互联网协议简述

互联网的实现,分成好几层。每一层都有自己的功能,就像建筑物一样,每一层都靠下一层支持。

用户接触到的,只是最上面的一层,根本没有感觉到下面的层。理解互联网,需要从最下层开始,自下而上理解每一层的功能。

如何分层有不同的模型,有的模型分七层,有的分四层。把互联网分成五层,比较容易解释。

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五层模型

如上图所示,最底下的一层叫做"实体层"(Physical Layer),最上面的一层叫做"应用层"(Application Layer),中间的三层(自下而上)分别是"链接层"(Link Layer)、“网络层”(Network Layer)和"传输层"(Transport Layer)。越下面的层,越靠近硬件;越上面的层,越靠近用户。

名字只是一个代号,它们叫什么名字,其实并不重要。只需要知道,互联网分成若干层就可以了。

每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能,就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"(Internet Protocol Suite),它们是互联网的核心。

电脑要组网,第一件事是先把电脑连起来,可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。

这就叫做"实体层",它就是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

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实体层

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

早期的时候,每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)。每一帧分成两个部分:标头(Head)和数据(Data)。

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head-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。

以太网数据包的"标头”,包含了发送者和接受者的信息。那么,发送者和接受者是如何标识呢?

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。

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。

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MAC address

上图的 MAC 地址的二进制位为 00000000-10110000-11010000-10000110-10111011-11110111

以太网数据包必须知道接收方的 MAC 地址,然后才能发送,那么问题来了,

  • 一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址?
  • 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。

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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,做进一步处理,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,“链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。

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,很像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。

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子网络

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。),MAC 地址本身无法做到这一点,它只与厂商有关,与所处网络无关。

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

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。

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IP协议

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 一直到 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。

IP 地址分成两个部分,前一部分代表网络,后一部分代表主机

比如,IP 地址 172.16.254.1,这是一个 32 位的地址,假定它的网络部分是前 24 位(172.16.254),那么主机部分就是后 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,也就是说 172.16.254.2 应该与 172.16.254.1 处在同一个子网络。

单单从 IP 地址,我们无法判断网络部分。还是以 172.16.254.1 为例,它的网络部分,到底是前 24 位,还是前 16 位,甚至前 28 位,从 IP 地址上是看不出来的。

那么,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,也是一个 32 位二进制数字,它的网络部分全部为 1,主机部分全部为 0 。比如,IP 地址 172.16.254.1 ,如果已知网络部分是前 24 位,主机部分是后 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,就表明它们在同一个子网络中,否则就不是。

比如,已知IP地址 172.16.254.1172.16.254.233 的子网掩码都是 255.255.255.0,请问它们是否在同一个子网络?两者与子网掩码分别进行 AND 运算,结果都是 172.16.254.0,因此它们在同一个子网络。

1
2
3
4
10101100.00010000.11111110.00000001 # 172.16.254.1
11111111.11111111.11111111.00000000 # 255.255.255.0
10101100.00010000.11111110.00000000 # AND 结果二进制位
172.16.254.0                        # AND 结果转成十进制

所以,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

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?

回答是不需要,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。

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IP数据包1

“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。它放进以太网数据包后,以太网数据包就变成了下面这样。

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IP数据包2

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(上图红色部分),它就需要分割成几个以太网数据包,分开发送了。

由于 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,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。

这里又可以分成两种情况。

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。

有了 ARP 协议之后,我们就可以得到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

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,比如,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,它是表示网页的内容,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,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。

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,它的格式几乎就是在数据前面,加上端口号。

UDP 数据包,也是由"标头"和"数据"两部分组成。

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UDP数据格式_1

“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:

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UDP数据格式_2

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。

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,但可以近似认为,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

应用程序收到"传输层"的数据,接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构,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(比如 http 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。

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应用层数据包

网络通信就是交换数据包。电脑 A 向电脑 B 发送一个数据包,后者收到了,回复一个数据包,从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构,基本上是下面这样:

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数据包

发送这个包,需要知道两个地址:

  • 对方的 MAC 地址
  • 对方的 IP 地址

有了这两个地址,数据包才能准确送到接收者手中。但是,MAC 地址有局限性,如果两台电脑不在同一个子网络,就无法知道对方的 MAC 地址,必须通过网关(gateway)转发

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网关

上图☝️中,1 号电脑要向 4 号电脑发送一个数据包。它先判断 4 号电脑是否在同一个子网络,结果发现不是,于是就把这个数据包发到网关 A。网关 A 通过路由协议,发现 4 号电脑位于子网络 B,又把数据包发给网关 B,网关 B 再转发到 4 号电脑。

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

发送数据包之前,电脑必须判断对方是否在同一个子网络,然后选择相应的 MAC 地址。

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new computer

通常你必须做一些设置。有时,管理员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:

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

下图是Windows系统的设置窗口。

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系统设置

这四个参数缺一不可。由于它们是给定的,计算机每次开机,都会分到同样的IP地址,所以这种情况被称作"静态IP地址上网”。

但是,这样的设置很专业,普通用户望而生畏,而且如果一台电脑的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。

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。

前面说过,如果两台计算机在同一个子网络,必须知道对方的 MAC 地址和 IP 地址,才能发送数据包。但是,新加入的计算机不知道这两个地址,怎么发送数据包呢?

DHCP协议做了一些巧妙的规定。

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:

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HDCP协议数据包

  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。

这个数据包构造完成后,就可以发出了。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。

不管是"静态IP地址"还是"动态IP地址",电脑上网的首要步骤,是确定四个参数。这四个值很重要,值得重复一遍:

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

有了这几个数值,电脑就可以上网"冲浪"了。

我们假定,用户设置好了自己的网络参数:

  • 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

然后他打开浏览器,想要访问Google,在地址栏输入了网址:www.google.com

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访问google

这意味着,浏览器要向Google发送一个网页请求的数据包。

我们知道,发送数据包,必须要知道对方的IP地址。但是,现在,我们只知道网址www.google.com,不知道它的IP地址。

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)。

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DNS数据包

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。

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(两个数位都为1,结果为1,否则为0),计算结果为192.168.1.0 ;然后对Google的IP地址172.194.72.105也做一个AND运算,计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等,所以结论是,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。

浏览网页用的是HTTP协议,它的整个数据包构造是这样的:

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HTTP协议数据包

HTTP部分的内容,类似于下面这样:

1
2
3
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5
6
7
8
9
  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: ... ...

我们假定这个部分的长度为 4960 字节,它会被嵌在TCP数据包之中。

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。

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。

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。

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以太网协议

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。

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服务器相应

上面的例子,虽然经过了简化,但它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。