互联网分层和协议【学习笔记】

互联网的分层

 

　　1. 实体层（Physical Layer）

　　2. 链接层（Link Layer）

　　3. 网络层（Network Layer）

　　4. 传输层（Transport Layer）

　　5. 应用层（Application Layer）

 

　　越下面的层，越靠近用户；越上面的层，越靠近硬件。

 

互联网协议

 

　　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）。它们是互联网的核心。

 

 

各分层的定义和作用

 

　　"实体层"，就是把电脑连接起来的物理手段，例如光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。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"，它在"实体层"的上方，确定了0和1的分组方式。单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？

 

　　①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。

　　②MAC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。）

 

 

网络层

 

　　①IP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。

　　　　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。（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。）

 

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。

 

　　②ARP协议

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

 

传输层

 

　　①由来

　　　　为了区分数据包是提供给哪个程序用的，除了mac地址和ip地址，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）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。

 

　　②UDP协议

　　　　针对端口定义的新的协议。　　

　　　　UDP数据包，也是由"标头"和"数据"两部分组成。"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：

　　　　Head - Head - Head - Data

 

　　③TCP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。

 

 

应用层

 

　　应用程序收到"传输层"的数据，接下来就要进行解读。数据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。

 

 

总结：

 

　　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

　　（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"TCP 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。

 　　

 

 

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