送免费 ARP 时，其他设备会更新自己的 ARP 缓存表，确保其维护的 IP 到 MAC 的映射是最新的。

ARP 数据包格式

ICMP

Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议，用来在网络设备间各种差错和控制信息，它对于收集各种网络信息、诊断和排除各种网络故障具有至关重要的作用。

ICMP 数据包格式

Type 表示 ICMP 消息类型，Code 表示同一消息类型中的不同信息。

IP

IP报文结构

分片

当数据包比链路 MTU（默认1500字节） 大时，就可以被分解为很多的足够小的数据包的过程叫做分片。

1. 什么是 IP 分片

当数据报长度超过链路的最大传输单元（MTU）时， 网络层会对数据报进行分割，这个过程称为 IP 分片（Fragmentation）。

分片可以在发送端或中间路由器完成， 最终由接收端进行重组。

2. 分片相关字段（IPv4 首部）

在 IPv4 首部中，与分片有关的字段有：

1️⃣ Identification（标识）

• 用于标识同一个原始数据报的所有分片
• 所有分片该字段值相同

2️⃣ Flags（标志位）

共 3 位：

3️⃣ Fragment Offset（片偏移）

• 表示该分片在原始数据中的位置
• 单位：8 字节（8 Byte）

3. 一句话总结

👉 IP 分片通过 Identification、Flags、Fragment Offset 来实现分片与重组。

示例： Wireshark 抓的分片包是最后一个分片：

TTL

Time To Live，生存时间，用于限制数据包在网络中的存活时间或跳数，防止数据包在网络中无限循环。每经过一个路由器，TTL值减1，当TTL值为0时，数据包被丢弃。

利用 TTL 的特性,可以实现路由跟踪（traceroute）技术,排错的重要方式之一.

相关命令：

• Linux: traceroute
• Windows: tracert
• Cisco: traceroute 或 ping 命令配合 TTL 设置

协议号

Protocol Number，用于标识IP数据包中承载的上层协议类型，常见的协议号如下：

IP 地址

在 IP 网络中，通信节点需要通过 IP 地址来标识自己和对方。

以点分十进制表示，由32位二进制组成。

分为网络位和主机位两部分：

• 网络位，代表 IP 地址所属网段
• 主机位，代表网段上的某个节点
• 子网掩码用于划分网络位和主机位

IP 地址的分类

根据第一组八位二进制的取值范围，IP 地址可以分为 A、B、C、D、E 五类：

私有地址

子网掩码

• 用于区分网络部分和主机部分
• 1 表示网络部分，0 表示主机部分（连续的1 和 0）

网络地址和广播地址

• 网络地址：主机位全为0（二进制）的IP地址，比如 192.168.1.0
• 广播地址：主机位全为1（二进制）的IP地址，比如 192.168.1.255

子网划分

• 满足不同网络对 IP 地址的需求
• 实现网络的层次性
• 节省 IP 地址资源
• 默认子网掩码可以进一步划分，成为变长子网掩码（VLSM）
• 即网络位向主机位“借位”