计算机网络知识框架总结（复习）
前言
在大学学习了计算机网络，已经复习好几遍了，依然会忘记一些内容，虽然每次复习的时候都能重新认识到新的知识，但脑海中没有形成一个大致的框架，在复习的时候会没有查漏补缺的效果。
笔者打算写一篇学习笔记，初步总结计算机网络的知识框架，从总体把握，读者们大致能清楚计算机网络协议之间的关系。
主要参考了阮一峰老师的文章：互联网协议入门（一），写得很棒。本文在这基础上加入了笔者自己的理解，后续也会对文章中提到的协议进行适当补充。
概述
计算机网络是由好几层结构的组成，每一层相对独立又相互联系，像建筑物一样，每一层都为下一层提供了支持。每一层都是为了完成一种功能，为了能够让各层之间相互适配，需要各层都遵守共同的规则，这规则就叫做“协议”。
计算机网络的每一层都定义了很多协议，它们是计算机网络的核心。
对于计算机网络分层模型，许多书如《计算机网络：自顶向下方法(原书第6版)》是按照五层模型来解释，本文也是将计算机网络按五层来进行介绍。
用户接触到的只是最高层的应用层，对其下的层根本没有感觉。而且，越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。
为什么要将计算机网络分层次呢？
封装对相邻层的变化。
开发的小伙伴们都知道：实现一个复杂、多功能的程序，为了便于维护和扩展，各模块功能之间应该是解耦的。分层次，不仅可以让各层专注于自己的“任务”，只需要正常提供服务即可；还可以实现技术的变化不会对其他层乃至整个系统的工作产生影响。
接下来介绍每一个层的功能及其主要的协议。
1、物理层
电脑之间能通信，首先得是先把电脑连接起来。可以通过使用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式将若干部电脑连接起来。
这就是“物理层”，是将电脑连接起来的物理手段，作用是负责传送0和1的电信号。
物理层解决的是如何在连接好的各种计算机之间传输数据比特流，所以这一阶段的任务是确定传输媒体的接口的特性：机械特性（接口类型）、电气特性（电压范围）、功能特性（如-5V代表0，+5V代表1）、过程特性（各部件的工作步骤）。
2、数据链路层
然而，单纯的0和1是没有意义的，这串电信号需要有特定的解读方式：多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？
数据链路层在物理层的上方，确定了0和1的分组方式。比特流在传输的过程中肯定会存在误差，数据链路层会采用差错检测、差错控制、流量控制等方法，向上一层提供高质的数据传输服务。
2.1. 以太网协议
早期每家公司都有自己的电信号分组方式，后来有一种叫做“以太网（Ethernet）”的协议占据了主导地位。以太网规定，一组电信号构成一个“帧（Frame）”，每一个帧分成两个部分：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、接收者、数据类型等等；
数据：数据包中的具体内容。
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。所以整个帧最短为64字节，最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。
2.2. MAC地址
按照以太网协议的帧发送数据，帧中的标头包含了发送者和接收者的信息，那么发送者和接收者的信息是如何标识的呢？
以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有“网卡“接口。帧必须是从一个网卡，传送到另一块网卡。而网卡的地址，就是帧的发送地址和接收地址，这个就叫做MAC地址。
每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个六进制数表示。在Windows系统中可以通过命令来查看：
ipconfig/all
前6个十六进制数是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。
虽然说MAC地址是独一无二的，但是其实是可以修改本地的MAC地址的，有兴趣的朋友可以去试下。
2.3. 广播
上面我们介绍了，一块网卡有独一无二的MAC地址，而且以太网帧必须知道接收方的MAC，才能发送。
系统是怎么将帧准确送到接收方？
以太网采用一种“广播”的方式，它并不将数据包准确地送到接收方，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。
如图，1号计算机向2号计算机发送一个数据包，在同一个网络端的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的“标头”，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。这种发送方式就是"广播（Broadcasting）"。
3、网络层
理论上，仅仅依靠MAC地址，两部电脑相互之间就可以发送数据了。但是这么做有一个重大缺陷。以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一个数据包，不仅效率低下，而且仅局限于发送者所在的子网络。
也就是说，如果两台计算机不在同一个子网络，采用广播的方式是无法传输的。而这种设计是合理的，否则互联网上的所有计算机都会收到所有的包，不说信息安不安全，光是包数量都互联网来说就是灾难了。
计算机网络是无数个字网络共同组成的一个巨型网络，所以，需要区分哪些MAC地址属于同一个子网络，哪些不是。
如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用“路由”方式发送（路由，就是指如何向不同的字网络分成数据包，这个知识点比较庞大，留坑）。然而，MAC地址本身无法做到这点，因为MAC地址只跟厂商有关，与所处网络无关。
所以“网络层”就诞生了，它的作用是引进一套新的地址制度，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”。
于是，每台计算机都有两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址，二者之间没有任何联系，MAC地址是由厂商绑定在网卡上的，网络地址是由管理员分配的，它们只是随机组合在一起。
网络地址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。从逻辑上推断，应该是先处理网络地址，再处理MAC地址。
3.1. IP协议
规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址。IP协议有两个版本，IPv4和IPv6，在IPv4中规定，网络地址由32个二进制位组成。但是，目前IPv4已经全部分配完毕，所以IPv6的时代即将来临了。
本文为了方便，还是使用了IPv4的版本来进行介绍。习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0~255.255.255。互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分为两部分，前部分是网络段，后部分代表主机。处在同一子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的。
请听题：请判断172.16.252.1和172.16.254.3这两个IP地址之间的关系。
答案是，无法判断。因为不知道网络部分是前24位，还是前16位，这从IP地址上是看不出来的。
这时候需要一个参数来表示子网络特征，这就是“子网掩码”。子网掩码的形式等同于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。知道了子网掩码，我们就能判断，任意两个IP地址是否处于同一个子网络。
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，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。
请听题：假如172.16.252.1和172.16.254.3这两个IP地址的子网掩码都是255.255.255.0，那它们在同一个子网络吗？
如果子网掩码是255.255.240呢？
所以，IP协议的作用主要有两个，一个是为每台计算机分配IP地址，为数据包的传送提供地址，另一个作用是确定哪些地址在同一个子网络。
3.2. IP数据包
根据IP协议发送的数据，就叫IP数据包，其中必定包括IP地址信息。而我们之前说过，以太网数据宝只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位，那么IP数据包放在那里呢？
IP数据包可以直接放进以太网数据包的“数据”部分，这样就完全不用修改以太网的规格。这就是计算机网络分层的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。
标头：包括版本、长度、IP地址等信息；
数据：IP数据包的具体内容。
将IP数据包放入以太网数据包后，以太网数据包就变成下面这样：
IP数据包的标头部分的长度为20到60字节，整个数据包的总长度最大为65535字节。因此，理论上，一个IP数据包的数据部分，最长为65515字节。在上文说过，以太网数据包的数据部分最长也就1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，那么就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。
3.3. ARP协议
上文提到了，IP数据包的传送中我们必须知道两种地址：IP地址和MAC地址。通常我们会知道对方的IP地址（后文会解释），但是我们并不知道它的MAC地址。
所以需要一种机制，可以从IP地址得到MAC地址。
在这里需要分两种情况。第一种，如果两台主机不在同一个子网络，这就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。
如图，1号电脑向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（后文会介绍），于是就把这个数据发送都网关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。
第二种情况，如果两台主机在同一个子网络，那么我们可以使用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，在目的MAC地址填入FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个“广播”地址。这样，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。
总结上述，可以得到下面这种表：
| 场景 | 数据报地址 |
|---|---|
| 同一个子网络 | 对方的MAC地址，对方的IP地址 |
| 非同一个字网络 | 网关的MAC地址，对方的IP地址 |
对于ARP的应用，有兴趣的朋友可以去了解一下：ARP欺骗，很有意思的。
4、传输层
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。
但是，如果你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候，怎么判断这数据包里是表示网页的内容，还是表示在线聊天的内容？
所以我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数叫做“端口（Port）”，它是每个使用网卡的程序的编号。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。
“端口”是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。所以应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。可以在windows中的命令提示符来查看：
netstat -ano
可以看到，PID所代表的服务的端口是“本地地址”里:后的数字。
“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”的功能是建立“主机到主机”的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+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。
4.1. UDP协议
上文中我们提到了如果要识别数据包是发送给哪个程序，就需要加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现是叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加个端口号。UDP数据包，也是由“标头”和“数据”两部分组成。
标头：定义了发出端口和接收端口；
数据：具体的内容。
然后，将整个UPD数据包放入IP数据包的数据部分，而前文提到，IP数据包放在以太网数据包之中，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：
UDP数据包非常简单，标头部分只有8个字节，总长度不超过65535字节，正好放进一个IP数据包。
4.2. TCP协议
UDP协议的优点是结构简单，容易实现，但缺点是可靠性比较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到。所以为了提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。
这个协议很复杂，后续会专门写一篇关于TCP协议的文章。此处可以简单认为，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协议能确保数据不会遗失，但它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多资源.
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。但为了保证网络效率，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数据包不再分割。
5、应用层
当应用程序收到“传输层”的数据之后，下一步是要对其中内容进行解读，但是传过来的数据五花八门，除非事先规定好格式，否则根本无法解读。而应用层的作用，就是规定应用程序的数据格式。
举个栗子，TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如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，所以它的数据就放在TCP数据包的数据部分，因此，现在的以太网的数据包就变成这样了：
接下来用打开Baidu主页作为栗子。
我们知道，如果要上网，就得先设置好这几个参数：
- 本机的IP地址
- 子网掩码
- 网关的IP地址
- DNS的IP地址
这四个参数缺一不可，由于它们是给定的，每次计算机开机的时候，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”。
但是这种方式对于普通用户来说，有点“看起来好难的样子”，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。所以大多数用户使用“动态IP地址上网”。动态IP地址，是指计算机开机后，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。
5.1. DHCP协议
DHCP协议规定，每一个子网络中，有一台计算机**“DHCP服务器”负责管理本网络的所有IP地址**。新的计算机加入网络，必须向DHCP服务器发送到一个“DHCP请求”数据包，申请IP地址和相关的网络参数。
前面说过，两台计算机在同一个子网络，必须要知道对方的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别的计算机的MAC地址和IP地址，怎么发送数据包？
DHCP协议是建立在UDP协议上的应用层协议，其数据包如下：
- 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。
- IP标头，设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时对于两者，都是一个位置信息。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。
- UDP标头，设置发出方的端口和接收方的端口。这部分是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，所以也看不出是发给谁的。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，接受方是255.255.255.255，于是DHCP服务器才知道“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，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。
所以，新加入的计算机收到这个响应包，于是就可以知道自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等参数。
5.2. DNS协议
一般我们打开浏览器，输入网址打开网页。从上文我们可以知道，如果我们想发送数据包请求资源，必须要先知道对方的IP地址。但是我们只知道网址如www.baidu.com，不知道它的IP地址。
DNS协议可以帮助我们，将这个网址转为IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8，于是我们想这个地址发送一个DNS数据包（53端口）。
然后，DNS服务器做出响应，告诉我们Baidu的IP地址是14.215.177.39。于是，我们知道了对方的IP地址。
接下来，我们要判断这个IP地址是不是与本机在不在同一个子网络，这就需要用到子网掩码。用子网掩码分别与Baidu的IP地址和本机的IP地址进行AND运算。如果这两个结果相等，说明在同一个子网络；如果结果不相同，则Baidu与本机不在同一个子网络，需要由网关来处理。
因此，我们如果要向Baidu发送数据包，必须通过网关转发，也就是说，以太网标头的接收方MAC地址将是网关的MAC地址。
5.3. HTTP协议
我们要浏览网页，使用的协议是HTTP协议，其数据包结构如下：
HTTP部分的内容，类似于：
GET … HTTP/1.1
Host: www.baidu.com
Connection: keep-alive
Accept: application/json, text/javascript, /; q=0.01
Sec-Fetch-Dest: empty
User-Agent: Mozilla/5.0 …
Sec-Fetch-Site: same-origin
Sec-Fetch-Mode: cors
Referer: https://www.baidu.com/
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Cookie: …
我们假定这部分的长度为4960字节，他会被嵌入TCP数据包中。
- TCP协议
TCP数据包需要设置端口，接收方（Baidu）的HTTP端口假设为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42341。
TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度为4980字节。
- 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，发送方是本机IP地址，接收方是Baidu的IP地址。
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，发送方位本机的网卡MAC地址，通过ARP协议+网关的IP地址，可以得到网关的MAC地址，所以接收方为网关的MAC地址。
因为，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数据包必须分成4个包。且每个包都有自己的IP标头（20字节），所以4个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。
- 服务器端响应
经过多个网关的转发，Baidu的服务器14.215.177.39，收到了这四个以太网数据包。
根据IP标头的序号，Baidu将四个包拼接起来，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响应后，就可以将网页显示出来，完成一次网络通信。
到这里，计算机网络的五层模块就介绍完啦~
结语
阮一峰老师这篇文章互联网协议入门（一）写的真的很棒，博主小菜鸡一只，只能借这篇文章复习下框架，后续会根据复习的内容，将文章里的内容慢慢充实起来。
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参考资料：
