互联网协议入门

我们每天使用互联网，它是如何实现的呢？

互联网的核心是一系列的协议，总称“互联网协议” internet protocol suite.

1:概述

1.1 五层模型

互联网的实现，分好几层，每一层都有自己的功能，每一层都靠下一层支持

如何分层有不同的模型，有的分七层，但是分5层还是比较容易理解

• 应用层（application layer)
• 传输层（transport layer)
• 网络层（network layer)
• 链接层（link layer)
• 物理层（physical layer)

越是下层，越靠近硬件，越是上层，越靠近用户！

1.2 层与协议

互联网的每一层，都定义了好多协议，这些协议叫做“互联网协议” internet protocol.

1. 物理层，physical layer

就是把电脑连接起来的物理手段，他主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责0，1的电信号

      2. 链接层 link layer

单纯的0，1是没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组，每个信号的意义？

这就是链接层的功能，它在物理层上面，确定了0和1的分组方式

以太网协议：

以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做“帧” （frame),每一个帧都分成2部分， 标头（head)和数据（data)

"标头“包含数据包的一些说明项，比如发送者，接受者，数据类型等等，”数据“包含具体内容

”标头“的长度，固定为18字节，”数据“的长度，最短为46字节，最长为1500字节，so ,整个frame的最短为64个字节，最长为1518个字节，如果数据很长，就必须分割成多个frame来发送

MAC地址

上面提到，每个数据frame都是由head & data,head中包换了发送者和接受者的信息，就是MAC地址，每个网卡的都是独一无二的，通常用12个16进制数表示。00-B0-D0-86-BB-F7，长度为48个二进制

广播(broadcast)

定义地址是第一步，一个网卡如何知道另外一个网卡的MAC地址？主要是通过ARP协议，以太网数据包必须知道对方的mac地址才能发送，

其次，有个mac地址，系统怎么才能把数据包准确发送给接收方？

以太网采用广播的方式去把自己的数据frame发送出去，整个局域网的电脑都会收到，然后读取标头的信息，以确定自己是否为接收方，是的话就接收，不是的话就丢弃

有了数据包的定义，网卡的MAC地址，广播的发送，连接层就可以在多台电脑直接传送数据

4：网络层

如果2台电脑不再同一个局域网里面，通过广播的方式是不能传输出去的，因此必须找到一种方法，如何区分哪些MAC地址属于同一个网络，哪些不是，如果在同一个局域网就采用广播，如果不是就采用路由的方式。，

in this case, 为了使我们能够区分不同计算机是否属于同一子网络，这个地址就做 网络地址，简称网址

so ,each computer must owns 2 different address :MAC and IP address .网络地址帮我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络的目标网卡，thus ,in logically,network address is priority to be handled .

5:IP 协议

IPV4 。由32个二进制组成，分4段的十进制来表示IP地址。如何判断2台电脑是否在同一个子网呢？这里就是要用另外一个概念子网掩码“ subnet mask",if you know the subnet mask,it's easy to identify theirs network .

6:IP 数据包

根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。不难想像，里面必须包括IP地址信息

但是前面说过，以太网数据中只包含MAC地址，没有IP地址的栏位，那怎么办？我们可以把IP数据包直接放到以太网数据包的数据部分，

具体来说IP数据包也分为标头和数据2个部分

head + data

标头主要包括版本，长度，IP地址等信息，数据 则是IP数据包的具体内容，他放进以太网数据包，以太网数据包就变成;

head + head + data

IP 数据包“HEAD”部分的长度为20-69字节，整个数据包的总长度最大为65535个字节， so ,theoretically,一个IP数据包的数据部分最大为65515个字节，前面讲过，一个以太网包的数据部分最大了1500个字节，所以，如果IP数据包超过了1500个字节，就要分割为几个frame 发送

7：ARP协议

因为IP数据包时放在以太网的数据包发送的，所以我们必须知道2个地址，对方的IP地址和MAC地址，通常情况，对方的IP地址是已知的，MAC地址是未知的

因此我们需要一种机制通过IP地址来得到MAC地址。

如果在同一个子网，我们可以通过ARP协议得到对方的MAC地址，ARP协议也是发一个数据包，包含在以太网数据包中，其中包含了所查询的主机的IP地址，对方的MAC地址栏填的是FF：FF：FF：FF：FF：FF表示广播地址，他所在的网络的所有主机，都会受到这个数据包，重中取出IP地址，与自身IP地址进行比较，如果相同则做出回应

如果不在同一子网，只能把数据包传到2个子网的连接处“vgetway”

1. 传输层

有个MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意2台主机上建立通信

接下来的问题是，同一台主机上有许多程序要连接网络，比如，你一遍浏览网页，一遍和朋友聊天，当一个数据包重互联网发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容，还是表示聊天的内容。

也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个进程使用。这个参数就叫做端口。port

他其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发送到主机的特定端口，所以不同的程序就能娶到自己所需要的数据。

端口是0-65535之间的一个整数，16个二进制，0-1023端口被系统占用，用户只能选用1023后面的端口。no matter you are surfing or chating on line ,there will be  a port selected to match with server port .

传输层的功能就是建立，端口到端口的通信。相比之下，网络层的功能就是建立主机要主机的通讯，只要确定主机的端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，unix系统就是把主机+端口 叫做 套接字，socket.,有了它，就可以进行网络应用程序开发了

UDP协议

现在我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议，最简单的实现就叫做UDP协议，他 的 格式几乎就是在数据前面加上端口号

UDP数据包，也是由标头和数据组成

 Head  + data

"head"部分主要定义了端口和接收端口，“data"就是具体内容，然后把整个UDP数据包放到IP数据包的数据部分，而前面也提过IP数据包又是放在以太网数据包之中，所以整个以太网数据变成了

head + head + head +data

TCP协议

UDP协议有点比较简单，容易实现，但是可靠性差。

为了提高网络可靠性，TCP协议就诞生了，没发出一个数据包都要求确认，如果有一个包遗失，就说不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了

TCP数据包和UDP数据包都一样，都是内嵌在IP数据包的数据部分，TCP数据包没有长度限制.Theoretical no limited ,in general ,the lenght of TCP is no longer than the lenght of IP package to ensure singal TCP package don't need to be divided .

应用层，

应用程序收到传输层的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则无法解读

“应用层”作用 就是规定应用程序的数据格式

举例来说，TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如email,www.ftp.必须有不同的协议来规定电子邮件，网页，FTP数据格式，这些应用程序就构成了 应用层

这是最高一层，直接面对用户，他的数据放在TCP数据包的数据部门，因此，以太网的数据包变成了

Head   +     Head  +    Head  +    data

以太网标头    IP标头     TCP标头     应用层数据

 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2台电脑之间的通信，

发送这个包，我们需要知道对方的IP地址和MAC地址。有了这2个地址，数据包才能准确送到接受者手中，但是前面说过，MAC地址有局限性，如果2个电脑 不再同一个子网中，就要通过gateway转发。网关通过路由协议，发现电脑位于网络B， 又把数据包发给网关B，网关B在转发给对应电脑

同一个字网络   ----〉对方的MAC地址，对方 IP地址

非同一个 ----〉网关MAC地址，对方IP地址

8： 用户上网设置

手动IP，DHCP

DHCP是一种应用层协议，建立在UDP协议之上

head     +       head    +    head   + data

以太网　　　　IP　　　　　　UDP　　DHCP SERVER

最前面的以太网标头设置本机的MAC地址和接受方DHCP服务器的MAC地址，后者不知道就填FF-FF-FF-FF-FF-FF

后面的IP标头，设置本机的IP地址和接受发的IP地址，本地不知道0.0.0.0 ，接收方 255.255.255.255

UDP标头，设置发出方的端口68 和接收方端口67

这个数据包构造完成就可以发出，以太网是广播发送，同一个子网的没台计算机都接收到了，还必须分析其IP地址才能确定是否发给自己的，DHCP看到发出方的0.0.0.，接收方是255.255.255.255就知道是给我的，其它的PC就丢弃这个包

接下来DHCP读取包的内容，分配好IP地址，发送回去DHCP响应，这个包夜类似

9：实例，访问网页

本机：192.168.1.100

255.255.255.0

192.168.1.1

8.8.8.8

 

然后打开浏览器，访问google.com  这就意味着浏览器要向 google发送一个网页请求

DNS协议

发送数据包，必须要知道对方的IP地址，但是我们只知道网址，DNS协议可以帮助我们把网址转换成IP

已知DNS服务器8.8.8.8，于是我们向这个地址发送一个DNS数据包

head    +   head    + head     +     data

以太网　　IP　　　　udp　　　　DNS数据包

然后DNS做出相应，告诉我们GOOGLE的地址是172.194.72.105

子网掩码判断是否在同一个子网

通过已经知道的子网掩码255.255.255.0 和IP地址作and 运算

因此我们要向google发送数据包，必须通过网关转发，也就是说接受的MAC地址就是网关地址

 

应用层协议

浏览网页用的是HTTP协议，他的整个数据包构造

head      +       head     +     head    +     data

以太网　　　　IP　　　　　　TCP　　　　HTTP

 

Http 部分的内容，

GET / HTTP /1.1

host: www.google.com

connection :  keep-alive

user-agent :mozilla5.0 (windwos NT)

accept:

text/html,applicaiton/xhtml,applicaiton/xml;1=0.9,*/*;1=0.8

accept-encoding;gzip,deflate,sdch

accept-language:zh-cn,zh;q=0.8

accept-charset: GBK,utf-9;q=0.7,*;q=0.3

cookie;... ...

我们假定这个部分长度为4960字节，他会被封装在TCP数据包之中

 

TCP协议

TCP数据包需要设置端口，google的http port 80,发送方的端口是随机生成的1024-65535 之间，假定51755

TCP数据包的标头长度20字节，加上嵌入的http数据包，总长度4980

IP协议

TCP数据包再嵌入IP数据包，ip数据包为双方IP地址，

ip的标头为20字节，加上嵌入的TCP数据包为5000字节

 

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，本机的MAC地址和接收方网管的MAC地址，（通过ARP得到）

以太网数据部分最大1500字节，而现在IP的数据包长度5000，因此，IP数据包必须分割4个包，因为每个包都有自己的IP标头（20 字节）所以4个包的IP数据包长度分别为1500 1500 1500 560

head    head    data

head   head  data

head    head 　　data

head 　　head 　　data

以太网　　ip　　  TCP DATA

 

 服务器端响应

经过多个网关转发google服务器收到了这4个以太网数据包

根据IP标头的序号，google将4个包平起来，取得完整的TCP数据包，然后读取里面的HTTP请求在作出回应，在同TCP协议，发回来

本机受到HTTP，就可以将网页显示出来，完成一次完整 的网络通讯