互聯網的實現

全世界幾十億臺電腦，連接在一起，兩兩通信。上海的某一塊網卡送出信號，洛杉磯的另一塊網卡就收到了，兩者實際上根本就不知道對方的物理位置，這難道不是一件很神奇的事情嗎？  
互聯網的**核心**是一些列協議，總稱為“互聯網協議”（Internet Protocol Suite）。它們對電腦如何連接和組網做出了詳細的規定。

互聯網協議入門

1. 概述

   1. 五層模型：

      1. 互聯網的實現，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就想建筑物一樣，每一層都靠下一層支撐。而作為用戶所接觸到的，只是最上面的一層。
      2. 分層有不同的模型，以下我們把互聯網分成五層來理解：
         1. 他們從上至下應該是
            1. 應用層
            2. 傳輸層
            3. 網絡層
            4. 連接層
            5. 實體層
      3. 越下面的層，越靠近硬件，而越上面的層越靠近用戶。它們叫什么名字并不重要，只需要知道互聯網分成多層就行了
      4. 層與協議
         1. 每一層都是為了完成一種功能。為了實現這些功能，就需要每一層都遵守共同的規則，而這個規則就叫做協議（protocol）
         2. 互聯網的每一層，都定義了很多協議。這些協議的總成就叫做互聯網協議（Internet Protocol Suite）。它們是互聯網的核心。下面介紹每一層的功能，主要就是介紹每一岑的主要協議
   2. 實體層
      1. 電腦要組網，第一件事就是把電腦連接起來。而連接電腦可以用有形介質連接，比如電纜，光纜。也有無形介質的連接方式，比如無線電波
      2. 這就叫做“實體層”，它就是把電腦連接起來的物理手段。主要規定了網絡的一些電器特性，作用是負責傳送0和1的電信號
   3. 鏈接層
      1. 定義：單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個蒂娜信號算一組？每個信號為有何意義？
      2. 鏈接層的功能，它在“實體層”的上方，確定了0和1的分組方式
      3. 以太網協議
         • 早期的時候，每家公司都有自己的電信號分組方式，而后，一種叫做“以太網”的協議，占據了主導地位
         • 以太網規定，一組電信號構成一個數據包，它的單位叫做“幀（Frame）”。每一幀分成兩個部分：標頭（Head），數據（Data）?！皹祟^”包含數據包的一些說明，比如發送者、接受者、數據類型等；“數據”則是數據包的具體內容
         • “標頭”的長度，固定為18字節?！皵祿钡拈L度，最短為46字節，最長為1500字節。因此，整個“幀”最短為64字節。如果數據很長，就必須分割成為多個幀進行發送
      4. MAC地址
         • 以太網的“標頭”包含了發送者和數據接收者的信息。那么發送者和接受者是如何識別的呢？
         • 以太網規定，連入網絡的所有設備，都必須有“網卡”接口。數據包必須是從一塊網卡，傳送到另一塊網卡。網卡的地址，就是數據包的發送地址和接受地址，這個就叫做MAC地址
         • 每一塊網卡出廠時，都有一個全世界獨一無二的MAC地址，長度是48個二進制位，通常用12個十六進制數表示。比如：00-B0-A0-81-AA-C0.它的前6個十六進制數表示廠商編號，后6個十六進制數表示該廠商的網卡流水號
      5. 廣播
         • 定義地址只是第一步，后面還有許多的步驟。
         • 首先，一塊網卡怎么知道另外一塊網卡的MAC地址？
         • 有一種叫做”ARP”的協議，可以解決兩塊網卡MAC地址相互通知的問題（后面再介紹）。以太網數據包必須知道接收方的MAC地址，才能發送
         • 其次，就算有了MAC地址，系統怎么樣才能把數據包準確送到接收方？
         • 以太網采用了一種很“原始”的方式，它不是把數據包準確的送到接收方，而是向本網絡內所有計算機發送，讓每臺計算機自己判斷，是否為接收方
         • 有了數據包的定義、網卡的MAC地址、廣播的發送方式，“鏈接層”就可以在多臺計算機之間傳送數據了
   4. 網絡層
      1. 由來：
         • 以太網協議，依靠MAC地址發送數據。理論上，單單依靠MAC地址，上海的網卡就可以找到華盛頓的網卡，技術上是可以實現的。
         • 但是，這樣做右一個重大的缺點。以太網采用廣播方式發送數據包，所有成員人手一“包”，不僅效率低，而且局限在發送者所在的子網絡。如果兩臺計算機不在同一個子網絡，廣播是傳不過去的。這種設計師合理的，否則互聯網上的每一臺計算機都會收到所有包，后果不堪設想
         • 互聯網是無數子網絡共同組成的一個巨型網絡，因此，必須找到一種方法，能夠區分哪些MAC地址屬于同一個子網絡，哪些不是。如果是同一個子網絡，就采用廣播方式發送，否則就采用“路由”方式發送。（路由的意思，就是指如何向不同的子網絡分布數據包）。但是靠MAC地址無法做到這一點。MAC地址只與廠商有關，與所處網絡無關
         • 這就導致了“網絡層”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計算機是否屬于同一個子網絡。這套地址就是“網絡地址”，也就是“網址”。網絡層出現之后，沒一臺計算機有了兩種地址，一種是MAC地址，另外一種是網絡地址。兩種地址之間沒有任何聯系，MAC地址綁定在網卡上，網絡地址則是管理員分配，它們只是隨機組合在一起。
         • 網絡地址幫助我們確定計算機所處在的子網絡，MAC地址則將數據包送到該子網絡中的目標網卡。因此，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網絡地址，再處理MAC地址
      2. IP協議
         • 啊、規定網絡地址的協議，叫做IP協議。它所定義的網址，被稱為IP地址
         • 目前廣泛采用的是IPv4（IP協議的第4個版本，簡稱IPv4） 。它規定，網絡地址由32個二進制位組成
         • 互聯網上的沒一臺計算機都會分配到一個IP地址。這個地址分成兩個部分。第一個部分叫做網絡IP，第二各部分叫做主機IP。
         • 但是，單單從IP地址，我們無法判斷網絡部分。我們需要借助子網掩碼（subnet mask），它是表示子網絡特征的一個參數。在形式上與IP地質一樣是32位二進制數，但是它的網絡部分全部為1，主機IP全部為0
         • 知道“子網掩碼”之后，將它與IP地質想與，然后比較兩個IP地址結果是否相同，如果相同，則說明二者在一個網絡中。否則就不在
         • IP協議的主要作用：一是為每一臺計算機分配IP地址，另外一個是確定哪些地址在同一個子網絡
      3. IP數據包
         • 根據IP協議發送的數據，叫做IP數據包。其中必定包括IP地址信息。
         • 但是以太網數據包只包含MAC地址，并沒有IP地址的欄位。那么是否需要修改數據定義，再添加一個欄位呢？不需要，我們可以把數據包直接放進以太網數據包的“數據”部分，因此完全不用修改以太網的規格。這人就是互聯網分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構
         • 具體來說，IP數據包也分為“標頭”“數據”兩個部分；標頭部分主要包括版本、長度、IP地址等信息，數據部分則是IP數據包的具體內容。
         • IP數據包的標頭部分的長度為20字節到60字節，整個數據包德宗長度最大為65535字節，因此，理論上一個IP數據包的數據部分，最長為65515字節。以太網數據包的數據部分，最長只有1500字節。因此，如果IP數據包超過了1500字節，它就需要分割成為幾個以太網數據包，分開發送。
      4. ARP協議
         • IP數據包是放在以太網數據包里發送的，所以我們需要同時知道兩個地址，一個是對方的MAC地址，另外一個是對方的IP地址。通常情況下，對方的IP地址是已知的，但是我們不知道它的MAC地址。
         • 有兩種情況。第一種情況是：如果兩臺主句不在同一個子網絡，那么事實上沒有辦法得到對方的MAC地址，只能把數據包送到兩個子網絡連接處的“網關”（geteway），讓網管去處理。第二種情況：如果兩臺主機在同一個子網絡，那么我們可以用ARP協議，得到對方的MAC地址。ARP協議也是一個數據包（包含在以太網數據包中），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，是12個F,FF:FF:FF:FF:FF:FF,它所在子網絡的沒一臺主機，都會收到這個數據包，從中取出IP地址，與自身的IP地址進行比較。如果兩者相同，都做出恢復，向對方報告自己的MAC地址，否則就丟棄這個包
   5. 傳輸層
      1. 由來：
         • 有了MAC地址和IP地址，我們已經可以在互聯網上任意兩臺主機上建立通信。但接下來的問題是，同一臺主機上有許多程序都需要用到網絡，當一個數據包從互聯網上發來的時候，你怎么知道它是的是網頁的內容，還是在線聊天的內容？
         • 也就是說，我們還需要一個參數，表示這個數據包到底供哪個程序（進程）使用。這個參數叫做“端口”（port），它其實是每一個使用網卡的程序的編號。每個數據包都發到主機的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的數據。
         • “端口”是0到65535之間的一個整數，正好16個二進制位。0到1023的端口被系統占用，用戶只能選用大于1023的端口。不管是瀏覽器瀏覽網頁，還是使用通訊工具在線聊天，應用程序會隨機選用一個端口，然后與服務器響應端口聯系
         • “傳輸層”的功能，就是建立“端口到端口”的通信。相比之下，“網絡層”的功能是建立在“主機到主機”的通信。只要確定主機和端口，就能實現程序之間的交流。因此，Uinx系統就把主機+端口，叫做“套接字”（socket）。有了套接字，就可以進行網絡應用程序開發了
      2. UDP協議
         • 現在，我們必須在數據包中鍵入端口信息，就需要新的協議。。最簡單的實現叫做UDP協議，它的格式就是在數據數據前面加上端口號。
         • UDP數據包，由標頭和數據兩部分組成
         • 標頭部分主要定義了發出端口和接受內容，數據部分就是具體的內容，IP數據包有事放在以太網數據包之中的，所以整個以太網數據包現在編程了 Head head head Data
         • UDP數據包非常簡單，標頭部分一共只有8個字節，總長度不超過65535個字節，正好放進一個IP數據包。
      3. TCP協議
         • UDP協議的優點是比較簡單，內容容易實現，但缺點是可靠性較低，一旦數據包發出，無法知道對方是否收到。
         • 為了解決這個問題，提高網絡可靠性，TCP協議就誕生了。它是一個有確認機制的UDP協議，每發出一個數據包都要求確認，如果有一個數據包遺失，就收不到卻仍，發廚房就知道有必要重發這個數據包了。
         • 因此，TCP協議能夠確保數據不會遺失。缺點是過程復雜、實現困難、小號資源較多。
         • YCP數據包和UDP數據包一樣，是內嵌在IP數據包的數據部分。TCP數據包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網絡的效率，通常TCP數據包的長度會嘗過IP數據包的長度，以確保蛋哥TCP數據包不必再分割。
   6. 應用層
      • 應用層收到傳輸層的數據，接下來就要進行數據解讀。由于互聯網是開放架構，數據來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。
      • 應用層的作用，就是規定應用程序的數據格式
      • TCP協議可以為各種各樣的程序傳遞數據，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了應用層
      • 這是最上面的一層，直接面對用戶。它的數據就放在TCP數據包的數據不封。因此，現在的以太網數據包就編程了head head head Data

以上。