计算机基础之互联网协议

一 什么是互联网协议

前面我们学习了计算机基础之硬件和计算机基础之操作系统，了解了计算机硬件及操作系统的知识，也知道了计算机系统由硬件、操作系统、应用软件构成，如果这三者都具备的话，我们就能应用计算机了，但只能在本机上玩，无法与其他计算机系统进行互通。如果要进行计算机的两两通讯，我们得应用互联网，比如：我们访问一个网站，就是互联网的应用。

互联网的核心是一系列协议，总称为"互联网协议"（Internet Protocol Suite）。它们对计算机如何连接和组网，做出了详尽的规定。理解了这些协议，我们也就理解了互联网的原理。

二 OSI七层协议

互联网协议按照功能不同分为OSI七层或TCP/IP五层或TCP/IP四层，如下图：

下3层被称为：媒介层；上四层被称为：主机层

每层运行常见物理设备有：

三 TCP/IP五层模型讲解

我们将应用层，表示层，会话层并作应用层，从TCP/IP五层协议的角度来阐述每层的由来与功能，搞清楚了每层的主要协议，就理解了整个互联网通信的原理。

首先，用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较容易理解。

每层都运行特定的协议，越往上越靠近用户，越往下越靠近硬件。

3.1  物理层

由来：计算机和计算机之间要想通信，就必须接入internet，言外之意就是计算机之间必须完成组网，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。

功能：主要基于电器特性发送高低电压，高电压对应数字1，低电压对应数字0（提供电信号）

3.2 （数据）链路层

由来：单纯的电信号0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思

功能：定义了电信号的分组方式

以太网协议

早期的时候各个公司都有自己的分组方式，后来形成了统一的标准，即"以太网"（Ethernet）协议，Ethernet规定：

  • 一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’ （Frame）
  • 一数据帧分成：报头Head和数据Data两部分

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Head包含：(固定18个字节)

  • 发送者／源地址，6个字节
  • 接收者／目标地址，6个字节
  • 数据类型，6个字节

Data包含：(最短46字节，最长1500字节)

  • 数据包的具体内容

Head长度＋Data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送

MAC地址

上面提到，以太网数据包的"报头"，包含了发送者和接受者的信息。那么，发送者和接受者是如何标识呢？

以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有"网卡"接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。

每块网卡出厂时都被烧制上一个世界唯一的MAC地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。

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广播

有了MAC地址只是第一步，后面还有更多的步骤：

首先，一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址？

存在一种ARP协议，可以解决这个问题。关于ARP协议后面会详细介绍，这里只需要知道，以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。

其次，就算有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？

以太网采用了一种很"原始"的方式，它不是把数据包准确送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方，这种发送方式就叫做"广播"（broadcasting）。

上图中，1号计算机向2号计算机发送一个数据包，同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"报头"，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址相比较，如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。

有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，"链路层"就可以在多台计算机之间传送数据了。

3.3 网络层

由来：有了Ethernet，MAC地址，广播的发送方式，计算机与计算机之间就可以通信了，问题是世界范围的互联网由一个个彼此隔离的小的局域网组成的，那么发送一条消息全世界都能收到，这样会导致效率很低了。所以，必须找到一种方法来区分计算机是在局域网还是不在局域网里。如果在同一个局域网里，就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式。这就导致了"网络层"的诞生

功能：引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做"网络地址"，简称"网址"

MAC地址  VS 网络地址

"网络层"出现后，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起。

网络地址帮助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中的目标网卡。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后再处理MAC地址。

IP协议

规定网络地址的协议叫ip协议，它定义的地址称之为ip地址，目前广泛采用的是v4版本，即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示 ，习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，范围为：0.0.0.0-255.255.255.255 。

互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。比如，IP地址192.168.3.101，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（192.168.3），那么主机部分就是后8位（101）。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的，也就是说192.168.3.102应该与192.168.3.101处在同一个子网络。

但是，问题在于单单从IP地址，我们无法判断网络部分。还是以192.168.3.101为例，它的网络部分，到底是前24位，还是前16位，甚至前28位，从IP地址上是看不出来的

那么，怎样才能从IP地址，判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另一个参数"子网掩码"（subnet mask）。

所谓”子网掩码”，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址192.168.3.101，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。

知道”子网掩码”，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果相同则表明它们在同一个子网络中，否则就不是

比如，已知IP地址192.168.3.101和192.168.3.102的子网掩码都是255.255.255.0，计算过程如下：

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结果都是192.168.3.0，因此它们在同一个子网络。

总结一下，IP协议的作用主要有两个：

  • 为每一台计算机分配IP地址
  • 确定哪些地址在同一个子网络

IP数据包

根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。不难想象，其中必定包括IP地址信息。

但是前面说过，以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义，再添加一个栏位呢？

答案是不需要，我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"（Data）部分，因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。

具体来说，IP数据包也分为"Head"和"Data"两个部分

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"Head"部分主要包括版本、长度、IP地址等信息，"Data"部分则是IP数据包的具体内容。它放进以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样。

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IP数据包的"Head"部分的长度为20到60字节，整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此，理论上，一个IP数据包的"Data"部分，最长为65,515字节。前面说过，以太网数据包的"Data"部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送

ARP协议

因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以我们必须同时知道两个地址，一个是对方的MAC地址，另一个是对方的IP地址。通常情况下，对方的IP地址是已知的（后文会解释），但是我们不知道它的MAC地址。

所以，我们需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。

这里又可以分成两种情况：

1. 如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的"网关"（gateway），让网关去处理

2. 如果两台主机在同一个子网络，那么我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

3.4 传输层

由来：有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如：QQ聊天，浏览网页。当一个数据包从互联网上发来时，我们如何知道，它是表示网页的内容，还是表示聊天的内容呢？这里我们还需要一个参数去表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做"端口"（port），端口即应用程序与网卡关联的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据

功能：建立端口到端口的通信

补充：端口范围为0-65535，0-1023为系统占用端口

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。最简单的实现叫做UDP协议，它是不可靠传输，格式几乎就是在数据前面，加上端口号。

UDP数据包，也是由"Head"和"Data"两部分组成

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"Head"部分主要定义了发出端口和接收端口，"Data"部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的"Data"部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：

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UDP数据包非常简单，"Head"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。

TCP协议

UDP协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到，为不可靠传输。

为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。

因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。

TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。通过TCP协议的整个以太网数据包如下：

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关于TCP具体的连接、释放可参考另一篇文章：网络基础之TCP的三次握手与四次挥手

更多TCP相关知识可参考：http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/06/tcp-protocol.html

3.5 应用层

由来：用户使用的都是应用程序，均工作于应用层，互联网是开放的，大家都可以开发自己的应用程序，数据多种多样，必须规定好数据的组织形式

功能：规定应用程序的数据格式

例如：TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，如：Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了”应用层”。

这是最高的一层，直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的"Data"部分。因此，现在的以太网的数据包就变成下面这样:

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3.6 总结

通过上面的学习，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。

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：

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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。将各层汇总如下：

四 网络通信实现

想实现网络通信，每台主机需具备四要素

  • 本机的IP地址
  • 子网掩码
  • 网关的IP地址
  • DNS的IP地址

如何设置（获取）这四要素？有两种方式：

4.1 静态方式（静态IP地址）

静态方式即手动配置。下图是Windows系统的设置窗口

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这四个参数缺一不可，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"。

4.2 动态方式（动态IP地址）

这种方式计算机开机后，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。

4.3 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：

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1. 最前面的"以太网报头"，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报头"，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报头"，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，才能确定是不是发给自己的。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"这个包是发给我的"，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。

五 实例--访问网页

5.1 本机参数及访问

假设本机参数为：

  • 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

然后打开浏览器，想要访问百度，在地址栏输入了网址：www.baidu.com。这意味着，浏览器要向百度发送一个网页请求的数据包。

5.2 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.baidu.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：

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然后，DNS服务器做出响应，告诉我们百度的IP地址是172.194.72.105。于是，我们知道了对方的IP地址。

DNS域名解析过程图：

A.root-servers.net198.41.0.4美国
B.root-servers.net192.228.79.201美国（另支持IPv6）
C.root-servers.net192.33.4.12法国
D.root-servers.net128.8.10.90美国
E.root-servers.net192.203.230.10美国
F.root-servers.net192.5.5.241美国（另支持IPv6）
G.root-servers.net192.112.36.4美国
H.root-servers.net128.63.2.53美国（另支持IPv6）
I.root-servers.net192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net192.58.128.30美国
K.root-servers.net193.0.14.129英国（另支持IPv6）
L.root-servers.net198.32.64.12美国
M.root-servers.net202.12.27.33日本（另支持IPv6）
13台根DNS

域名定义可参考：http://jingyan.baidu.com/article/1974b289a649daf4b1f774cb.html

5.3 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（两个数位都为1，结果为1，否则为0），计算结果为192.168.1.0；然后对百度的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，百度与本机不在同一个子网络。

因此，我们要向百度发送数据包，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。

5.4 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.baidu.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。

5.5 TCP协议

TCP数据包需要设置端口，接收方（百度）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。

5.6 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（百度）。

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。

5.7 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，如下：

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5.8 服务器端响应

经过多个网关的转发，百度的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。

根据IP报头的序号，百度将四个包拼起来，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。

 

参考：http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html

         http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html

         http://www.cnblogs.com/linhaifeng/articles/5937962.html

更多优秀文章：https://www.cnblogs.com/ImBit/p/5513401.html

 

posted @ 2018-07-27 21:47  Joe1991  阅读(374)  评论(0)    收藏  举报