摘錄自阮一峰的互聯網協議入門

簡介

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。

網絡分層

• 物理層：在物理媒體上傳輸原始的數據比特流。
• 數據鏈路層：將數據分成一個個數據幀，以數據幀為單位傳輸。有應有答，遇錯重發。
• 網絡層：將數據分成一定長度的分組，將分組穿過通信子網，從信源選擇路徑后傳到信宿。
• 傳輸層：提供不具體網絡的高效、經濟、透明的端到端數據傳輸服務。
• 會話層：進程間的對話也稱為會話，會話層管理不同主機上各進程間的對話。
• 表示層： 為應用層進程提供格式化的表示和轉換數據服務。
• 應用層：提供應用程序訪問OSI環境的手段。

OSI網絡體系結構各層協議：

• 應用層：TELNET、FTP、TFTP、SMTP、SNMP、HTTP、BOOTP、DHCP、DNS
• 表示層：
  文本：ASCII，EBCDIC
  圖形：TIFF，JPEG，GIF，PICT
  聲音：MIDI，MPEG，QUICKTIME
• 會話層：NFS、SQL、RPC 、X-WINDOWS、ASP（APPTALK會話協議）、SCP
• 傳輸層：TCP、UDP、SPX
• 網絡層：IP、IPX、ICMP、RIP、OSPF(Open Shortest Path First開放式最短路徑優先)
• 數據鏈路層：SDLC、HDLC、PPP、STP（Spanning Tree Protocol）、幀中繼
• 物理層：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45

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物理層、數據鏈路層/網絡接口

定義

物理層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。

但是單純的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？這就是數據鏈路層的作用，確定了0和1的分組方式。

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）。

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。

網卡

廣播

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。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，數據鏈路層就可以在多臺計算機之間傳送數據了。

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網絡層

由來

以太網采用廣播方式發送數據包，人手一"包"效率低，而且如果兩臺計算機不在同一個子網絡，廣播是傳不過去的。
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）
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。

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。

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。

子網掩碼

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。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（后面可以看到實際上就是為了比較IP地址前面的網絡部分）。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。（其實看到子網掩碼是255.255.255.0就知道網絡部分是前24位，因此看兩個IP前24位都是172.16.254就可以判斷）

IP數據包

根據IP協議發送的數據，就叫做IP數據包。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。

ARP協議

前面總結下來，我們要向一臺機器發送和請求數據要兩個地址，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。

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傳輸層

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。

"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。

"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。

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。

TCP協議

UDP協議的缺點是可靠性較差，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。
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。

UDP vs TCP (我的簡單理解)

• UDP實現簡單，而且開銷小因此傳輸大量文件時耗時更少，但是數據可靠性不能保證；
• TCP保證了不會丟包，但是過程復雜、實現困難、消耗較多的資源，耗時更長。
• 因此對數據量大速度要求高也允許一定的丟包的可以用UDP，如視頻聊天；對于數據可靠性要求高的可以用TCP，如文件傳輸；
• 一定程度上UDP就像發信息，不知道對面收到了沒有；TCP就像是打電話，有確認消息的性質。

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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。