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我们每天使用互联网你是否想过它是如何实现的
全世界几十亿台电脑连接在一起两两通信。上海的某一块网卡送出信号洛杉矶的另一块网卡居然就收到了两者实际上根本不知道对方的物理位置你不觉得这是很神奇的事情吗
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。
下面就是我的学习笔记。因为这些协议实在太复杂、太庞大我想整理一个简洁的框架帮助自己从总体上把握它们。为了保证简单易懂我做了大量的简化有些地方并不全面和精确但是应该能够说清楚互联网的原理。
一、概述
1.1 五层模型
互联网的实现分成好几层。每一层都有自己的功能就像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没有感觉到下面的层。要理解互联网必须从最下层开始自下而上理解每一层的功能。
如何分层有不同的模型有的模型分七层有的分四层。我觉得把互联网分成五层比较容易解释。
如上图所示最底下的一层叫做”实体层”Physical Layer最上面的一层叫做”应用层”Application Layer中间的三层自下而上分别是”链接层”Link Layer、”网络层”Network Layer和”传输层”Transport Layer。越下面的层越靠近硬件越上面的层越靠近用户。
它们叫什么名字其实并不重要。只需要知道互联网分成若干层就可以了。
1.2 层与协议
每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能就需要大家都遵守共同的规则。
大家都遵守的规则就叫做”协议”protocol。
互联网的每一层都定义了很多协议。这些协议的总称就叫做”互联网协议”Internet Protocol Suite。它们是互联网的核心下面介绍每一层的功能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。
电脑要组网第一件事要干什么当然是先把电脑连起来可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。
这就叫做”实体层”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作用是负责传送0和1的电信号。
三、链接层
3.1 定义
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
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。
3.2 以太网协议
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。
“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。
3.3 MAC地址
上面提到以太网数据包的”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
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。
每块网卡出厂的时候都有一个全世界独一无二的MAC地址长度是48个二进制位通常用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。
3.4 广播
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
回答是有一种ARP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
回答是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。
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。
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。
四、网络层
4.1 网络层的由来
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技术上是可以实现的。
但是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。
互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络这几乎是不可能的。
因此必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。如果是同一个子网络就采用广播方式发送否则就采用”路由”方式发送。”路由”的意思就是指如何向不同的子网络分发数据包这是一个很大的主题本文不涉及。遗憾的是MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关与所处网络无关。
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。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。
4.2 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。
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后一部分代表主机。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。
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”subnet mask。
所谓”子网掩码”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。
比如已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0请问它们是否在同一个子网络两者与子网掩码分别进行AND运算结果都是172.16.254.0因此它们在同一个子网络。
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。
4.3 IP数据包
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
回答是不需要我们可以把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。
4.4 ARP协议
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。
五、传输层
5.1 传输层的由来
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。
“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。
5.2 UDP协议
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UDP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。
5.3 TCP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。
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。
六、应用层
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。
至此整个互联网的五层结构自下而上全部讲完了。这是从系统的角度解释互联网是如何构成的。下一篇我反过来从用户的角度自上而下看看这个结构是如何发挥作用完成一次网络数据交换的。 七、一个小结
先对前面的内容做一个小结。
我们已经知道网络通信就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包后者收到了回复一个数据包从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构基本上是下面这样
发送这个包需要知道两个地址 * 对方的MAC地址 * 对方的IP地址 有了这两个地址数据包才能准确送到接收者手中。但是前面说过MAC地址有局限性如果两台电脑不在同一个子网络就无法知道对方的MAC地址必须通过网关gateway转发。
上图中1号电脑要向4号电脑发送一个数据包。它先判断4号电脑是否在同一个子网络结果发现不是后文介绍判断方法于是就把这个数据包发到网关A。网关A通过路由协议发现4号电脑位于子网络B又把数据包发给网关B网关B再转发到4号电脑。
1号电脑把数据包发到网关A必须知道网关A的MAC地址。所以数据包的目标地址实际上分成两种情况
场景数据包地址同一个子网络对方的MAC地址对方的IP地址非同一个子网络网关的MAC地址对方的IP地址
发送数据包之前电脑必须判断对方是否在同一个子网络然后选择相应的MAC地址。接下来我们就来看实际使用中这个过程是怎么完成的。
八、用户的上网设置
8.1 静态IP地址
你买了一台新电脑插上网线开机这时电脑能够上网吗
通常你必须做一些设置。有时管理员或者ISP会告诉你下面四个参数你把它们填入操作系统计算机就能连上网了 * 本机的IP地址 * 子网掩码 * 网关的IP地址 * DNS的IP地址 下图是Windows系统的设置窗口。
这四个参数缺一不可后文会解释为什么需要知道它们才能上网。由于它们是给定的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”。
8.2 动态IP地址
所谓”动态IP地址”指计算机开机后会自动分配到一个IP地址不用人为设定。它使用的协议叫做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。
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。
8.3 DHCP协议
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。
8.4 上网设置小结
这个部分需要记住的就是一点不管是”静态IP地址”还是”动态IP地址”电脑上网的首要步骤是确定四个参数。这四个值很重要值得重复一遍 * 本机的IP地址 * 子网掩码 * 网关的IP地址 * DNS的IP地址 有了这几个数值电脑就可以上网”冲浪”了。接下来我们来看一个实例当用户访问网页的时候互联网协议是怎么运作的。
九、一个实例访问网页
9.1 本机参数
我们假定经过上一节的步骤用户设置好了自己的网络参数 * 本机的IP地址192.168.1.100 * 子网掩码255.255.255.0 * 网关的IP地址192.168.1.1 * DNS的IP地址8.8.8.8 然后他打开浏览器想要访问Google在地址栏输入了网址www.google.com。
这意味着浏览器要向Google发送一个网页请求的数据包。
9.2 DNS协议
我们知道发送数据包必须要知道对方的IP地址。但是现在我们只知道网址www.google.com不知道它的IP地址。
DNS协议可以帮助我们将这个网址转换成IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8于是我们向这个地址发送一个DNS数据包53端口
然后DNS服务器做出响应告诉我们Google的IP地址是172.194.72.105。于是我们知道了对方的IP地址。
9.3 子网掩码
接下来我们要判断这个IP地址是不是在同一个子网络这就要用到子网掩码。
已知子网掩码是255.255.255.0本机用它对自己的IP地址192.168.1.100做一个二进制的AND运算两个数位都为1结果为1否则为0计算结果为192.168.1.0然后对Google的IP地址172.194.72.105也做一个AND运算计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等所以结论是Google与本机不在同一个子网络。
因此我们要向Google发送数据包必须通过网关192.168.1.1转发也就是说接收方的MAC地址将是网关的MAC地址。
9.4 应用层协议
浏览网页用的是HTTP协议它的整个数据包构造是这样的
HTTP部分的内容类似于下面这样 GET / HTTP/1.1 Host: www.google.com Connection: keep-alive User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) …… Accept: text/html,application/xhtmlxml,application/xml;q0.9,*/*;q0.8 Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch Accept-Language: zh-CN,zh;q0.8 Accept-Charset: GBK,utf-8;q0.7,*;q0.3 Cookie: … … 我们假定这个部分的长度为4960字节它会被嵌在TCP数据包之中。
9.5 TCP协议
TCP数据包需要设置端口接收方Google的HTTP端口默认是80发送方本机的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数假定为51775。
TCP数据包的标头长度为20字节加上嵌入HTTP的数据包总长度变为4980字节。
9.6 IP协议
然后TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址这是已知的发送方是192.168.1.100本机接收方是172.194.72.105Google。
IP数据包的标头长度为20字节加上嵌入的TCP数据包总长度变为5000字节。
9.7 以太网协议
最后IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址发送方为本机的网卡MAC地址接收方为网关192.168.1.1的MAC地址通过ARP协议得到。
以太网数据包的数据部分最大长度为1500字节而现在的IP数据包长度为5000字节。因此IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头20字节所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。
9.8 服务器端响应
经过多个网关的转发Google的服务器172.194.72.105收到了这四个以太网数据包。
根据IP标头的序号Google将四个包拼起来取出完整的TCP数据包然后读出里面的”HTTP请求”接着做出”HTTP响应”再用TCP协议发回来。
本机收到HTTP响应以后就可以将网页显示出来完成一次网络通信。
这个例子就到此为止虽然经过了简化但它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。
