互联网协议

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参考：互联网协议入门

互联网协议

互联网的核心是一系列协议，总称为”互联网协议”（Internet Protocol Suite）。它们对电脑如何连接和组网，做出了详尽的规定。理解了这些协议，就理解了互联网的原理。

五层模型

越下面的层越靠近硬件，越上面的层越靠近用户。

每一层都有特定的功能，为了实现这些功能，就需要大家都遵守共同的规则，这些规则就叫做”协议”（protocol）。互联网的每一层，都定义了很多协议，这些协议的总称，就叫做”互联网协议”（Internet Protocol Suite）。

一.实体层

这一层主要是用物理手段将电脑与电脑连接起来，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号。

二.链接层

1.1 定义

单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？

该层在”实体层”的上方，确定了0和1的分组方式。

1.2 以太网协议

早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地，一种叫做”以太网”（Ethernet）的协议，占据了主导地位。

以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做”帧”（Frame）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。

“标头”包含数据包的一些说明项，比如发送者、接受者、数据类型等等；”数据”则是数据包的具体内容。

“标头”的长度，固定为 18 字节。”数据”的长度，最短为 46 字节，最长为 1500 字节。因此，整个”帧”最短为64字节，最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。

1.3 MAC 地址

为了标识发送者和接收者，以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有”网卡”接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这就是 MAC 地址。每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是 48 个二进制位，通常用 12 个十六进制数表示。前 6 个十六进制数是厂商编号，后 6 个是该厂商的网卡流水号。

1.4 广播

为了知道接收者网卡的MAC 地址，规定了一种叫 ARP 的协议，后面介绍。系统将数据从一块网卡到另一块网卡是通过 “广播” 的方式进行的，它不是把数据包准确送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方。

比如有 5 台计算机 ，分别为 1、2、3、4、5，1 号给 2 号发送数据包，同一个子网络的 3 号、 4 号和 5 号也会收到这个包，它们读取这个包的”标头”，找到接收方的 MAC 地址，然后与自身的 MAC 地址相比较，如果两者相同，就接受这个包，否则就丢弃这个包。

三.网络层

1.1 网络层的由来

以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一”包”，不仅效率低，而且局限在发送者所在的子网络。也就是说，如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络。

因此，必须找到一种方法，能够区分哪些 MAC 地址属于同一个子网络，哪些不是。如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用 “路由” 方式发送。（”路由”的意思，就是指如何向不同的子网络分发数据包，本文不涉及）。”网络层”的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做”网络地址”，简称”网址”。

每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起。

网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后再处理MAC地址。

1.2 IP协议

规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址。

目前，广泛采用的是IP协议第四版，简称IPv4。这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成。

习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255。

互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。比如，IP地址172.16.254.1，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（172.16.254），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的。

为了判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另一个参数”子网掩码”（subnet mask）。

所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

1.3 IP数据包

根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。我们把IP数据包直接放进以太网数据包的”数据”部分，IP数据包也分为”标头”和”数据”两个部分。”标头”部分主要包括版本、长度、IP地址等信息，”数据”部分则是IP数据包的具体内容。它放进以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样。

IP数据包的”标头”部分的长度为 20 到 60 字节，整个数据包的总长度最大为 65,535 字节。因此，理论上，一个IP数据包的”数据”部分，最长为 65,515 字节。前面说过，以太网数据包的”数据”部分，最长只有 1500 字节。因此，如果IP数据包超过了 1500 字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

1.4 ARP协议

因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以我们必须同时知道两个地址，一个是对方的MAC地址，另一个是对方的IP地址。通常情况下，对方的IP地址是已知的（后文会解释），但是我们不知道它的MAC地址。

所以，我们需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。

这里又可以分成两种情况。第一种情况，如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的”网关”（gateway），让网关去处理。

第二种情况，如果两台主机在同一个子网络，那么我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的 MAC 地址这一栏，填的是 FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个”广播”地址。它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

四.传输层

1.1 由来

有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如，你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容，还是表示在线聊天的内容？

也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做”端口”（port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。

“端口”是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。

“传输层”的功能，就是建立”端口到端口”的通信。相比之下，”网络层”的功能是建立”主机到主机”的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做”套接字”（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。

1.2 UPD协议

现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。UDP数据包，也是由”标头”和”数据”两部分组成。”标头”部分主要定义了发出端口和接收端口，”数据”部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的”数据”部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：

UDP数据包非常简单，”标头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。

1.3 TCP协议

UDP协议的优点是比较容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到。

为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。

因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的”数据”部分。TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。

五.应用层

应用程序收到”传输层”的数据后需要进行解读。”应用层”的作用就是规定应用程序的数据格式。

举例来说，TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

总结

一.实体层

作用： 物理手段将电脑与电脑连接起来。

二.链接层

作用： 确实信号的分组方式，信号的意义，即规定信号解读方式。

  1. 以太网协议，一组电信号构成一个数据包，数据包分为标头和数据。

  2. MAC 地址，标识发送者和接收者

  3. ”广播“ 方式发送数据包 ，子网络的电脑都收到数据包，自己判断是否发给自己的。

三.网络层

作用： ”广播“ 方式效率低且只能在子网络内传递，为了区分是子网络内还是子网络外，引入了网络地址（子网络内用 “广播”方式，子网络外用 “路由” 方式）。

  1. IP协议： 规定网络地址的协议，有IPv4和IPv6两种，地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。

  2. 子网掩码： 表示子网络特征的参数，为了确定是否属于同一个子网络，即确定网址的网络部分和主机部分。

  3. IP数据包： 根据IP协议发送的数据，也有标头和数据两部分，放在以太网数据包的数据部分。

  4. ARP协议： 一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。

四.传输层

作用 ： 同一台主机上有许多程序，每个程序都会分配一个端口，每个数据包都发到主机的特定端口，传输层就是实现了 “端口到端口” 的通信。

  1. UPD 协议：为了在数据包中加入端口信息而规定的协议，比较容易实现，缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到。

  2. TCP 协议：为了在数据包中加入端口信息而规定的协议，网络可靠性高，确保数据不会遗失，缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

五.应用层

作用： 规定应用程序的数据格式。