互联网协议

互联网的核心是一系列协议，总称为"互联网协议"（Internet Protocol Suite）。它们对电脑如何连接和组网，做出了详尽的规定。理解了这些协议，就理解了互联网的原理。

OSI 7 层模型与 TCP/IP 协议 5 层模型

OSI 七层网络模型	TCP/IP 四层概念模型	对应网络协议	OSI 各层解释
应用层（Application）	应用层	HTTP、TFTP, FTP, NFS, WAIS、SMTP	为应用程序提供功能
表示层（Presentation）	应用层	Telnet, Rlogin, SNMP, Gopher	数据格式化、数据加密
会话层（Session）	应用层	SMTP, DNS	建立、管理、维护会话
传输层（Transport）	传输层	TCP, UDP	建立、管理和维护端到端的连接
网络层（Network）	网络层	IP, ICMP, ARP, RARP, AKP, UUCP	IP 选址及路由选择
数据链路层（Data Link）	数据链路层	FDDI, Ethernet, Arpanet, PDN, SLIP, PPP	提供介质访问和链路管理
物理层（Physical）	数据链路层	IEEE 802.1A, IEEE 802.2 到 IEEE 802.11	物理层

物理层

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。

数据链路层

Q：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？

A： 确定了 0 和 1 的分组方式。

以太网协议 Ethernet

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）。

Ethernet Prototal

"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。

MAC 地址

Q：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？

A：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。

广播

定义地址只是第一步，后面还有更多的步骤。

Q：首先，一块网卡怎么会知道另一块网卡的 MAC 地址？其次，就算有了 MAC 地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？

A：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。

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。

网络层

• 建立"主机到主机"的通信

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。

但是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。

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。
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"。

TIP

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。

1. IP 协议

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。

作用:

• 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

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。

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。

IP 地址两个部分 前一部分代表网络，后一部分代表主机
单从 IP 地址，我们无法判断网络部分

子网掩码（subnet mask）

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。

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，那么子网络掩码写成十进制就是 255.255.255.0。

TIP

知道子网掩码就能判断任意两个 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。

2. IP 数据包

根据 IP 协议发送的数据，就叫做 IP 数据包。
"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。

TIP

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

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（静态 IP 地址或 DHCP），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。

总之，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了。

传输层

• 建立"端口到端口"的通信

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。

Q：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？

A：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。

TIP

Unix 系统就把主机+端口，叫做"套接字"（socket）

TCP/UDP 协议

数据包，也是由"标头"和"数据"两部分组成。

"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：

• 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 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。

应用层

• 规定应用程序的数据格式。

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。

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。

补充

用户的上网设置

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

四个缺一不可

静态 IP 地址

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"。

动态 IP 地址（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。

Q：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：

（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。

WARNING

MAC 地址可不是世界上独一无二的，只是其散列足够大，使得在同一个子网中 MAC 地址碰巧相同的两块网卡几率很小很小而已。使用网络 15 年来，已经碰到过两次网卡 MAC 相同的事了。

而且 MAC 相同有两个方法解决： 1、网卡厂商提供有配置程序，可以直接改硬件 MAC。如果使用二层网络系统就只能用此法解决， 2、各种操作系统也都提供伪造 MAC 地址的方式来解决三层系统中 MAC 冲突的问题。

OSI 模型和 TCP/IP 协议簇关系和区别

1. OSI 引入了服务、接口、协议、分层的概念，TCP/IP 借鉴了 OSI 的这些概念建立 TCP/IP 模型。
2. OSI 先有模型，后有协议，先有标准，后进行实践；而 TCP/IP 则相反，先有协议和应用再提出了模型，且是参照的 OSI 模型。
3. OSI 是一种理论下的模型，而 TCP/IP 已被广泛使用，成为网络互联事实上的标准。

• TCP/IP 他是一个协议簇；而 OSI（开放系统互联）则是一个模型，且 TCP/IP 的开发时间在 OSI 之前。
• TCP/IP 是由一些交互性的模块做成的分层次的协议，其中每个模块提供特定的功能；OSi 则指定了哪个功能是属于哪一层的。
• 分层不同

TCP/IP 协议

TCP/IP 协议是一个协议集，里面包括很多协议的，TCP、UDP、TLS 等只是其中的协议。

TCP/IP 协议集包括应用层，传输层，网络层，网络访问层。

应用层包括：

• 超文本传输协议(HTTP)：万维网的基本协议；
• 文件传输(TFTP 简单文件传输协议)；
• 远程登录(Telnet)，提供远程访问其它主机功能，它允许用户登录；
• internet 主机，并在这台主机上执行命令；
• 网络管理(SNMP 简单网络管理协议)，该协议提供了监控网络设备的方法，以及配置管理,统计信息收集，性能管理及安全管理等；
• 域名系统(DNS)，该系统用于在 internet 中将域名及其公共广播的网络节点转换成 IP 地址。

传输层包括：

• TLS，也即 SSL(Secure Sockets Layer，安全套接字层)协议，后来 IETF 在标准化 SSL 协议时，将其改名为 Transport Layer Security（TLS，传输层安全）。

网络层包括：

• Internet 协议(IP)
• Internet 控制信息协议(ICMP)
• 地址解析协议(ARP)
• 反向地址解析协议(RARP)

网络访问层：

• 网络访问层又称作主机到网络层(host-to-network)。网络访问层的功能包括 IP 地址与物理地址硬件的映射，以及将 IP 封装成帧。基于不同硬件类型的网络接口，网络访问层定义了和物理介质的连接。

TCP 三次握手和四次挥手

建立连接

传输数据

tcp 链接是「双工的」，双方都可以主动发起数据传输。不过无论是哪方喊话，都需要收到对方的确认才能认为对方收到了自己的喊话。 张三可能是个高射炮，一说连说了八句话，这时候李四可以不用一句一句回复，而是连续听了这八句话之后，一起向对方回复说前面你说的八句话我都听见了，这就是批量 ack。但是张三也不能一次性说了太多话，李四的脑子短时间可能无法消化太多，两人之间需要有协商好的合适的发送和接受速率，这个就是「TCP 窗口大小」。 网络环境的数据交互同人类之间的对话还要复杂一些，它存在数据包乱序的现象。同一个来源发出来的不同数据包在「网际路由」上可能会走过不同的路径，最终达到同一个地方时，顺序就不一样了。操作系统的网络内核模块会负责对数据包进行排序，到用户层时顺序就已经完全一致了。

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