網際網路協議入門-通俗易懂的講計算機網路5層結構

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

我們每天使用網際網路，你是否想過，它是如何實現的？

全世界幾十億臺電腦，連線在一起，兩兩通訊。上海的某一塊網路卡送出訊號，洛杉磯的另一塊網路卡居然就收到了，兩者實際上根本不知道對方的物理位置，你不覺得這是很神奇的事情嗎？

網際網路的核心是一系列協議，總稱為"網際網路協議"（Internet Protocol Suite）。它們對電腦如何連線和組網，做出了詳盡的規定。理解了這些協議，就理解了網際網路的原理。

下面就是我的學習筆記。因為這些協議實在太複雜、太龐大，我想整理一個簡潔的框架，幫助自己從總體上把握它們。為了保證簡單易懂，我做了大量的簡化，有些地方並不全面和精確，但是應該能夠說清楚網際網路的原理。

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網際網路協議入門

作者：阮一峰

一、概述

1.1 五層模型

網際網路的實現，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就像建築物一樣，每一層都靠下一層支援。

使用者接觸到的，只是最上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要理解網際網路，必須從最下層開始，自下而上理解每一層的功能。

如何分層有不同的模型，有的模型分七層，有的分四層。我覺得，把網際網路分成五層，比較容易解釋。

如上圖所示，最底下的一層叫做"實體層"（Physical Layer），最上面的一層叫做"應用層"（Application Layer），中間的三層（自下而上）分別是"連結層"（Link Layer）、"網路層"（Network Layer）和"傳輸層"（Transport Layer）。越下面的層，越靠近硬體；越上面的層，越靠近使用者。

它們叫什麼名字，其實並不重要。只需要知道，網際網路分成若干層就可以了。

1.2 層與協議

每一層都是為了完成一種功能。為了實現這些功能，就需要大家都遵守共同的規則。

大家都遵守的規則，就叫做"協議"（protocol）。

網際網路的每一層，都定義了很多協議。這些協議的總稱，就叫做"網際網路協議"（Internet Protocol Suite）。它們是網際網路的核心，下面介紹每一層的功能，主要就是介紹每一層的主要協議。

二、實體層

我們從最底下的一層開始。

電腦要組網，第一件事要幹什麼？當然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式。

這就叫做"實體層"，它就是把電腦連線起來的物理手段。它主要規定了網路的一些電氣特性，作用是負責傳送0和1的電訊號。

三、連結層

3.1 定義

單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個電訊號算一組？每個訊號位有何意義？

這就是"連結層"的功能，它在"實體層"的上方，確定了0和1的分組方式。

物理層規定了Ethernet的基本物理屬性，如資料編碼、時標、電頻等。

資料鏈路層的主要功能是完成幀傳送和幀接收，包括負責對使用者資料進行幀的組裝與分解，隨時監測物理層的資訊監測標誌，瞭解通道的忙閒情況，實現資料鏈路的收發管理。

3.2 乙太網協議

早期的時候，每家公司都有自己的電訊號分組方式。逐漸地，一種叫做"乙太網"（Ethernet）的協議，佔據了主導地位。乙太網不是一種具體的網路，是一種技術規範。

乙太網是當前應用最普遍的區域網技術。規定了包括物理層的連線、電訊號和介質訪問層協議的內容。包括標準的乙太網（10Mbit/s)、快速乙太網（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）乙太網。

乙太網規定，一組電訊號構成一個資料包，叫做"幀"（Frame）。每一幀分成兩個部分：標頭（Head）和資料（Data）。

"標頭"包含資料包的一些說明項，比如傳送者、接受者、資料型別等等；"資料"則是資料包的具體內容。

資料型別Type，上層協議。

"標頭"的長度，固定為18位元組。"資料"的長度，最短為46位元組，最長為1500位元組。因此，整個"幀"最短為64位元組，最長為1518位元組。如果資料很長，就必須分割成多個幀進行傳送。

參考：幀  MAC地址詳細解釋   https://www.cnblogs.com/hanqing/p/5719948.html

3.3 MAC地址

上面提到，乙太網資料包的"標頭"，包含了傳送者和接受者的資訊。那麼，傳送者和接受者是如何標識呢？

乙太網規定，連入網路的所有裝置，都必須具有"網路卡"介面。資料包必須是從一塊網路卡，傳送到另一塊網路卡。網路卡的地址，就是資料包的傳送地址和接收地址，這叫做MAC地址。

每塊網路卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的MAC地址，長度是48個二進位制位，通常用12個十六進位制數表示。

前6個十六進位制數是廠商編號，後6個是該廠商的網路卡流水號。有了MAC地址，就可以定位網路卡和資料包的路徑了。

乙太網封裝完成幀結構後通過物理層轉換成位元流在物理介質上傳輸。

3.4 廣播

定義地址只是第一步，後面還有更多的步驟。

首先，一塊網路卡怎麼會知道另一塊網路卡的MAC地址？

回答是有一種ARP協議，可以解決這個問題。這個留到後面介紹，這裡只需要知道，乙太網資料包必須知道接收方的MAC地址，然後才能傳送。

參考：ARP協議與MAC地址   https://blog.csdn.net/qq_39414668/article/details/79573076

Address Resolution Protocol（地址解析協議）：主機在傳送幀前將目標IP地址轉換成目標MAC地址的過程。

ARP協議的基本功能就是通過目標裝置的IP地址，查詢目標裝置的MAC地址，以保證通訊的順利進行。 

其次，就算有了MAC地址，系統怎樣才能把資料包準確送到接收方？

回答是乙太網採用了一種很"原始"的方式，它不是把資料包準確送到接收方，而是向本網路（區域網）內所有計算機傳送，讓每臺計算機自己判斷，是否為接收方。

上圖中，1號計算機向2號計算機傳送一個資料包，同一個子網路的3號、4號、5號計算機都會收到這個包。它們讀取這個包的"標頭"，找到接收方的MAC地址，然後與自身的MAC地址相比較，如果兩者相同，就接受這個包，做進一步處理，否則就丟棄這個包。這種傳送方式就叫做"廣播"（broadcasting）。還有單播、組播方式。

有了資料包的定義、網路卡的MAC地址、廣播的傳送方式，"連結層"就可以在多臺計算機之間傳送資料了。

四、網路層

4.1 網路層的由來

乙太網協議，依靠MAC地址傳送資料。理論上，單單依靠MAC地址，上海的網路卡就可以找到洛杉磯的網路卡了，技術上是可以實現的。

但是，這樣做有一個重大的缺點。乙太網採用廣播方式傳送資料包，所有成員人手一"包"，不僅效率低，而且侷限在傳送者所在的子網路。也就是說，如果兩臺計算機不在同一個子網路，廣播是傳不過去的。這種設計是合理的，否則網際網路上每一臺計算機都會收到所有包，那會引起災難。

網際網路是無數子網路共同組成的一個巨型網路，很像想象上海和洛杉磯的電腦會在同一個子網路，這幾乎是不可能的。

因此，必須找到一種方法，能夠區分哪些MAC地址屬於同一個子網路，哪些不是。如果是同一個子網路，就採用廣播方式傳送，否則就採用"路由"方式傳送。（"路由"的意思，就是指如何向不同的子網路分發資料包，這是一個很大的主題，本文不涉及。）遺憾的是，MAC地址本身無法做到這一點。它只與廠商有關，與所處網路無關。

這就導致了"網路層"的誕生。它的作用是引進一套新的地址，使得我們能夠區分不同的計算機是否屬於同一個子網路。這套地址就叫做"網路地址"，簡稱"網址"。

於是，"網路層"出現以後，每臺計算機有了兩種地址，一種是MAC地址，另一種是網路地址。兩種地址之間沒有任何聯絡，MAC地址是繫結在網路卡上的，網路地址則是管理員分配的，它們只是隨機組合在一起。

網路地址幫助我們確定計算機所在的子網路，MAC地址則將資料包送到該子網路中的目標網路卡。因此，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網路地址，然後再處理MAC地址。

4.2 IP協議

規定網路地址的協議，叫做IP協議。它所定義的地址，就被稱為IP地址。

目前，廣泛採用的是IP協議第四版，簡稱IPv4。這個版本規定，網路地址由32個二進位制位組成。

習慣上，我們用分成四段的十進位制數表示IP地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。

網際網路上的每一臺計算機，都會分配到一個IP地址。這個地址分成兩個部分，前一部分代表網路，後一部分代表主機。比如，IP地址172.16.254.1，這是一個32位的地址，假定它的網路部分是前24位（172.16.254），那麼主機部分就是後8位（最後的那個1）。處於同一個子網路的電腦，它們IP地址的網路部分必定是相同的，也就是說172.16.254.2應該與172.16.254.1處在同一個子網路。

但是，問題在於單單從IP地址，我們無法判斷網路部分。還是以172.16.254.1為例，它的網路部分，到底是前24位，還是前16位，甚至前28位，從IP地址上是看不出來的。

那麼，怎樣才能從IP地址，判斷兩臺計算機是否屬於同一個子網路呢？這就要用到另一個引數"子網掩碼"（subnet mask）。

所謂"子網掩碼"，就是表示子網路特徵的一個引數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進位制數字，它的網路部分全部為1，主機部分全部為0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知網路部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網路掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進位制就是255.255.255.0。

知道"子網掩碼"，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網路。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），然後比較結果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網路中，否則就不是。

比如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子網掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網路？兩者與子網掩碼分別進行AND運算，結果都是172.16.254.0，因此它們在同一個子網路。

總結一下，IP協議的作用主要有兩個，一個是為每一臺計算機分配IP地址，另一個是確定哪些地址在同一個子網路。

4.3 IP資料包

根據IP協議傳送的資料，就叫做IP資料包。不難想象，其中必定包括IP地址資訊。

但是前面說過，乙太網資料包只包含MAC地址，並沒有IP地址的欄位。那麼是否需要修改資料定義，再新增一個欄位呢？

回答是不需要，我們可以把IP資料包直接放進乙太網資料包的"資料"部分，因此完全不用修改乙太網的規格。這就是網際網路分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構。

具體來說，IP資料包也分為"標頭"和"資料"兩個部分。

"標頭"部分主要包括版本、長度、IP地址等資訊，"資料"部分則是IP資料包的具體內容。它放進乙太網資料包後，乙太網資料包就變成了下面這樣。

IP資料包的"標頭"部分的長度為20到60位元組，整個資料包的總長度最大為65,535位元組。因此，理論上，一個IP資料包的"資料"部分，最長為65,515位元組。前面說過，乙太網資料包的"資料"部分，最長只有1500位元組。因此，如果IP資料包超過了1500位元組，它就需要分割成幾個乙太網資料包，分開傳送了。

4.4 ARP協議

關於"網路層"，還有最後一點需要說明。

因為IP資料包是放在乙太網資料包裡傳送的，所以我們必須同時知道兩個地址，一個是對方的MAC地址，另一個是對方的IP地址。通常情況下，對方的IP地址是已知的（後文會解釋），但是我們不知道它的MAC地址。

所以，我們需要一種機制，能夠從IP地址得到MAC地址。

這裡又可以分成兩種情況。第一種情況，如果兩臺主機不在同一個子網路，那麼事實上沒有辦法得到對方的MAC地址，只能把資料包傳送到兩個子網路連線處的"閘道器"（gateway），讓閘道器去處理。

第二種情況，如果兩臺主機在同一個子網路，那麼我們可以用ARP協議，得到對方的MAC地址。ARP協議也是發出一個資料包（包含在乙太網資料包中），其中包含它所要查詢主機的IP地址，在對方的MAC地址這一欄，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示這是一個"廣播"地址。它所在子網路的每一臺主機，都會收到這個資料包，從中取出IP地址，與自身的IP地址進行比較。如果兩者相同，都做出回覆，向對方報告自己的MAC地址，否則就丟棄這個包。

總之，有了ARP協議之後，我們就可以得到同一個子網路內的主機MAC地址，可以把資料包傳送到任意一臺主機之上了。

五、傳輸層

5.1 傳輸層的由來

有了MAC地址和IP地址，我們已經可以在網際網路上任意兩臺主機上建立通訊。

接下來的問題是，同一臺主機上有許多程式都需要用到網路，比如，你一邊瀏覽網頁，一邊與朋友線上聊天。當一個資料包從網際網路上發來的時候，你怎麼知道，它是表示網頁的內容，還是表示線上聊天的內容？

也就是說，我們還需要一個引數，表示這個資料包到底供哪個程式（程式）使用。這個引數就叫做"埠"（port），它其實是每一個使用網路卡的程式的編號。每個資料包都發到主機的特定埠，所以不同的程式就能取到自己所需要的資料。

"埠"是0到65535之間的一個整數，正好16個二進位制位。0到1023的埠被系統佔用，使用者只能選用大於1023的埠。不管是瀏覽網頁還是線上聊天，應用程式會隨機選用一個埠，然後與伺服器的相應埠聯絡。

"傳輸層"的功能，就是建立"埠到埠"的通訊。相比之下，"網路層"的功能是建立"主機到主機"的通訊。只要確定主機和埠，我們就能實現程式之間的交流。因此，Unix系統就把主機+埠，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以進行網路應用程式開發了。

5.2 UDP協議

現在，我們必須在資料包中加入埠資訊，這就需要新的協議。最簡單的實現叫做UDP協議，它的格式幾乎就是在資料前面，加上埠號。

UDP資料包，也是由"標頭"和"資料"兩部分組成。

"標頭"部分主要定義了發出埠和接收埠，"資料"部分就是具體的內容。然後，把整個UDP資料包放入IP資料包的"資料"部分，而前面說過，IP資料包又是放在乙太網資料包之中的，所以整個乙太網資料包現在變成了下面這樣：

UDP資料包非常簡單，"標頭"部分一共只有8個位元組，總長度不超過65,535位元組，正好放進一個IP資料包。

5.3 TCP協議

UDP協議的優點是比較簡單，容易實現，但是缺點是可靠性較差，一旦資料包發出，無法知道對方是否收到。

為了解決這個問題，提高網路可靠性，TCP協議就誕生了。這個協議非常複雜，但可以近似認為，它就是有確認機制的UDP協議，每發出一個資料包都要求確認。如果有一個資料包遺失，就收不到確認，發出方就知道有必要重發這個資料包了。

因此，TCP協議能夠確保資料不會遺失。它的缺點是過程複雜、實現困難、消耗較多的資源。

TCP資料包和UDP資料包一樣，都是內嵌在IP資料包的"資料"部分。TCP資料包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網路的效率，通常TCP資料包的長度不會超過IP資料包的長度，以確保單個TCP資料包不必再分割。

六、應用層

應用程式收到"傳輸層"的資料，接下來就要進行解讀。由於網際網路是開放架構，資料來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。

"應用層"的作用，就是規定應用程式的資料格式。

舉例來說，TCP協議可以為各種各樣的程式傳遞資料，比如Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP資料的格式，這些應用程式協議就構成了"應用層"。

這是最高的一層，直接面對使用者。它的資料就放在TCP資料包的"資料"部分。因此，現在的乙太網的資料包就變成下面這樣。

至此，整個網際網路的五層結構，自下而上全部講完了。這是從系統的角度，解釋網際網路是如何構成的。下一篇，我反過來，從使用者的角度，自上而下看看這個結構是如何發揮作用，完成一次網路資料交換的。

（完）