模块 3：协议和模型

第一次课、第二次课

  • 3.1 规则（网络通信的基础逻辑）
    • 通信三要素（通用适用于人际 + 计算机通信）
      • 源（发送方）：发起并发送消息的主体，人际沟通为说话人 / 写信人，计算机通信为发送数据的主机
      • 通道（传输介质）：消息传输的路径 / 载体，人际沟通为空气 / 电话线路 / 纸张，计算机通信为网线 / 无线电波（WiFi）/ 光纤
      • 目的（接收方）：接收并解释消息的主体，人际沟通为听话人 / 收信人，计算机通信为接收数据的目标主机
    • 成功通信的五大规则（协议核心要素）
      • 消息编码：将 “思想 / 数据” 转为可传输形式（解码为逆向过程），人际类比为语言转换，计算机通信为数据→比特位→电 / 光信号，接收方解码还原
      • 消息格式和封装：消息固定结构 + 外层包装（解封为逆向），人际类比为 “正文 + 信封”，计算机通信为数据→帧（含源 / 目的地址），以太网帧为核心封装单位
      • 消息大小：拆分长消息为易传输片段，人际类比为短句交流，计算机通信中以太网帧限制 64~1518 字节，目的主机需重组片段
      • 消息时序：约定发送时机、速度、超时规则，人际类比为不抢话 / 语速适中 / 超时重试，计算机通信含访问方法（避冲突）、流量控制（调速度）、响应超时（设等待时长）
      • 消息传输选项：消息发送范围，人际类比为一对一 / 多人群聊，计算机通信含单播（一对一）、组播（一对一组）、广播（一对所有）
  • 3.2-3.4 协议、协议簇、标准组织
    • 协议（规则的具体化标准）
      • 定义：设备间交换消息的 “通用格式 + 规则集合”，是 3.1 “五大规则” 的落地标准
      • 核心作用：解决不同厂商、设备的 “沟通障碍”，确保互通性
      • 常用实例：HTTP（网页访问）、FTP（文件传输）、TCP（可靠传输）、IP（地址定位）
    • 协议簇（协议的 “功能组合套餐”）
      • 定义：执行特定通信功能的 “一组内在相关协议”，呈分层结构，上层依赖下层
      • 分层逻辑：上层处理消息内容（“说什么”），下层负责数据传输（“怎么传”）
      • 简单类比（面对面通信）：顶层（内容层）为说话内容，中间（规则层）为通用语言 / 等待回应，底层（物理层）为声音传递
    • 标准组织（协议的 “制定与推广方”）
      • 核心属性：中立、非营利，保障协议通用性和互操作性
      • 关键组织及职责：
        • ISOC（Internet 协会）：推进 Internet 开放式开发和全球使用
        • IAB（互联网架构委员会）：管理 Internet 标准整体发展方向
        • IETF（互联网工程任务组）：开发 / 更新 TCP/IP 技术，产出 RFC 文档（如 HTTP 对应 RFC 1945）
        • ICANN：全球 IP 地址分配、域名管理、端口号分配
        • IEEE：制定网络介质标准（IEEE 802.3 以太网、IEEE 802.11 WiFi）
        • EIA/TIA：制定网线制作标准（EIA/TIA 568A/B）
        • ITU-T：制定视频压缩、宽带通信标准（DSL、IPTV）
  • 3.5 参考模型（网络通信的分层框架）
    • 核心概念
      • 模型本质：描述网络功能的 “通用语言”，非实际设备
      • 分层优点：各层独立（一层变化不影响其他层）、促进厂商兼容、简化协议设计
    • OSI 模型（七层，从下到上 1-7 层）
      • 第 7 层（应用层）：用户应用与网络的接口，提供具体服务，类比 “经理（读写信件内容）”，关键技术为 HTTP、FTP、DNS、DHCP
      • 第 6 层（表示层）：协商数据交换格式（编码 / 加密），类比 “助理（修改信件格式）”
      • 第 5 层（会话层）：建立 / 管理通信连接，类比 “秘书（写信封 / 拆信封）”
      • 第 4 层（传输层）：端到端可靠传输（分段 / 重组 / 纠错），类比 “司机（送信）”，关键技术为 TCP、UDP
      • 第 3 层（网络层）：逻辑编址（IP）、跨网络路由，类比 “邮局分拣人员（分信件）”，关键技术为 IP、ICMP
      • 第 2 层（数据链路层）：访问网络介质、MAC 地址通信，类比 “装拆箱人员（打包 / 拆包）”，关键技术为以太网帧、PPP
      • 第 1 层（物理层）：比特流转物理信号（电 / 光 / 波），类比 “搬运人员（运包裹）”，关键技术为网线、光纤
    • TCP/IP 模型（四层，从下到上）
      • 应用层：为终端应用提供服务，关键技术为 HTTP、FTP、DNS，对应 OSI 5-7 层
      • 传输层：端到端可靠传输（分段 / 重组），关键技术为 TCP、UDP，对应 OSI 4 层
      • 互联网层：逻辑编址（IP）、跨网络路由，关键技术为 IP、ICMP，对应 OSI 3 层
      • 网络接入层：控制物理硬件和介质，传输比特流，关键技术为以太网、WiFi，对应 OSI 1-2 层
    • 两大模型的异同
      • 相同点：均为分层框架，核心逻辑为 “上层处理内容、下层负责传输”，用于描述网络功能
      • 不同点：OSI 7 层（功能细分）、TCP/IP 4 层（简洁实用）；OSI 详细规定底层传输，TCP/IP 不指定具体物理协议；OSI 细分上层，TCP/IP 整合为应用层；OSI 适用于底层技术讨论，TCP/IP 适用于实际网络部署
      • 注：在提及 TCP/IP 模型的各层时只使用其名称，而提及 OSI 模型的七层时则通常使用其编号
  • 3.6 数据封装（网络数据的 “打包与拆包”）
    • 核心概念：协议数据单元（PDU）
      • 定义：数据在任意协议层的表示形式，每层 PDU 有特定名称，随封装过程变化
      • 各层 PDU 名称：应用层（报文 / 消息）→传输层（数据段）→网络层（数据包）→数据链路层（数据帧）→物理层（比特流）
    • 封装过程（发送方，自上而下）
      • 流程：应用层用户数据→传输层添加传输报头（含端口号）→网络层添加网络报头（含 IP 地址）→数据链路层添加帧头 / 帧尾（含 MAC 地址）→物理层转为比特流传输
      • 目的：每层添加控制信息（地址、校验码等），确保数据准确传输，类比 “信件装信封、打包成包裹”
    • 解封装过程（接收方，自下而上）
      • 流程：物理层比特流→数据链路层剥离帧头 / 帧尾→网络层剥离网络报头→传输层剥离传输报头→应用层获取原始用户数据
      • 目的：逐层去除控制信息，提取核心数据，类比 “拆包裹、拆信封取信件”
  • 3.7 数据访问（网络通信的核心场景）
    • 核心前提：网络通信的两大基础
      • 协议标准化：本地网络设备需使用同一协议（以太网为事实标准），IEEE 802.3（以太网）、IEEE 802.11（WiFi）为关键标准
      • 地址标识：主机需同时具备 MAC 地址（物理标识）和 IP 地址（逻辑位置标识），类比 “人名 + 住址”
    • 场景一：同一网络内部通信
      • 核心设备：交换机（接入层设备）
      • 通信逻辑：依赖 MAC 地址和 ARP 协议，无需路由器转发
      • 关键步骤：源主机通过 ARP 获取目的主机 MAC 地址→封装数据帧（含源 / 目的 MAC）→交换机通过 MAC 地址表转发帧→目的主机接收并解封装
    • 场景二：不同网络之间通信
      • 核心设备：路由器（分布层设备）
      • 通信逻辑：依赖 IP 地址、路由表和默认网关，需路由器中转
      • 关键步骤：源主机判断目的网络不同→将数据帧发送至默认网关（路由器接口）→路由器通过路由表转发数据包→经多跳路由器抵达目的网络→目的网络内通过交换机和 ARP 交付主机
    • 通信过程中地址变化规律
      • 不变：源 IP 地址和目的 IP 地址（始终为原始发送方和最终接收方）
      • 变化：源 MAC 地址和目的 MAC 地址（每经过一段链路，更新为当前链路的源 / 目的设备 MAC）
      • 类比：快递（IP = 收发地址，MAC = 各段运输节点的标识）