[http] 网络协议
自底向上的五层协议
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每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能，就需要大家都遵守共同的规则。
大家都遵守的规则，就叫做"协议"（protocol）。
互联网的每一层，都定义了很多协议。
这些协议的总称，就叫做"互联网协议"（Internet Protocol Suite）。
实体层
是把电脑连接起来的物理手段。
它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号。
链接层
在"实体层"的上方，确定了0和1的分组方式。
#以太网协议
早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。
逐渐地，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数据包，叫做"帧"（Frame）。
每一帧分成两个部分：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、接受者、数据类型等等；"数据"则是数据包的具体内容。
"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。
因此，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。
#MAC地址
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个十六进制数表示。
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。
#广播
以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。
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）。
网络层
#网络层的由来
以太网协议，依靠MAC地址发送数据。
理论上，单单依靠MAC地址，上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了，技术上是可以实现的。
但是，这样做有一个重大的缺点。
以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一"包"，不仅效率低，而且局限在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，广播是传不过去的。
这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。
因此，必须找到一种方法，能够区分哪些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。
这就导致了"网络层"的诞生。它的作用是引进一套新的地址，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"。
于是，"网络层"出现以后，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，叫做IP协议。
它所定义的地址，就被称为IP地址。
IP协议的作用主要有两个，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个子网络。
目前，广泛采用的是IP协议第四版，简称IPv4。
这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成。
用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到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172.16.254.1，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（172.16.254），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。
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172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络。
但是，问题在于单单从IP地址，无法判断网络部分。
以172.16.254.1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。
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172.16.254.1，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"，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，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。
比如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0，两者与子网掩码(转回二进制)分别进行AND运算，结果都是172.16.254.0，因此它们在同一个子网络。
#IP数据包
根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包，包括IP地址信息。
但是以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位。
所以把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分。
这也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"标头"和"数据"两个部分。
"标头"部分主要包括版本、长度、IP地址等信息，"数据"部分则是IP数据包的具体内容。
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65,535字节。
因此理论上，一个IP数据包的"数据"部分，最长为65,515字节。
前面说过，以太网数据包的"数据"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，分开发送了。
#ARP协议
因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以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，但是不知道它的MAC地址。
所以需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。
这里又可以分成两种情况。
第一种情况，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。
第二种情况，如果两台主机在同一个子网络，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。
传输层
#传输层的由来
有了MAC地址和IP地址，已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。
但是还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。
这个参数就叫做"端口"（port），它其实是每一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。
不管是浏览网页还是在线聊天，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。
"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）。
#UDP协议
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"两部分组成,"标头"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。
"标头"部分主要定义了发出端口和接收端口，"数据"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"数据"部分，而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：
#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。
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，否则根本无法解读。
"应用层"的作用，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"数据"部分。
因此，现在的以太网的数据包就变成下面这样:
整个通信过程
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发送数据包，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。
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，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：
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
