我們每天使用互聯網，你是否想過，它是如何實現的？

　　全世界幾十億臺電腦，連接在一起，兩兩通信。杭州的某一塊網卡送出信號，紐約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 以及各種 網路設備 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。

　　下面我們一起來探索 網路 的 神祕 吧

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，也就是 應用層。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，OSI分為 七層。TCP-IP協議羣把互聯網分成五層，比較容易解釋。

　　如圖所示，最底下的一層叫做 物理層 Physical Layer，最上面的一層叫做 應用層 Application Layer，中間的三層分別是 鏈路層 Link Layey, 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。

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。它們是互聯網的核心，我們依次來探索每一層和每一層所適用的 協議。

  • 物理層

　　物理層是網路協議的最底層。

　　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。

　　如圖所示，2臺電腦通過中間媒介的鏈接就組成了一個最簡單的 區域網 。在這一層中，各種媒介中傳輸的就是我們熟稱的 比特流,也就是傳送 0 和 1 的電信號。

  • 鏈路層
  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。
  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 (18+46)位元組，最長為1518(18+1500)位元組。如果數據很長，就必須分割成多個幀進行發送。
    1. 1. 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 個比特，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。
    1. 2 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？我們可以通過ARP協議，可以解決這個問題。

      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 網路設備 發送，讓每臺網路設備自己判斷，是否為接收方。【此處存在漏洞，我們可以進行攻擊】

如圖，1號 向 2號 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 就可以在多臺計算機之間傳送數據了。
  • 網路層
    • 不同一個子網沒有辦法直接得到對方的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。
    • 同一個子網那麼我們可以用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 每一臺主機 ，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。

  1. 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，杭州的網卡就可以找到紐約的網卡了，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，而且侷限在發送者所在的 子網路。也就是說，如果兩臺計算機不在同一個 子網路，廣播是傳不過去的。這種設計是合理的，否則互聯網上每一臺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。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，每臺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，網路地址則是系統自動分配的或者管理員指定，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。

    1. 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。互聯網上的每一臺網路設備，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，判斷兩臺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。
    1. 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。
    1. 4 ARP協議。因為IP數據包是放在乙太網數據包裏發送的，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，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。
  • 傳輸層
  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臺主機上建立通信。接下來的問題是，同一臺主機上有許多 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。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。
  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。
    1. 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。為瞭解決這個問題，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。
  • 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。

　　　　五層結構就是如此啦，那麼筆者就提個問題吧？那麼，我們的個人PC會中 電腦病毒，那麼網路設備中的 交換機、路由器、集線器 等設備也會中 電腦病毒 麼？

　　願意與大家分享交流各種技術，個人公眾賬號[mindev]，以及 知識星球[ 極客世界]

　　　　　　　　　　　　歡迎訂閱公眾賬號，日更喲~~~
推薦閱讀：
相關文章