18、網際網路協議入門

weixin_30488085發表於2020-04-06

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

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。

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。

"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。

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。

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。

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)。

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。

這是從設計者的角度看問題,今天我想切換到使用者的角度,看看使用者是如何從上至下,與這些協議互動的。

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網際網路協議入門(二)

(接上文)

七、一個小結

先對前面的內容,做一個小結。

我們已經知道,網路通訊就是交換資料包。電腦A向電腦B傳送一個資料包,後者收到了,回覆一個資料包,從而實現兩臺電腦之間的通訊。資料包的結構,基本上是下面這樣:

傳送這個包,需要知道兩個地址:

  * 對方的MAC地址

  * 對方的IP地址

有了這兩個地址,資料包才能準確送到接收者手中。但是,前面說過,MAC地址有侷限性,如果兩臺電腦不在同一個子網路,就無法知道對方的MAC地址,必須通過閘道器(gateway)轉發。

上圖中,1號電腦要向4號電腦傳送一個資料包。它先判斷4號電腦是否在同一個子網路,結果發現不是(後文介紹判斷方法),於是就把這個資料包發到閘道器A。閘道器A通過路由協議,發現4號電腦位於子網路B,又把資料包發給閘道器B,閘道器B再轉發到4號電腦。

1號電腦把資料包發到閘道器A,必須知道閘道器A的MAC地址。所以,資料包的目標地址,實際上分成兩種情況:

場景 資料包地址
同一個子網路 對方的MAC地址,對方的IP地址
非同一個子網路 閘道器的MAC地址,對方的IP地址

傳送資料包之前,電腦必須判斷對方是否在同一個子網路,然後選擇相應的MAC地址。接下來,我們就來看,實際使用中,這個過程是怎麼完成的。

八、使用者的上網設定

8.1 靜態IP地址

你買了一臺新電腦,插上網線,開機,這時電腦能夠上網嗎?

通常你必須做一些設定。有時,管理員(或者ISP)會告訴你下面四個引數,你把它們填入作業系統,計算機就能連上網了:

  * 本機的IP地址
  * 子網掩碼
  * 閘道器的IP地址
  * DNS的IP地址

下圖是Windows系統的設定視窗。

這四個引數缺一不可,後文會解釋為什麼需要知道它們才能上網。由於它們是給定的,計算機每次開機,都會分到同樣的IP地址,所以這種情況被稱作"靜態IP地址上網"。

但是,這樣的設定很專業,普通使用者望而生畏,而且如果一臺電腦的IP地址保持不變,其他電腦就不能使用這個地址,不夠靈活。出於這兩個原因,大多數使用者使用"動態IP地址上網"。

8.2 動態IP地址

所謂"動態IP地址",指計算機開機後,會自動分配到一個IP地址,不用人為設定。它使用的協議叫做DHCP協議

這個協議規定,每一個子網路中,有一臺計算機負責管理本網路的所有IP地址,它叫做"DHCP伺服器"。新的計算機加入網路,必須向"DHCP伺服器"傳送一個"DHCP請求"資料包,申請IP地址和相關的網路引數。

前面說過,如果兩臺計算機在同一個子網路,必須知道對方的MAC地址和IP地址,才能傳送資料包。但是,新加入的計算機不知道這兩個地址,怎麼傳送資料包呢?

DHCP協議做了一些巧妙的規定。

8.3 DHCP協議

首先,它是一種應用層協議,建立在UDP協議之上,所以整個資料包是這樣的:

  (1)最前面的"乙太網標頭",設定發出方(本機)的MAC地址和接收方(DHCP伺服器)的MAC地址。前者就是本機網路卡的MAC地址,後者這時不知道,就填入一個廣播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。

  (2)後面的"IP標頭",設定發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時,對於這兩者,本機都不知道。於是,發出方的IP地址就設為0.0.0.0,接收方的IP地址設為255.255.255.255。

  (3)最後的"UDP標頭",設定發出方的埠和接收方的埠。這一部分是DHCP協議規定好的,發出方是68埠,接收方是67埠。

這個資料包構造完成後,就可以發出了。乙太網是廣播傳送,同一個子網路的每臺計算機都收到了這個包。因為接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF,看不出是發給誰的,所以每臺收到這個包的計算機,還必須分析這個包的IP地址,才能確定是不是發給自己的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0,接收方是255.255.255.255,於是DHCP伺服器知道"這個包是發給我的",而其他計算機就可以丟棄這個包。

接下來,DHCP伺服器讀出這個包的資料內容,分配好IP地址,傳送回去一個"DHCP響應"資料包。這個響應包的結構也是類似的,乙太網標頭的MAC地址是雙方的網路卡地址,IP標頭的IP地址是DHCP伺服器的IP地址(發出方)和255.255.255.255(接收方),UDP標頭的埠是67(發出方)和68(接收方),分配給請求端的IP地址和本網路的具體引數則包含在Data部分。

新加入的計算機收到這個響應包,於是就知道了自己的IP地址、子網掩碼、閘道器地址、DNS伺服器等等引數。

8.4 上網設定:小結

這個部分,需要記住的就是一點:不管是"靜態IP地址"還是"動態IP地址",電腦上網的首要步驟,是確定四個引數。這四個值很重要,值得重複一遍:

  * 本機的IP地址
  * 子網掩碼
  * 閘道器的IP地址
  * DNS的IP地址

有了這幾個數值,電腦就可以上網"衝浪"了。接下來,我們來看一個例項,當使用者訪問網頁的時候,網際網路協議是怎麼運作的。

九、一個例項:訪問網頁

9.1 本機引數

我們假定,經過上一節的步驟,使用者設定好了自己的網路引數:

  * 本機的IP地址:192.168.1.100
  * 子網掩碼:255.255.255.0
  * 閘道器的IP地址:192.168.1.1
  * DNS的IP地址:8.8.8.8

然後他開啟瀏覽器,想要訪問Google,在位址列輸入了網址:www.google.com。

這意味著,瀏覽器要向Google傳送一個網頁請求的資料包。

9.2 DNS協議

我們知道,傳送資料包,必須要知道對方的IP地址。但是,現在,我們只知道網址www.google.com,不知道它的IP地址。

DNS協議可以幫助我們,將這個網址轉換成IP地址。已知DNS伺服器為8.8.8.8,於是我們向這個地址傳送一個DNS資料包(53埠)。

然後,DNS伺服器做出響應,告訴我們Google的IP地址是172.194.72.105。於是,我們知道了對方的IP地址。

9.3 子網掩碼

接下來,我們要判斷,這個IP地址是不是在同一個子網路,這就要用到子網掩碼。

已知子網掩碼是255.255.255.0,本機用它對自己的IP地址192.168.1.100,做一個二進位制的AND運算(兩個數位都為1,結果為1,否則為0),計算結果為192.168.1.0;然後對Google的IP地址172.194.72.105也做一個AND運算,計算結果為172.194.72.0。這兩個結果不相等,所以結論是,Google與本機不在同一個子網路。

因此,我們要向Google傳送資料包,必須通過閘道器192.168.1.1轉發,也就是說,接收方的MAC地址將是閘道器的MAC地址。

9.4 應用層協議

瀏覽網頁用的是HTTP協議,它的整個資料包構造是這樣的:

HTTP部分的內容,類似於下面這樣:

  GET / HTTP/1.1
  Host: www.google.com
  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: ... ...

我們假定這個部分的長度為4960位元組,它會被嵌在TCP資料包之中。

9.5 TCP協議

TCP資料包需要設定埠,接收方(Google)的HTTP埠預設是80,傳送方(本機)的埠是一個隨機生成的1024-65535之間的整數,假定為51775。

TCP資料包的標頭長度為20位元組,加上嵌入HTTP的資料包,總長度變為4980位元組。

9.6 IP協議

然後,TCP資料包再嵌入IP資料包。IP資料包需要設定雙方的IP地址,這是已知的,傳送方是192.168.1.100(本機),接收方是172.194.72.105(Google)。

IP資料包的標頭長度為20位元組,加上嵌入的TCP資料包,總長度變為5000位元組。

9.7 乙太網協議

最後,IP資料包嵌入乙太網資料包。乙太網資料包需要設定雙方的MAC地址,傳送方為本機的網路卡MAC地址,接收方為閘道器192.168.1.1的MAC地址(通過ARP協議得到)。

乙太網資料包的資料部分,最大長度為1500位元組,而現在的IP資料包長度為5000位元組。因此,IP資料包必須分割成四個包。因為每個包都有自己的IP標頭(20位元組),所以四個包的IP資料包的長度分別為1500、1500、1500、560。

9.8 伺服器端響應

經過多個閘道器的轉發,Google的伺服器172.194.72.105,收到了這四個乙太網資料包。

根據IP標頭的序號,Google將四個包拼起來,取出完整的TCP資料包,然後讀出裡面的"HTTP請求",接著做出"HTTP響應",再用TCP協議發回來。

本機收到HTTP響應以後,就可以將網頁顯示出來,完成一次網路通訊。

這個例子就到此為止,雖然經過了簡化,但它大致上反映了網際網路協議的整個通訊過程。

(完)

 

轉載於:https://www.cnblogs.com/yhxb/p/10839671.html

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