2.8网络七层设计由来

目录介绍

• 01.思考网络为何分层
  • 1.1 思考一个问题
  • 1.2 设计网络的思路
  • 1.3 方案设计考量

01.思考网络为何分层

1.1 思考一个问题

• 工作中，我们也时常会听到这些术语，比如三层交换机、七层规则等等。网络分层的概念，可谓深入人心。
• 可是你有没有想过，网络为什么要分层呢？难道是非分不可吗？
• 回答这个问题之前，我们先做个有趣的假设：这会儿是在网络诞生的前夜，什么 IP 协议、TCP 协议都还不存在，而你是网络的缔造者，面临设计网络这个伟大的任务。面对这么好的机会，你会选择做怎样的设计呢？

1.2 设计网络的思路

• 应用程序包办一切。
  • 程序把应用层的数据，按某种编码转化为二进制数据，然后程序去操控网卡，把二进制数据发送到网络上。
  • 这期间，通信的连接方式、传输的可靠性、速度和效率的保证等等，都需要这个程序去实现。然后下次开发另外一个应用的时候，就把上面这些活，再干一遍。
• 应用程序、操作系统、网络设备等环节各自分工。
  • 应用程序只负责实现应用层的业务逻辑，操作系统负责连接的建立、处理网络拥塞和丢包乱序、优化网络读写速度等等，然后把数据交给网卡，后者和交换机等设备做好联动，负责二进制数据在物理线路上的传送和接收。

1.3 方案设计考量

• 第一种大包大揽的方式，实现难度太大、耦合度太高，怎么看都是一个“反面典型”。所以，应该选择第二种，也就是分层的方式去实现。
  • 其实这个思路，跟编程的思想是类似的。在编程中，需要把一些逻辑抽象为函数或者对象，以实现更好的解耦和复用。
  • 在网络世界里也是如此，每一层干好自己的分内事，那么所有的层次配合起来工作的时候，就显得有条不紊了。

01.网络模型介绍

1.1 网络模型概述

• 计算机网络之间以何种规则进行通信，就是网络模型研究问题。
• 网络模型一般是指OSI（Open System Interconnection开放系统互连）七层参考模型

  OSI中的层	功能	TCP/IP协议族
  7 应用层	文件传输，电子邮件，文件服务，虚拟终端	TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等
  6 表示层	数据格式化，代码转换，数据加密	没有协议
  5 会话层	解除或建立与别的接点的联系	没有协议
  4 传输层	提供端对端的接口	TCP，UDP
  3 网络层	为数据包选择路由	IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP
  2 数据链路层	传输有地址的帧以及错误检测功能	SLIP，CSLIP，PPP，MTU
  1 物理层	以二进制数据形式在物理媒体上传输数据	ISO2110，IEEE802，IEEE802.2

1.2 网络模型7层概述

• 1.物理层：
  • 主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输,到达目的地后在转化为1、0）。这一层的数据叫做比特。
• 2.数据链路层：
  • 主要将从物理层接收的数据进行MAC地址（网卡的地址）的封装与解封装。常把这一层的数据叫做帧。在这一层工作的设备是交换机，数据通过交换机来传输。
    • 数据链路层是负责接收 IP 数据包并通过网络发送，或者从网络上接收物理帧，抽出 IP 数据包，交给 IP 层。
    • ARP 是正向地址解析协议，通过已知的 IP，寻找对应主机的 MAC 地址。
    • RARP 是反向地址解析协议，通过 MAC 地址确定 IP 地址。比如无盘工作站还有 DHCP 服务。
    • 常见的接口层协议有：Ethernet 802.3、Token Ring 802.5、X.25、Frame relay、HDLC、PPP ATM等。
• 3.网络层：
  • 主要将从下层接收到的数据进行IP地址（例192.168.0.1)的封装与解封装。在这一层工作的设备是路由器，常把这一层的数据叫做数据包。
    • 负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三方面。
      • 1. 处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入 IP 数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。
      • 2. 处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径--假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。
      • 3. 处理路径、流控、拥塞等问题。
    • 网络层包括：IP(Internet Protocol) 协议、ICMP(Internet Control Message Protocol)
    • 控制报文协议、ARP(Address Resolution Protocol) 地址转换协议、RARP(Reverse ARP) 反向地址转换协议。
    • IP 是网络层的核心，通过路由选择将下一条IP封装后交给接口层。IP数据报是无连接服务。
    • ICMP 是网络层的补充，可以回送报文。用来检测网络是否通畅。
    • Ping 命令就是发送 ICMP 的 echo 包，通过回送的 echo relay 进行网络测试。
• 4.传输层：
  • 定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）.主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。博客
    • 提供应用程序间的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送，即耳熟能详的“三次握手”过程，从而提供可靠的数据传输。
    • 传输层协议主要是：传输控制协议 TCP(Transmission Control Protocol) 和用户数据报协议 UDP(User Datagram protocol)。
• 5.会话层：通过传输层（端口号：传输端口与接收端口）建立数据传输的通路。
  • 主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）
• 6.表示层：主要是进行对接收的数据进行解释、加密与解密、压缩与解压缩等（也就是把计算机能够识别的东西转换成人能够能识别的东西（如图片、声音等）。博客
• 7.应用层：
  • 主要是一些终端的应用，比如说FTP（各种文件下载），WEB（IE浏览），QQ之类的（可以把它理解成我们在电脑屏幕上可以看到的东西．就是终端应用）。
    • 向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。远程登录 TELNET 使用 TELNET 协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET 会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问 FTP 使用 FTP 协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。
    • 应用层协议主要包括如下几个：FTP、TELNET、DNS、SMTP、NFS、HTTP。
    • FTP(File Transfer Protocol）是文件传输协议，一般上传下载用FTP服务，数据端口是 20H，控制端口是 21H。
    • Telnet 服务是用户远程登录服务，使用 23H 端口，使用明码传送，保密性差、简单方便。
    • DNS(Domain Name Service）是域名解析服务，提供域名到 IP 地址之间的转换，使用端口 53。
    • SMTP(Simple Mail Transfer Protocol）是简单邮件传输协议，用来控制信件的发送、中转，使用端口 25。
    • NFS（Network File System）是网络文件系统，用于网络中不同主机间的文件共享。
    • HTTP(Hypertext Transfer Protocol）是超文本传输协议，用于实现互联网中的 WWW 服务，使用端口 80。

01.什么是交换机

• 在计算机网络系统中，交换机是针对共享工作模式的弱点而推出的。交换机拥有一条高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，当控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口。目的MAC若不存在，交换机才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表 中。
• 交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过ARP协议学习它的MAC地址，保存成一张 ARP表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。

02.什么是路由器

• 路由器（Router）是一种计算机网络设备，提供了路由与转送两种重要机制，可以决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径（host到host之间的传输路径），这个过程称为路由；将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端(在路由器内部进行)，这称为转送。路由工作在OSI模型的第三层——即网络层，例如网际协议。
• 路由器的一个作用是连通不同的网络，另一个作用是选择信息传送的线路。 路由器与交换器的差别，路由器是属于OSI第三层的产品，交换器是OSI第二层的产品(这里特指二层交换机)。
• 常见的路由选择协议，以及它们的区别?
  • 常见的路由选择协议有：RIP协议、OSPF协议。博客
  • RIP协议：底层是贝尔曼福特算法，它选择路由的度量标准（metric)是跳数，最大跳数是15跳，如果大于15跳，它就会丢弃数据包。
  • OSPF协议：底层是迪杰斯特拉算法，是链路状态路由选择协议，它选择路由的度量标准是带宽，延迟。

03.什么叫做网关

• 网关（Gateway），网关是连接两个网络的设备，
• 在传统TCP/IP术语中，网络设备只分成两种，一种为网关（gateway），另一种为主机（host）。网关能在网络间转递数据包，但主机不能转送数据包。在主机中，数据包需经过TCP/IP四层协议处理，但是在网关只需要到达网际层，决定路径之后就可以转送。
• 在现代网络术语中，网关（gateway）与路由器（router）的定义不同。网关（gateway）能在不同协议间移动数据，而路由器（router）是在不同网络间移动数据.
• 对于以太网中的网关只能转发三层以上数据包，这一点和路由是一样的。而不同的是网关中并没有路由表，他只能按照预先设定的不同网段来进行转发。网关最重要的一点就是端口映射，子网内用户在外网看来只是外网的IP地址对应着不同的端口，这样看来就会保护子网内的用户。