互联网的实现

全世界几十亿台电脑，连接在一起，两两通信。上海的某一块网卡送出信号，洛杉矶的另一块网卡就收到了，两者实际上根本就不知道对方的物理位置，这难道不是一件很神奇的事情吗？  
互联网的**核心**是一些列协议，总称为“互联网协议”（Internet Protocol Suite）。它们对电脑如何连接和组网做出了详细的规定。

互联网协议入门

1. 概述

   1. 五层模型：

      1. 互联网的实现，分成好几层。每一层都有自己的功能，就想建筑物一样，每一层都靠下一层支撑。而作为用户所接触到的，只是最上面的一层。
      2. 分层有不同的模型，以下我们把互联网分成五层来理解：
         1. 他们从上至下应该是
            1. 应用层
            2. 传输层
            3. 网络层
            4. 连接层
            5. 实体层
      3. 越下面的层，越靠近硬件，而越上面的层越靠近用户。它们叫什么名字并不重要，只需要知道互联网分成多层就行了
      4. 层与协议
         1. 每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能，就需要每一层都遵守共同的规则，而这个规则就叫做协议（protocol）
         2. 互联网的每一层，都定义了很多协议。这些协议的总成就叫做互联网协议（Internet Protocol Suite）。它们是互联网的核心。下面介绍每一层的功能，主要就是介绍每一岑的主要协议
   2. 实体层
      1. 电脑要组网，第一件事就是把电脑连接起来。而连接电脑可以用有形介质连接，比如电缆，光缆。也有无形介质的连接方式，比如无线电波
      2. 这就叫做“实体层”，它就是把电脑连接起来的物理手段。主要规定了网络的一些电器特性，作用是负责传送0和1的电信号
   3. 链接层
      1. 定义：单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读方式：多少个蒂娜信号算一组？每个信号为有何意义？
      2. 链接层的功能，它在“实体层”的上方，确定了0和1的分组方式
      3. 以太网协议
         • 早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式，而后，一种叫做“以太网”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，它的单位叫做“帧（Frame）”。每一帧分成两个部分：标头（Head），数据（Data）。“标头”包含数据包的一些说明，比如发送者、接受者、数据类型等；“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。如果数据很长，就必须分割成为多个帧进行发送
      4. MAC地址
         • 以太网的“标头”包含了发送者和数据接收者的信息。那么发送者和接受者是如何识别的呢？
         • 以太网规定，连入网络的所有设备，都必须有“网卡”接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接受地址，这个就叫做MAC地址
         • 每一块网卡出厂时，都有一个全世界独一无二的MAC地址，长度是48个二进制位，通常用12个十六进制数表示。比如：00-B0-A0-81-AA-C0.它的前6个十六进制数表示厂商编号，后6个十六进制数表示该厂商的网卡流水号
      5. 广播
         • 定义地址只是第一步，后面还有许多的步骤。
         • 首先，一块网卡怎么知道另外一块网卡的MAC地址？
         • 有一种叫做”ARP”的协议，可以解决两块网卡MAC地址相互通知的问题（后面再介绍）。以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，才能发送
         • 其次，就算有了MAC地址，系统怎么样才能把数据包准确送到接收方？
         • 以太网采用了一种很“原始”的方式，它不是把数据包准确的送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方
         • 有了数据包的定义、网卡的MAC地址、广播的发送方式，“链接层”就可以在多台计算机之间传送数据了
   4. 网络层
      1. 由来：
         • 以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，上海的网卡就可以找到华盛顿的网卡，技术上是可以实现的。
         • 但是，这样做右一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一“包”，不仅效率低，而且局限在发送者所在的子网络。如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。这种设计师合理的，否则互联网上的每一台计算机都会收到所有包，后果不堪设想
         • 互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络，因此，必须找到一种方法，能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络，哪些不是。如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用“路由”方式发送。（路由的意思，就是指如何向不同的子网络分布数据包）。但是靠MAC地址无法做到这一点。MAC地址只与厂商有关，与所处网络无关
         • 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同一个子网络。这套地址就是“网络地址”，也就是“网址”。网络层出现之后，没一台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另外一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址绑定在网卡上，网络地址则是管理员分配，它们只是随机组合在一起。
         • 网络地址帮助我们确定计算机所处在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，再处理MAC地址
      2. IP协议
         • 啊、规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的网址，被称为IP地址
         • 目前广泛采用的是IPv4（IP协议的第4个版本，简称IPv4） 。它规定，网络地址由32个二进制位组成
         • 互联网上的没一台计算机都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分。第一个部分叫做网络IP，第二各部分叫做主机IP。
         • 但是，单单从IP地址，我们无法判断网络部分。我们需要借助子网掩码（subnet mask），它是表示子网络特征的一个参数。在形式上与IP地质一样是32位二进制数，但是它的网络部分全部为1，主机IP全部为0
         • 知道“子网掩码”之后，将它与IP地质想与，然后比较两个IP地址结果是否相同，如果相同，则说明二者在一个网络中。否则就不在
         • IP协议的主要作用：一是为每一台计算机分配IP地址，另外一个是确定哪些地址在同一个子网络
      3. IP数据包
         • 根据IP协议发送的数据，叫做IP数据包。其中必定包括IP地址信息。
         • 但是以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义，再添加一个栏位呢？不需要，我们可以把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。这人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
         • 具体来说，IP数据包也分为“标头”“数据”两个部分；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。
         • IP数据包的标头部分的长度为20字节到60字节，整个数据包德宗长度最大为65535字节，因此，理论上一个IP数据包的数据部分，最长为65515字节。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，它就需要分割成为几个以太网数据包，分开发送。
      4. ARP协议
         • IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以我们需要同时知道两个地址，一个是对方的MAC地址，另外一个是对方的IP地址。通常情况下，对方的IP地址是已知的，但是我们不知道它的MAC地址。
         • 有两种情况。第一种情况是：如果两台主句不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包送到两个子网络连接处的“网关”（geteway），让网管去处理。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，是12个F,FF:FF:FF:FF:FF:FF,它所在子网络的没一台主机，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，都做出恢复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包
   5. 传输层
      1. 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。但接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道它是的是网页的内容，还是在线聊天的内容？
         • 也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数叫做“端口”（port），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。不管是浏览器浏览网页，还是使用通讯工具在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器响应端口联系
         • “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”的功能是建立在“主机到主机”的通信。只要确定主机和端口，就能实现程序之间的交流。因此，Uinx系统就把主机+端口，叫做“套接字”（socket）。有了套接字，就可以进行网络应用程序开发了
      2. UDP协议
         • 现在，我们必须在数据包中键入端口信息，就需要新的协议。。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式就是在数据数据前面加上端口号。
         • UDP数据包，由标头和数据两部分组成
         • 标头部分主要定义了发出端口和接受内容，数据部分就是具体的内容，IP数据包有事放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在编程了 Head head head Data
         • UDP数据包非常简单，标头部分一共只有8个字节，总长度不超过65535个字节，正好放进一个IP数据包。
      3. TCP协议
         • UDP协议的优点是比较简单，内容容易实现，但缺点是可靠性较低，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。它是一个有确认机制的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，就收不到却仍，发厨房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。缺点是过程复杂、实现困难、小号资源较多。
         • YCP数据包和UDP数据包一样，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数据包的长度会尝过IP数据包的长度，以确保蛋哥TCP数据包不必再分割。
   6. 应用层
      • 应用层收到传输层的数据，接下来就要进行数据解读。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
      • 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
      • 这是最上面的一层，直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的数据不封。因此，现在的以太网数据包就编程了head head head Data

以上。