互联网协议底层分析

[liang520]

模型组成

• 实体层：把电路链接起来，传输0和1的电信号
• 链路层：确定电信号的分组方式，以太网是这一层的协议，并规定：一组电信号构成一个数据包，“帧”（包含标头和数据）

  • 标头包含：发送、接受者，以及数据类型。数据就是需要传输的具体类型
    
  • MAC地址: 标志发送和接受者的标记是设备的MAC地址
  • 广播：发送之前怎么知道接收者的网卡呢（ARP协议，后面解释）？知道之后，怎么才能发送到接受方。以太网直接向所有本网络内所有计算机发送，每台计算机自己接受到之后，再判断。这种方式叫做“广播”

• 网络层：需要判断那些MAC地址同网络，采用广播。哪些不是，采用“路由”。这就需要网络层的网络地址来判断了。

  • IP协议：规定网络地址的协议叫做“IP协议”，所定义的地址叫做“IP地址”。目前采用IPv4，由四个字节(32个二进制组成)，一般用十进制表示IP，“0.0.0.0”。一个IP地址，前部分代表网络，后部分代表主机。
  • 子网掩码：要判断是否处于同网之下，需要判断IP地址的网络部分是否相同，但是多少位代表网络地址，这就需要定义一个参数——子网掩码。如“11111111.11111111.11111111.00000000”，然后与IP进行AND运算，再做对比。
  • IP数据包：根据IP协议发送的数据。"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。
    
  • ARP协议：一边情况我们需要知道对方的IP、MAC才能发送，IP通过DNS解析或者网关是已知的，需要通过IP来得到MAC地址，不同网络，数据发送到网关。同网络之下，发送一个数据包，包含了要查询主机IP，MAC地址填的“FF.FF.FF.FF.FF.FF”。广播之后，收到数据包与自身IP地址做对比，相同就填入MAC地址，并回复

• 传输层：有了链路层和网络层，两台机子就可以建立连接了，但是一般一台机子由多个应用在运行，网络数据需要传输到特定的应用。这个时候就需要“端口”。不同的程序运行起来，连接不同的端口。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做"套接字"（socket）。

  • UDP协议：加入端口信息和数据，就需要UDP协议，定义怎么组成。"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：
    
  • TCP协议:UDP协议发出之后，不会再管是否接收到，TCP会确认是否收到，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：规定应用数据的数据格式，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。
  

每一层都为了完成一种功能，都要遵守一些协议，这些协议就叫做互联网协议

发送的过程
而通过上面可以发现，网络通信的本质其实就是数据交换。而数据包的结构基本如下面所示：

而发送这个数据包需要知道两个地址：

对方的MAC地址
对方的IP地址（网络地址）

但是MAC地址有局限性，如果两个电脑不在同一个子网络，就不知道对方的MAC地址，就需要通过网关做一次转发。

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，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。

用户上网的设置

• 静态IP地址
  一台新的电脑，如果需要接入网络，需要知道四个参数：

1.本机的IP地址
2.子网掩码
3.网关的IP地址
4.DNS的IP地址

Window的设置：

用户每次开机之后给定的IP地址，每次都会分到同样的，这叫做“静态IP地址上网”。
这样设置的话，其他的电脑就用不了这个IP地址，不够灵活。

• 动态IP地址
  动态IP，会自动分配一个IP地址，不用人设，他所使用的协议是“DHCP协议”。
  这个协议中，每一个子网络有一个专门管理本网所有IP地址的计算器，他叫做“DHCP服务器”，新加入的计算器必须向“DHCP服务器”发送一个请求，申请IP地址和相应的网络参数。
  如果两个计算机在同一个网络，必须知道对方的MAC地址和IP地址，才能发送数据包，但是新加入的怎么处理？

DHCP协议：它是一个应用层协议，建立在UDP之上，数据包如图：

1). 最前面的以太网标头，设置本机的MAC地址和接收方MAC地址，接受方“FF-FF-FF-FF-FF-FF”。
2).IP标头，设置接受和发送方的IP，两者本机都是不知道的，所以发送方设置为“0.0.0.0”，接收方设置为“255.255.255.255”。
3).UDP标头，设置发出方的端口和接受方的端口，DHCP已经规定好了，发出为68，接受为67端口。
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数据构造好之后，通过以太网广播发送，接受到了之后看到接受和发送的IP地址，DHCP服务器就知道是他的，分配好IP之后，返回数据信息，新加入的计算器就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等。

所以不管是静态IP还是动态IP都需要知道四个参数：
1.本机IP地址
2.子网掩码
3.网关的IP地址
4.DNS的IP地址

访问一个网页的完整过程
用户设置了以上四个参数，打开访问“google.com”。

1. DNS协议：已知DNS服务器，通过把地址发送给DNS知道IP地址
2. 子网掩码：知道子网掩码判断IP是否是同一个子网络
3. http 协议：把数据包裹起来，放入TCP数据包当中
4. TCP协议：接收方默认端口知道，设置发送方端口，再把数据嵌入到IP数据包当中
5. IP协议：设置接收方IP地址，发送发IP地址，数据嵌入到以太网数据包当中。
6. 以太网协议：设置接受方和发送方的MAC地址，接收方为网关地址，通过网关IP和ARP协议可以获得MAC然后把IP数据包分割。
7. 服务端相应：通过多个网关转发，接收方接收到数据，处理之后再相应回来

以上就是互联网协议的大致过层