CCNA5.0要點串講: OSI與TCP/IP

2019-11-04 23:57:34

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　　本小節的要點包括：
　　
　　●OSI與TCP/ip協議框架
　　
　　●OSI各層功能特點
　　
　　●封裝與解封裝（PDU）
　　
　　●IP包頭結構
　　
　　●IP報文傳輸過程
　　
　　●常見IP相關協議（ARP,ICMP…）
　　
　　●傳輸層功能
　　
　　●TCP與UDP對比
　　
　　1.1　OSI與TCP/IP協議框架
　　
　　OSI是網絡界的法律，主要目的是實現各廠商設備的兼容操作，TCP/IP是互聯網的主流協議。圖1是OSI與TCP/IP協議模型的對比。
　　　

　　圖1　 OSI與TCP/IP協議模型
　　
　　1.2　OSI每層功能及特點
　　
　　1、物理層：其作用是傳輸BIT信號，典型設備代表如HUB（集線器）。
　　
　　2、數據鏈路層：包括LLC和MAC子層，LLC負責與網絡層通訊，協商網絡層的協議。MAC負責對物理層的控制。本層的典型設備是SWITCH（交換機）。
　　
　　3、網絡層：本層的作用是負責路由表的建立和維護，數據包的轉發。本層的典型設備是ROUTER（路由器）。
　　
　　4、傳輸層：本層將應用數據分段，建立端到段的虛連接，提供可靠或者不可靠傳輸。
　　
　　5、會話層：本層負責兩個應用之間會話的治理和維護。
　　
　　6、表示層：本層解決數據的表示、轉換問題，是人機之間通訊的協調者，如進行二進制與ASCII碼的轉換。
　　
　　7、應用層：本層是人機通訊的接口。典型的應用程序如FTP、HTTP等。
　　
　　1.3　OSI封裝，解封裝以及PDU
　　
　　1.3.1　封裝
　　
　　所謂封裝是指在發送方發生的自上而下的過程
　　
　　在每一層為應用數據添加上特定的頭部/尾部信息（PDU，PRotocol Data Unit，協議數據單元）
　　
　　application（應用程序）→segment（數據段）→packet（數據包）→frame（數據幀）→bit（比特，二進制位）
　　
　　1.3.2　解封裝
　　
　　所謂解封裝是指在接收方發生的自下而上的過程
　　
　　逐層的去掉頭部以及尾部信息
　　
　　1.4　IP包結構
　　
　　IP包結構的結構如圖2所示。
　　　

　　圖2　 IP包結構
　　
　　其中的重要字段包括：
　　
　　TTL（Time To Live，生存時間）：每經過路由器一次，此值減一。假如該值為0路由器就不會再轉發此數據包。
　　
　　Protocol（協議）：網絡層和傳輸層之間的通訊接口，用于識別傳輸層的傳輸協議。
　　Identification（序號）：對每發送的一個數據包進行編號。
　　
　　Flag（偏移標志），Frag.Offset（偏移量）：用于接收方將數據包的分片進行。
　　
　　1.5　IP報文傳輸過程
　　
　　IP報文傳輸過程包括：
　　
　　1. Host sends packet to default gateway（主機將數據包發送到默認網關）
　　
　　2. Packet placed in frame（數據包被封裝入幀）
　　
　　3. Router receives frame（路由器接到幀）
　　
　　4. Router finds destination network in route table（路由器在路由表中發現目標網絡）
　　
　　5. Router chooses next hop toward destination（路由器選擇一個更接近目標的下一跳）
　　
　　6. MAC address of next hop determined（下一跳的MAC地址被確定）
　　
　　7. Packet placed in frame（數據包被封裝入幀）
　　
　　8. Repeats steps 2 through 7 as necessary（假如需要的話，重復步驟2～7）
　　
　　9. Router receives frame（路由器接到幀）
　　
　　10. Router finds network directly connected（路由器發現直連網絡）
　　
　　11. MAC address of end host determined（最終主機的MAC地址被確定）
　　
　　12. Packet placed in frame to final destination（幀中的數據包被發送到最終主機）
　　
　　IP報文傳輸整個過程的示意如圖3所示。
　　　

　　圖3　 IP報文傳輸過程
　　
　　在數據包端到端的傳輸過程中，邏輯地址始終不會發生改變，而MAC地址則隨著具體鏈路的不同而不同。

　　
　　路由器在某一個入接口上接收到數據幀后，先檢測目的地是否是自己。若是，則交給上層處理，否則會緩存數據包內容，然后根據目標地址查找路由表找到相關表項，得到NEXT HOP及出接口的MAC地址，用這兩個地址作為新的目的及源MAC地址封裝事先緩存的數據包，然后轉發，這個過程稱為幀的重寫（REWRITE）。
　　
　　1.6　IP相關協議
　　
　　1.6.1　ARP
　　
　　ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協議）有以下特點：
　　
　　ARP由ARP Request(廣播)與ARP Reply（單播）組成。
　　
　　只有當發送方認為目標主機與自己位于同一邏輯網絡（同一網段），ARP Request才會發出。
　　
　　屬于本地的MAP（不同于FR MAP）IP地址與MAC地址均屬于同一個設備（接口）。
　　
　　其工作過程示意如圖4所示。
　　　

　　圖4　 ARP工作過程示意圖
　　
　　1.6.2　ICMP
　　
　　IP協議是一種不可靠的協議，無法進行差錯控制。但IP協議可以借助其他協議來實現這一功能，如ICMP。如圖5所示。
　　　

　　圖5　 ICMP
　　
　　ICMP協議答應主機或路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。
　　
　　一般來說，ICMP報文提供針對網絡層的錯誤診斷、擁塞控制、路徑控制和查詢服務四項大的功能。如，當一個分組無法到達目的站點或TTL超時后，路由器就會丟棄此分組，并向源站點返回一個目的站點不可到達的ICMP報文。
　　
　　1.7　傳輸層功能
　　
　　傳輸層的功能包括：
　　
　　session Multiplexing（多路復用）：多個應用會話復用在同一個端到端的連接（同一個源IP和目的IP對）之上，通過端口號加以識別。
　　
　　Segmentation（分段）：將大塊的應用數據分割成更適合于傳輸的段。
　　
　　Flow Control（流控）：軟件流控，防止在網絡擁塞時丟包降低網絡擁塞的可能性。
　　
　　Buffering（緩沖）：分為接受緩存和發送緩沖，用來暫存傳輸數據。
　　
　　1.8　TCP與UDP對比
　　
　　如圖6、圖7所示，是TCP與UDP的報文頭格式。
　　　

　　圖6　 TCP報文頭格式
　　　

　　圖7　 UDP報文頭格式
　　
　　它們的不同在于：
　　
　　TCP
　　
　　面向連接（同步，確認，窗口）
　　
　　提供可靠的傳輸服務
　　
　　可靠性高
　　
　　UDP
　　
　　無連接
　　
　　提供盡力而為（Best-Effort）的服務
　　
　　效率高
　　
　　1.9　TCP的序列號和確認號
　　
　　TCP的序列號和確認號用來對收到的對方的數據包進行確認。序列號和確認號是以字節數為單位的，確認號等于發送方的序列號加1。如圖8所示。
　　　

　　圖8　 TCP的序列號和確認號
　　
　　1.10　TCP滑動窗口
　　
　　滑動窗口用來實現流量控制。它用來防止發送過快的發送端的數據將接收緩慢的接收端沉沒，造成接收端緩沖區溢出。
　　
　　窗口的大小是以包的字節數為單位而不是以包的數量為單位的，滑動窗口屬于TCP的流控方式之一。如圖9所示。
　　