互联网协议认识

参考链接：

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

http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html

一张图大致了解互联网协议：

互联网有不同的模型，这里分为五层：

每一层都定义了很多协议，所有协议总称为“互联网协议”。

1.实体层

把电脑连接起来的物理手段（比如光纤、电缆、无线电波等），负责传送0和1 的电信号

2.连接层

确定0和1的分组方式

以太网（一种电信号分组方式）

以太网规定，一组电信好构成一个数据包，叫做"帧"（Frame）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据(Data)。

标头主要包含一些说明数据（发送者和接收者信息），数据则是信息主体。

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。

注：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。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。

以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。

一块网卡如何确定另外一个网卡的地址（同一子网络）：

ARP协议

系统如何把数据包准确的发送给接收者：

广播——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。

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）。

注：有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，"链接层"就可以在同一子网络下的多台计算机之间传送数据了。

3.网络层

记住一句话：网络地址（IP）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。

根据MAC地址发送数据局限于同一子网络，如果不在一个子网络就接收不到数据，而且，如果同一子网络的计算机数量非常多的情况下，每个计算机都会接收到数据包，这种情况效率低下。

网络地址（区分不同计算机是否处于同一子网络）

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。

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。

IP协议（规定网络地址）32位二进制组成

IP地址分为两个部分，前一部分代表网络（长度不一），后一部分代表主机。处于同一个网络的计算机IP的网络部分一定相同，反之则不一定。

如何通过IP地址判断两个IP是否处于同一网络：

两个IP分别与子网掩码做AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），运算结果相同则证明处于同一网络。

子网掩码——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。如果已知IP地址的网络部分则可推算子网掩码。

注：IP协议的作用主要是为每台计算机分配IP地址和确定是否在同一网络。

IP数据包

根据IP协议发送的数据，也分标头和数据，把IP数据包放入以太网数据包的数据部分

注：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，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

ARP协议

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，两台计算机必须处于同一网络。

原理：ARP协议就是是发出一个数据包（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。

从IP地址得到MAC地址：

a.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；

b.如果两台主机在同一个子网络，可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。

4.传输层

有了MAC地址和IP地址，就可以在互联网上任意两台主机上建立通信。

端口：区分数据包供哪一个程序使用

注：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。

UDP协议

在IP数据包中加入端口信息，UDP数据包也包含标头和数据两部分

注：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。

TCP协议

有确认接收机制的UDP协议

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。

注：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。

"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。

5.应用层

"应用层"的作用，就是规定应用程序的数据格式。

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"。

动态IP地址：

DHCP协议

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。

DHCP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。

DNS协议

将这个网址转换成IP地址