一、概述
1、五层模型
互联网的实现&＃xff0c;分成好几层。每一层都有自己的功能&＃xff0c;就像建筑物一样&＃xff0c;每一层都靠下一层支持。用户接触到的&＃xff0c;只是最上面的一层&＃xff0c;根本没有感觉到下面的层。要理解互联网&＃xff0c;必须从最下层开始&＃xff0c;自下而上理解每一层的功能。
如何分层有不同的模型&＃xff0c;OSI模型分七层,TCP/IP分四层或五层。在此&＃xff0c;我们把互联网分成五层&＃xff0c;比较容易解释&＃xff1a;
如上图所示&＃xff0c;最底下的一层叫做"实体层"&＃xff08;Physical Layer&＃xff09;&＃xff0c;最上面的一层叫做"应用层"&＃xff08;Application Layer&＃xff09;&＃xff0c;中间的三层&＃xff08;自下而上&＃xff09;分别是"链接层"&＃xff08;Link Layer&＃xff09;、"网络层"&＃xff08;Network Layer&＃xff09;和"传输层"&＃xff08;Transport Layer&＃xff09;。越下面的层&＃xff0c;越靠近硬件&＃xff1b;越上面的层&＃xff0c;越靠近用户。
它们叫什么名字&＃xff0c;其实并不重要。只需要知道&＃xff0c;互联网分成若干层就可以了。
2、层与协议
每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能&＃xff0c;就需要大家都遵守共同的规则。大家都遵守的规则&＃xff0c;就叫做"协议"&＃xff08;protocol&＃xff09;。互联网的每一层&＃xff0c;都定义了很多协议。这些协议的总称&＃xff0c;就叫做"互联网协议"&＃xff08;Internet Protocol Suite&＃xff09;。它们是互联网的核心&＃xff0c;下面介绍每一层的功能&＃xff0c;主要就是介绍每一层的主要协议。
二、实体层
我们从最底下的一层开始&＃xff0c;事实上出现网络故障时&＃xff0c;也是从底层进行分析。电脑要组网&＃xff0c;第一件事要干什么&＃xff1f;当然是先把电脑连起来&＃xff0c;可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。
这就叫做"实体层"&＃xff0c;它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性&＃xff0c;作用是负责传送0和1的电信号。
三、链接层
1、定义
单纯的0和1没有任何意义&＃xff0c;必须规定解读方式&＃xff1a;多少个电信号算一组&＃xff1f;每个信号位有何意义&＃xff1f;这就是"链接层"的功能&＃xff0c;它在"实体层"的上方&＃xff0c;确定了0和1的分组方式。
2、以太网协议
早期的时候&＃xff0c;每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐地&＃xff0c;一种叫做"以太网"&＃xff08;Ethernet&＃xff09;的协议&＃xff0c;占据了主导地位。以太网规定&＃xff0c;一组电信号构成一个数据包&＃xff0c;叫做"帧"&＃xff08;Frame&＃xff09;。每一帧分成两个部分&＃xff1a;标头&＃xff08;Head&＃xff09;和数据&＃xff08;Data&＃xff09;。
"标头"包含数据包的一些说明项&＃xff0c;比如发送者、接受者、数据类型等等&＃xff1b;"数据"则是数据包的具体内容。"标头"的长度&＃xff0c;固定为18字节。"数据"的长度&＃xff0c;最短为46字节&＃xff0c;最长为1500字节。因此&＃xff0c;整个"帧"最短为64字节&＃xff0c;最长为1518字节。如果数据很长&＃xff0c;就必须分割成多个帧进行发送。
3、MAC地址
上面提到&＃xff0c;以太网数据包的"标头"&＃xff0c;包含了发送者和接受者的信息。那么&＃xff0c;发送者和接受者是如何标识呢&＃xff1f;以太网规定&＃xff0c;连入网络的所有设备&＃xff0c;都必须具有"网卡"接口。数据包必须是从一块网卡&＃xff0c;传送到另一块网卡。网卡的地址&＃xff0c;就是数据包的发送地址和接收地址&＃xff0c;这叫做MAC地址。
每块网卡出厂的时候&＃xff0c;都有一个全世界独一无二的MAC地址&＃xff0c;长度是48个二进制位&＃xff0c;通常用12个十六进制数表示。
前6个十六进制数是厂商编号&＃xff0c;后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址&＃xff0c;就可以定位网卡和数据包的路径了。
4、广播
定义地址只是第一步&＃xff0c;后面还有更多的步骤&＃xff1a;- 1&＃xff09;首先&＃xff1a;一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址&＃xff1f;
回答是有一种ARP协议&＃xff0c;可以解决这个问题。这个留到后面介绍&＃xff0c;这里只需要知道&＃xff0c;以太网数据包必须知道接收方的MAC地址&＃xff0c;然后才能发送。 - 2&＃xff09;其次&＃xff1a;就算有了MAC地址&＃xff0c;系统怎样才能把数据包准确送到接收方&＃xff1f;
回答是以太网采用了一种很"原始"的方式&＃xff0c;它不是把数据包准确送到接收方&＃xff0c;而是向本网络内所有计算机发送&＃xff0c;让每台计算机自己判断&＃xff0c;是否为接收方。
上图中&＃xff0c;1号计算机向2号计算机发送一个数据包&＃xff0c;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"&＃xff0c;找到接收方的MAC地址&＃xff0c;然后与自身的MAC地址相比较&＃xff0c;如果两者相同&＃xff0c;就接受这个包&＃xff0c;做进一步处理&＃xff0c;否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做"广播"&＃xff08;broadcasting&＃xff09;。有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式&＃xff0c;"链接层"就可以在多台计算机之间传送数据了。
四、网络层
1、网络层的由来
以太网协议&＃xff0c;依靠MAC地址发送数据。理论上&＃xff0c;单单依靠MAC地址&＃xff0c;上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了&＃xff0c;技术上是可以实现的。但是&＃xff0c;这样做有一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包&＃xff0c;所有成员人手一"包"&＃xff0c;不仅效率低&＃xff0c;而且局限在发送者所在的子网络。也就是说&＃xff0c;如果两台计算机不在同一个子网络&＃xff0c;广播是传不过去的。这种设计是合理的&＃xff0c;否则互联网上每一台计算机都会收到所有包&＃xff0c;那会引起灾难。互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络&＃xff0c;很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络&＃xff0c;这几乎是不可能的。
因此&＃xff0c;必须找到一种方法&＃xff0c;能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络&＃xff0c;哪些不是。如果是同一个子网络&＃xff0c;就采用广播方式发送&＃xff0c;否则就采用"路由"方式发送。&＃xff08;"路由"的意思&＃xff0c;就是指如何向不同的子网络分发数据包&＃xff0c;这是一个很大的主题&＃xff0c;本文不涉及。&＃xff09;遗憾的是&＃xff0c;MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关&＃xff0c;与所处网络无关。这就导致了"网络层"的诞生。它的作用是引进一套新的地址&＃xff0c;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"&＃xff0c;简称"网址"。于是&＃xff0c;"网络层"出现以后&＃xff0c;每台计算机有了两种地址&＃xff0c;一种是MAC地址&＃xff0c;另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系&＃xff0c;MAC地址是绑定在网卡上的&＃xff0c;网络地址则是管理员分配的&＃xff0c;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&＃xff0c;MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此&＃xff0c;从逻辑上可以推断&＃xff0c;必定是先处理网络地址&＃xff0c;然后再处理MAC地址。
2、IP协议
规定网络地址的协议&＃xff0c;叫做IP协议。它所定义的地址&＃xff0c;就被称为IP地址。目前&＃xff0c;广泛采用的是IP协议第四版&＃xff0c;简称IPv4。IPv4这个版本规定&＃xff0c;网络地址由32个二进制位组成&＃xff1a;
习惯上&＃xff0c;我们用分成四段的十进制数表示IP地址&＃xff0c;从0.0.0.0一直到255.255.255.255。互联网上的每一台计算机&＃xff0c;都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分&＃xff0c;前一部分代表网络&＃xff0c;后一部分代表主机。比如&＃xff0c;IP地址172.16.254.1&＃xff0c;这是一个32位的地址&＃xff0c;假定它的网络部分是前24位&＃xff08;172.16.254&＃xff09;&＃xff0c;那么主机部分就是后8位&＃xff08;最后的那个1&＃xff09;。处于同一个子网络的电脑&＃xff0c;它们IP地址的网络部分必定是相同的&＃xff0c;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&＃xff0c;问题在于单单从IP地址&＃xff0c;我们无法判断网络部分。还是以172.16.254.1为例&＃xff0c;它的网络部分&＃xff0c;到底是前24位&＃xff0c;还是前16位&＃xff0c;甚至前28位&＃xff0c;从IP地址上是看不出来的。那么&＃xff0c;怎样才能从IP地址&＃xff0c;判断两台计算机是否属于同一个子网络呢&＃xff1f;这就要用到另一个参数"子网掩码"&＃xff08;subnet mask&＃xff09;。所谓"子网掩码"&＃xff0c;就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址&＃xff0c;也是一个32位二进制数字&＃xff0c;它的网络部分全部为1&＃xff0c;主机部分全部为0。比如&＃xff0c;IP地址172.16.254.1&＃xff0c;如果已知网络部分是前24位&＃xff0c;主机部分是后8位&＃xff0c;那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000&＃xff0c;写成十进制就是255.255.255.0。知道"子网掩码"&＃xff0c;我们就能判断&＃xff0c;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&＃xff08;两个数位都为1&＃xff0c;运算结果为1&＃xff0c;否则为0&＃xff09;&＃xff0c;然后比较结果是否相同&＃xff0c;如果是的话&＃xff0c;就表明它们在同一个子网络中&＃xff0c;否则就不是。比如&＃xff0c;已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0&＃xff0c;请问它们是否在同一个子网络&＃xff1f;两者与子网掩码分别进行AND运算&＃xff0c;结果都是172.16.254.0&＃xff0c;因此它们在同一个子网络。总结一下&＃xff0c;IP协议的作用主要有两个&＃xff0c;一个是为每一台计算机分配IP地址&＃xff0c;另一个是确定哪些地址在同一个子网络。
3、IP数据包
根据IP协议发送的数据&＃xff0c;就叫做IP数据包。不难想象&＃xff0c;其中必定包括IP地址信息。但是前面说过&＃xff0c;以太网数据包只包含MAC地址&＃xff0c;并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义&＃xff0c;再添加一个栏位呢&＃xff1f;回答是不需要&＃xff0c;我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分&＃xff0c;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&＃xff1a;上层的变动完全不涉及下层的结构。具体来说&＃xff0c;IP数据包也分为"标头"和"数据"两个部分&＃xff1a;
"标头"部分主要包括版本、长度、IP地址等信息&＃xff0c;"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&＃xff0c;以太网数据包就变成了下面这样&＃xff1a;
IP数据包的"标头"部分的长度为20到60字节&＃xff0c;整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此&＃xff0c;理论上&＃xff0c;一个IP数据包的"数据"部分&＃xff0c;最长为65,515字节。前面说过&＃xff0c;以太网数据包的"数据"部分&＃xff0c;最长只有1500字节。因此&＃xff0c;如果IP数据包超过了1500字节&＃xff0c;它就需要分割成几个以太网数据包&＃xff0c;分开发送了。
4、ARP协议
关于"网络层"&＃xff0c;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&＃xff0c;所以我们必须同时知道两个地址&＃xff0c;一个是对方的MAC地址&＃xff0c;另一个是对方的IP地址。通常情况下&＃xff0c;对方的IP地址是已知的&＃xff08;后文会解释&＃xff09;&＃xff0c;但是我们不知道它的MAC地址。所以&＃xff0c;我们需要一种机制&＃xff0c;能够从IP地址得到MAC地址。
这里又可以分成两种情况&＃xff1a;- 1&＃xff09;第一种情况&＃xff1a;如果两台主机不在同一个子网络&＃xff0c;那么事实上没有办法得到对方的MAC地址&＃xff0c;只能把数据包传送到两个子网络连接处的"网关"&＃xff08;gateway&＃xff09;&＃xff0c;让网关去处理&＃xff1b;
- 2&＃xff09;第二种情况&＃xff1a;如果两台主机在同一个子网络&＃xff0c;那么我们可以用ARP协议&＃xff0c;得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包&＃xff08;包含在以太网数据包中&＃xff09;&＃xff0c;其中包含它所要查询主机的IP地址&＃xff0c;在对方的MAC地址这一栏&＃xff0c;填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF&＃xff0c;表示这是一个"广播"地址。它所在子网络的每一台主机&＃xff0c;都会收到这个数据包&＃xff0c;从中取出IP地址&＃xff0c;与自身的IP地址进行比较。如果两者相同&＃xff0c;都做出回复&＃xff0c;向对方报告自己的MAC地址&＃xff0c;否则就丢弃这个包。
总之&＃xff0c;有了ARP协议之后&＃xff0c;我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址&＃xff0c;可以把数据包发送到任意一台主机之上了。
五、传输层
1、传输层的由来
有了MAC地址和IP地址&＃xff0c;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&＃xff0c;同一台主机上有许多程序都需要用到网络&＃xff0c;比如&＃xff0c;你一边浏览网页&＃xff0c;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&＃xff0c;你怎么知道&＃xff0c;它是表示网页的内容&＃xff0c;还是表示在线聊天的内容&＃xff1f;也就是说&＃xff0c;我们还需要一个参数&＃xff0c;表示这个数据包到底供哪个程序&＃xff08;进程&＃xff09;使用。这个参数就叫做"端口"&＃xff08;port&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用&＃xff0c;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&＃xff0c;应用程序会随机选用一个端口&＃xff0c;然后与服务器的相应端口联系。"传输层"的功能&＃xff0c;就是建立"端口到端口"的通信。相比之下&＃xff0c;"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&＃xff0c;我们就能实现程序之间的交流。因此&＃xff0c;Unix系统就把主机&＃43;端口&＃xff0c;叫做"套接字"&＃xff08;socket&＃xff09;。有了它&＃xff0c;就可以进行网络应用程序开发了。
2、UDP协议
现在&＃xff0c;我们必须在数据包中加入端口信息&＃xff0c;这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议&＃xff0c;它的格式几乎就是在数据前面&＃xff0c;加上端口号。UDP数据包&＃xff0c;也是由"标头"和"数据"两部分组成&＃xff1a;
"标头"部分主要定义了发出端口和接收端口&＃xff0c;"数据"部分就是具体的内容。然后&＃xff0c;把整个UDP数据包放入IP数据包的"数据"部分&＃xff0c;而前面说过&＃xff0c;IP数据包又是放在以太网数据包之中的&＃xff0c;所以整个以太网数据包现在变成了下面这样&＃xff1a;
UDP数据包非常简单&＃xff0c;"标头"部分一共只有8个字节&＃xff0c;总长度不超过65,535字节&＃xff0c;正好放进一个IP数据包。
3、TCP协议
UDP协议的优点是比较简单&＃xff0c;容易实现&＃xff0c;但是缺点是可靠性较差&＃xff0c;一旦数据包发出&＃xff0c;无法知道对方是否收到。为了解决这个问题&＃xff0c;提高网络可靠性&＃xff0c;TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂&＃xff0c;但可以近似认为&＃xff0c;它就是有确认机制的UDP协议&＃xff0c;每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失&＃xff0c;就收不到确认&＃xff0c;发出方就知道有必要重发这个数据包了。因此&＃xff0c;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&＃xff0c;都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。TCP数据包没有长度限制&＃xff0c;理论上可以无限长&＃xff0c;但是为了保证网络的效率&＃xff0c;通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度&＃xff0c;以确保单个TCP数据包不必再分割。
六、应用层
应用程序收到"传输层"的数据&＃xff0c;接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构&＃xff0c;数据来源五花八门&＃xff0c;必须事先规定好格式&＃xff0c;否则根本无法解读。"应用层"的作用&＃xff0c;就是规定应用程序的数据格式。举例来说&＃xff0c;TCP协议可以为各种各样的程序传递数据&＃xff0c;比如Email、WWW、FTP等等。那么&＃xff0c;必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式&＃xff0c;这些应用程序协议就构成了"应用层"。这是最高的一层&＃xff0c;直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的"数据"部分。因此&＃xff0c;现在的以太网的数据包就变成下面这样&＃xff1a;
&＃xff08;原文链接&＃xff1a;点击进入&＃xff0c;有改动&＃xff09;
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