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互联网的核心就是一系列的协议，总称为“互联网协议”。TCP/IP协议是目前世界上使用最广泛的互联网通信协议，日常生活中的大部分网络应用（如浏览网页、收发电子邮件、ＱＱ聊天）都是基于该系列协议，所以今天就是对互联网协议的简单学习。

为了减少互联网协议的复杂性，大多数互联网模型都是按层的方式来组织的。在分层模型中，每一层都为上一次层提供一定的服务，每一层都有自己的功能，就像是建筑物一样，每一层都靠下一层支持。用户接触到的，只是最上面的一层，根本就感觉不到下面的层。

如何分层有不同的模型，有的分为7层模型，有的四层。我感觉互联网分为五层，比较好理解。

    

IOS模型（七层）：

越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。无论分为多少层，其实内在的协议是没有变化的，所以只要知道互联网分为若干层就行了。

 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。大家遵守的规则就叫做“协议”。

 互联网的每一层都定义一许多协议，这些协议的总称就叫做“互联网协议”，他们是互联网的核心。

电脑要组网，当然首先就是要把电脑连起来，可以用光缆、无线电波等方式。这就叫做“实体层”，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征，作用是负责传送0和1的电信号。

(1)定义：单纯的0和1没有任何意义，必须规定读取的方式，多少个电信号算是一组？每个电信号有什么意义？

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配方式。逐渐的一种叫做以太网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”。每一个帧分为两个部分：标头（head）和数据（data)

“标头”包含数据的一些说明项，比如发送者、接受者、数据类型等。“数据”则就是数据包的具体内容。标头的长度固定为18个字节。“数据”的长度最短为46个字节，最长为1500个字节。因此整个帧最短为64字节，最长为1518个字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。

    上面提到过，以太网数据包的“标头”，包含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？

对于以太网来说，连入网络的所有设备，都必须据有“网卡”接口。数据包必须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，这就叫做MAC地址（物理地址）。网卡地址在生产过程中就已经是固定的了，是不能更改的，并且全球唯一。长度是48位的二进制，通常用12个16进制表示。

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。

     定义地址只是第一步，后面还有更多的步骤。

首先，一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址？有一种ARP协议（地址解析协议），可以解决这个问题。这个留到后面介绍，这里只需要知道，以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。

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？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。

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。

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（IP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。前面介绍的物理地址虽然也能唯一的标识网络上的每台计算机，但是由于物理地址依赖与底层网络，因此必须使用一个与底层硬件技术无关的地址来标识网络上的每台计算据，这就是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.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。这个地址分成两个部分，前一部分代表网络ID，后一部分代表主机ID。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。

但是，问题在于单单从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。

127.0.0.1是一个特殊的地址，它代表主机，用于测试本机上的TCP/IP协议是否正常工作。输入ping127.0.0.1,如果有回应就说明主机TCP/IP协议正常工作。

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"（subnetmask）。

TCP/IP上的每台主机还有一个32位的子网掩码，它用来区分IP地址的网络号和主机号，将IP地址与子网掩码按位“与”运算就可以得到IP地址的网络号，网络号是一台主机所处的主机编号。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。

总结一下，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？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。

"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。

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。

     关于"网络层"，还有最后一点需要说明。

因为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（后文会解释），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。

 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。一台主机上的不同进程可以绑定到不同的端口上，这些进程就可以访问网络而不互相干扰。

"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。

      现在，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协议向应用程提供一种面向无连接的服务，通常UDP协议被用于不需要可靠数据传输的网络环境中。UDP协议不需要建立链接，应用程序采用UDP协议无需建立和维连接。UDP不保证数据报按顺序、正确到达目的地，这项任务有应用程序来完成。

UDP数据包，也是由"标头"和"数据"两部分组成。

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。

使用TCP进行通信的过程

      第一步：连接的发起端（通常称为客户端）向目标计算机（服务器）发送一个请求建立连接的数据包

      第二步：服务器收到请求，对客户端的同步信号作出回应，并发送自己同步信号给客户端

      第三步：客户端对服务器端发来的同步信号进行响应。连接建立完成，就可以进行数据传输了。（上面的过程被成为三次握手）

     第一步：请求主机发送一个关闭连接的请求给另一方

     第二步：另一方收到关闭连接的请求后，发送一个接受请求的确认数据包，并关闭它的socket连接

     第三步：主机收到确认数据包后，发送一个确认数据包，告知另一方发送确认已经收到，请求主机关闭它的socket

      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。