互聯網協議入門(一)

　　我們每天使用互聯網，你是否想過，它是如何實現的?

　　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居然就收到了，兩者實際上根本不知道對方的物理位置，你不覺得這是很神奇的事情嗎?

　　互聯網的核心是一系列協議，總稱為"互聯網協議"(Internet Protocol Suite)。它們對電腦如何連接和組網，做出了詳盡的規定。理解了這些協議，就理解了互聯網的原理。

　　下面就是我的學習筆記。因為這些協議實在太復雜、太龐大，我想整理一個簡潔的框架，幫助自己從總體上把握它們。為了保證簡單易懂，我做了大量的簡化，有些地方并不全面和精確，但是應該能夠說清楚互聯網的原理。

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　　互聯網協議入門

　　作者：阮一峰

　　一、概述

　　1.1 五層模型

　　互聯網的實現，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就像建筑物一樣，每一層都靠下一層支持。

　　用戶接觸到的，只是最上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要理解互聯網，必須從最下層開始，自下而上理解每一層的功能。

　　如何分層有不同的模型，有的模型分七層，有的分四層。我覺得，把互聯網分成五層，比較容易解釋。

　　如上圖所示，最底下的一層叫做"實體層"(Physical Layer)，最上面的一層叫做"應用層"(Application Layer)，中間的三層(自下而上)分別是"鏈接層"(Link Layer)、"網絡層"(Network Layer)和"傳輸層"(Transport Layer)。越下面的層，越靠近硬件;越上面的層，越靠近用戶。

　　它們叫什么名字，其實并不重要。只需要知道，互聯網分成若干層就可以了。

　　1.2 層與協議

　　每一層都是為了完成一種功能。為了實現這些功能，就需要大家都遵守共同的規則。

　　大家都遵守的規則，就叫做"協議"(protocol)。

　　互聯網的每一層，都定義了很多協議。這些協議的總稱，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，主要就是介紹每一層的主要協議。

　　二、實體層

　　我們從最底下的一層開始。

　　電腦要組網，第一件事要干什么?當然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式。

　　這就叫做"實體層"，它就是把電腦連接起來的物理手段。它主要規定了網絡的一些電氣特性，作用是負責傳送0和1的電信號。

　　三、鏈接層

　　3.1 定義

　　單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個電信號算一組?每個信號位有何意義?

　　這就是"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。

　　3.2 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。逐漸地，一種叫做"以太網"(Ethernet)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，叫做"幀"(Frame)。每一幀分成兩個部分：標頭(Head)和數據(Data)。

　　"標頭"包含數據包的一些說明項，比如發送者、接受者、數據類型等等;"數據"則是數據包的具體內容。

　　"標頭"的長度，固定為18字節。"數據"的長度，最短為46字節，最長為1500字節。因此，整個"幀"最短為64字節，最長為1518字節。如果數據很長，就必須分割成多個幀進行發送。

　　3.3 MAC地址

　　上面提到，以太網數據包的"標頭"，包含了發送者和接受者的信息。那么，發送者和接受者是如何標識呢?

　　以太網規定，連入網絡的所有設備，都必須具有"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收地址，這叫做MAC地址。

　　每塊網卡出廠的時候，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。

　　前6個十六進制數是廠商編號，后6個是該廠商的網卡流水號。有了MAC地址，就可以定位網卡和數據包的路徑了。

　　3.4 廣播

　　定義地址只是第一步，后面還有更多的步驟。

　　首先，一塊網卡怎么會知道另一塊網卡的MAC地址?

　　回答是有一種ARP協議，可以解決這個問題。這個留到后面介紹，這里只需要知道，以太網數據包必須知道接收方的MAC地址，然后才能發送。

　　其次，就算有了MAC地址，系統怎樣才能把數據包準確送到接收方?

　　回答是以太網采用了一種很"原始"的方式，它不是把數據包準確送到接收方，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。

　　上圖中，1號計算機向2號計算機發送一個數據包，同一個子網絡的3號、4號、5號計算機都會收到這個包。它們讀取這個包的"標頭"，找到接收方的MAC地址，然后與自身的MAC地址相比較，如果兩者相同，就接受這個包，做進一步處理，否則就丟棄這個包。這種發送方式就叫做"廣播"(broadcasting)。

原文轉自：http://www.anti-gravitydesign.com