互聯網協議入門

知識 06-22

　　我們每天使用互聯網，你是否想過，它是如何實現的？

　　全世界幾十億台電腦，連接在一起，兩兩通信。上海的某一塊網卡送出信號，洛杉磯的另一塊網卡居然就收到了，兩者實際上根本不知道對方的物理位置，你不覺得這是很神奇的事情嗎？

　　互聯網的核心是一系列協議，總稱為"互聯網協議"（Internet Protocol Suite）。它們對電腦如何連接和組網，做出了詳盡的規定。理解了這些協議，就理解了互聯網的原理。

　　下面就是我的學習筆記。因為這些協議實在太複雜、太龐大，我想整理一個簡潔的框架，幫助自己從總體上把握它們。為了保證簡單易懂，我做了大量的簡化，有些地方並不全面和精確，但是應該能夠說清楚互聯網的原理。

一、概述

　　1.1 五層模型

　　互聯網的實現，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就像建築物一樣，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。

　　如何分層有不同的模型，有的模型分七層，有的分四層。我覺得，把互聯網分成五層，比較容易解釋。

　　如上圖所示，最底下的一層叫做"實體層"（Physical Layer），最上面的一層叫做"應用層"（Application Layer），中間的三層（自下而上）分別是"鏈接層"（Link Layer）、"網路層"（Network Layer）和"傳輸層"（Transport Layer）。越下面的層，越靠近硬體；越上面的層，越靠近用戶。

　　它們叫什麼名字，其實並不重要。只需要知道，互聯網分成若干層就可以了。

　　1.2 層與協議

　　每一層都是為了完成一種功能。為了實現這些功能，就需要大家都遵守共同的規則。

　　大家都遵守的規則，就叫做"協議"（protocol）。

　　互聯網的每一層，都定義了很多協議。這些協議的總稱，就叫做"互聯網協議"（Internet Protocol Suite）。它們是互聯網的核心，下面介紹每一層的功能，主要就是介紹每一層的主要協議。

二、實體層

　　我們從最底下的一層開始。

　　電腦要組網，第一件事要幹什麼？當然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式。

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

三、鏈接層

　　3.1 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 乙太網協議

　　早期的時候，每家公司都有自己的電信號分組方式。逐漸地，一種叫做"乙太網"（Ethernet）的協議，佔據了主導地位。

　　乙太網規定，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位元組。"數據"的長度，最短為46位元組，最長為1500位元組。因此，整個"幀"最短為64位元組，最長為1518位元組。如果數據很長，就必須分割成多個幀進行發送。

　　3.3 MAC地址

　　上面提到，乙太網數據包的"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？

　　乙太網規定，連入網路的所有設備，都必須具有"網卡"介面。數據包必須是從一塊網卡，傳送到另一塊網卡。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個二進位位，通常用12個十六進位數表示。

　　前6個十六進位數是廠商編號，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 廣播

　　定義地址只是第一步，後面還有更多的步驟。

　　首先，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，乙太網數據包必須知道接收方的MAC地址，然後才能發送。

　　其次，就算有了MAC地址，系統怎樣才能把數據包準確送到接收方？

　　回答是乙太網採用了一種很"原始"的方式，它不是把數據包準確送到接收方，而是向本網路內所有計算機發送，讓每台計算機自己判斷，是否為接收方。

　　上圖中，1號計算機向2號計算機發送一個數據包，同一個子網路的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"（broadcasting）。

　　有了數據包的定義、網卡的MAC地址、廣播的發送方式，"鏈接層"就可以在多台計算機之間傳送數據了。

四、網路層

　　4.1 網路層的由來

　　乙太網協議，依靠MAC地址發送數據。理論上，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點。乙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，而且局限在發送者所在的子網路。也就是說，如果兩台計算機不在同一個子網路，廣播是傳不過去的。這種設計是合理的，否則互聯網上每一台計算機都會收到所有包，那會引起災難。

　　互聯網是無數子網路共同組成的一個巨型網路，很像想像上海和洛杉磯的電腦會在同一個子網路，這幾乎是不可能的。

　　因此，必須找到一種方法，能夠區分哪些MAC地址屬於同一個子網路，哪些不是。如果是同一個子網路，就採用廣播方式發送，否則就採用"路由"方式發送。（"路由"的意思，就是指如何向不同的子網路分發數據包，這是一個很大的主題，本文不涉及。）遺憾的是，MAC地址本身無法做到這一點。它只與廠商有關，與所處網路無關。

　　這就導致了"網路層"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路。這套地址就叫做"網路地址"，簡稱"網址"。

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

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

　　4.2 IP協議

　　規定網路地址的協議，叫做IP協議。它所定義的地址，就被稱為IP地址。

　　目前，廣泛採用的是IP協議第四版，簡稱IPv4。這個版本規定，網路地址由32個二進位位組成。

　　習慣上，我們用分成四段的十進位數表示IP地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。

　　互聯網上的每一台計算機，都會分配到一個IP地址。這個地址分成兩個部分，前一部分代表網路，後一部分代表主機。比如，IP地址172.16.254.1，這是一個32位的地址，假定它的網路部分是前24位（172.16.254），那麼主機部分就是後8位（最後的那個1）。處於同一個子網路的電腦，它們IP地址的網路部分必定是相同的，也就是說172.16.254.2應該與172.16.254.1處在同一個子網路。

　　但是，問題在於單單從IP地址，我們無法判斷網路部分。還是以172.16.254.1為例，它的網路部分，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。

　　那麼，怎樣才能從IP地址，判斷兩台計算機是否屬於同一個子網路呢？這就要用到另一個參數"子網掩碼"（subnet mask）。

　　所謂"子網掩碼"，就是表示子網路特徵的一個參數。它在形式上等同於IP地址，也是一個32位二進位數字，它的網路部分全部為1，主機部分全部為0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知網路部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網路掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進位就是255.255.255.0。

　　知道"子網掩碼"，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網路。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），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路中，否則就不是。

　　比如，已知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路？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路。

　　總結一下，IP協議的作用主要有兩個，一個是為每一台計算機分配IP地址，另一個是確定哪些地址在同一個子網路。

　　4.3 IP數據包

　　根據IP協議發送的數據，就叫做IP數據包。不難想像，其中必定包括IP地址信息。

　　但是前面說過，乙太網數據包只包含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，我們可以把IP數據包直接放進乙太網數據包的"數據"部分，因此完全不用修改乙太網的規格。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。

　　具體來說，IP數據包也分為"標頭"和"數據"兩個部分。

　　"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。它放進乙太網數據包後，乙太網數據包就變成了下面這樣。

　　IP數據包的"標頭"部分的長度為20到60位元組，整個數據包的總長度最大為65,535位元組。因此，理論上，一個IP數據包的"數據"部分，最長為65,515位元組。前面說過，乙太網數據包的"數據"部分，最長只有1500位元組。因此，如果IP數據包超過了1500位元組，它就需要分割成幾個乙太網數據包，分開發送了。

　　4.4 ARP協議

　　關於"網路層"，還有最後一點需要說明。

　　因為IP數據包是放在乙太網數據包里發送的，所以我們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（後文會解釋），但是我們不知道它的MAC地址。

　　所以，我們需要一種機制，能夠從IP地址得到MAC地址。

　　這裡又可以分成兩種情況。第一種情況，如果兩台主機不在同一個子網路，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路連接處的"網關"（gateway），讓網關去處理。

　　第二種情況，如果兩台主機在同一個子網路，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（包含在乙太網數據包中），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。它所在子網路的每一台主機，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，都做出回復，向對方報告自己的MAC地址，否則就丟棄這個包。

　　總之，有了ARP協議之後，我們就可以得到同一個子網路內的主機MAC地址，可以把數據包發送到任意一台主機之上了。

五、傳輸層

　　5.1 傳輸層的由來

　　有了MAC地址和IP地址，我們已經可以在互聯網上任意兩台主機上建立通信。

　　接下來的問題是，同一台主機上有許多程序都需要用到網路，比如，你一邊瀏覽網頁，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，你怎麼知道，它是表示網頁的內容，還是表示在線聊天的內容？

　　也就是說，我們還需要一個參數，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"埠"（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埠，所以不同的程序就能取到自己所需要的數據。

　　"埠"是0到65535之間的一個整數，正好16個二進位位。0到1023的埠被系統佔用，用戶只能選用大於1023的埠。不管是瀏覽網頁還是在線聊天，應用程序會隨機選用一個埠，然後與伺服器的相應埠聯繫。

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

　　5.2 UDP協議

　　現在，我們必須在數據包中加入埠信息，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，加上埠號。

　　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埠和接收埠，"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，而前面說過，IP數據包又是放在乙太網數據包之中的，所以整個乙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個位元組，總長度不超過65,535位元組，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，提高網路可靠性，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，但是為了保證網路的效率，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。

六、應用層

　　應用程序收到"傳輸層"的數據，接下來就要進行解讀。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。

　　"應用層"的作用，就是規定應用程序的數據格式。

　　舉例來說，TCP協議可以為各種各樣的程序傳遞數據，比如Email、WWW、FTP等等。那麼，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，現在的乙太網的數據包就變成下面這樣。

七、一個小結

　　先對前面的內容，做一個小結。

　　我們已經知道，網路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，回復一個數據包，從而實現兩台電腦之間的通信。數據包的結構，基本上是下面這樣：

　　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。但是，前面說過，MAC地址有局限性，如果兩台電腦不在同一個子網路，就無法知道對方的MAC地址，必須通過網關（gateway）轉發。

　　上圖中，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路，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號電腦位於子網路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。所以，數據包的目標地址，實際上分成兩種情況：

場景	數據包地址
同一個子網路	對方的MAC地址，對方的IP地址
非同一個子網路	網關的MAC地址，對方的IP地址

　　發送數據包之前，電腦必須判斷對方是否在同一個子網路，然後選擇相應的MAC地址。接下來，我們就來看，實際使用中，這個過程是怎麼完成的。

八、用戶的上網設置

　　8.1 靜態IP地址

　　你買了一台新電腦，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，而且如果一台電腦的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

　　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。

　　這個協議規定，每一個子網路中，有一台計算機負責管理本網路的所有IP地址，它叫做"DHCP伺服器"。新的計算機加入網路，必須向"DHCP伺服器"發送一個"DHCP請求"數據包，申請IP地址和相關的網路參數。

　　前面說過，如果兩台計算機在同一個子網路，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。

　　8.3 DHCP協議

　　首先，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：

　　（1）最前面的"乙太網標頭"，設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP伺服器）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。

　　（2）後面的"IP標頭"，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，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。

　　（3）最後的"UDP標頭"，設置發出方的埠和接收方的埠。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68埠，接收方是67埠。

　　這個數據包構造完成後，就可以發出了。乙太網是廣播發送，同一個子網路的每台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，所以每台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伺服器知道"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，DHCP伺服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，乙太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP伺服器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的埠是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地址和本網路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伺服器等等參數。

　　8.4 上網設置：小結

　　這個部分，需要記住的就是一點：不管是"靜態IP地址"還是"動態IP地址"，電腦上網的首要步驟，是確定四個參數。這四個值很重要，值得重複一遍：

　　　　* 本機的IP地址
　　　　* 子網掩碼
　　　　* 網關的IP地址
　　　　* DNS的IP地址

　　有了這幾個數值，電腦就可以上網"衝浪"了。接下來，我們來看一個實例，當用戶訪問網頁的時候，互聯網協議是怎麼運作的。

九、一個實例：訪問網頁

　　9.1 本機參數

　　我們假定，經過上一節的步驟，用戶設置好了自己的網路參數：

　　　　* 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

　　然後他打開瀏覽器，想要訪問Google，在地址欄輸入了網址：www.google.com。

　　這意味著，瀏覽器要向Google發送一個網頁請求的數據包。

　　9.2 DNS協議

　　我們知道，發送數據包，必須要知道對方的IP地址。但是，現在，我們只知道網址www.google.com，不知道它的IP地址。

　　DNS協議可以幫助我們，將這個網址轉換成IP地址。已知DNS伺服器為8.8.8.8，於是我們向這個地址發送一個DNS數據包（53埠）。

　　然後，DNS伺服器做出響應，告訴我們Google的IP地址是172.194.72.105。於是，我們知道了對方的IP地址。

　　9.3 子網掩碼

　　接下來，我們要判斷，這個IP地址是不是在同一個子網路，這就要用到子網掩碼。

　　已知子網掩碼是255.255.255.0，本機用它對自己的IP地址192.168.1.100，做一個二進位的AND運算（兩個數位都為1，結果為1，否則為0），計算結果為192.168.1.0；然後對Google的IP地址172.194.72.105也做一個AND運算，計算結果為172.194.72.0。這兩個結果不相等，所以結論是，Google與本機不在同一個子網路。

　　因此，我們要向Google發送數據包，必須通過網關192.168.1.1轉發，也就是說，接收方的MAC地址將是網關的MAC地址。

　　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位元組，它會被嵌在TCP數據包之中。

　　9.5 TCP協議

　　TCP數據包需要設置埠，接收方（Google）的HTTP埠默認是80，發送方（本機）的埠是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定為51775。

　　TCP數據包的標頭長度為20位元組，加上嵌入HTTP的數據包，總長度變為4980位元組。

　　9.6 IP協議

　　然後，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（Google）。

　　IP數據包的標頭長度為20位元組，加上嵌入的TCP數據包，總長度變為5000位元組。

　　9.7 乙太網協議

　　最後，IP數據包嵌入乙太網數據包。乙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）。

　　乙太網數據包的數據部分，最大長度為1500位元組，而現在的IP數據包長度為5000位元組。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位元組），所以四個包的IP數據包的長度分別為1500、1500、1500、560。