看完這篇文章 你就理解網絡了

眾所周知網絡層次和協議是個很基礎的東西，但是由於比較抽象，很多人學了以後也不知道什麼意思，雲裡霧裡的很迷糊，其實網絡層次和協議要是結合實例用通俗的話語來描述更加容易理解。

1、網絡層次概述

1.1、網絡結構

網絡結構就像金字塔一樣，分成好幾層，每一層都有自己的功能，每一層都靠下一層支持。用戶接觸到的，只是最上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要理解互聯網，必須從最下層開始，自下而上理解每一層的功能。網絡層次有五層分法和七層分法，我們以五層分法為例分析。

最底下的一層叫做"實體層"，最上面的一層叫做"應用層"，中間的三層分別是"鏈接層"、"網絡層"和"傳輸層"。越下面的層，越靠近硬件；越上面的層，越靠近用戶。

1.2、每一層的協議

每一層的出現都是為了完成一種特定的功能，為了更好地實現這些功能，就需要大家遵守共同的規則，這種規則，就叫做"協議"。這些協議的總稱，就叫做"互聯網協議"。

2、實體層

電腦上網，第一件事要幹什麼？當然是用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式先把電腦連起來。

這就叫做"實體層"，它就是把電腦連接起來的物理手段。它主要規定了網絡的一些電氣特性，作用是負責傳送0和1的電信號。

3、鏈接層

3.1、鏈接層定義

單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個電信號算一組？每個信號位有何意義？這就是"鏈接層"的功能，它在"實體層"的上方，確定了0和1的分組方式。

3.2、以太網協議

以太網協議規定，一組電信號構成一個數據包，叫做"幀"（Frame）。每一幀分成兩個部分：標頭（Head）和數據（Data）。

"標頭"包含數據包的一些說明項，比如發送者、接受者、數據類型等等；"數據"則是數據包的具體內容。"標頭"的長度，固定為18字節。

"數據"的長度，最短為46字節，最長為1500字節。

整個"幀"最短為64字節，最長為1518字節。如果數據很長，就必須分割成多個幀進行發送。

數據模型

3.3、MAC地址

我們知道了以太網數據包的"標頭"，包含了發送者和接受者的信息。那麼發送者和接受者是如何標識呢？數據包是從一塊網卡，傳送到另一塊網卡的。網卡的地址就是數據包的發送地址和接收地址，這叫做MAC地址。每塊網卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的MAC地址，長度是48個二進制位，通常用12個十六進制數表示。前6個十六進制數是廠商編號，後6個是該廠商的網卡流水號。有了MAC地址，就可以定位網卡和數據包的路徑了。

3.4、網絡廣播

先來回答這個問題：一塊網卡怎麼會知道另一塊網卡的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，以太網數據包必須知道接收方的MAC地址，然後才能發送。

再回答下個問題：有了MAC地址，系統怎樣才能把數據包準確送到接收方

回答是以太網採用了一種很"原始"的方式，它不是把數據包準確送到接收方，而是向本網絡內所有計算機發送，讓每臺計算機自己判斷，是否為接收方。

上圖計算機1向計算機2發送一個數據包，同一個子網絡的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。這種發送方式就叫做"廣播"。

4、網絡層

4.1、網絡層定義

以太網協議，依靠MAC地址發送數據。理論上說單單依靠MAC地址，上海的網卡就可以找到洛杉磯的網卡了，技術上是可以實現的。但是這樣做有一個重大的缺陷，就是以太網採用廣播方式發送數據包，所有成員人手一"包"，不僅效率低，而且侷限在發送者所在的子網絡。

如果兩臺計算機不在同一個子網絡，廣播是傳不過去的。如果上海和洛杉磯的電腦會在同一個子網絡，那會因為子網內主機太多引起廣播風暴從而引起災難。

必須找到一種方法，能夠區分哪些MAC地址屬於同一個子網絡，哪些不是，用以下辦法進行區分呢：

如果是同一個子網絡，就採用廣播方式發送，否則就採用"路由"方式發送，遺憾的是，MAC地址本身無法做到這一點。它只與廠商有關，與所處網絡無關。這就導致了"網絡層"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絡。這套地址就叫做"網絡地址"，簡稱"網址"。

"網絡層"出現以後，每臺計算機有了兩種地址，一種是MAC地址，另一種是網絡地址。兩種地址之間沒有任何聯繫，MAC地址是綁定在網卡上的，網絡地址則是管理員分配的，它們只是隨機組合在一起。

網絡地址幫助我們確定計算機所在的子網絡，MAC地址則將數據包送到該子網絡中的目標網卡。因此從邏輯上可以推斷，必定是先處理網絡地址，然後再處理MAC地址。

4.2、IP協議

網絡地址的協議叫做IP協議。它所定義的地址，就被稱為IP地址。

目前採用的是IP協議第四版，這個版本規定，網絡地址由32個二進制位組成。

習慣上用分成四段的十進制數表示IP地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。

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

單從IP地址還是無法判斷網絡部分。還是以172.16.254.1為例，它的網絡部分，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。

怎樣才能從IP地址，判斷兩臺計算機是否屬於同一個子網絡呢？這就要用到另一個參數"子網掩碼"。所謂"子網掩碼"，就是表示子網絡特徵的一個參數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分全部為1，主機部分全部為0。比如IP地址172.16.254.1，如果已知網絡部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。

知道"子網掩碼"了就能判斷任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡，方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算，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絡中，否則就不是。

如果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絡？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絡。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絡。

4.3、IP數據包

IP協議發送的數據叫做IP數據包。其中包括IP地址信息。以太網數據包只包含MAC地址，並沒有IP地址的欄位。那麼是否需要修改數據定義，再添加一個欄位呢？回答是不需要，可以把IP數據包直接放進以太網數據包的"數據"部分，因此完全不用修改以太網的規格。這就是互聯網分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構。

IP數據包也分為"標頭"和"數據"兩個部分，如下圖。

"標頭"部分主要包括版本、長度、IP地址等信息，"數據"部分則是IP數據包的具體內容。它放進以太網數據包後，以太網數據包就變成了下面這樣。

4.4、ARP協議

還有一點需要說明。因為IP數據包是放在以太網數據包裡發送的，所以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，但是我們不知道它的MAC地址。

所以需要一種機制，能夠從IP地址得到MAC地址。這就是ARP協議。有了ARP協議之後，就可以得到同一個子網絡內的主機MAC地址，可以把數據包發送到任意一臺主機之上了。

分成兩種情況。

1. 如果兩臺主機不在同一個子網絡，那麼事實上沒有辦法得到對方的MAC地址，只能把數據包傳送到兩個子網絡連接處的"網關"（gateway），讓網關去處理。

2. 如果兩臺主機在同一個子網絡，那麼我們可以用ARP協議，得到對方的MAC地址。ARP協議也是發出一個數據包（包含在以太網數據包中），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。它所在子網絡的每一臺主機，都會收到這個數據包，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。

5、傳輸層

5.1、傳輸層的定義

有了MAC地址和IP地址，已經可以在互聯網上任意兩臺主機上建立通信。比如同一臺主機上有許多程序都需要用到網絡，比如一邊瀏覽網頁，一邊與朋友在線聊天。當一個數據包從互聯網上發來的時候，怎麼知道，它是表示網頁的內容，還是表示在線聊天的內容？

也就是說還需要一個參數，表示這個數據包到底供哪個程序（進程）使用。這個參數就叫做"端口"（port），它其實是每一個使用網卡的程序的編號。每個數據包都發到主機的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的數據。

"端口"是0到65535之間的一個整數，正好16個二進制位。0到1023的端口被系統佔用，用戶只能選用大於1023的端口。不管是瀏覽網頁還是在線聊天，應用程序會隨機選用一個端口，然後與服務器的相應端口聯繫。

"傳輸層"的功能，就是建立"端口到端口"的通信。相比之下，"網絡層"的功能是建立"主機到主機"的通信。只要確定主機和端口，我們就能實現程序之間的交流。因此Unix系統就把主機+端口，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以進行網絡應用程序開發了。

5.2、UDP協議

由於需要在數據包中加入端口信息，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數據前面，加上端口號。

UDP數據包，也是由"標頭"和"數據"兩部分組成。

"標頭"部分主要定義了發出端口和接收端口，"數據"部分就是具體的內容。然後把整個UDP數據包放入IP數據包的"數據"部分，IP數據包又是放在以太網數據包之中的，所以整個以太網數據包現在變成了下面這樣：UDP數據包非常簡單，"標頭"部分一共只有8個字節，總長度不超過65,535字節，正好放進一個IP數據包。

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，一旦數據包發出，無法知道對方是否收到。

為了解決這個問題，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，每發出一個數據包都要求確認。如果有一個數據包遺失，就收不到確認，發出方就知道有必要重發這個數據包了。因此TCP協議能夠確保數據不會遺失。它的缺點是過程複雜、實現困難、消耗較多的資源。

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

6、應用層

應用層的作用，就是規定應用程序的數據格式。由於互聯網是開放架構，數據來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。TCP協議可以為各種各樣的程序傳遞數據，比如Email、WWW、FTP等等。必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了"應用層"。

這是最高的一層，直接面對用戶。它的數據就放在TCP數據包的"數據"部分。因此現在的以太網的數據包就變成下面這樣。

7、網絡通信

網絡通信就是交換數據包。電腦A向電腦B發送一個數據包，後者收到了，回覆一個數據包，從而實現兩臺電腦之間的通信。數據包的結構基本上是這樣的：

發送這個包，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，數據包才能準確送到接收者手中，因為MAC地址有侷限性，如果兩臺電腦不在同一個子網絡，就無法知道對方的MAC地址，必須通過網關（gateway）轉發。

上圖1號電腦要向4號電腦發送一個數據包。它先判斷4號電腦是否在同一個子網絡，結果發現不是（後文介紹判斷方法），於是就把這個數據包發到網關A。網關A通過路由協議，發現4號電腦位於子網絡B，又把數據包發給網關B，網關B再轉發到4號電腦。1號電腦把數據包發到網關A，必須知道網關A的MAC地址。數據包的目標地址，實際上分成以下兩種情況：

發送數據包之前，電腦必須判斷對方是否在同一個子網絡，然後選擇相應的MAC地址。

8、上網前需要做什麼

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置。有時，管理員（或者ISP）會告訴你下面四個參數，你把它們填入操作系統，計算機就能連上網了：

• 本機的IP地址

• 子網掩碼

• 網關的IP地址

• DNS的IP地址

下圖是Windows系統的設置窗口。

這四個參數缺一不可，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"。但是這樣的設置很專業，普通用戶望而生畏，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，大多數用戶使用"動態IP地址上網"。

8.2、動態IP地址和DHCP協議

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。每一個子網絡中，有一臺計算機負責管理本網絡的所有IP地址，它叫做"DHCP服務器"。新的計算機加入網絡，必須向"DHCP服務器"發送一個"DHCP請求"數據包，申請IP地址和相關的網絡參數。

如果兩臺計算機在同一個子網絡，必須知道對方的MAC地址和IP地址，才能發送數據包。但是新加入的計算機不知道這兩個地址，怎麼發送數據包呢？DHCP協議做了一些巧妙的規定。首先要明白，它是一種應用層協議，建立在UDP協議之上，所以整個數據包是這樣的：

8.2.1、最前面的"以太網標頭"，設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP服務器）的MAC地址。前者就是本機網卡的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。

8.2.2、後面的"IP標頭"，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。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。

8.2.3、最後的"UDP標頭"，設置發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。

這個數據包構造完成後，就可以發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡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服務器知道"這個包是發給我的"，而其他計算機就可以丟棄這個包。

接下來就是DHCP服務器讀出這個包的數據內容，分配好IP地址，發送回去一個"DHCP響應"數據包。這個響應包的結構也是類似的，以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的端口是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地址和本網絡的具體參數則包含在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、網關地址、DNS服務器等等參數。

9、如何訪問網頁

9.1、設定本機參數

假定經過上一節的步驟，用戶設置好了自己的網絡參數：

* 本機的IP地址：192.168.1.100

* 子網掩碼：255.255.255.0

* 網關的IP地址：192.168.1.1

* DNS的IP地址：8.8.8.8

9.2、DNS協議

9.3、子網掩碼

接下來要判斷，這個IP地址是不是在同一個子網絡，這就要用到子網掩碼。

9.4、應用層協議

瀏覽網頁用的是HTTP協議，它的整個數據包構造是這樣的：

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字節，它會被嵌在TCP數據包之中。

9.5、TCP協議

TCP數據包需要設置端口，接收方（Google）的HTTP端口默認是80，發送方（本機）的端口是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定為51775。TCP數據包的標頭長度為20字節，加上嵌入HTTP的數據包，總長度變為4980字節。

9.6、IP協議

TCP數據包再嵌入IP數據包。IP數據包需要設置雙方的IP地址，這是已知的，發送方是192.168.1.100（本機），接收方是172.194.72.105。IP數據包的標頭長度為20字節，加上嵌入的TCP數據包，總長度變為5000字節。

9.7 以太網協議

最後IP數據包嵌入以太網數據包。以太網數據包需要設置雙方的MAC地址，發送方為本機的網卡MAC地址，接收方為網關192.168.1.1的MAC地址（通過ARP協議得到）。

以太網數據包的數據部分，最大長度為1500字節，而現在的IP數據包長度為5000字節。因此，IP數據包必須分割成四個包。因為每個包都有自己的IP標頭（20字節），所以四個包的IP數據包的長度分別為1500、1500、1500、560。

9.8、服務器端響應

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關鍵字: DNS Windows NT