通俗理解网络协议

1.五层模型

1.1.实体层(物理层)

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。

1.2.链接层(数据链路层)

• 定义
  • 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？
  • 这就是”链接层”的功能，它在”实体层”的上方，确定了0和1的分组方式。
• 以太网协议
  • 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。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。
• 广播
  • 一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址？
    回答是有一种ARP协议，可以解决这个问题。
  • 就算有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？
    回答是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。这就是广播。

1.3.网络层

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。这种设计是不合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起效率灾难。

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（v4)

  • 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。
  • 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
  • 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。

• IP数据包

  • 根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。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。
  • 网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）_10.jpg
  • 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。

  • 1）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；

    2）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。

  • 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：

  场景	数据包地址
  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

1.4.传输层

• 目的

  • 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。
  • 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），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。

• UDP协议

  • “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：
  • 网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）_1.jpg
  • “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。

• 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，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。

1.5应用层

1.6.用户角度实例

通常你必须做一些设置。有时，管理员（或者ISP）会告诉你下面四个参数，你把它们填入操作系统，计算机就能连上网了：

• 基本设置

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

• 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，不够灵活。出于这两个原因，大多数用户使用”动态IP地址上网”。

  • 所谓”动态IP地址”，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。

• 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。

  • 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：

    网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）_5.jpg

    • 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”UDP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。

  • 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。

访问网页实例

这个例子经过了简化，它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。

• 本机参数

  • 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。

    浏览器要向Google发送一个网页请求的数据包。

• DNS协议

  • 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（53端口）。
  • 然后，DNS服务器做出响应，告诉我们Google的IP地址是172.194.72.105。于是，我们知道了对方的IP地址。

• 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，结论是，Google与本机不在同一个子网络。
  • 因此，我们要向Google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。

• HTTP协议

  • 网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）_8.jpg

  • HTTP部分的内容，类似于下面这样,假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。

    1 2 3 4 5 6 7 8 9

    GET / HTTP/1.1 Host: [url=http://www.google.com]www.google.com[/url] 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: ... ...

• TCP协议

  • TCP数据包需要设置端口，接收方（Google）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。

• 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（Google）。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。

• 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。（1480*3+540 = 4980）

• 服务器响应

• 经过多个网关的转发，Google的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。根据IP标头的序号，Google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。

参考资料：

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