互联网协议学习(一)

前言


  互联网的核心是一系列协议,总称为“互联网协议”(Internet Protocol Suite)。它们对电脑如何连接和组网,做出了详尽的规定。

一、概述


1.1 五层模型

  互联网的实现,分为好几层。每一层都有自己的功能,就像建房子一样,每一层都靠下一层支持。
用户接触到的,只是最上面的一层(应用层),根本没有感觉到下面的层。要理解互联网,必须从最下层开始,自下而上的理解每一层功能。
下图是主流的五层模型:

互联网模型

  如上图所示,最下面一层是物理层,最上面一层是应用层,也是用户接触到的一层,其他三层自上而下为 传输层,网络层、数据链路层。
  对于这五层互联网模型,越下面的层,越靠近硬件,越上面的层,越靠近用户。

1.2 层与协议
  每一层都是为了完成一种功能,为了实现这种功能,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 “互联网协议簇” (Internet Protocol Suite)。他们是互联网的核心,下图是各层的详细介绍。

二、物理层


  电脑要联网,第一步也是最开始要解决的问题,就是将电脑之间连接起来,有光缆、电缆、双绞线和无线电波等形式。

物理层

  这就叫做 “物理层”,他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,作用是负责传送0和1的电信号。

三、数据链路层


3.1 定义
   单纯的0和1没有任何意义,必须规定解读方式,例如:多少个电信号算一组?每个信号位又有何意义?只有规定了传送的0和1的所代表的意义,才能在电脑间传送与接收信息。这就是“数据链路层”的功能,他在“物理层”的上方,确定了0和1的分组方式。

3.2 以太网协议
  一个新事物刚刚出现的时候,各家为了发展,会诞生各自有利于自己的一套规则,犹如春秋时期诸子百家百家争鸣,最后被儒家独大。互联网也是这样,早期时候,各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)。每一帧分为两个部分:标头(Head)和数据(data)。

帧的结构

“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;”数据”则是数据包的具体内容。
“标头”的长度,固定是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。

3.3 MAC地址
  上面说到,以太网数据包的”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。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,这就叫做MAC地址。

网卡

  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。

MAC地址

  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。

3.4 广播
  定义地址只是第一步,后门还有更多的步骤。首先,一块网卡是怎么知道另一块网卡的MAC地址的?答案是有一种ARP协议,解决了这个问题。这里注意: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?答案是以太网采用了一种很 “原始” 的方式,他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。
  这里注意:牢记,互联网是由n多子网络共同组成的的巨型网络,如果都是离散的不成结构的网络,那么这种发送数据包方式会造成灾难,让每台计算机接收无数个数据包。

数据包发送(广播)

  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号计算机都会接收到这个包。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,作进一步处理,否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做 “广播”(broadcasting)。
  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。

四、网络层


4.1 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。以太网采用广播的方式发送数据包,所以成员人手一“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。
  互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络,很难想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络,这几乎是不可能的。

子网络与互联网

  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。(“路由”的意思,就是指如何向不同的子网络分发数据包。)遗憾的是,MAC地址本身无法做到这一点。他只与厂商有关,与所处网络无关。
  这就导致了“网络层”的诞生。他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,他们只是随机组合到一起。
  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,从逻辑上可以判断,必定是先处理网络地址,然后在处理MAC地址。

4.2 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。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地址

  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—255.255.255.255。
  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。例如,IP地址 172.16.254.1,这是一个32位的地址,假定他的网络部分是前24位(172.16.254),那么主机部分就是就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172.16.254.2应该与172.16.254.1处于同一个网络。
  但是这里又冒出来一个问题,判断不出网络部分是前24位,还是前16位,甚至前28位,这从IP地址上是看不来的。
  那么,如何从IP地址上判断两台计算机是否属于一个子网络呢?这里就需要一个新参数——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位二进制的数字,他的网络部分全部为1,主机部分全部为0。例如,IP地址为172.16.254.1,如果已知网络部分是前24位,主机部分是就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,如果是的话,就表明他们在同一个子网络中,否则就不是。
  例如: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,请问他们是否在同一个子网络?两者与子网掩码进行AND运算,结果都是172.16.254.0,因此他们在同一个子网络。
  总结一下,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。

4.3 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”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”标头”和”数据”两个部分。

IP数据包

  ”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。他放进以太网数据包后,以太网数据包就变成了下面这样。

以太网数据包

  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,他就需要分割成几个以太网数据包,分开发送了。

4.4 ARP协议
  关于”网络层”,还有最后一点需要说明。因为IP数据包时放在以太网数据包里发送的,所有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,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。
  这里又分为两种情况。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,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种),其中包含他所要查询主机的IP地址,在对方的MAC地址一栏,填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF,表示这是一个”广播”地址。他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,否则丢弃这个包。
  总之,又了ARP协议之后,我们就可以的搭配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。

五、传输层


5.1 传输层的由来
  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,例如,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,你怎么知道,他是表示网页的内容,还是表示在线聊天的内容?
  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程序(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。每个数据包都发到主机的特定端口,所有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,应用程序时随机选用一个端口,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)。有了他,就可以进行网络应用程序的开发了。

5.2 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,他的格式几乎就是在数据前面,加上端口号。

UDP数据包

  UDP数据包,也是由”标头”和”数据”两部分组成的。”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:

以太网数据包

UDP数据包非常简单,”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。

5.3 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协议诞生了。这个协议很复杂,但可以近似认为,他就是有确认机制的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丢失。他的缺点是过程复杂、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,太长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。

六、应用层


  应用程序收到”传输层”的数据,接下来就要进行解读。由于互联网是开发架构,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。

以太网数据包

  以上,就是从系统角度,描述的互联网的层次。

https://juejin.im/post/5e37864b51882510073ebdb3

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