互連網協議入門（二）【轉】

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上一篇文章分析了互連網的總體構思，從下至上，每一層協議的設計思想。

這是從設計者的角度看問題，今天我想切換到使用者的角度，看看使用者是如何從上至下，與這些協議互動的。

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互連網協議入門（二）

阮一峰

（接上文）

七、一個小結

先對前面的內容，做一個小結。

我們已經知道，網路通訊就是交換資料包。電腦A向電腦B發送一個資料包，後者收到了，回複一個資料包，從而實現兩台電腦之間的通訊。資料包的結構，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，資料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）轉寄。

中，1號電腦要向4號電腦發送一個資料包。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），於是就把這個資料包發到網關A。網關A通過路由協議，發現4號電腦位於子網路B，又把資料包發給網關B，網關B再轉寄到4號電腦。

1號電腦把資料包發到網關A，必須知道網關A的MAC地址。所以，資料包的目標地址，實際上分成兩種情況：

情境	資料包地址
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

發送資料包之前，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、使用者的上網設定

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定。有時，管理員（或者ISP）會告訴你下面四個參數，你把它們填入作業系統，電腦就能連上網了：

　　* 原生IP地址
　　* 子網路遮罩
　　* 網關的IP地址
　　* DNS的IP地址

是Windows系統的設定視窗。

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，電腦每次開機，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，這樣的設定很專業，普通使用者望而生畏，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，大多數使用者使用"動態IP地址上網"。

8.2 動態IP地址

所謂"動態IP地址"，指電腦開機後，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，有一台電腦負責管理本網路的所有IP地址，它叫做"DHCP伺服器"。新的電腦加入網路，必須向"DHCP伺服器"發送一個"DHCP請求"資料包，申請IP地址和相關的網路參數。

前面說過，如果兩台電腦在同一個子網路，必須知道對方的MAC地址和IP地址，才能發送資料包。但是，新加入的電腦不知道這兩個地址，怎麼發送資料包呢？

DHCP協議做了一些巧妙的規定。

8.3 DHCP協議

首先，它是一種應用程式層協議，建立在UDP協議之上，所以整個資料包是這樣的：

　　（1）最前面的"乙太網路標題"，設定發出方（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，就填入一個廣播位址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

　　（2）後面的"IP標題"，設定發出方的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標題"，設定發出方的連接埠和接收方的連接埠。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68連接埠，接收方是67連接埠。

這個資料包構造完成後，就可以發出了。乙太網路是廣播發送，同一個子網路的每台電腦都收到了這個包。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電腦，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"，而其他電腦就可以丟棄這個包。

接下來，DHCP伺服器讀出這個包的資料內容，分配好IP地址，發送回去一個"DHCP響應"資料包。這個響應包的結構也是類似的，乙太網路標題的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標題的IP地址是DHCP伺服器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標題的連接埠是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。

新加入的電腦收到這個響應包，於是就知道了自己的IP地址、子網路遮罩、網關地址、DNS伺服器等等參數。

8.4 上網設定：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：

　　* 原生IP地址
　　* 子網路遮罩
　　* 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，我們來看一個執行個體，當使用者訪問網頁的時候，互連網協議是怎麼運作的。

九、一個執行個體：訪問網頁

9.1 本機參數

我們假定，經過上一節的步驟，使用者佈建好了自己的網路參數：

　　* 原生IP地址：192.168.1.100
　　* 子網路遮罩：255.255.255.0
　　* 網關的IP地址：192.168.1.1
　　* DNS的IP地址：8.8.8.8

然後他開啟瀏覽器，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資料包。

9.2 DNS協議

我們知道，發送資料包，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協議可以協助我們，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資料包（53連接埠）。

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 子網路遮罩

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

已知子網路遮罩是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發送資料包，必須通過網關192.168.1.1轉寄，也就是說，接收方的MAC地址將是網關的MAC地址。

9.4 應用程式層協議

瀏覽網頁用的是HTTP協議，它的整個資料包構造是這樣的：

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資料包之中。

9.5 TCP協議

TCP資料包需要設定連接埠，接收方（Google）的HTTP連接埠預設是80，發送方（本機）的連接埠是一個隨機產生的1024-65535之間的整數，假定為51775。

TCP資料包的標題長度為20位元組，加上嵌入HTTP的資料包，總長度變為4980位元組。

9.6 IP協議

然後，TCP資料包再嵌入IP資料包。IP資料包需要設定雙方的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資料包的標題長度為20位元組，加上嵌入的TCP資料包，總長度變為5000位元組。

9.7 乙太網路協議

最後，IP資料包嵌入乙太網路資料包。乙太網路資料包需要設定雙方的MAC地址，發送方為原生網卡MAC地址，接收方為網關192.168.1.1的MAC地址（通過ARP協議得到）。

乙太網路資料包的資料部分，最大長度為1500位元組，而現在的IP資料包長度為5000位元組。因此，IP資料包必須分割成四個包。因為每個包都有自己的IP標題（20位元組），所以四個包的IP資料包的長度分別為1500、1500、1500、560。

9.8 伺服器端響應

經過多個網關的轉寄，Google的伺服器172.194.72.105，收到了這四個乙太網路資料包。

根據IP標題的序號，Google將四個包拼起來，取出完整的TCP資料包，然後讀出裡面的"HTTP請求"，接著做出"HTTP響應"，再用TCP協議發回來。

本機收到HTTP響應以後，就可以將網頁顯示出來，完成一次網路通訊。

這個例子就到此為止，雖然經過了簡化，但它大致上反映了互連網協議的整個通訊過程。

（完）

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