快速入门互联网协议

Posted 2020-09-08 张柯宇

我们一定都听过互联网协议，可以互联网协议是什么呢？

　　互联网的核心是一系列的协议，该协议称为互联网协议（Internet Protocal Suite）。互联网协议大体上可以分为五层。

　　　　1.应用层（Application Layer）

　　　　2.传输层（Transport Layer）

　　　　3.网络层（Network Layer）

　　　　4.链接层（Link Layer）

　　　　5.实体层（Physical Layer）　　

    首先，大家先接受以下几点：

• 越靠近上面的层，越接近用户；越靠近下面的层，越接近硬件。
• 每一层都是为了完成某种特定的功能，为了实现这些功能，需要大家共同遵守相同的协议。
• 互联网每一层都有很多协议，这些协议的总称，称为互联网协议。

 

第一部分：实体层

　　刚刚我们说过，越靠下的层越接近硬件，这里就是这样的。实体层即把电脑连接起来的物理手段。我们知道，电脑如果要联网，我们需要将各电脑用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式链接起来。这便是实体层。它的主要作用是负责传输0和1的电信号。

第二部分：链接层

　　A.显然，单单由实体层完成的任务（负责传输0和1的电信号）是没有意义的。链接层的作用即将电信号0和1进行分组，这样传来的电信号才有意义。确定分组方式有很多中协议，其中以太网协议便是一种十分流行的协议。它规定：将电信号0和1分得的每一组构成一个数据包，又叫做帧，每一个数据包（帧）由两部分组成，标头（Head）和数据（Data）。

 

关于数据包，有以下几点需要注意：

• “标头”包含数据包的一些说明项，比如发送者，接收者，数据类型等等。
• “数据”即为数据包的具体内容。
• 标头长度固定为18字节，数据长度最短46字节，最长1500字节。

　　B. MAC地址。A中我们提到了由以太网协议规定的数据包（帧），有标头和数据，标头中有接收者和发送者，那么接收者和发送者是如何标识的呢？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（帧）必须从一块网卡传送到另外一块网卡。而设备中网卡都是具有地址的，网卡地址即为数据包的发送地址和接收地址，我们成为MAC地址。

关于MAC地址，有以下几点需要注意：

• 每块网卡地址出厂时，都有全世界独一无二的MAC地址，就像全中国每个人的身份证号各不相同一样。
• 一个MAC地址的长度是48个二进制数，其中用12个十六进制数来表示（为方便）。
• MAC地址中前6位是厂商号，后6位是网卡流水号。

　　c. 广播。注意：以太网数据包必须知道接收方的MAC地址才能发送，可是，即使有了接收方的MAC地址又该怎么发送呢？以太网协议规定：使用广播方式--即不是将数据包准确的发送给接收方，而是通过广播的形式将数据包向本地网上所有的电脑都发送一个，让每台计算机自己做出判断，看是否为接收方。

判断方式为：发送者将数据包发送给本网络中的所有计算机之后，每台计算机会读取“标头”中接收方的MAC地址与自身的MAC地址作比较，如果相同，则接收，如果不同，则丢弃。

 

第三部分：网络层

A.为什么会出现网络层呢？

　　以太网协议缺点有二。其一：通过广播方式发送以太网数据包，这样会导致本地网的计算机每台都会接收，使得效率低，耗费资源。其二：广播方式局限在发送者所在的子网络，对于相聚遥远的两个城市，它们一定不是在同一个子网络中的，因此，这时，以太网数据包就不会发送出去并被接收。当时呢，局限在一个子网络中也是有好处的，因为如果把数据包发送到了世界上每一台计算机上，那么，这将是毁灭性的灾难！

　　基于这个现实，我们需要一种方法来确定哪些MAC地址属于同一网络，哪些MAC地址不属于同一网络，并解决不能将数据包发送到发送者所在子网络之外的网络的问题。

　　这时，网络层便应运而生了，它引进了一种有别于MAC地址的新地址，这套地址称作“网络地址”（简称网址）。网址出现了之后，每台计算机上就包含MAC地址和网络地址这两种地址了。应当注意：两种地址没有任何关系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址是管理员分配的。他们只是随即的组合在了一起而已。两者之间的工作协调：网络地址可确定计算机所在子网络，MAC地址将数据包送到该子网络的目标网卡。也就是说，必定是先处理网络地址，然后处理MAC地址。

B.IP协议。IP协议即规定网络地址的协议。它所定义的网络地址也就是IP地址。IP地址有第四版和第六版，目前广泛使用的是第四版，即IPv4。IP协议规定：IP地址由32个二进制数组成，由分成四段的十进制数表示。比如：二进制为10101100.00010000.11111110.00000000的IP地址用十进制可以表示为172.16.254.1。显然，后者的方式更为简洁。

关于IP地址，由以下一点需要注意：

• 连入互联网的每一个台计算机都会被管理员分配一个IP地址，因此这个地址不像MAC地址一样始终跟随于一台电脑，它是可变的。
• IP地址可以分为两个部分，前一部分是网络，后一部分是主机。但这并不是说刚好前一半和后一半，而是不一定的，可能前24位是网络部分，也有可能前26是网络部分。
• 若两台电脑的IP地址的网络部分完全相同，那么这两台电脑属于同一个子网络。

  但是我们都没有办法确定两台电脑的IP地址的网络部分，又该怎么做比较呢？这时候，子网掩码就派上用场了。所谓子网掩码，即表示子网络特征的一个参数，形式上与IP地址相同。子网掩码我们应该注意：

• 一个IP地址的子网掩码和IP地址是有关系的，比如对于IP地址：172.16.254.1，如果他的网络部分是前24位，那么他的主机部分便是后8位。我们认为其子网掩码为255.255.255.0，如果用二进制表示即为：11111111.11111111.11111111.00000000.也就是说：二进位表示时，IP地址的网络部分在子网掩码相应的位置为1，IP地址的主机部分在子网掩码相应的位置为0.
• 将两个IP地址与两个子网掩码分别使用&运算，比较得到的结果是否相同，若相同，则为同一子网络；若不同，则为不同的子网络。

C.IP数据包：根据IP协议发送的数据成为IP数据包。同样，IP数据包和以太网数据包相似都是由标头（Head）部分和数据（Data）部分组成的。注意以下几点：

• IP数据包的标头中包含了版本、长度和IP地址等信息。
• IP数据包的数据部分包含了数据包的具体内容。
• IP数据包是包含于以太网数据包的数据部分的。如图所示（可以对比上一张图片来看）

• 整个IP数据包的最大总长度为65535字节，而我们知道以太网数据包的数据部分最大为1500字节，因此若IP数据包的总长度超出了1500字节，该数据包就要被分割为几个以太网数据包分开发送。

D.ARP协议。我们已经知道IP数据包是在以太网数据包里发送的，因此我们需要确定两个地址，一个是对方的MAC地址，另外一个是对方的IP地址。显然，对方的IP地址是容易获取的，可是，对方的MAC地址呢？下面，我们分成两种情况讨论。

　　第一：如果两台主机在在同一个子网络，那么我们可用ARP协议发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所查询的主机的IP地址，在对方的MAC地址中填写FF.FF.FF.FF.FF.FF，表示这是一个广播的地址，所在网络的每个主机都会收到这个数据包，从中取IP地址与自身IP做比较，若同，则回复自身的MAC地址，若不同，则丢弃这个包。（补充：也许大家觉得这里不太好理解的是，之前不是说用MAC地址来确定接收方与放松方吗？这里为什么又说不知道MAC地址又要确认呢？或者有了IP地址为什么还需要MAC地址呢？这是因为我们之前说过：连入网络的所有设备，都必须具有网卡接口，数据包（帧）必须从一块网卡传送到另外一块网卡。所以IP地址只是为了能够确认是否是同一子网络，最终的数据传输还是要依靠MAC地址传输到网卡。又因为我们有了IP地址，所以对方每次只能获得我们的IP地址，而不能直接获得我们的IP地址。）

　　第二：如果两台主机在不同的子网络里（当然也是一看IP地址做出判断），这是就无法像第一种方法一样获取对方的MAC地址了，只能把IP数据包传送给两个子网络的连接初“网关”（gateway）去处理。这里不做具体介绍。

 

第四部分：传输层 

A 既然已经有了MAC地址和IP地址，那么我们就已经可以在互联网的任意两台主机上进行通信了，可是如果在一边在电脑上冲浪，一边聊qq，那么当数据发送到你的网卡上时，是你的网页接收数据还是你的qq接收数据呢？这时候，我们就需要用“端口”（port）来解决问题了。端口实际上是每一个使用网卡的程序的编号，每个数据包都会发送到主机的特定端口，这样不同的程序就可以接受到自己所需要的数据了。

　　关于端口你需要注意：

• 端口是一个0-65535之间的整数，其中0-1023的端口被系统占用，用户只能选择大于1023的端口。
• 不管是冲浪还是qq都会选择一个端口与服务器的对应端口进行联系。
• 由此可知，传输层是建立在端口到端口的通信，而网络层是建立在主机道主机的通信，只要确定了主机和端口，就能实现程序之间的交流了。

B.CDP协议。那么规范端口的协议是什么呢，其中一个较为流行的就是CDP协议。CDP协议定义了一个CDP数据包，该数据包同样由标头和数据两部分组成。标头部分定义了发出端口和接收端口的信息。数据部分就是具体内容。最后将CDP数据包放入IP数据包的数据部分（注意：之前我们已经把IP数据包放到了以太网数据包中了）。效果图如下。

 

 

第五部分：应用层

   应用层收到传输层的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开方架构，数据来源五花八门，故必须事先规定好格式。如TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，如Email、www、FTP等，那么必须有协议来规范电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序即构成了应用层。

 

　　最后，我想说明的是，这篇博客我参考了阮一峰老师的博客内容，在这里表示感谢，希望大家能通过这篇文章有些许收获。