作者：阮一峰

日期：2012年5月31日

我們每天使用互聯(lián)網(wǎng)，你是否想過，它是如何實現(xiàn)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(wǎng)卡送出信號，洛杉磯的另一塊網(wǎng)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(lián)網(wǎng)的核心是一系列協(xié)議，總稱為"互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議"（Internet Protocol Suite）。它們對電腦如何連接和組網(wǎng)，做出了詳盡的規(guī)定。理解了這些協(xié)議，就理解了互聯(lián)網(wǎng)的原理。

下面就是我的學(xué)習(xí)筆記。因為這些協(xié)議實在太復(fù)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(yīng)該能夠說清楚互聯(lián)網(wǎng)的原理。

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互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議入門

作者：阮一峰

一、概述

1.1 五層模型

互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)，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(lián)網(wǎng)，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(lián)網(wǎng)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(yīng)用層"（Application Layer），中間的三層（自下而上）分別是"鏈接層"（Link Layer）、"網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)分成若干層就可以了。

1.2 層與協(xié)議

每一層都是為了完成一種功能。為了實現(xiàn)這些功能，就需要大家都遵守共同的規(guī)則。

大家都遵守的規(guī)則，就叫做"協(xié)議"（protocol）。

互聯(lián)網(wǎng)的每一層，都定義了很多協(xié)議。這些協(xié)議的總稱，就叫做"互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議"（Internet Protocol Suite）。它們是互聯(lián)網(wǎng)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(xié)議。

二、實體層

我們從最底下的一層開始。

電腦要組網(wǎng)，第一件事要干什么？當(dāng)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(guī)定了網(wǎng)絡(luò)的一些電氣特性，作用是負(fù)責(zé)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(guī)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(wǎng)協(xié)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(wǎng)"（Ethernet）的協(xié)議，占據(jù)了主導(dǎo)地位。

以太網(wǎng)規(guī)定，一組電信號構(gòu)成一個數(shù)據(jù)包，叫做"幀"（Frame）。每一幀分成兩個部分：標(biāo)頭（Head）和數(shù)據(jù)（Data）。

"標(biāo)頭"包含數(shù)據(jù)包的一些說明項，比如發(fā)送者、接受者、數(shù)據(jù)類型等等；"數(shù)據(jù)"則是數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。

"標(biāo)頭"的長度，固定為18字節(jié)。"數(shù)據(jù)"的長度，最短為46字節(jié)，最長為1500字節(jié)。因此，整個"幀"最短為64字節(jié)，最長為1518字節(jié)。如果數(shù)據(jù)很長，就必須分割成多個幀進(jìn)行發(fā)送。

3.3 MAC地址

上面提到，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的"標(biāo)頭"，包含了發(fā)送者和接受者的信息。那么，發(fā)送者和接受者是如何標(biāo)識呢？

以太網(wǎng)規(guī)定，連入網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備，都必須具有"網(wǎng)卡"接口。數(shù)據(jù)包必須是從一塊網(wǎng)卡，傳送到另一塊網(wǎng)卡。網(wǎng)卡的地址，就是數(shù)據(jù)包的發(fā)送地址和接收地址，這叫做MAC地址。

每塊網(wǎng)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(jìn)制位，通常用12個十六進(jìn)制數(shù)表示。

前6個十六進(jìn)制數(shù)是廠商編號，后6個是該廠商的網(wǎng)卡流水號。有了MAC地址，就可以定位網(wǎng)卡和數(shù)據(jù)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(wǎng)卡怎么會知道另一塊網(wǎng)卡的MAC地址？

回答是有一種ARP協(xié)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(wǎng)數(shù)據(jù)包必須知道接收方的MAC地址，然后才能發(fā)送。

其次，就算有了MAC地址，系統(tǒng)怎樣才能把數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確送到接收方？

回答是以太網(wǎng)采用了一種很"原始"的方式，它不是把數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確送到接收方，而是向本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計算機發(fā)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(fā)送一個數(shù)據(jù)包，同一個子網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(jìn)一步處理，否則就丟棄這個包。這種發(fā)送方式就叫做"廣播"（broadcasting）。

有了數(shù)據(jù)包的定義、網(wǎng)卡的MAC地址、廣播的發(fā)送方式，"鏈接層"就可以在多臺計算機之間傳送數(shù)據(jù)了。

四、網(wǎng)絡(luò)層

4.1 網(wǎng)絡(luò)層的由來

以太網(wǎng)協(xié)議，依靠MAC地址發(fā)送數(shù)據(jù)。理論上，單單依靠MAC地址，上海的網(wǎng)卡就可以找到洛杉磯的網(wǎng)卡了，技術(shù)上是可以實現(xiàn)的。

但是，這樣做有一個重大的缺點。以太網(wǎng)采用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，所有成員人手一"包"，不僅效率低，而且局限在發(fā)送者所在的子網(wǎng)絡(luò)。也就是說，如果兩臺計算機不在同一個子網(wǎng)絡(luò)，廣播是傳不過去的。這種設(shè)計是合理的，否則互聯(lián)網(wǎng)上每一臺計算機都會收到所有包，那會引起災(zāi)難。

互聯(lián)網(wǎng)是無數(shù)子網(wǎng)絡(luò)共同組成的一個巨型網(wǎng)絡(luò)，很像想象上海和洛杉磯的電腦會在同一個子網(wǎng)絡(luò)，這幾乎是不可能的。

因此，必須找到一種方法，能夠區(qū)分哪些MAC地址屬于同一個子網(wǎng)絡(luò)，哪些不是。如果是同一個子網(wǎng)絡(luò)，就采用廣播方式發(fā)送，否則就采用"路由"方式發(fā)送。（"路由"的意思，就是指如何向不同的子網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)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(guān)，與所處網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。

這就導(dǎo)致了"網(wǎng)絡(luò)層"的誕生。它的作用是引進(jìn)一套新的地址，使得我們能夠區(qū)分不同的計算機是否屬于同一個子網(wǎng)絡(luò)。這套地址就叫做"網(wǎng)絡(luò)地址"，簡稱"網(wǎng)址"。

于是，"網(wǎng)絡(luò)層"出現(xiàn)以后，每臺計算機有了兩種地址，一種是MAC地址，另一種是網(wǎng)絡(luò)地址。兩種地址之間沒有任何聯(lián)系，MAC地址是綁定在網(wǎng)卡上的，網(wǎng)絡(luò)地址則是管理員分配的，它們只是隨機組合在一起。

網(wǎng)絡(luò)地址幫助我們確定計算機所在的子網(wǎng)絡(luò)，MAC地址則將數(shù)據(jù)包送到該子網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)網(wǎng)卡。因此，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網(wǎng)絡(luò)地址，然后再處理MAC地址。

4.2 IP協(xié)議

規(guī)定網(wǎng)絡(luò)地址的協(xié)議，叫做IP協(xié)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(xié)議第四版，簡稱IPv4。這個版本規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)地址由32個二進(jìn)制位組成。

習(xí)慣上，我們用分成四段的十進(jìn)制數(shù)表示IP地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。

互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的電腦，它們IP地址的網(wǎng)絡(luò)部分必定是相同的，也就是說172.16.254.2應(yīng)該與172.16.254.1處在同一個子網(wǎng)絡(luò)。

但是，問題在于單單從IP地址，我們無法判斷網(wǎng)絡(luò)部分。還是以172.16.254.1為例，它的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)呢？這就要用到另一個參數(shù)"子網(wǎng)掩碼"（subnet mask）。

所謂"子網(wǎng)掩碼"，就是表示子網(wǎng)絡(luò)特征的一個參數(shù)。它在形式上等同于IP地址，也是一個32位二進(jìn)制數(shù)字，它的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)部分是前24位，主機部分是后8位，那么子網(wǎng)絡(luò)掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進(jìn)制就是255.255.255.0。

知道"子網(wǎng)掩碼"，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網(wǎng)絡(luò)。方法是將兩個IP地址與子網(wǎng)掩碼分別進(jìn)行AND運算（兩個數(shù)位都為1，運算結(jié)果為1，否則為0），然后比較結(jié)果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網(wǎng)絡(luò)？兩者與子網(wǎng)掩碼分別進(jìn)行AND運算，結(jié)果都是172.16.254.0，因此它們在同一個子網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)一下，IP協(xié)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(wǎng)絡(luò)。

4.3 IP數(shù)據(jù)包

根據(jù)IP協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)，就叫做IP數(shù)據(jù)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(wǎng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)定義，再添加一個欄位呢？

回答是不需要，我們可以把IP數(shù)據(jù)包直接放進(jìn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分，因此完全不用修改以太網(wǎng)的規(guī)格。這就是互聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)的好處：上層的變動完全不涉及下層的結(jié)構(gòu)。

具體來說，IP數(shù)據(jù)包也分為"標(biāo)頭"和"數(shù)據(jù)"兩個部分。

"標(biāo)頭"部分主要包括版本、長度、IP地址等信息，"數(shù)據(jù)"部分則是IP數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。它放進(jìn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包就變成了下面這樣。

IP數(shù)據(jù)包的"標(biāo)頭"部分的長度為20到60字節(jié)，整個數(shù)據(jù)包的總長度最大為65,535字節(jié)。因此，理論上，一個IP數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分，最長為65,515字節(jié)。前面說過，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分，最長只有1500字節(jié)。因此，如果IP數(shù)據(jù)包超過了1500字節(jié)，它就需要分割成幾個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，分開發(fā)送了。

4.4 ARP協(xié)議

關(guān)于"網(wǎng)絡(luò)層"，還有最后一點需要說明。

因為IP數(shù)據(jù)包是放在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包里發(fā)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(wǎng)絡(luò)，那么事實上沒有辦法得到對方的MAC地址，只能把數(shù)據(jù)包傳送到兩個子網(wǎng)絡(luò)連接處的"網(wǎng)關(guān)"（gateway），讓網(wǎng)關(guān)去處理。

第二種情況，如果兩臺主機在同一個子網(wǎng)絡(luò)，那么我們可以用ARP協(xié)議，得到對方的MAC地址。ARP協(xié)議也是發(fā)出一個數(shù)據(jù)包（包含在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的每一臺主機，都會收到這個數(shù)據(jù)包，從中取出IP地址，與自身的IP地址進(jìn)行比較。如果兩者相同，都做出回復(fù)，向?qū)Ψ綀蟾孀约旱腗AC地址，否則就丟棄這個包。

總之，有了ARP協(xié)議之后，我們就可以得到同一個子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機MAC地址，可以把數(shù)據(jù)包發(fā)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(jīng)可以在互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，比如，你一邊瀏覽網(wǎng)頁，一邊與朋友在線聊天。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包從互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)來的時候，你怎么知道，它是表示網(wǎng)頁的內(nèi)容，還是表示在線聊天的內(nèi)容？

也就是說，我們還需要一個參數(shù)，表示這個數(shù)據(jù)包到底供哪個程序（進(jìn)程）使用。這個參數(shù)就叫做"端口"（port），它其實是每一個使用網(wǎng)卡的程序的編號。每個數(shù)據(jù)包都發(fā)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(shù)據(jù)。

"端口"是0到65535之間的一個整數(shù)，正好16個二進(jìn)制位。0到1023的端口被系統(tǒng)占用，用戶只能選用大于1023的端口。不管是瀏覽網(wǎng)頁還是在線聊天，應(yīng)用程序會隨機選用一個端口，然后與服務(wù)器的相應(yīng)端口聯(lián)系。

"傳輸層"的功能，就是建立"端口到端口"的通信。相比之下，"網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)程序之間的交流。因此，Unix系統(tǒng)就把主機+端口，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)了。

5.2 UDP協(xié)議

現(xiàn)在，我們必須在數(shù)據(jù)包中加入端口信息，這就需要新的協(xié)議。最簡單的實現(xiàn)叫做UDP協(xié)議，它的格式幾乎就是在數(shù)據(jù)前面，加上端口號。

UDP數(shù)據(jù)包，也是由"標(biāo)頭"和"數(shù)據(jù)"兩部分組成。

"標(biāo)頭"部分主要定義了發(fā)出端口和接收端口，"數(shù)據(jù)"部分就是具體的內(nèi)容。然后，把整個UDP數(shù)據(jù)包放入IP數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分，而前面說過，IP數(shù)據(jù)包又是放在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包之中的，所以整個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包現(xiàn)在變成了下面這樣：

UDP數(shù)據(jù)包非常簡單，"標(biāo)頭"部分一共只有8個字節(jié)，總長度不超過65,535字節(jié)，正好放進(jìn)一個IP數(shù)據(jù)包。

5.3 TCP協(xié)議

UDP協(xié)議的優(yōu)點是比較簡單，容易實現(xiàn)，但是缺點是可靠性較差，一旦數(shù)據(jù)包發(fā)出，無法知道對方是否收到。

為了解決這個問題，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，TCP協(xié)議就誕生了。這個協(xié)議非常復(fù)雜，但可以近似認(rèn)為，它就是有確認(rèn)機制的UDP協(xié)議，每發(fā)出一個數(shù)據(jù)包都要求確認(rèn)。如果有一個數(shù)據(jù)包遺失，就收不到確認(rèn)，發(fā)出方就知道有必要重發(fā)這個數(shù)據(jù)包了。

因此，TCP協(xié)議能夠確保數(shù)據(jù)不會遺失。它的缺點是過程復(fù)雜、實現(xiàn)困難、消耗較多的資源。

TCP數(shù)據(jù)包和UDP數(shù)據(jù)包一樣，都是內(nèi)嵌在IP數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分。TCP數(shù)據(jù)包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網(wǎng)絡(luò)的效率，通常TCP數(shù)據(jù)包的長度不會超過IP數(shù)據(jù)包的長度，以確保單個TCP數(shù)據(jù)包不必再分割。

六、應(yīng)用層

應(yīng)用程序收到"傳輸層"的數(shù)據(jù)，接下來就要進(jìn)行解讀。由于互聯(lián)網(wǎng)是開放架構(gòu)，數(shù)據(jù)來源五花八門，必須事先規(guī)定好格式，否則根本無法解讀。

"應(yīng)用層"的作用，就是規(guī)定應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)格式。

舉例來說，TCP協(xié)議可以為各種各樣的程序傳遞數(shù)據(jù)，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必須有不同協(xié)議規(guī)定電子郵件、網(wǎng)頁、FTP數(shù)據(jù)的格式，這些應(yīng)用程序協(xié)議就構(gòu)成了"應(yīng)用層"。

這是最高的一層，直接面對用戶。它的數(shù)據(jù)就放在TCP數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分。因此，現(xiàn)在的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包就變成下面這樣。

至此，整個互聯(lián)網(wǎng)的五層結(jié)構(gòu)，自下而上全部講完了。這是從系統(tǒng)的角度，解釋互聯(lián)網(wǎng)是如何構(gòu)成的。下一篇，我反過來，從用戶的角度，自上而下看看這個結(jié)構(gòu)是如何發(fā)揮作用，完成一次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的。