21張圖詳解網(wǎng)絡基礎知識

網(wǎng)絡協(xié)議

我們用手機連接上網(wǎng)的時候，會用到許多網(wǎng)絡協(xié)議。從手機連接WiFi開

始，使用的是802.11（即WLAN）協(xié)議；手機自動獲取網(wǎng)絡配置，使用

的是DHCP協(xié)議。這時手機已經(jīng)連入局域網(wǎng)了，可以訪問局域網(wǎng)內(nèi)的主機

和資源，但還不能使用互聯(lián)網(wǎng)應用，例如：微信、抖音等。想要訪問互聯(lián)

網(wǎng)，還需要在手機的上聯(lián)網(wǎng)絡設備上進行配置，即在無線路由器上配

置NAT、PPPOE等功能,才能把局域網(wǎng)接入到互聯(lián)網(wǎng)中，手機就可以上

網(wǎng)玩微信、刷抖音了。

圖1:網(wǎng)絡協(xié)議示意圖

局域網(wǎng)：小范圍內(nèi)的私有網(wǎng)絡，一個家庭內(nèi)的網(wǎng)絡、一個公司內(nèi)的網(wǎng)絡、一個

校園內(nèi)的網(wǎng)絡都屬于局域網(wǎng)。

廣域網(wǎng)：把不同地域的局域網(wǎng)互相連接起來的網(wǎng)絡。運營商搭建連接遠距離區(qū)

域的廣域網(wǎng)。

互聯(lián)網(wǎng)：由世界各地的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)連接起來的網(wǎng)絡。互聯(lián)網(wǎng)是一個開放、

互聯(lián)的網(wǎng)絡，不屬于任何個人和任何機構。

簡單來說，就是手機、無線路由器等設備通過網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)通信。網(wǎng)絡協(xié)議

又是誰規(guī)定的呢？ISO制定了一個OSI參考模型，被用于網(wǎng)絡協(xié)議的制

定。

OSI參考模型

OSI參考模型將網(wǎng)絡協(xié)議提供的服務分成7層，并定義每一層的服務內(nèi)

容，實現(xiàn)每一層服務的是協(xié)議，協(xié)議的具體內(nèi)容是規(guī)范。上下層之間通過接

口進行交互，同一層之間通過協(xié)議進行交互。OSI參考模型只對各層的服務

做了粗略的界定，并沒有對協(xié)議進行詳細的定義。但是許多協(xié)議都對應了7

個分層的某一層。所以要了解網(wǎng)絡，首先要了解OSI參考模型。

F7應用層

>-------------------------------<

F6表示層

\{

F5會話層

F4傳輸層

F3網(wǎng)絡層

/X

F2數(shù)據(jù)鏈路層

F1物理層

圖2:OSI參考模型圖

應用層

OSI參考模型的第7層（最高層）。應用程序和網(wǎng)絡之間的接口，直接向

用戶提供服務。應用層協(xié)議有電子郵件、遠程登錄等協(xié)議。

針對每個應用的協(xié)議

電子郵件協(xié)議

電子郵件

身遠程登錄協(xié)議

遠程登錄

文件傳輸協(xié)議

圖3:應用層示例圖

表示層

OSI參考模型的第6層。負責數(shù)據(jù)格式的互相轉(zhuǎn)換，如編碼、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)

換和加密解密等。保證一個系統(tǒng)應用層發(fā)出的信息可被另一系統(tǒng)的應用層讀

出。

漢字：表

I,網(wǎng)絡標準格式I〉

GBK編碼：Unicode編碼:

B1ED8868

圖4:表示層示例圖

會話層

OSI參考模型的第5層。主要是管理和協(xié)調(diào)不同主機上各種進程之間的通

信（對話），即負責建立、管理和終止應用程序之間的會話。

建立、維持、斷開端到端的連接

圖5:會話層示例圖

傳輸層

OSI參考模型的第4層。為上層協(xié)議提供通信主機間的可靠和透明的數(shù)據(jù)

傳輸服務，包括處理差錯控制和流量控制等問題。

數(shù)據(jù)是否有丟失?

圖6:傳輸層示例圖

網(wǎng)絡層

OSI參考模型的第3層。將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡刂罚饕撠煂ぶ泛吐酚蛇x

擇。

選擇路由到達目的地址

圖7:網(wǎng)絡層示例圖

數(shù)據(jù)鏈路層

OSI參考模型的第2層。負責兩個相鄰主機間的通信傳輸，即數(shù)據(jù)幀的生

成與接收。

)|1010|[

數(shù)據(jù)幀與比特流之間的轉(zhuǎn)換

圖8:數(shù)據(jù)鏈路層示例圖

物理層

OSI參考模型的第1層（最底層）。負責邏輯信號（比特流）與物理信號

（電信號、光信號）之間的互相轉(zhuǎn)換，利用傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理

連接。

10101010

比特流與電子信號之間的切換

圖9:物理層示例圖

TCP/IP參考模型

由于OSI參考模型把服務劃得過于瑣碎，先定義參考模型再定義協(xié)議，有

點理想化。TCP/IP模型則正好相反，通過已有的協(xié)議歸納總結(jié)出來的模

型，成為實際的主流網(wǎng)絡協(xié)議標準。

先介紹下TCP/IP與OSI分層之間的對應關系，以及TCP/IP每層的主要

協(xié)議。

OSI參考模型TCP/IP參考模型網(wǎng)絡協(xié)議

圖10:TCP/IP參考模型

網(wǎng)絡接入層

在TCP/IP分層中，有把物理層和數(shù)據(jù)鏈路層合并稱為網(wǎng)絡接入層，有把物

理層和數(shù)據(jù)鏈路層分別稱為硬件、網(wǎng)絡接口層。網(wǎng)絡接入層是對網(wǎng)絡介質(zhì)的

管理，定義如何使用網(wǎng)絡來傳送數(shù)據(jù)，但是對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層在通信過

程中起到了不一樣的作用。所以TCP/IP分為四層或者五層都可以，只要能

理解其中的原理就行。

網(wǎng)絡層

相當于OSI模型中的第3層網(wǎng)絡層，使用的是IP協(xié)議，作用是將數(shù)據(jù)包

從源地址發(fā)送到目的地址。

將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的主機

圖11：網(wǎng)絡層

?IP

IP是跨越網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)包，使整個互聯(lián)網(wǎng)都能收到數(shù)據(jù)的協(xié)議，它

使用IP地址作為主機的標識。IP協(xié)議獨立于底層介質(zhì)，

實現(xiàn)從源到目的的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

?ICMP

用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息。被用來診斷網(wǎng)絡的健康

狀況。

?ARP

從數(shù)據(jù)包的IP地址中解析出MAC地址的一種協(xié)議。

傳輸層

相當于OSI模型中的第4層傳輸層，主要功能就是讓應用程序之間互相通

信，通過端口號識別應用程序，使用的協(xié)議有面向連接的TCP協(xié)議和面向

無連接的UDP協(xié)議。

Web瀏覽器］'：：［Web服務器

|郵件軟件K二:［郵件服務器

'遠程登錄------------遠程登錄

客戶端

物理連接線路

圖12:傳輸層

TCP是一種面向有連接的傳輸層協(xié)議，能夠?qū)ψ约禾峁┑倪B接實施控

制。適用于要求可靠傳輸?shù)膽茫缥募鬏敗?/p>

?UDP

UDP是一種面向無連接的傳輸層協(xié)議，不會對自己提供的連接實施

控制。適用于實時應用，例如：IP電話、視頻會議、直播等。

應用層

相當于OSI模型中的第5-7層的集合，不僅要實現(xiàn)OSI模型應用層的

功能，還要實現(xiàn)會話層和表示層的功能。HTTP、POP3、TELNET.

SSH、FTP、SNMP都是應用層協(xié)議。

客戶端服務端

[web瀏覽器Web服務器

|郵件軟件郵件服務器

遠程登錄遠程登錄

客戶端服務端

____________y

客戶端/服務端模型

圖13:應用層

?HTTP

是WWW瀏覽器和服務器之間的應用層通信協(xié)議。HTTP定義高級

命令或者方法供瀏覽器用來與Web服務器通信。

?POP3

簡單郵件傳輸協(xié)議，郵件客戶端和郵件服務器使用。

?TELNET

遠程終端協(xié)議，用于遠程管理網(wǎng)絡設備。

?SSH

安全外殼協(xié)議。通過使用SSH,可以把所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密。

?SNMP

簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議，用于網(wǎng)管軟件進行網(wǎng)絡設備的監(jiān)控和管理。

封裝與解封裝

數(shù)據(jù)發(fā)送前，按照參考模型從上到下，在數(shù)據(jù)經(jīng)過每一層時，添加協(xié)議頭部

信息，這個過程叫封裝。

報文組成

包,

IP頭部ITCP頭部蹴

頭部

圖14:封裝

數(shù)據(jù)接收后，按照參考模型從下到上，在數(shù)據(jù)經(jīng)過每一層時，去掉協(xié)議頭部

信息，這個過程叫解封裝。

TCP/IP參考模型解封裝

包

圖15:解封裝

經(jīng)過傳輸層協(xié)議封裝后的數(shù)據(jù)稱為段，經(jīng)過網(wǎng)絡層協(xié)議封裝后的數(shù)據(jù)稱為

包，經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議封裝后的數(shù)據(jù)稱為幀，物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為比特。

實際數(shù)據(jù)傳輸舉例

實際生活中，互聯(lián)網(wǎng)是使用的TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡連接的。我們以訪問網(wǎng)

站為例，看看網(wǎng)絡是如何進行通信的。

圖16:數(shù)據(jù)傳輸舉例

發(fā)送數(shù)據(jù)包

訪問HTTP網(wǎng)站頁面時，打開瀏覽器，輸入網(wǎng)址，敲下回車鍵就開始進行

TCP/IP通信了。

應用程序處理

首先，應用程序中會進行HTML格式編碼處理，相當于OSI的表示層功

能。編碼轉(zhuǎn)化后，不一定會馬上發(fā)送出去，相當于會話層的功能。在請求發(fā)

送的那一刻，建立TCP連接，然后在TCP連接上發(fā)送數(shù)據(jù)。接下來就是

將數(shù)據(jù)發(fā)送給下一層的TCP進行處理。

TCP模塊處理

TCP會將應用層發(fā)來的數(shù)據(jù)順利的發(fā)送至目的地，實現(xiàn)可靠傳輸?shù)墓δ埽?/p>

要給數(shù)據(jù)封裝TCP頭部信息。TCP頭部信息包括源端口號和目的端口號

（識別主機上應用）、序號（確認哪部分是數(shù)據(jù)）以及校驗和（判斷數(shù)據(jù)是

否被損壞）。隨后封裝了TCP頭部信息的段再發(fā)送給IPo

IP模塊處理

IP將TCP傳過來的數(shù)據(jù)段當做自己的數(shù)據(jù)，并封裝IP頭部信息。IP頭

部信息中包含目的IP地址和源IP地址，以及上層協(xié)議類型信息。

IP包生成后，根據(jù)主機路由表進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

網(wǎng)絡接口處理

網(wǎng)絡接口對傳過來的IP包封裝上以太網(wǎng)頭部信息并進行發(fā)送處理。以太網(wǎng)

頭部信息包含目的MAC地址、源MAC地址，以及上層協(xié)議類型信息。

然后將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀通過物理層傳輸給接收端。

接收數(shù)據(jù)包

包的接收流程是發(fā)送流程的反向過程。

網(wǎng)絡接口處理

收到以太網(wǎng)幀后，首先杳看頭部信息的目的MAC地址是否是發(fā)給自己的

幀。如果不是發(fā)送給自己的幀就丟棄。如果是發(fā)送給自己的幀，查看上層協(xié)

議類型是IP包，以太網(wǎng)幀解封裝成IP包，傳給IP模塊進行處理。

IP模塊處理

收到IP包后，進行類似處理。根據(jù)頭部信息的目的IP地址判斷是否是發(fā)

送給自己包，如果是發(fā)送給自己的包，則查看上一層的協(xié)議類型，并把IP

包解封裝發(fā)送給TCP協(xié)議處理。

TCP模塊處理

收到TCP段后，首先查看校驗和，判斷數(shù)據(jù)是否被破壞。然后檢查是否按

照序號接收數(shù)據(jù)。最后檢查端口號，確定具體的應用程序。

數(shù)據(jù)接收完畢后，發(fā)送一個“確認回執(zhí)"給發(fā)送端。

數(shù)據(jù)被完整接收后,會把TCP段解封裝發(fā)送給由端口號識別的應用程序。

應用程序處理

應用程序收到數(shù)據(jù)后，通過解析數(shù)據(jù)知道了發(fā)送端請求的網(wǎng)頁內(nèi)容，然后按

照HTTP協(xié)議進行后續(xù)數(shù)據(jù)交互。

網(wǎng)絡構.

搭建一套網(wǎng)絡涉及各種線纜和網(wǎng)絡設備。下面介紹一些常見的硬件設備。

網(wǎng)卡使計算機連網(wǎng)的設備

二層交換機從數(shù)據(jù)鏈路層上延長網(wǎng)絡的設備

路由器/三層交換機通過網(wǎng)絡層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的設備

四層及以上交換機處理傳輸層以上各層網(wǎng)絡傳輸?shù)脑O備

圖18:主要設備及作用表

通信介質(zhì)

主機可以通過有線線纜進行連接。有線線纜有雙絞線、光纖、串口線等。根

據(jù)網(wǎng)絡接口選擇對應的線纜。傳輸