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Linux网络进阶 - TCP/IP协议及OSI七层模型

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课程介绍

Linux企业运维实战系列课程之Linux网络与自动化运维,本课程由马哥教育提供。

CCNA 必备:Linux 网络基础知识入门

 

 

内容介绍:

  • OSI 模型(open system interface)
  • 通讯方式:单工与双工
  • 早期通讯方式——冲突检测的载波侦听多路访问
  • 冲突域和广播域
  • Hub 集线器
  • 以太网桥
  • 查看网卡工作模式
  • Hub 和交换机
  • 路由器 (router)
  • VLAN

 

 

一、OSI 模型(open system interface)

OSI模型把网络分成了七个层,而在工作中 OSI 模型只是用于指导作用,虽然它是一个国际标准,但是并不是我们事实上真正使用的标准。

目前来讲,工作和生活中用的网络都是基于TCP协议的,但是OSI 模型帮助我们理解网络是非常有价值的,特别是它把网络分成了七个层次,很多网络设备以及网络的一些相关的技术,都可以归纳为 OSI 模型的具体某一层。

 

回顾一下 OSI 模型的七层的,从上往下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

 

七层之间下层为上层提供服务,通俗来讲下层要体现出上层协议的类型。

 

上次所讲的数据链路层,数据包的帧是工作在数据链路层的,而它的上一层是网络层,网络层有很多协议,比如说IP协议、Ips等协议,所以在数据链路层就需要有一个位置体现出上层协议类型,数据链路层的包名叫做帧,在物理层叫位,在网络层叫做包,传输层叫段,在往上也可以称为 message 

 

发送端:原始数据→应用层:A 原始数据→表示层:PA 原始数据→会话层:SPA 原始数据→传输层:TSPA 原始数据→网络层:NTSPA原始数据→数据链路层:DNTSPA 原始数据 CRC→物理层:DNTSPA 原始数据 CRC→(bit 流)接收端

下层体现上层的功能具体是哪种协议,下层为上层提供服务的时候必须在下层,在网络层叫包,在传输层叫做段,

 

不同层的名称不一样、在网络层,真正在网络中发送数据的时候,例如微信信息(原始数据)首先到达应用层,接着到达每一层,都会在相应层添加头部信息,在物理层即变成01的格式,实际上数据发送的时候是有额外的负载的,因此速度可能不能达到理想的效果。

 

之后往上层层解包,每一层解除相应包,完成之后即可获得原始数据。

与上述流程相反

 

 

二、通讯方式:单工与双工

1、单工

单向传输数据(例如收音机,喇叭,广播电台,早期电视等),与物理层相关

 

2、双工

双向传输数据

  • 全双工:同时双向传递,例如手机;
  • 半双工:轮流双向传输,例如对讲机。

 

 

三、早期通讯方式——冲突检测的载波侦听多路访问

单工通讯使用的带冲突检测的载波侦听多路访问( CSMA/CD),早期以太网速度偏慢,大概为10M,采用的通讯方式都是双同轴电缆,而双同轴电缆采用总线型,大家都连接到公共干道上,设备之间相互通讯数据的时候,

首先检查是否有机器在发送数据,如果有则等待,没有则发送,如果发送时发生冲突,则造成数据损坏,等待一个随机时间再发送,如若失败,则再次发送,若冲突达到一定次数,则彻底失败。

 

而后来的百兆以太网以及千兆以太网就不采用这种方式了。

 

四、冲突域和广播域

冲突域:

如果有一台机器在发送数据,另一台机器同时也在发送数据, 两台机器就发生了冲突,就说这两台机器处在同一个冲突域。

同一个冲突域中任何一机器一台机器发数据,别的主机同时发数据,它就会发生冲突,就认为所有的主机都在一个冲突域。

如果有两个主机同时向网络中发数据,它不冲突,就认为这两台主机分别处于两个不同的冲突域。

 

广播域:

一台主机向外发送广播,另一台主机收到广播,则称两台机器处在同一广播域。

 

 

五、Hub 集线器

无论采用多大速度的以太网,必不可少的要依赖于一些通讯的物理网络设备,这种设备早期的时候用到一些比较低端的设备-Hub集线器。

早期的通讯传输距离是有一定限制的,通讯双方不能距离太远。

 

中继器能够把信号放大,让信号传得更远。但是传统中继器只有两个接口,一端连着网线,一端连另一跟网线。

而 Hub 就相当于多端口的中继器,可以连接很多设备,其形式十分类似于交换机。

 

Hub的工作特性是基于半双工以及带宽共享。

半双工,比方说1计算机给2计算机发信息的时候2不能同时发给1。

只能是1发完以后,2再给1发。而且Hub具有广播性,它并不记忆该信息包是由哪个 MAC 地址发出, MAC 地址在Hub 的哪个端口,计算机1发送到hub时hub并不知道目标计算机是谁,所以会到达所有的端口,实现共享。

 

hub的机制决定了其没有任何的安全性,意味着在发送数据的时候,如果别人同时也在发送数据,就会造成数据损坏。

同一时间只有一台计算机发送信号,效率低下。

 

hub工作在物理层,简单来说hub就是一个连接器,hub是很早以前的设备,价格便宜,所以早期许多公司采用hub 设备。

六、以太网桥

后来为了通讯效率的提高,引入另外一种技术——以太网桥。

1、交换式以太网的优势

  • 扩展了网络带宽
  • 分割了网络冲突域,使网络冲突被限制在最小的范围内
  • 交换机作为更加智能的交换设备,能够提供更多用户所要求的功能:优先级、虚拟网、远程检测......

 

 

2、以太网桥的工作原理

网桥和交换机的工作原理一样,交换机可以说是升级版的网桥,网桥连接两个网络,上面一个,下面一个,集线器连接了 A 和 B ,

目标地址在右边,源地址在左边,越往右越外层,越往左即越里层,数据包从 a 发往 b ,所以源地址就是 a ,目标就是 b ,网桥在设备里面有一块内存空间记录了一个表格,内容为地址和端口的对应关系,此网桥有两个口分别连接了网络,从上来了一个数据包 a ,记录 a 与一个口相连,目标发往 b ,数据包到达网桥后,往下传,到达 hub ,之后到达 c 和 d , d 发现与 a 没有关系,则抛弃,回应数据包,源地址为 b ,目标地址为 a ,到达 hub ,到达 a ,网桥记录,则经过两次通讯之后,下次 a 再次发送信息时,则可高效处理。

 

 

3、网桥的工作特性

网桥能隔断冲突域但不能隔断广播域,在一定程度上提高了性能,但在广播域上无能为力广播域越大,说明主机存在的数量多,性能越差。

网桥也是比较老的设备,在实际生活中网桥很少使用,目前主流为交换机(switch),它可以实现双向通讯。

 

 

七、查看网卡工作模式

由于通讯时只能按照较低的速度通讯,因为Hub是一个比较差的设备,所以其性能不太好,如果与Hub连接只能按Hub的性能进行通讯,即半双工的通讯方式,网卡可根据交换机状态自动协商,自动协商为半双工。

现在目前来讲它支持多种各种方式的协商,比方说按照百兆的半双工、百兆的全双工、千兆的全双工等多种模式进行组合连接。

 

我们可以用mii-tool-v eth0命令来查看一网卡目前的工作模式,ethtool-eyh0可以修改当前工作模式。

网卡工作在数据链路层和物理层,同时具有网络层的功能。

 

 

八、Hub 和交换机

集线器属于 OSI 的第一层物理层设备,而网桥属于 OSI 的第二层数据链路层设备,也具有网络层的功能,但最重要的还是数据链路层,从工作方式来看,集线器是一种广播模式,所有端口在一个冲突域里面。

网桥的可以通过端口隔离冲突。

 

Hub是所有共享总线和共享带宽。网桥每个端口占一个带宽。

 

 

 

九、路由器(router)

交换机是无法隔断广播的,因此就也需要一种设备来隔断广播,把广播局限在一个特定范围内,这个设备就是路由器(router)。

1、路由器的作用

  • 分隔广播域
  • 选择路由表中到达目标最好的路径
  • 维护和检查路由信息
  • 连接广域网

 

 

最基本的功能就是隔断广播,路由器不仅实现了隔断广播的功能,还可以进行最优路径选择,通过路由表实现,路由表并不仅仅在路由器存在,在电脑中也存在,路由表记录的是IP地址(逻辑地址,属于网络层的设备),

可通过router-n 查看路由表,路由表组成非常重要,只有理解了路由表中的内容,才能理解通讯过程和网络架构

 

 

2、路由

把一个数据包从一个设备发送到不同网络里的另一个设备上去,这些工作依靠路由器来完成。

 

路由器只关心网络的状态和决定网络中的最佳路径,路由的实现依靠路由器中的路由表来完成

 

 

十、VLAN

使用交换机也可以隔断广播,每一层都有不同的电脑,三个部门都对应在每一层,分别不同的接口划分不同的vlan,按照端口划分,好处是vlan之间的主机不能直接通讯。

 

  • 分隔广播域
  • 安全
  • 灵活管理
  • VLAN =广播域=逻辑网络(subnet)

 

 

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