上了这么多年网,终于弄明白来。

作为一名搬砖的网络民工,一直在做网页,但是一直没有去仔细想过到底一台电脑是怎么上的网。最近看了一篇阮一峰的互联网协议入门的文章,如醍醐灌顶,终于弄懂了互联网是个神马东西。下面我将用白话文来说下我的理解,尽量做到像我这样的小白也能看懂的程度。

互联网模型

互联网的实现要分为好几层,就像一栋大楼也要分层是一样的,上一层总是建立在下一层的基础上。。网上有七层模型或者四层模型,这里我就用阮一峰总结的五层模型来论述。

• 应用层Application Layer
• 传输层Transport Layer
• 网络层Network Layer
• 链接层Link Layer
• 实体层Physical Layer
  不要被这些看着很专业的名词弄的有点蒙,其实是很好理解的。从上至下,应用层=>实体层,所以越往下就是越接近硬件,越往上就是越接近用户(上网的人)。它们的名字并不重要,你只需要知道互联网分成若干层就可以了。
  互联网分成了这么多层,其实每一层就是去实现某一个功能。而为了实现这些功能,就需要大家一起遵守共同的规则。如同大大小小的汽车在马路上跑,大家都遵循交通规则,才能让交通有条不紊的进行。而这种大家都遵循的规则,称之为协议(protocol)。
  互联网的每一层都定义了很多协议,这些协议共同组成了互联网协议,它是互联网的核心。
  下面我从最底层向上来讲解网络的形成。

实体层

电脑要上网,肯定是要把所有的电脑连接起来,大家才能进行通信。连接的材料有很多(光缆,电缆,双绞线甚至无线电波等),这就叫做实体层。一句话概括就是它就是把电脑连接起来的物理手段。作用是负责传送0/1的电信号。

实体层

链接层

单纯的0/1的电信号没有任何意义,必须对这个电信号进行解读才能发挥作用。这就是链接层对作用,它在实体层对基础上,确定0/1电信号的分组方式。

以太网

早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。后来一种叫做以太网（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。每一帧分成两个部分：标头和数据。

帧
"标头"包含数据包的一些说明项，比如发送者、接收者、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。

MAC地址

每台电脑想要上网就必须要有网卡。以太网规定连入网络的所有设备都必须要有"网卡接口"。网络传输归根结底就是从一块网卡发送到另一块网卡。
每块网卡都有全世界独一无二的地址,这个地址是48个二进制位,就是MAC地址。
简单的概括就是,想上网就要有网卡,而每块网卡都有自己的MAC地址。

广播的概念

知道了网卡和MAC地址的概念,我们也说了,网络传输就是从从一块网卡发送到另一块网卡。我们只知道自己网卡的MAC地址,怎么去获取别人的MAC地址发送数据呢？ARP协议可以做到这一点(下面会详细说明)。
下面我们假设我们已经知道了对方的MAC地址了,但是系统怎么才能把数据发送给对方呢？

回答可能让你有点大惊失色,其实这种方法就是给这个网络中的所有计算机都发送消息,这个消息包含了发送者和接收者的MAC地址。然后所有的计算机将自己的MAC地址与消息中接收者的MAC地址进行比对,如果不是就抛弃,剩下那个是的计算机就接收到了数据。 如图,只有接收者3符合,其余两个接收后会自动抛弃。

网络层

以太网和MAC地址已经使得数据可以在网络中传输了,但是想一想全世界有多少电脑,如果依靠这种每次传输都全部发送一遍的情况,是多么的恐怖。其实互联网归根结底是由无数个子网络共同组成的庞然大物。

互联网
每一台电脑如果要上网,都会存在于一个子网络中。因此,必须要找到一种方法,能够区分哪些MAC地址的电脑同属于一个子网络中,哪些不是一个子网络。如果是同一个子网络就用搞上面提到的广播的方式,否则就采用路由的方式。
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一个子网络,这种地址就叫做"网址"。
网络层的出现使得每台上网的计算机有了两个地址:MAC地址和网址。两种地址没有任何联系,MAC地址绑定给网卡,网址由管理员分配,随机组合。
网址帮助我们确定计算子所在的子网络,MAC地址则是确定数据传给该子网络中的哪一台计算机。因此从逻辑上来推断,必定是先处理网址再处理MAC地址。

IP协议

规定网址的协议就叫做IP协议。它所定义的地址就是鼎鼎大名的IP地址。
目前广泛采用的是IPv4版本的规定,网络地址由32个二进制位组成。习惯上,使用4断十进制数表示IP地址。从0.0.0.0到255.255.255.255。
互联网上的每一台计算机都会被分配到一个IP地址,这个地址由两部分组成。前一部分代表网络,后一部分代表主机。处于同一个子网络中的计算机,它们的网络部分是相同的,只是再主机部分由区别。
但是单单的从IP地址上来看,是无法判断两台地址是否处于一个子网络中的。因为网络部分可以是16位或者是24位,28位。172.11.255.1和172.11.255.2这两个IP看似很相似,但是网络部分是多少位的根本看不出来。
于是子网掩码(subnetmask)出现了,他就是表示子网络特征的一个参数。它的形式上也是一个32位二进制数字,它将IP的网络部分定位1,主机部分定位0.比如172.11.255.1这个IP。如果网络部分是24位的话,子网掩码就是这样的:11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。
知道了子网掩码,我们就可以很容易的判断两个IP是否在一个子网络中了。就是将两个IP和各自的子网掩码就行AND运算(两个数位都为1,运算结果位1,否则为0)。如果结果相同就表明它们是在同一个子网络中。
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。

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,其中肯定包含了IP地址信息。
之前说过,以太网数据包只包含了MAC地址,并没有包含IP地址。那么是否需要修改之前的数据定义呢？

答案是否定的。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。 demo
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。

ARP协议

之前我们提到,找到目标MAC地址要使用ARP协议,现在就来聊聊它。
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。
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。

传输层

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。
一台电脑会安装很多程序,比如聊天的QQ，看网页的浏览器,下载的游戏等等都需要网络。当一个数据进入了你的电脑,这个数据给谁用呢？QQ,网页,游戏都有可能。
这时候,我们电脑的"端口"(port)就显得至关重要了,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。

UDP协议

有了端口的概念了,我们必须在数据包中加入端口的信息了。这就需要新的协议,有一种最简单的协议就是UDP协议。它的格式几乎就是在数据前,加了一个端口号而已。

UDP数据包同样分为头部和数据两个部分 demo

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。

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。

demo
五层结构讲完了,下面我们从用户的角度,看看到底是怎么上网的。

网络数据传输

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。发送这个包,就需要两个地址:MAC地址和IP地址。

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。 网关
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：

1. 同一个子网络：对方的MAC地址，对方的IP地址。
2. 不同的子网络：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。

静态IP地址的配置

你买了一台新电脑，插上网线，开机，这时电脑能够上网吗？

懂电脑的童鞋应该知道,要上网就要先配置IP如图： IP配置
需要配置的有：1.本机IP地址，2.子网掩码，3.网关的IP地址，4.DNS的IP地址。

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"。

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。

DHCP协议