互联网协议入门（二）
七、一个小结
先对前面的内容，做一个小结。
我们已经知道，网络通信就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包，后者收到了，回复一个数据包，从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构，基本上是下面这样：
发送这个包，需要知道两个地址：
对方的 MAC 地址
对方的 IP 地址
有了这两个地址，数据包才能准确送到接收者手中。但是，前面说过，MAC 地址有局限性，如果两台电脑不在同一个子网络，就无法知道对方的 MAC 地址，必须通过网关（gateway）转发。
上图中，1号电脑要向 4 号电脑发送一个数据包。它先判断 4 号电脑是否在同一个子网络，结果发现不是（后文介绍判断方法），于是就把这个数据包发到网关A。网关A通过路由协议，发现 4 号电脑位于子网络B，又把数据包发给网关B，网关B再转发到 4 号电脑。
1号电脑把数据包发到网关A，必须知道网关A的 MAC 地址。所以，数据包的目标地址，实际上分成两种情况：
| 场景 | 数据包地址 |
| 同一个子网络 | 对方的 MAC 地址，对方的 IP 地址 |
| 非同一个子网络 | 网关的 MAC 地址，对方的 IP 地址 |
发送数据包之前，电脑必须判断对方是否在同一个子网络，然后选择相应的 MAC 地址。接下来，我们就来看，实际使用中，这个过程是怎么完成的。
八、用户的上网设置
8. 1 静态 IP 地址
你买了一台新电脑，插上网线，开机，这时电脑能够上网吗？
通常你必须做一些设置。有时，管理员（或者 ISP）会告诉你下面四个参数，你把它们填入操作系统，计算机就能连上网了：
本机的 IP 地址
子网掩码
网关的 IP 地址
DNS 的 IP 地址
下图是 Windows 系统的设置窗口。
这四个参数缺一不可，后文会解释为什么需要知道它们才能上网。由于它们是给定的，计算机每次开机，都会分到同样的 IP 地址，所以这种情况被称作"静态 IP 地址上网"。
但是，这样的设置很专业，普通用户望而生畏，而且如果一台电脑的 IP 地址保持不变，其他电脑就不能使用这个地址，不够灵活。出于这两个原因，大多数用户使用"动态 IP 地址上网"。
8. 2 动态 IP 地址
所谓"动态 IP 地址"，指计算机开机后，会自动分配到一个 IP 地址，不用人为设定。它使用的协议叫做 DHCP 协议。
这个协议规定，每一个子网络中，有一台计算机负责管理本网络的所有 IP 地址，它叫做"DHCP 服务器"。新的计算机加入网络，必须向"DHCP 服务器"发送一个"DHCP 请求"数据包，申请 IP 地址和相关的网络参数。
前面说过，如果两台计算机在同一个子网络，必须知道对方的 MAC 地址和 IP 地址，才能发送数据包。但是，新加入的计算机不知道这两个地址，怎么发送数据包呢？
DHCP 协议做了一些巧妙的规定。
8. 3 DHCP 协议
首先，它是一种应用层协议，建立在 UDP 协议之上，所以整个数据包是这样的：
（1）最前面的"以太网标头"，设置发出方（本机）的 MAC 地址和接收方（DHCP 服务器）的 MAC 地址。前者就是本机网卡的 MAC 地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
（2）后面的"IP 标头"，设置发出方的 IP 地址和接收方的 IP 地址。这时，对于这两者，本机都不知道。于是，发出方的 IP 地址就设为0.0.0.0，接收方的 IP 地址设为 255.255.255.255。
（3）最后的"UDP 标头"，设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是 DHCP 协议规定好的，发出方是 68 端口，接收方是 67 端口。
这个数据包构造完成后，就可以发出了。以太网是广播发送，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的 MAC 地址是 FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，所以每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的 IP 地址，才能确定是不是发过自己的。当看到发出方 IP 地址是0.0.0.0，接收方是 255.255.255.255，于是 DHCP 服务器知道"这个包是发过我的"，而其他计算机就可以丢弃这个包。
接下来，DHCP 服务器读出这个包的数据内容，分配好 IP 地址，发送回去一个"DHCP 响应"数据包。这个响应包的结构也是类似的，以太网标头的 MAC 地址是双方的网卡地址，IP 标头的 IP 地址是 DHCP 服务器的 IP 地址（发出方）和 255.255.255.255（接收方），UDP 标头的端口是 67（发出方）和 68（接收方），分配给请求端的 IP 地址和本网络的具体参数则包含在 Data 部分。
新加入的计算机收到这个响应包，于是就知道了自己的 IP 地址、子网掩码、网关地址、DNS 服务器等等参数。
8. 4 上网设置：小结
这个部分，需要记住的就是一点：不管是"静态 IP 地址"还是"动态 IP 地址"，电脑上网的首要步骤，是确定四个参数。这四个值很重要，值得重复一遍：
本机的 IP 地址
子网掩码
网关的 IP 地址
DNS 的 IP 地址
有了这几个数值，电脑就可以上网"冲浪"了。接下来，我们来看一个实例，当用户访问网页的时候，互联网协议是怎么运作的。
九、一个实例：访问网页
9. 1 本机参数
我们假定，经过上一节的步骤，用户设置好了自己的网络参数：
本机的 IP 地址：192.168.1.100
子网掩码：255.255.255.0
网关的 IP 地址：192.168.1.1
DNS 的 IP 地址：8.8.8.8
然后他打开浏览器，想要访问 Google，在地址栏输入了网址：www.google.com。
这意味着，浏览器要向 Google 发送一个网页请求的数据包。
9. 2 DNS 协议
我们知道，发送数据包，必须要知道对方的 IP 地址。但是，现在，我们只知道网址 www.google.com，不知道它的 IP 地址。
DNS 协议可以帮助我们，将这个网址转换成 IP 地址。已知 DNS 服务器为8.8.8.8，于是我们向这个地址发送一个 DNS 数据包（53端口）。
然后，DNS 服务器做出响应，告诉我们 Google 的 IP 地址是 172.194.72.105。于是，我们知道了对方的 IP 地址。
9. 3 子网掩码
接下来，我们要判断，这个 IP 地址是不是在同一个子网络，这就要用到子网掩码。
已知子网掩码是 255.255.255.0，本机用它对自己的 IP 地址 192.168.1.100，做一个二进制的 AND 运算（两个数位相同，结果为1，否则为0），计算结果为 192.168.1.0；然后对 Google 的 IP 地址 172.194.72.105 也做一个 AND 运算，计算结果为 172.194.72.0。这两个结果不相等，所以结论是，Google 与本机不在同一个子网络。
因此，我们要向 Google 发送数据包，必须通过网关 192.168.1.1 转发，也就是说，接收方的 MAC 地址将是网关的 MAC 地址。
9. 4 应用层协议
浏览网页用的是 HTTP 协议，它的整个数据包构造是这样的：
HTTP 部分的内容，类似于下面这样：
GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ......
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: ... ...
我们假定这个部分的长度为 4960 字节，它会被嵌在 TCP 数据包之中。
9. 5 TCP 协议
TCP 数据包需要设置端口，接收方（Google）的 HTTP 端口默认是 80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的 1024-65535之间的整数，假定为 51775。
TCP 数据包的标头长度为 20 字节，加上嵌入 HTTP 的数据包，总长度变为 4980 字节。
9. 6 IP 协议
然后，TCP 数据包再嵌入 IP 数据包。IP 数据包需要设置双方的 IP 地址，这是已知的，发送方是 192.168.1.100（本机），接收方是 172.194.72.105（Google）。
IP 数据包的标头长度为 20 字节，加上嵌入的 TCP 数据包，总长度变为 5000 字节。
9. 7 以太网协议
最后，IP 数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的 MAC 地址，发送方为本机的网卡 MAC 地址，接收方为网关 192.168.1.1 的 MAC 地址（通过 ARP 协议得到）。
以太网数据包的数据部分，最大长度为 1500 字节，而现在的 IP 数据包长度为 5000 字节。因此，IP 数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的 IP 标头（20字节），所以四个包的 IP 数据包的长度分别为 1500、1500、1500、560。
9. 8 服务器端响应
经过多个网关的转发，Google 的服务器 172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。
根据 IP 标头的序号，Google 将四个包拼起来，取出完整的 TCP 数据包，然后读出里面的"HTTP 请求"，接着做出"HTTP 响应"，再用 TCP 协议发回来。
本机收到 HTTP 响应以后，就可以将网页显示出来，完成一次网络通信。
这个例子就到此为止，虽然经过了简化，但它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。
