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。
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。
此為七層模型
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。
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：
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場景 |
資料包地址 |
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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。