互連網協議入門（一）

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我們每天使用互連網，你是否想過，它是如何?的？

全世界幾十億台電腦，串連在一起，兩兩通訊。上海的某一塊網卡送出訊號，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？

互連網的核心是一系列協議，總稱為”互連網協議”（Internet Protocol Suite）。它們對電腦如何串連和組網，做出了詳盡的規定。理解了這些協議，就理解了互連網的原理。

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架構，協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連網的原理。

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互連網協議入門

阮一峰

一、概述

1.1 五層模型

互連網的實現，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援。

使用者接觸到的，只是最上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要理解互連網，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，把互連網分成五層，比較容易解釋。

如所示，最底下的一層叫做”實體層”（Physical Layer），最上面的一層叫做”應用程式層”（Application Layer），中間的三層（自下而上）分別是”連結層”（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，越靠近使用者。

它們叫什麼名字，其實並不重要。只需要知道，互連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）。

互連網的每一層，都定義了很多協議。這些協議的總稱，就叫做”互連網協議”（Internet Protocol Suite）。它們是互連網的核心，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，第一件事要幹什嗎？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”，它就是把電腦串連起來的物理手段。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的電訊號。

三、連結層

3.1 定義

單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個電訊號算一組？每個訊號位有何意義？

這就是”連結層”的功能，它在”實體層”的上方，確定了0和1的分組方式。

3.2 乙太網路協議

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

乙太網路規定，一組電訊號構成一個資料包，叫做”幀”（Frame）。每一幀分成兩個部分：標題（Head）和資料（Data）。

“標題”包含資料包的一些說明項，比如寄件者、接受者、資料類型等等；”資料”則是資料包的具體內容。

“標題”的長度，固定為18位元組。”資料”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。如果資料很長，就必須分割成多個幀進行發送。

3.3 MAC地址

上面提到，乙太網路資料包的”標題”，包含了寄件者和接受者的資訊。那麼，寄件者和接受者是如何標識呢？

乙太網路規定，連入網路的所有裝置，都必須具有”網卡”介面。資料包必須是從一塊網卡，傳送到另一塊網卡。網卡的地址，就是資料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，就可以定位網卡和資料包的路徑了。

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，乙太網路資料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，系統怎樣才能把資料包準確送到接收方？

回答是乙太網路採用了一種很”原始”的方式，它不是把資料包準確送到接收方，而是向本網路內所有電腦發送，讓每台電腦自己判斷，是否為接收方。

中，1號電腦向2號電腦發送一個資料包，同一個子網路的3號、4號、5號電腦都會收到這個包。它們讀取這個包的”標題”，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）。

有了資料包的定義、網卡的MAC地址、廣播的發送方式，”連結層”就可以在多台電腦之間傳送資料了。

四、網路層

4.1 網路層的由來

乙太網路協議，依靠MAC地址發送資料。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。乙太網路採用廣播方式發送資料包，所有成員人手一”包”，不僅效率低，而且局限在寄件者所在的子網路。也就是說，如果兩台電腦不在同一個子網路，廣播是傳不過去的。這種設計是合理的，否則互連網上每一台電腦都會收到所有包，那會引起災難。

互連網是無數子網路共同組成的一個巨型網路，很像想象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資料包，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電腦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，每台電腦有了兩種地址，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絡，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。

網路地址協助我們確定電腦所在的子網路，MAC地址則將資料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。

互連網上的每一台電腦，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，判斷兩台電腦是否屬於同一個子網路呢？這就要用到另一個參數”子網路遮罩”（subnet mask）。

所謂”子網路遮罩”，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位位元字，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，那麼子網路遮罩就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進位就是255.255.255.0。

知道”子網路遮罩”，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地址與子網路遮罩分別進行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的子網路遮罩都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網路？兩者與子網路遮罩分別進行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，一個是為每一台電腦分配IP地址，另一個是確定哪些地址在同一個子網路。

4.3 IP資料包

根據IP協議發送的資料，就叫做IP資料包。不難想象，其中必定包括IP地址資訊。

但是前面說過，乙太網路資料包只包含MAC地址，並沒有IP地址的欄位。那麼是否需要修改資料定義，再添加一個欄位呢？

回答是不需要，我們可以把IP資料包直接放進乙太網路資料包的”資料”部分，因此完全不用修改乙太網路的規格。這就是互連網分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構。

具體來說，IP資料包也分為”標題”和”資料”兩個部分。

“標題”部分主要包括版本、長度、IP地址等資訊，”資料”部分則是IP資料包的具體內容。它放進乙太網路資料包後，乙太網路資料包就變成了下面這樣。

IP資料包的”標題”部分的長度為20到60位元組，整個資料包的總長度最大為65,535位元組。因此，理論上，一個IP資料包的”資料”部分，最長為65,515位元組。前面說過，乙太網路資料包的”資料”部分，最長只有1500位元組。因此，如果IP資料包超過了1500位元組，它就需要分割成幾個乙太網路資料包，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資料包是放在乙太網路資料包裡發送的，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，只能把資料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協議也是發出一個資料包（包含在乙太網路資料包中），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，都會收到這個資料包，從中取出IP地址，與自身的IP地址進行比較。如果兩者相同，都做出回複，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，可以把資料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，我們已經可以在互連網上任意兩台主機上建立通訊。

接下來的問題是，同一台主機上有許多程式都需要用到網路，比如，你一邊瀏覽網頁，一邊與朋友線上聊天。當一個資料包從互連網上發來的時候，你怎麼知道，它是表示網頁的內容，還是表示線上聊天的內容？

也就是說，我們還需要一個參數，表示這個資料包到底供哪個程式（進程）使用。這個參數就叫做”連接埠”（port），它其實是每一個使用網卡的程式的編號。每個資料包都發到主機的特定連接埠，所以不同的程式就能取到自己所需要的資料。

“連接埠”是0到65535之間的一個整數，正好16個二進位位。0到1023的連接埠被系統佔用，使用者只能選用大於1023的連接埠。不管是瀏覽網頁還是線上聊天，應用程式會隨機選用一個連接埠，然後與伺服器的相應連接埠聯絡。

“傳輸層”的功能，就是建立”連接埠到連接埠”的通訊。相比之下，”網路層”的功能是建立”主機到主機”的通訊。只要確定主機和連接埠，我們就能實現程式之間的交流。因此，Unix系統就把主機+連接埠，叫做”通訊端”（socket）。有了它，就可以進行網路應用程式開發了。

5.2 UDP協議

現在，我們必須在資料包中加入連接埠資訊，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資料前面，加上連接埠號碼。

UDP資料包，也是由”標題”和”資料”兩部分組成。

“標題”部分主要定義了發出連接埠和接收埠，”資料”部分就是具體的內容。然後，把整個UDP資料包放入IP資料包的”資料”部分，而前面說過，IP資料包又是放在乙太網路資料包之中的，所以整個乙太網路資料包現在變成了下面這樣：

UDP資料包非常簡單，”標題”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資料包。

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，一旦資料包發出，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，每發出一個資料包都要求確認。如果有一個資料包遺失，就收不到確認，發出方就知道有必要重發這個資料包了。

因此，TCP協議能夠確保資料不會遺失。它的缺點是過程複雜、實現困難、消耗較多的資源。

TCP資料包和UDP資料包一樣，都是內嵌在IP資料包的”資料”部分。TCP資料包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網路的效率，通常TCP資料包的長度不會超過IP資料包的長度，以確保單個TCP資料包不必再分割。

六、應用程式層

應用程式收到”傳輸層”的資料，接下來就要進行解讀。由於互連網是開放架構，資料來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。

“應用程式層”的作用，就是規定應用程式的資料格式。

舉例來說，TCP協議可以為各種各樣的程式傳遞資料，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資料的格式，這些應用程式協議就構成了”應用程式層”。

這是最高的一層，直接面對使用者。它的資料就放在TCP資料包的”資料”部分。因此，現在的乙太網路的資料包就變成下面這樣。

至此，整個互連網的五層結構，自下而上全部講完了。這是從系統的角度，解釋互連網是如何構成的。下一篇，我反過來，從使用者的角度，自上而下看看這個結構是如何發揮作用，完成一次網路資料交換的。

轉載：http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html

互連網協議入門（一）