互联网协议入门-通俗易懂的讲计算机网络5层结构
轉自：http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html
http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html
這是我見過的介紹計算機網絡5層架構最清楚的講解，對于學習計算機網絡5層架構一定是不可缺少的一篇文章，相信大多數學習計算機網絡的朋友能夠通過讀這篇文章獲得意想不到的收獲。
我們每天使用互聯網，你是否想過，它是如何實現的？
全世界幾十億臺電腦，連接在一起，兩兩通信。上海的某一塊網卡送出信號，洛杉磯的另一塊網卡居然就收到了，兩者實際上根本不知道對方的物理位置，你不覺得這是很神奇的事情嗎？
互聯網的核心是一系列協議，總稱為”互聯網協議”（Internet Protocol Suite）。它們對電腦如何連接和組網，做出了詳盡的規定。理解了這些協議，就理解了互聯網的原理。
下面就是我的學習筆記。因為這些協議實在太復雜、太龐大，我想整理一個簡潔的框架，幫助自己從總體上把握它們。為了保證簡單易懂，我做了大量的簡化，有些地方并不全面和精確，但是應該能夠說清楚互聯網的原理。
一、概述
1.1 五層模型
互聯網的實現，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就像建筑物一樣，每一層都靠下一層支持。
用戶接觸到的，只是最上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要理解互聯網，必須從最下層開始，自下而上理解每一層的功能。
如何分層有不同的模型，有的模型分七層，有的分四層。我覺得，把互聯網分成五層，比較容易解釋。
如上圖所示，最底下的一層叫做”實體層”（Physical Layer），最上面的一層叫做”應用層”（Application Layer），中間的三層（自下而上）分別是”鏈接層”（Link Layer）、”網絡層”（Network Layer）和”傳輸層”（Transport Layer）。越下面的層，越靠近硬件；越上面的層，越靠近用戶。
它們叫什么名字，其實并不重要。只需要知道，互聯網分成若干層就可以了。
1.2 層與協議
每一層都是為了完成一種功能。為了實現這些功能，就需要大家都遵守共同的規則。
大家都遵守的規則，就叫做”協議”（protocol）。
互聯網的每一層，都定義了很多協議。這些協議的總稱，就叫做”互聯網協議”（Internet Protocol Suite）。它們是互聯網的核心，下面介紹每一層的功能，主要就是介紹每一層的主要協議。
二、實體層
我們從最底下的一層開始。
電腦要組網，第一件事要干什么？當然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式。
這就叫做”實體層”，它就是把電腦連接起來的物理手段。它主要規定了網絡的一些電氣特性，作用是負責傳送0和1的電信號。
三、鏈接層
3.1 定義
單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個電信號算一組？每個信號位有何意義？
這就是”鏈接層”的功能，它在”實體層”的上方，確定了0和1的分組方式。
3.2 以太網協議
早期的時候，每家公司都有自己的電信號分組方式。逐漸地，一種叫做“以太網”（Ethernet）的協議，占據了主導地位。
以太網規定，一組電信號構成一個數據包，叫做”幀”（Frame）。每一幀分成兩個部分：標頭（Head）和數據（Data）。
“標頭”包含數據包的一些說明項，比如發送者、接受者、數據類型等等；”數據”則是數據包的具體內容。
“標頭”的長度，固定為18字節。”數據”的長度，最短為46字節，最長為1500字節。因此，整個”幀”最短為64字節，最長為1518字節。如果數據很長，就必須分割成多個幀進行發送。
3.3 MAC地址
上面提到，以太網數據包的”標頭”，包含了發送者和接受者的信息。那么，發送者和接受者是如何標識呢？
以太網規定，連入網絡的所有設備，都必須具有”網卡”接口。數據包必須是從一塊網卡，傳送到另一塊網卡。網卡的地址，就是數據包的發送地址和接收地址，這叫做MAC地址。
每塊網卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的MAC地址，長度是48個二進制位，通常用12個十六進制數表示。
前6個十六進制數是廠商編號，后6個是該廠商的網卡流水號。有了MAC地址，就可以定位網卡和數據包的路徑了。
3.4 廣播
定義地址只是第一步，后面還有更多的步驟。
首先，一塊網卡怎么會知道另一塊網卡的MAC地址？
回答是有一種ARP協議，可以解決這個問題。這個留到后面介紹，這里只需要知道，以太網數據包必須知道接收方的MAC地址，然后才能發送。
其次，就算有了MAC地址，系統怎樣才能把數據包準確送到接收方？
回答是以太網采用了一種很”原始”的方式，它不是把數據包準確送到接收方，而是向本網絡內所有計算機發送，讓每臺計算機自己判斷，是否為接收方。
上圖中，1號計算機向2號計算機發送一個數據包，同一個子網絡的3號、4號、5號計算機都會收到這個包。它們讀取這個包的”標頭”，找到接收方的MAC地址，然后與自身的MAC地址相比較，如果兩者相同，就接受這個包，做進一步處理，否則就丟棄這個包。這種發送方式就叫做”廣播”（broadcasting）。
有了數據包的定義、網卡的MAC地址、廣播的發送方式，”鏈接層”就可以在多臺計算機之間傳送數據了。
四、網絡層
4.1 網絡層的由來
以太網協議，依靠MAC地址發送數據。理論上，單單依靠MAC地址，上海的網卡就可以找到洛杉磯的網卡了，技術上是可以實現的。
但是，這樣做有一個重大的缺點。以太網采用廣播方式發送數據包，所有成員人手一”包”，不僅效率低，而且局限在發送者所在的子網絡。也就是說，如果兩臺計算機不在同一個子網絡，廣播是傳不過去的。這種設計是合理的，否則互聯網上每一臺計算機都會收到所有包，那會引起災難。
互聯網是無數子網絡共同組成的一個巨型網絡，很像想象上海和洛杉磯的電腦會在同一個子網絡，這幾乎是不可能的。
因此，必須找到一種方法，能夠區分哪些MAC地址屬于同一個子網絡，哪些不是。如果是同一個子網絡，就采用廣播方式發送，否則就采用”路由”方式發送。（”路由”的意思，就是指如何向不同的子網絡分發數據包，這是一個很大的主題，本文不涉及。）遺憾的是，MAC地址本身無法做到這一點。它只與廠商有關，與所處網絡無關。
這就導致了”網絡層”的誕生。它的作用是引進一套新的地址，使得我們能夠區分不同的計算機是否屬于同一個子網絡。這套地址就叫做”網絡地址”，簡稱”網址”。
于是，”網絡層”出現以后，每臺計算機有了兩種地址，一種是MAC地址，另一種是網絡地址。兩種地址之間沒有任何聯系，MAC地址是綁定在網卡上的，網絡地址則是管理員分配的，它們只是隨機組合在一起。
網絡地址幫助我們確定計算機所在的子網絡，MAC地址則將數據包送到該子網絡中的目標網卡。因此，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網絡地址，然后再處理MAC地址。
4.2 IP協議
規定網絡地址的協議，叫做IP協議。它所定義的地址，就被稱為IP地址。
目前，廣泛采用的是IP協議第四版，簡稱IPv4。這個版本規定，網絡地址由32個二進制位組成。
習慣上，我們用分成四段的十進制數表示IP地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。
互聯網上的每一臺計算機，都會分配到一個IP地址。這個地址分成兩個部分，前一部分代表網絡，后一部分代表主機。比如，IP地址172.16.254.1，這是一個32位的地址，假定它的網絡部分是前24位（172.16.254），那么主機部分就是后8位（最后的那個1）。處于同一個子網絡的電腦，它們IP地址的網絡部分必定是相同的，也就是說172.16.254.2應該與172.16.254.1處在同一個子網絡。
但是，問題在于單單從IP地址，我們無法判斷網絡部分。還是以172.16.254.1為例，它的網絡部分，到底是前24位，還是前16位，甚至前28位，從IP地址上是看不出來的。
那么，怎樣才能從IP地址，判斷兩臺計算機是否屬于同一個子網絡呢？這就要用到另一個參數”子網掩碼”（subnet mask）。
所謂”子網掩碼”，就是表示子網絡特征的一個參數。它在形式上等同于IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分全部為1，主機部分全部為0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知網絡部分是前24位，主機部分是后8位，那么子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。
知道”子網掩碼”，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），然后比較結果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網絡中，否則就不是。
比如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子網掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網絡？兩者與子網掩碼分別進行AND運算，結果都是172.16.254.0，因此它們在同一個子網絡。
總結一下，IP協議的作用主要有兩個，一個是為每一臺計算機分配IP地址，另一個是確定哪些地址在同一個子網絡。
4.3 IP數據包
根據IP協議發送的數據，就叫做IP數據包。不難想象，其中必定包括IP地址信息。
但是前面說過，以太網數據包只包含MAC地址，并沒有IP地址的欄位。那么是否需要修改數據定義，再添加一個欄位呢？
回答是不需要，我們可以把IP數據包直接放進以太網數據包的”數據”部分，因此完全不用修改以太網的規格。這就是互聯網分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構。
具體來說，IP數據包也分為”標頭”和”數據”兩個部分。
“標頭”部分主要包括版本、長度、IP地址等信息，”數據”部分則是IP數據包的具體內容。它放進以太網數據包后，以太網數據包就變成了下面這樣。
IP數據包的”標頭”部分的長度為20到60字節，整個數據包的總長度最大為65,535字節。因此，理論上，一個IP數據包的”數據”部分，最長為65,515字節。前面說過，以太網數據包的”數據”部分，最長只有1500字節。因此，如果IP數據包超過了1500字節，它就需要分割成幾個以太網數據包，分開發送了。
4.4 ARP協議
關于”網絡層”，還有最后一點需要說明。
因為IP數據包是放在以太網數據包里發送的，所以我們必須同時知道兩個地址，一個是對方的MAC地址，另一個是對方的IP地址。通常情況下，對方的IP地址是已知的（后文會解釋），但是我們不知道它的MAC地址。
所以，我們需要一種機制，能夠從IP地址得到MAC地址。
這里又可以分成兩種情況。第一種情況，如果兩臺主機不在同一個子網絡，那么事實上沒有辦法得到對方的MAC地址，只能把數據包傳送到兩個子網絡連接處的”網關”（gateway），讓網關去處理。
第二種情況，如果兩臺主機在同一個子網絡，那么我們可以用ARP協議，得到對方的MAC地址。ARP協議也是發出一個數據包（包含在以太網數據包中），其中包含它所要查詢主機的IP地址，在對方的MAC地址這一欄，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示這是一個”廣播”地址。它所在子網絡的每一臺主機，都會收到這個數據包，從中取出IP地址，與自身的IP地址進行比較。如果兩者相同，都做出回復，向對方報告自己的MAC地址，否則就丟棄這個包。
總之，有了ARP協議之后，我們就可以得到同一個子網絡內的主機MAC地址，可以把數據包發送到任意一臺主機之上了。
五、傳輸層
5.1 傳輸層的由來
有了MAC地址和IP地址，我們已經可以在互聯網上任意兩臺主機上建立通信。
接下來的問題是，同一臺主機上有許多程序都需要用到網絡，比如，你一邊瀏覽網頁，一邊與朋友在線聊天。當一個數據包從互聯網上發來的時候，你怎么知道，它是表示網頁的內容，還是表示在線聊天的內容？
也就是說，我們還需要一個參數，表示這個數據包到底供哪個程序（進程）使用。這個參數就叫做”端口”（port），它其實是每一個使用網卡的程序的編號。每個數據包都發到主機的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的數據。
“端口”是0到65535之間的一個整數，正好16個二進制位。0到1023的端口被系統占用，用戶只能選用大于1023的端口。不管是瀏覽網頁還是在線聊天，應用程序會隨機選用一個端口，然后與服務器的相應端口聯系。
“傳輸層”的功能，就是建立”端口到端口”的通信。相比之下，”網絡層”的功能是建立”主機到主機”的通信。只要確定主機和端口，我們就能實現程序之間的交流。因此，Unix系統就把主機+端口，叫做”套接字”（socket）。有了它，就可以進行網絡應用程序開發了。
5.2 UDP協議
現在，我們必須在數據包中加入端口信息，這就需要新的協議。最簡單的實現叫做UDP協議，它的格式幾乎就是在數據前面，加上端口號。
UDP數據包，也是由”標頭”和”數據”兩部分組成。
“標頭”部分主要定義了發出端口和接收端口，”數據”部分就是具體的內容。然后，把整個UDP數據包放入IP數據包的”數據”部分，而前面說過，IP數據包又是放在以太網數據包之中的，所以整個以太網數據包現在變成了下面這樣：
UDP數據包非常簡單，”標頭”部分一共只有8個字節，總長度不超過65,535字節，正好放進一個IP數據包。
5.3 TCP協議
UDP協議的優點是比較簡單，容易實現，但是缺點是可靠性較差，一旦數據包發出，無法知道對方是否收到。
為了解決這個問題，提高網絡可靠性，TCP協議就誕生了。這個協議非常復雜，但可以近似認為，它就是有確認機制的UDP協議，每發出一個數據包都要求確認。如果有一個數據包遺失，就收不到確認，發出方就知道有必要重發這個數據包了。
因此，TCP協議能夠確保數據不會遺失。它的缺點是過程復雜、實現困難、消耗較多的資源。
TCP數據包和UDP數據包一樣，都是內嵌在IP數據包的”數據”部分。TCP數據包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網絡的效率，通常TCP數據包的長度不會超過IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包不必再分割。
六、應用層
應用程序收到”傳輸層”的數據，接下來就要進行解讀。由于互聯網是開放架構，數據來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。
“應用層”的作用，就是規定應用程序的數據格式。
舉例來說，TCP協議可以為各種各樣的程序傳遞數據，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了”應用層”。
這是最高的一層，直接面對用戶。它的數據就放在TCP數據包的”數據”部分。因此，現在的以太網的數據包就變成下面這樣。
至此，整個互聯網的五層結構，自下而上全部講完了。這是從系統的角度，解釋互聯網是如何構成的。
七、一個小結
先對前面的內容，做一個小結。
我們已經知道，網絡通信就是交換數據包。電腦A向電腦B發送一個數據包，后者收到了，回復一個數據包，從而實現兩臺電腦之間的通信。數據包的結構，基本上是下面這樣：
發送這個包，需要知道兩個地址：
* 對方的MAC地址
* 對方的IP地址
有了這兩個地址，數據包才能準確送到接收者手中。但是，前面說過，MAC地址有局限性，如果兩臺電腦不在同一個子網絡，就無法知道對方的MAC地址，必須通過網關（gateway）轉發。
上圖中，1號電腦要向4號電腦發送一個數據包。它先判斷4號電腦是否在同一個子網絡，結果發現不是（后文介紹判斷方法），于是就把這個數據包發到網關A。網關A通過路由協議，發現4號電腦位于子網絡B，又把數據包發給網關B，網關B再轉發到4號電腦。
1號電腦把數據包發到網關A，必須知道網關A的MAC地址。所以，數據包的目標地址，實際上分成兩種情況：
發送數據包之前，電腦必須判斷對方是否在同一個子網絡，然后選擇相應的MAC地址。接下來，我們就來看，實際使用中，這個過程是怎么完成的。
八、用戶的上網設置
8.1 靜態IP地址
你買了一臺新電腦，插上網線，開機，這時電腦能夠上網嗎？
通常你必須做一些設置。有時，管理員（或者ISP）會告訴你下面四個參數，你把它們填入操作系統，計算機就能連上網了：
* 本機的IP地址
* 子網掩碼
* 網關的IP地址
* DNS的IP地址
下圖是Windows系統的設置窗口。
這四個參數缺一不可，后文會解釋為什么需要知道它們才能上網。由于它們是給定的，計算機每次開機，都會分到同樣的IP地址，所以這種情況被稱作”靜態IP地址上網”。
但是，這樣的設置很專業，普通用戶望而生畏，而且如果一臺電腦的IP地址保持不變，其他電腦就不能使用這個地址，不夠靈活。出于這兩個原因，大多數用戶使用”動態IP地址上網”。
8.2 動態IP地址
所謂”動態IP地址”，指計算機開機后，會自動分配到一個IP地址，不用人為設定。它使用的協議叫做DHCP協議。
這個協議規定，每一個子網絡中，有一臺計算機負責管理本網絡的所有IP地址，它叫做”DHCP服務器”。新的計算機加入網絡，必須向”DHCP服務器”發送一個”DHCP請求”數據包，申請IP地址和相關的網絡參數。
前面說過，如果兩臺計算機在同一個子網絡，必須知道對方的MAC地址和IP地址，才能發送數據包。但是，新加入的計算機不知道這兩個地址，怎么發送數據包呢？
DHCP協議做了一些巧妙的規定。
8.3 DHCP協議
首先，它是一種應用層協議，建立在UDP協議之上，所以整個數據包是這樣的：
（1）最前面的”以太網標頭”，設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP服務器）的MAC地址。前者就是本機網卡的MAC地址，后者這時不知道，就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
（2）后面的”IP標頭”，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，對于這兩者，本機都不知道。于是，發出方的IP地址就設為0.0.0.0，接收方的IP地址設為255.255.255.255。
（3）最后的”UDP標頭”，設置發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。
這個數據包構造完成后，就可以發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每臺計算機都收到了這個包。因為接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，所以每臺收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP地址，才能確定是不是發給自己的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服務器知道”這個包是發給我的”，而其他計算機就可以丟棄這個包。
接下來，DHCP服務器讀出這個包的數據內容，分配好IP地址，發送回去一個”DHCP響應”數據包。這個響應包的結構也是類似的，以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的端口是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地址和本網絡的具體參數則包含在Data部分。
新加入的計算機收到這個響應包，于是就知道了自己的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等等參數。
8.4 上網設置：小結
這個部分，需要記住的就是一點：不管是”靜態IP地址”還是”動態IP地址”，電腦上網的首要步驟，是確定四個參數。這四個值很重要，值得重復一遍：
* 本機的IP地址
* 子網掩碼
* 網關的IP地址
* DNS的IP地址
有了這幾個數值，電腦就可以上網”沖浪”了。接下來，我們來看一個實例，當用戶訪問網頁的時候，互聯網協議是怎么運作的。
九、一個實例：訪問網頁
9.1 本機參數
我們假定，經過上一節的步驟，用戶設置好了自己的網絡參數：
* 本機的IP地址：192.168.1.100
* 子網掩碼：255.255.255.0
* 網關的IP地址：192.168.1.1
* DNS的IP地址：8.8.8.8
然后他打開瀏覽器，想要訪問Google，在地址欄輸入了網址：www.google.com。
這意味著，瀏覽器要向Google發送一個網頁請求的數據包。
9.2 DNS協議
我們知道，發送數據包，必須要知道對方的IP地址。但是，現在，我們只知道網址www.google.com，不知道它的IP地址。
DNS協議可以幫助我們，將這個網址轉換成IP地址。已知DNS服務器為8.8.8.8，于是我們向這個地址發送一個DNS數據包（53端口）。
然后，DNS服務器做出響應，告訴我們Google的IP地址是172.194.72.105。于是，我們知道了對方的IP地址。
9.3 子網掩碼
接下來，我們要判斷，這個IP地址是不是在同一個子網絡，這就要用到子網掩碼。
已知子網掩碼是255.255.255.0，本機用它對自己的IP地址192.168.1.100，做一個二進制的AND運算（兩個數位都為1，結果為1，否則為0），計算結果為192.168.1.0；然后對Google的IP地址172.194.72.105也做一個AND運算，計算結果為172.194.72.0。這兩個結果不相等，所以結論是，Google與本機不在同一個子網絡。
因此，我們要向Google發送數據包，必須通過網關192.168.1.1轉發，也就是說，接收方的MAC地址將是網關的MAC地址。
9.4 應用層協議
瀏覽網頁用的是HTTP協議，它的整個數據包構造是這樣的：
HTTP部分的內容，類似于下面這樣：
GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: … …
我們假定這個部分的長度為4960字節，它會被嵌在TCP數據包之中。
9.5 TCP協議
TCP數據包需要設置端口，接收方（Google）的HTTP端口默認是80，發送方（本機）的端口是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定為51775。
TCP數據包的標頭長度為20字節，加上嵌入HTTP的數據包，總長度變為4980字節。
9.6 IP協議
然后，TCP數據包再嵌入IP數據包。IP數據包需要設置雙方的IP地址，這是已知的，發送方是192.168.1.100（本機），接收方是172.194.72.105（Google）。
IP數據包的標頭長度為20字節，加上嵌入的TCP數據包，總長度變為5000字節。
9.7 以太網協議
最后，IP數據包嵌入以太網數據包。以太網數據包需要設置雙方的MAC地址，發送方為本機的網卡MAC地址，接收方為網關192.168.1.1的MAC地址（通過ARP協議得到）。
以太網數據包的數據部分，最大長度為1500字節，而現在的IP數據包長度為5000字節。因此，IP數據包必須分割成四個包。因為每個包都有自己的IP標頭（20字節），所以四個包的IP數據包的長度分別為1500、1500、1500、560。
9.8 服務器端響應
經過多個網關的轉發，Google的服務器172.194.72.105，收到了這四個以太網數據包。
根據IP標頭的序號，Google將四個包拼起來，取出完整的TCP數據包，然后讀出里面的”HTTP請求”，接著做出”HTTP響應”，再用TCP協議發回來。
本機收到HTTP響應以后，就可以將網頁顯示出來，完成一次網絡通信。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的互联网协议入门-通俗易懂的讲计算机网络5层结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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