The Bits and Bytes of Computer Networking Week 1 筆記

描述計算機網絡的模型有不少，這門課選擇TCP/IP 五層模型。本課程也會講其餘計網模型，七層的OSI模型。

每層的協議都會封裝好上層的協議，從而實現數據傳輸。

The TCP/IP Five-Layer Network Model

 

物理層：

物理層表示互連計算機的物理設備。
這包括網絡電纜的規範和將設備鏈接在一塊兒的鏈接器以及描述如何經過這些鏈接發送信號的規範。

數據鏈路層：
數據鏈路層負責定義解釋這些信號的通用方式，所以網絡設備能夠進行通訊。
數據鏈路層存在許多協議，但最多見的是稱爲以太網，儘管無線技術正變得愈來愈流行。
除了指定物理層屬性以外，以太網標準還定義了一個協議，負責將數據傳輸到同一網絡或鏈路上的節點。

 

網絡層：

第三層網絡層有時也稱爲Internet層。
正是這一層容許不一樣的網絡經過稱爲路由器的設備相互通訊。
經過路由器鏈接在一塊兒的網絡集合是互聯網絡，其中最着名的是互聯網。
雖然數據鏈路層負責經過單個鏈路獲取數據，但網絡層負責經過一組網絡傳輸數據。
家庭網絡中的設備鏈接到Internet上的服務器時，網絡層負責傳輸數據。
此層使用的最經常使用協議稱爲IP或Internet協議。
客戶端應用程序發起數據請求，服務器軟件經過網絡迴應請求。
單個節點運行多個客戶端或服務器應用程序。
所以，能夠同時在PC上運行電子郵件程序和Web瀏覽器（兩種客戶端應用程序），而且電子郵件和Web服務器可能都在同一臺服務器上運行。

 

傳輸層：

網絡層在兩個單獨節點之間傳遞數據，傳輸層指定了哪些客戶端和服務器程序應該獲取該數據。

第四層（傳輸層）中最經常使用的協議稱爲TCP或傳輸控制協議。雖然常常一塊兒說做爲TCP IP這一短語，但它們是徹底不一樣的協議，用於不一樣的目的。

其餘傳輸協議也使用IP來解決，包括稱爲UDP或用戶數據報協議的協議。

二者之間的最大區別在於TCP確保數據可靠傳輸而UDP不會。

傳輸層（主要是TCP和UDP）負責確保數據到達在這些節點上正確運行的應用程序。

應用層：
第五層稱爲應用層。此層有許多不一樣的協議，它們是特定於應用程序的。一些常見的協議包括用於容許您瀏覽網頁或發送接收電子郵件的協議。

 

各個層能夠視爲送快遞的不一樣步驟。物理層是送貨卡車和道路。數據鏈路層是送貨卡車從一個交叉路口到達下一個交叉路口的走法。網絡層識別須要從地址A到地址B的路徑。傳輸層確保送貨司機知道如何敲門告訴您包裹已到達。應用程序層是包裹自己的內容。

 

集線器：

集線器是一種物理層設備，容許同時從多臺計算機進行鏈接。鏈接到集線器的全部設備最終將同時與全部其餘設備通訊。由鏈接到集線器的每一個系統決定輸入數據是否適用於它們，若是不是，則忽略它。這會在網絡上產生大量噪音併產生所謂的衝突域。衝突域是一個網絡段，其中一次只能有一個設備進行通訊。若是多個系統嘗試同時發送數據，則經過電纜發送的電脈衝可能會相互干擾。這致使這些系統在嘗試再次發送數據以前必須等待一段安靜的時間。它確實減慢了網絡通訊速度，而且是集線器至關罕見的主要緣由。

交換機：

鏈接許多計算機的更常見方式是使用更復雜的設備，稱爲網絡交換機，最初稱爲交換集線器。交換機與集線器很是類似，能夠將許多設備鏈接到它，以便它們能夠進行通訊。不一樣之處在於，集線器是物理層設備，但交換機是數據鏈路設備。這意味着交換機實際上能夠檢查在網絡周圍發送的以太網協議數據的內容，肯定數據所針對的系統，而後僅將該數據發送到該系統。

路由器：

集線器和交換機是用於鏈接單個網絡（一般稱爲LAN）或局域網上的計算機的主要設備。但咱們常常但願向其餘網絡上的計算機發送或接收數據。這是路由器發揮做用的地方。路由器是一種知道如何在獨立網絡之間轉發數據的設備。雖然集線器是第一層設備，而交換機是第二層設備。路由器在第三層（網絡層）運行。就像交換機能夠檢查以太網數據以肯定發送內容的位置同樣，路由器能夠檢查IP數據以肯定發送內容的位置。路由器存儲內部表。最多見的路由器類型是家庭網絡或小型辦公室。這些設備一般沒有很是詳細的路由表。這些路由器的目的主要是爲了從家庭或辦公室局域網中獲取流量，並將其轉發到ISP或Internet服務提供商。一旦流量進入ISP，就會有更復雜的路由器接管方式。這些核心路由器構成了互聯網的支柱，直接負責咱們天天在互聯網上發送和接收數據的方式。核心ISP路由器不只處理比家庭或小型辦公室路由器更多的流量。他們還必須在決定發送流量的位置時處理更復雜的問題。核心路由器一般與許多其餘路由器有許多不一樣的鏈接。路由器經過稱爲BGP或邊界網關協議的協議相互共享數據。這可讓他們瞭解轉發流量的最佳途徑。當您打開Web瀏覽器並加載網頁時，計算機和Web服務器之間的流量可能已經遍歷了數十個不一樣的路由器。互聯網很是龐大和複雜。路由器是將流量送到正確位置的全球指南。

 

物理層傳輸的是bit數據

 

 

 

網絡電纜通常由金屬或玻璃製造而成，用來傳遞網絡信息。經常使用的網絡電纜有三種:雙絞線、同軸電纜和光纖電纜(光纖)。

雙絞線技術上的以太網是一種通訊協議，用於肯定經過雙絞線電纜能夠發送多少數據，發送數據的速度，以及在數據質量開始降低以前網絡電纜的長度。

 RJ45，是以太網使用雙絞線鏈接時經常使用的一種鏈接器插頭。

 

以太網

 

無線和蜂窩互聯網接入正迅速成爲將計算設備鏈接到網絡的最多見方式。最普遍用於跨單個鏈路發送數據的協議稱爲以太網。以太網和數據鏈路層爲堆棧的更高級別的軟件提供了發送和接收數據的手段。該層的主要目的之一是抽象出對任何其餘層的需求。經過將此職責轉儲到數據鏈路層，不管他們運行的設備如何鏈接，互聯網，傳輸和應用層均可以運行相同的操做。所以，例如，您的Web瀏覽器無需知道它是否在經過雙絞線或無線鏈接鏈接的設備上運行。它只須要底層來爲它發送和接收數據。

以太網是一項至關古老的技術。它於1980年首次出現，並於1983年首次實現了徹底標準化。從那時起，引入了一些變化，主要是爲了支持不斷增加的帶寬需求。但在大多數狀況下，今天使用的以太網與幾年前首次發佈的以太網標準至關。 1983年，計算機網絡與如今徹底不一樣。

衝突域是一個網絡段，一次只能有一個設備能夠說話。這是由於衝突域中的全部數據都被髮送到與其鏈接的全部節點。若是兩臺計算機同時經過線路發送數據，這將致使表示咱們的1和0的電流的字面衝突，使最終結果難以理解。以太網做爲協議，經過使用稱爲載波偵聽多路訪問和碰撞檢測的技術解決了這個問題。咱們一般將其縮寫爲CSMA / CD。 CSMA / CD用於肯定通訊信道什麼時候清除以及設備什麼時候能夠自由傳輸數據。 CSMA / CD的工做方式實際上很是簡單。若是網段上當前沒有傳輸數據，則節點能夠隨意發送數據。若是結果是兩臺或多臺計算機最終同時嘗試發送數據，則計算機會檢測到此衝突並中止發送數據。而後，在嘗試再次發送數據以前，每一個涉及衝突的設備都會等待一段隨機時間。此隨機間隔有助於防止碰撞中涉及的全部計算機在下次嘗試傳輸任何內容時再次發生衝突。當網段是衝突域時，意味着該段上的全部設備都接收整個段的全部通訊。這意味着咱們須要一種方法來識別傳輸實際意味着哪一個節點。這就是所謂的媒體訪問控制地址或MAC地址。

MAC地址是附加到單個網絡接口的全局惟一標識符。它是一個48位數，一般由兩個十六進制數的六個分組表示。就像二進制是一種只用兩位數表示數字的方式同樣，十六進制是一種用16位數表示數字的方法。因爲咱們沒有數字來表示大於9的任何單個數字，所以十六進制數字使用字母A，B，C，D，E和F來表示數字10,11,12,13,14和15。引用MAC地址中的每組數字的另外一種方法是八位字節。計算機網絡中的八位字節是能夠用8位表示的任何數字。在這種狀況下，兩個十六進制數字能夠表示8位能夠表示的相同數字。MAC地址是全局惟一的。

 

Unicast 和Multicast

Unicast 傳輸用於只有一個接收地址的狀況。在以太網級別，這是經過查看目標MAC地址中的特殊位來完成的。若是目標地址的第一個八位字節中的最低有效位設置爲零，則意味着以太網幀僅用於目標地址。這意味着它將被髮送到衝突域上的全部設備，但僅由預期目的地實際接收和處理。若是目標地址的第一個八位位組中的最低有效位設置爲1，則表示您正在處理多播幀。相似地，多播幀被設置爲本地網絡信號上的全部設備。不一樣的是，除了本身的硬件MAC地址以外，每一個設備都會接受或丟棄它。能夠將網絡接口配置爲接受用於這種通訊的已配置多播地址的列表。

 

Broadcast

第三種以太網傳輸稱爲廣播。以太網廣播被髮送到LAN上的每一個設備。這是經過使用稱爲廣播地址的特殊目的地來實現的。以太網廣播地址全是F。使用以太網廣播，以便設備能夠相互瞭解更多信息。

 

解析以太網楨

Data packet  數據包

數據包，又稱分組，是在分組交換網絡中傳輸的格式化數據單位。 一個數據包分紅兩個部分，包括控制信息，也就是頭，和數據自己，也就是負載。 咱們能夠將一個數據包比做一封信，頭至關於信封，而數據包的數據部分則至關於信的內容。固然，有時候一個大數據包能夠分紅多個小數據包。

以太層的數據包被稱爲以太網幀。

Ethernet frames 以太網幀

以太網幀是按特定順序呈現的高度結構化信息集合。 這樣，物理層處的網絡接口能夠將經過鏈路傳輸的比特串轉換爲有意義的數據，反之亦然。 以太網幀的幾乎全部部分都是強制性的，而且大多數部分具備固定的大小。 以太網幀的第一部分稱爲前同步碼。

 

Preamble 前同步碼

前同步碼8個字節或64位長，而且自己能夠分紅兩個部分。 前七個字節是一系列交替的1和0。 它們部分地做爲幀之間的緩衝區，而且也能夠由網絡接口用於同步它們使用的內部時鐘，以調節它們發送數據的速度。

 

FCS 偵校驗

在該數據以後，咱們具備所謂的幀校驗序列。這是一個4字節或32位數字，表示整個幀的校驗和值。經過對幀執行所謂的循環冗餘校驗來計算該校驗和值。循環冗餘校驗或CRC是數據完整性的重要概念，而且在整個計算中使用，而不只僅是網絡傳輸。 CRC基本上是一種數學變換，它使用多項式除法來建立表示更大數據集的數字。不管什麼時候對一組數據執行CRC，都應該使用相同的校驗和編號。它包含在以太網幀中的緣由是接收網絡接口能夠推斷它是否接收到未損壞的數據。當設備準備發送Internet幀時，它會收集咱們剛剛介紹的全部信息，例如目標和原始MAC地址，數據有效負載等。而後，它對該數據執行CRC，並將獲得的校驗和數做爲幀結束時的幀校驗序列。

 

目標MAC地址

緊跟在起始幀分隔符以後，出現目標MAC地址。 這是目標收件人的硬件地址。

 

源MAC地址

每一個MAC地址長度爲48位或6個字節。

 

以太類型

長16位，用於描述幀內容的協議。 

 

 

VLAN標頭表示幀自己就是所謂的VLAN幀。若是存在VLAN標頭，則EtherType字段將跟隨它。

VLAN表明虛擬LAN。這是一種技術，可以讓您在同一物理設備上運行多個邏輯LAN。任何具備VLAN標記的幀都只能從配置爲中繼該特定標記的交換機接口發送出去。這樣，您就能夠擁有一個像多個LAN同樣運行的物理網絡。 VLAN一般用於隔離不一樣形式的流量。所以，您可能會看到公司的IP電話在一個VLAN上運行，而全部臺式機都在另外一個VLAN上運行。在此以後，您將找到以太網幀的數據有效負載。網絡術語中的有效負載是傳輸的實際數據，這是否是標頭的全部內容。傳統以太網幀的數據有效載荷能夠是46到1500字節長。它包含來自更高層的全部數據，例如實際傳輸的IP，傳輸層和應用層。

 

Quiz

A MAC address is a 48-bit number consisting of 6 octets.

The address FF:FF:FF:FF:FF:FF is used for Ethernet broadcast traffic.

A cyclical redundancy check ensures that there was no data corruption.