软件设计师考试 | 第十章网络与信息安全基础知识 | 网络的协议与标准

た入场券 2022-10-17 13:50 99阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  （一）网络的标准
     *   *  1. 电信标准
         *  2. 国际标准
         *  3. Internet标准
     *  （二）局域网协议
     *   *  1. LAN模型
         *   *  （1）物理层
             *  （2）MAC
             *  （3）LLC
         *  2. 以太网（IEEE 802.3标准）
         *   *  （1）介质访问技术
             *  （2）IEEE 802.3——10Mbps 以太网
             *  （3）IEEE 802.3u——100Mbps 快速以太网
             *  （4）IEEE 802.3z——1000Mbps 千兆以太网
         *  3. 令牌环网（IEEE 802.5）
         *  4. FDDI
         *  5. 无线局域网（CSMA/CA）
     *  （三）广域网协议
     *   *  1. 点对点协议（PPP）
         *  2. 数字用户线（xDSL）
         *  3. 数字专线
         *  4. 帧中继
         *  5. 异步传输模式
         *  6. X.25 协议
     *  （四）TCP/IP协议族
     *   *  1. TCP/IP分层模型
         *  2. 网络接口层协议
         *  3. 网际层协议——IP
         *  4. ARP和RARP
         *  5. 网际层协议——ICMP
         *  6. 传输层协议——TCP
         *  7. 传输层协议——UDP
         *  8. 应用层协议

计算机之间要想实现通信，就必须具有相同的语言，在计算机网络中称为协议（或规程）。

协议指的是网络中的计算机与计算机进行通信时，为了能够实现数据的正常发送与接收必须要遵循一些事先约定好的规则，在这些规程中明确规定了通信时的数据格式、数据传送示序以及相应的控制信息和应答信号等内容。

## （一）网络的标准 ##

### 1. 电信标准 ###

`1865`年成立国际电信联盟（`ITU`），`1947`年`ITU`成为联合国的一个组织，它由以下三部分组成：

*  `ITU-R`：无线通信部门
 *  `ITU-T`：电信标准部门
 *  `ITU-D`：开发部门

已经公布并使用的重要的标准如下：

*  `V`系列，主要针对调制解调器的标准
 *  `X`系列，应用于广域网

### 2. 国际标准 ###

**其他标准组织：**

*  `ANSI`：美国国家标准研究所
 *  `NIST`：美国国家标准和技术研究所
 *  `IEEE`：电气和电子工程师协会
 *  `EIA`：电子工业协会

### 3. Internet标准 ###

特点是自发而非政府干预的，管理松散，每个分网络均由各自分别管理，目前已组成了一个民间性质的协会`ISOC`进行必要的协调与管理。

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## （二）局域网协议 ##

### 1. LAN模型 ###

在`IEEE 802`局域网（`LAN`）标准中只定义了物理层和数据链路层两层，并根据`LAN`的特点把数据链路层分成逻辑链路控制（`LLC`）子层和介质访问控制（`MAC`）子层，还加强了数据链路层的功能，把网络层中的寻址、排序、流控和差错控制等功能放在`LLC`子层来实现。

下图为`LAN`协议的层次及与`OSI/RM`参考模型的对应关系：  
![LAN层次与OSI/RM的对应关系][LAN_OSI_RM]

#### （1）物理层 ####

主要处理在物理链路上发送、传递和接收非结构化的比特流，包括对宽带的频道分配和对基带的信号调制、建立、维持、撤销物理链路，处理机械的、电气的和过程的特性。

特点是可以采用一些特殊的通信媒体，在信息组成的格式上可以有多种。

#### （2）MAC ####

主要功能是控制对传输介质的访问，`MAC`与网络的具体拓扑方式以及传输介质的类型有关，主要是介质的访问控制和对信道资源的分配。

`MAC`层还实现帧的寻址和识别，完成帧检测序列产生和检验等功能。

#### （3）LLC ####

**可提供两种控制类型：**

*  面向连接服务  
    能提供可靠的信道。
 *  非连接服务  
    提供的主要功能是数据帧的封装和拆除，为高层提供网络服务的逻辑接口，能够实现差错控制和流量控制。

### 2. 以太网（IEEE 802.3标准） ###

**以太网的三种类型：**

*  `IEEE 802.3`中定义的标准局域网，速度为`10Mbps`，传输介质为细同轴电缆
 *  `IEEE 802.3u`中定义的快速以太网，速度为`100Mbps`，传输介质为双绞线
 *  `IEEE 802.3z`中定义的千兆以太网，速度为`1000Mbps`，传输介质为光纤或双绞线

#### （1）介质访问技术 ####

**工作过程：**

*  先侦听信道，如果信道空闲，则发送；如果信道忙，则继续侦听，直到信道空闲时立即发送。
 *  开始发送后再进行一段时间的检测，方法是边发送边接收，并将收、发信息相比较，若结果不同，表明发送的信息遇到碰撞，于是立即停止发送，并向总线上发出一串阻塞信号，通知信道上各站冲突已发生。
 *  已发出信息的各站收到阻塞信号后，等待一段随机时间，等待时间最短的站将重新获得信道，可重新发送。

#### （2）IEEE 802.3——10Mbps 以太网 ####

IEEE 802.3——10Mbps 以太网定义过`10Base 5`、`10Base 2`、`10Base-T`和`10Base-F`等几种。

#### （3）IEEE 802.3u——100Mbps 快速以太网 ####

IEEE 802.3u——100Mbps 快速以太网可分为`100BaseTX`、`100BaseFX`和`100BaseT4`三种。

#### （4）IEEE 802.3z——1000Mbps 千兆以太网 ####

IEEE 802.3z对介质访问控制层规范进行了重新定义，以维持适当的网络传输距离。

在物理层，千兆以太网支持以下三种传输介质：

*  光纤系统
 *  宽带同轴电缆系统
 *  `5`类`UTP`电缆

### 3. 令牌环网（IEEE 802.5） ###

令牌环是环型网中最普遍采用的介质访问控制方法，它适用于环型网络结构的分布式介质访问控制，其流行性仅次于以太网。

令牌环网的传输介质主要是屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两种，拓扑结构有环型、星型和总线型。

`IEEE 802.5`的介质访问使用的是令牌环控制技术，工作过程为：首先，令牌环网在网络中传递一个很小的帧，称为“令牌”，只有拥有令牌环的工作站才有权力发送消息；令牌在网络上依次顺序传递，当工作站要发送数据时等待捕获一个空令牌，将要发送的信息附加到后边，发往下一站，如此直到目标站，然后将令牌释放；工作站要发送数据时，如果经过的令牌不是空的，则等待令牌释放。

### 4. FDDI ###

`FDDI`（光纤分布式数据接口）类似令牌环网的协议，它用光纤作为传输介质，数据传输速度可达到`100Mbps`，环路长度可扩展到`200km`，连接的站点数可以达到`1000`个。

`FDDI`采用一种新的编码技术，称为`4B/5B`编码，即每次对四位数据进行编码。每四位数据编码成五位符号，用光信号的存在或不存在来代表五位符号中的每一位是`1`还是`0`。

### 5. 无线局域网（CSMA/CA） ###

无线局域网使用的是带冲突避免的载波侦听多路访问方法（`CSMA/CA`）。

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## （三）广域网协议 ##

广域网通常是指覆盖范围大、传输速率低、以数据通信为主要目的的数据通信网。

### 1. 点对点协议（PPP） ###

点对点协议主要用于“拨号上网”这种广域连接模式。

优点是简单、具备用户验证能力、可以解决`IP`分配等。

### 2. 数字用户线（xDSL） ###

`xDSL`是各种数字用户线的统称，根据各种宽带通信业务需要，目前还有`DSL`技术和产品，例如`ADSL`（不对称数字用户线）、`SDSL`（单对线数字用户环路）、`IDSL`（`ISDN`用的数字用户线）、`RADSL`（速率自适应非对称型数字用户线）、`VDSL`（甚高速数字用户线）等。

### 3. 数字专线 ###

数字数据网（`DDN`）是采用数字传输信道传输数据信号的通信网，可提供点对点、点对多点透明传输的数据专线出租电路，为用户传输数据、图像和声音等信息。

### 4. 帧中继 ###

帧中继（`FR`）是在用户网络接口之间提供用户信息流的双向传送，并保持顺序不变的一种承载业务。

用户信息以帧为单位进行传输，并对用户信息流进行统计复用。

### 5. 异步传输模式 ###

异步传输模式（`ATM`）是`B-ISDN`的关键核心技术，它是一种面向分组的快速分组交换模式，使用了异步时分复用技术，将信息流分割成固定长度的信元。

### 6. X.25 协议 ###

`X.25`在本地`DTE`和远程`DTE`之间提供一个全双工、同步的透明信道，并定义了三个相互独立的控制层：物理层、数据链路层和分组层，它们分别对应于`ISO/OSI`的物理层、链路层和网络层。如下图所示：  
![X.25层次模型][X.25]

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## （四）TCP/IP协议族 ##

**`TCP/IP`的特性：**

*  逻辑编址  
    在`Internet`中，为每台连入因特网的计算机分配一个逻辑地址，这个逻辑地址被称为`IP`地址。
 *  路由选择  
    在`TCP/IP`中包含了专门用于定义路由器如何选择网络路径的协议，即`IP`数据包的路由选择。
 *  域名解析  
    将域名映射为`IP`地址的操作称为域名解析。域名具有较稳定的特点，而`IP`地址较易发生变化。
 *  错误检测和流量控制  
    `TCP/IP`具有分组交换确保数据信息在网络上可靠传递的特性，这些特性包括检测数据信息的传输错误，确认已传递的数据信息已被成功地接收，监测网络系统中的信息流量，防止出现网络拥塞。
 *  对应用程序的支持

### 1. TCP/IP分层模型 ###

![TCP/IP模型与OSI模型的对比][TCP_IP_OSI]

**\`TCP/IP分层模型由四个层次构成：**

*  应用层  
    在分层模型的最高层，用户调用应用程序来访问`TCP/IP`互连网络。
 *  传输层  
    基本任务是提供应用程序之间的通信服务，这种通信又称端到端的通信。
 *  网际层  
    又称`IP`层，主要处理机器之间的通信问题。它接收传输层请求，传输某个具有目的地址信息的分组。
 *  网络接口层  
    又称数据链路层，处于`TCP/IP`协议层之下，负责接收`IP`数据包，并把数据通过选定的网络发送出去。

### 2. 网络接口层协议 ###

`TCP/IP`协议不包含具体的物理层和数据链路层，只定义了网络接口层作为物理层与网络层的接口规范。

物理层可以是广域网，也可以是局域网。任何物理网络只要按照这个接口规开发网络接口驱动程序，就能够与`TCP/IP`协议集成起来。

网络接口层处在`TCP/IP`协议的最底层，主要负责管理为物理网络准备数据所需的全部服务程序和功能。

### 3. 网际层协议——IP ###

网际层是整个`TCP/IP`协议族的重点。在网际层定义的协议除了`IP`外，还有`ICMP`、`ARP`和`RARP`等几个重要的协议。

`IP`提供的服务包括：

*  无连接的  
    指没有确定目标系统在已做好接收数据准备之前就发送数据。
 *  不可靠的  
    指目的系统不对成功接收的分组进行确认，`IP`只是尽可能地使数据传输成功。

由于`IP`只提供无连接、不可靠的服务，所以把差错检测和流量控制之类的服务授权给了其他的各层协议，这正是`TCP/IP`可以高效工作的一个重要保证。

`IP`的主要功能包括将上层数据（如`TCP`、`UDP`数据）或同层的其他数据（如`ICMP`数据）封装到`IP`数据中；将`IP`数据包传送到最终目的地；为了使数据能够在链路层上进行传输，对数据进行分段；确定数据包到达其他网络中的目的地的路径。

### 4. ARP和RARP ###

地址解析协议（`ARP`）和反地址解析协议（`RARP`）是驻留在网际层中的另一个重要协议。

`ARP`的作用是将`IP`地址转换为物理地址，`RARP`的作用是将物理地址转换为`IP`地址。

### 5. 网际层协议——ICMP ###

`Internet`控制信息协议（`ICMP`）是网际层的另一个比较重要的协议。

由于`IP`传送的数据包可能丢失、重复、延迟或乱序，因此`IP`需要一种避免差错并在发生差错时报告的机制，`ICMP`就是一个专门用于发送差错报文的协议。

`ICMP`定义了五种差错报文：

*  源抑制
 *  超时
 *  目的不可达
 *  重定向
 *  要求分段

四种信息报文：

*  回应请求
 *  回应应答
 *  地址屏蔽码请求
 *  地址屏蔽码应答

著名的`ping`工具就是利用`ICMP`报文进行目标是否可达测试。

### 6. 传输层协议——TCP ###

`TCP`（传输控制协议）是整个`TCP/IP`协议族中最重要的协议之一。它在`IP`提供的不可靠数据服务的基础上为应用程序提供了一个可靠的、面向连接的、全双工的数据传输服务。

`TCP`是采用重发技术来实现可靠性的。具体来说，在`TCP`传输过程中，发送方启动一个定时器，然后将数据包发出，当接收方收到了这个信息时就给发送方一个确认信息。如果发送方在定时器到点之前没有收到这个确认信息，就重新发送这个数据包。

利用`TCP`在源主机和目的主机之间建立和关闭连接操作时，均需要通过三次握手来确认建立和关闭是否成功。三次握手方式如下图所示：  
![TCP建立连接的三次握手过程][TCP]

### 7. 传输层协议——UDP ###

用户数据报协议（`UDP`）是一种不可靠的、无连接的协议，可以保证应用程序进程间的通信。

`UDP`是一种无连接的协议，它的错误检测功能要弱得多。可以这么说，`TCP`有助于提供可靠性，而`UDP`有助于提高传输的高速率性。

`UDP`协议软件的主要作用是将`UDP`消息展示给应用层，它并不负责重新发送丢失的或出错的数据消息，不对接收到的无序`IP`数据包重新排序，不消除重复的`IP`数据报，不对已收到的数据报进行确认，也不负责建立或终止连接。

### 8. 应用层协议 ###

应用层的协议有`NFS`、`Telnet`、`SMTP`、`DNS`、`SNMP`和`FTP`等。

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[LAN_OSI_RM]: /images/20221014/81a3a79b05e04356b3edd8880669d4ba.png
[X.25]: /images/20221014/e53d0455a1c34ce1862286d247c4a266.png
[TCP_IP_OSI]: /images/20221014/c9715b86aaa24cf489f7c4fd5e8102e1.png
[TCP]: /images/20221014/6cbd8f2a16964f18b19121f71d5f0cba.png