互联网协议入门

Posted 2020-10-14

通过学习：阮一峰（很全很详细）

互联网的核心是“一系列协议”，这些协议对电脑如何连接和组网，做出了详细的规定。只要把这些协议搞懂了，就很好理解互联网的原理了。

一、概述

1.1五层模型

用户接触的是最上面一层

实体层-->链路层-->网络层-->传输层-->应用层

越往下越靠近硬件，越往上越靠近用户

1.2层与协议

每一层都需要完成相应的功能，但是必须遵守某种规则，这个规则就称之为“协议（protocol）”

每一层都有许多协议，这些协议的总称“互联网协议”（Internet Protocol Suite）

接下来就介绍每一层的功能，主要就是介绍每一层的主要协议

二、实体层

首先将电脑连接起来，采用电缆、光缆、无线电波、双绞线

用物理手段将电脑连接起来，规定了网络的一些电气特性，作用是传送0或1的电信号

三、链路层

3.1单纯的0或1的电信号没有意义，必须规定解读方式：多少个电信号一组？每个信号位代表什么意义？

这就是链路层的功能，在“实体层”上规定了0和1分组方式

3.2“以太网协议”

开始每个公司都有自己的分组方式，逐渐一个“以太网”协议占据了主导地位。

“以太网协议”规定一组电信号组成一个数据包称之为“帧（Frame）”.每一个帧有两部分组成：头（Head）和数据（Data）

“标头”包含了一些信息 （发送者、接受者、数据类型等）

“数据”就是发送的内容

“标头”的长度默认是18字节。“数据”最短为46字节，最长1500字节，因此帧的最短为64字节，最长1518。如果发送的数据过长，就需要拆分成好几帧来发送

3.3MAC地址

上边提到“标头”中包含着发送者和接受者的信息，那么如何标识发送者和接受者的呢

“以太网协议”规定接入网络的所有设备必须就有“网卡”接口。数据包是从一个网卡接口发送至另一个网卡接口。网卡的地址就是发送和接收的地址，称之为MAC地址

 

 每一个网卡都有世界上独一无二的MAC地址，长度是48个二进制，通常用12个十六进制表示

前六个是厂商编号，后六位是该厂商网卡的流水号

3.4广播

定义只是第一步，一个网卡是如何得知另一个网卡的MAC地址的呢

ARP协议可以解决这个问题，具体的后边在学习

但是知道了另一个网卡的MAC地址，如何准确的吧数据包送达呢

这里，“以太网”采用了的最原始的方法，向本网络下的所有计算机发送数据包，然后在判断是否是接收方

在上图中，计算机1要向计算机2发送数据，需要将数据包发送到计算机2/3/4/5，然后2/3/4/4在读取数据包中MAC地址和自身比较，如果相同，作进一步的处理；如果不同，就丢弃这个数据包；这就叫做“广播”

有了数据包的定义、网卡的MAC地址和广播的发送方式，“链路层”就可以在多个计算机之间发送数据包了

 四：网络层

4.1网络层的由来

以太网协议，依靠MAC地址来传输数据。理论上，单单靠MAC地址，上海的网卡是能找得到洛杉矶的网卡（MAC地址唯一性）。

但是这样也有巨大的缺点，以太网依靠广播的方式发送数据包。所有成员人手一份包，效率太低，而且局限于一个子网络，也就是说两台计算机不在一个子网络，广播是过不去的，这样的设计也是合理的，想想一发送数据，互联网的人人手一包，会引发灾难的。

互联网是由无数个子网络组成的巨型网络，上海的计算机和洛杉矶的计算机不可能在同一个子网络。

因此，能不能区分是否在同一个子网络，如果同一个子网络，直接广播；如果不在同一个子网络，就得“路由”。Mac只与厂商有关，与网络无关。这就导致了网络层的出现，引进了新的地址，称之为网络地址

4.2IP协议

规定网络地址的协议叫做IP协议。网络地址叫做IP地址

现在广泛应用的是IP协议第四版，简称IPv4。

 这个版本规定32个二进制组成，从0-255.255.255.255

每一台主机都会有一个IP地址，IP地址唯一，否则会发生IP地址冲突。，IP地址由两部分组成，前一部分代表网络，后一部分代表主机。

比如172.16.254.1，假设前24位代表网络，后8位则代表主机；两个出于同一子网络下的网络部分相同，比如172.16.254.3和172.16.254.7处于同一个子网下；

但是单单从IP地址看不出来，因为你不知道是前16位还是前24位甚至前28位代表网络部分；这个时候子网掩码就出来了

子网掩码和IP地址一样，网络部分全为1主机部分为零.比如172.16.254.1，假设前24位代表网络，后8位则代表主机；那么他的子网掩码就是255.255.255.0

 只要知道了子网掩码就可以判断两个IP是否在同一个子网络，将两个IP地址和子网掩码进行and操作，是否相等。

IP地址的作用是：1.为每一个计算机安排一个地址 2.判断是否在同一个子网络下

4.3IP数据包

直接将IP数据包放进以太网数据包中，不需要增加新的栏位，这就是互联网分层的好处。

“IP数据包”包括标头和数据

标头部分包括版本、长度、IP地址，“数据”部分是IP数据包的具体内容，放进以太数据包中就变成了

IP数据包的标头长度20字节到60字节，整个数据包的长度是65535，因此“数据部分”最长65515字节；以太网数据包的“数据部分”最长为1500字节。因此如果IP数据包超过了1500字节，那么就要分割为几个以太网数据包，分开发送

4.4ARP协议

网络层，IP数据包放在以太网数据包中，因此我们必须需要知道两个地址，一是Mac地址一个是IP地址。通常，对方的IP地址是已知的，但是不知道Mac地址

所以，需要一种机制，能从IP地址得知Mac地址

这里分为两种情况

一：两个没有在同一个子网络下，只能是吧数据包发送到两个子网络相连的网关，需要网关去处理

二：在同一个子网络下，可以用ARP协议，得到Mac地址。ARP协议也是发送一个数据包，包含在以太网数据包，其中包含他要访问的IP地址，在对方的Mac地址这一栏，填的是FF.FF.FF.FF,表示这是一个“广播”地址。在该子网络中的每个主机都会收到这个数据包，从中取出IP地址与自己比较，如果相等，做出回复，告诉对方自己的Mac地址；如果不相等，丢弃这个包

五、传输层

有了Mac地址和IP地址之后，我们就可以实现在任一两个主机之间建立联系

但是，在同一个主机上，有很多进程在使用到网络，比如一边浏览网页，一边和朋友聊天，当接收到个数据包时需要判断是表示谁的内容

因此，我们还需要一个“参数”表示接收到的数据包供哪个进程使用，这个“参数”就是“端口”（port），其实就是每个进程使用网卡的编号。每个数据包发送到特定的端口，每个进程到特定的端口取数据包

端口号是0-65535,16个二进制，0-1023的端口被系统占用，因此用户只能选择大于1023的端口。

不管是聊天还是浏览网页，都会随机选择一个端口号和服务器相连

“传输层”的作用就是确定端口到端口，“网络层”确定的是主机到主机；只要确定了主机和端口就能实现程序之间的交流。因此Unix把主机+端口成为“套接字”（socket）。

有了它，就可以实现网络应用程序开发

5.2UDP协议

在数据包中加入端口信息，就需要新的协议，最简单的实现就是UDP协议，就是在数据前边加上端口号

 

 标头中是发送端口和接收端口，数据部分就是具体的内容；然后把UDP数据包中放入IP数据包中

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。

5.3TCP协议

UDP有一个缺陷就是发送出去不能确定是否接受到了

为了解决这一问题，TCP协议就出来了，可以近似认为他是有确认机制的UDP协议，每发送一个数据包，都需要一个确认；如果数据包丢失没有接收到确认那么就知道数据包丢失，需要重新发送

 TCP数据包理论上无限长，但是为了保证网络的效率，一般不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不被分割

六、应用层

应用程序接受到了数据包，接下来就是解读。TCP协议传输的数据五花八门，比如Email、WWW、FTP，那么就需要不同协议来规定电子邮件、网页、FTP的格式，这些应用程序协议就构成了应用层。

至此，整个互联网的五层结构，自下而上全部讲完了。

下一篇主要回顾TCP协议