互联网协议
wangzf / 2020-05-06
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互联网的核心是一些列协议, 总称为"互联网协议(Internet Protocol Suite)". 它们对计算机如何连接和组网, 做出了详尽地规定. 理解了这些协议, 就理解了互联网的原理.
互联网的五层模型
互联网的实现, 分成好几层. 每一层都有自己的功能, 就像建筑物一样, 每一层都靠下一层支持.
用户解除到的知识最上面的一层, 应用层, 根本没有感觉到下面的层. 要理解互联网, 必须从最下层开始, 自下而上理解每一层的功能.
如何分层有不同的模型, 有的模型分七层, 有的分四层. 把互联网分成五层比较容易理解.
如上图所示, 最底下的一层叫做
实体层(Physical Layer) , 最上面的一层叫做
应用层(Application Layer) , 中间的三层(自下而上)分别是
链接层(Link Layer) 、网络层(Network Layer) 和
传输层"(Transport Layer) . 越下面的层, 越靠近硬件; 越上面的层, 越靠近用户.
互联网层与协议
互联网中的每一层都是为了完成一种功能. 为了实现这些功能, 就需要大家遵守共同的规则. 大家都遵守的规则, 就叫做"协议(protocol)".
互联网的每一层, 都定义了很多的协议. 这些协议的总称, 就叫做"互联网协议(Internet Protocol Suite)". 它们是互联网的核心.
实体层
计算机要组网, 第一件事就是先把计算机连起来, 可以用光缆、电缆、双胶线. 无线电波等方式.
这就叫 实体层(Physical Layer) , 它就是把计算机连接起来的物理手段.
它主要规定了网络的一些电气特性, 作用是负责传送 0 和 1 的电信号.
链接层
链接层定义
电信号中单纯的 0 和 1 没有任何意义, 必须规定解读方式: 多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？ 这就是"链接层"的功能, 他在"实体层"的上方, 确定了 0 和 1 的分组方式.
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. 逐渐地, 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(Frame)". 每一帧分成两个部分: 标头(Head)和数据(Data).
“标头"包含数据包的一些说明项, 比如发送者、接受者、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
上面提到, 以太网数据包的"标头”, 包含了发送者和接受者的信息. 那么, 发送者和接受者是如何标识呢？
以太网规定, 连入网络的所有设备, 都必须具有"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收地址, 这叫做MAC地址.
每块网卡出厂的时候, 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.
前6个十六进制数是厂商编号, 后6个是该厂商的网卡流水号. 有了MAC地址, 就可以定位网卡和数据包的路径了.
广播
定义地址只是第一步, 后面还有更多的步骤.
首先, 一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址？
回答是有一种ARP协议, 可以解决这个问题. 这个留到后面介绍, 这里只需要知道, 以太网数据包必须知道接收方的MAC地址, 然后才能发送.
其次, 就算有了MAC地址, 系统怎样才能把数据包准确送到接收方？
回答是以太网采用了一种很"原始"的方式, 它不是把数据包准确送到接收方, 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.
上图中, 1号计算机向2号计算机发送一个数据包, 同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包. 它们读取这个包的"标头”, 找到接收方的MAC地址, 然后与自身的MAC地址相比较, 如果两者相同, 就接受这个包, 做进一步处理, 否则就丢弃这个包. 这种发送方式就叫做"广播”(broadcasting).
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.
网络层
网络层的由来
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洛杉矶的网卡了, 技术上是可以实现的.
但是, 这样做有一个重大的缺点. 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. 也就是说, 如果两台计算机不在同一个子网络, 广播是传不过去的. 这种设计是合理的, 否则互联网上每一台计算机都会收到所有包, 那会引起灾难.
互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络, 很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络, 这几乎是不可能的
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发数据包, 这是一个很大的主题, 本文不涉及. ) 遗憾的是, MAC地址本身无法做到这一点. 它只与厂商有关, 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. 这套地址就叫做"网络地址”, 简称"网址”.
于是, “网络层"出现以后, 每台计算机有了两种地址, 一种是MAC地址, 另一种是网络地址. 两种地址之间没有任何联系, MAC地址是绑定在网卡上的, 网络地址则是管理员分配的, 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, 然后再处理MAC地址.
IP 协议
规定网络地址的协议, 叫做IP协议. 它所定义的地址, 就被称为IP地址.
目前, 广泛采用的是IP协议第四版, 简称IPv4. 这个版本规定, 网络地址由32个二进制位组成.
习惯上, 我们用分成四段的十进制数表示IP地址, 从0.0.0.0一直到255.255.255.255.
互联网上的每一台计算机, 都会分配到一个IP地址. 这个地址分成两个部分, 前一部分代表网络, 后一部分代表主机. 比如, IP地址172.16.254.1, 这是一个32位的地址, 假定它的网络部分是前24位(172.16.254), 那么主机部分就是后8位(最后的那个1). 处于同一个子网络的电脑, 它们IP地址的网络部分必定是相同的, 也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络.
但是, 问题在于单单从IP地址, 我们无法判断网络部分. 还是以172.16.254.1为例, 它的网络部分, 到底是前24位, 还是前16位, 甚至前28位, 从IP地址上是看不出来的.
那么, 怎样才能从IP地址, 判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另一个参数"子网掩码”(subnet mask).
所谓"子网掩码", 就是表示子网络特征的一个参数. 它在形式上等同于IP地址, 也是一个32位二进制数字, 它的网络部分全部为1, 主机部分全部为0. 比如, IP地址172.16.254.1, 如果已知网络部分是前24位, 主机部分是后8位, 那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000, 写成十进制就是255.255.255.0.
知道"子网掩码", 我们就能判断, 任意两个IP地址是否处在同一个子网络. 方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算(两个数位都为1, 运算结果为1, 否则为0), 然后比较结果是否相同, 如果是的话, 就表明它们在同一个子网络中, 否则就不是.
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.
总结一下, IP协议的作用主要有两个, 一个是为每一台计算机分配IP地址, 另一个是确定哪些地址在同一个子网络.
ARP 协议
关于"网络层", 还有最后一点需要说明.
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.
所以, 我们需要一种机制, 能够从IP地址得到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.
总之, 有了ARP协议之后, 我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址, 可以把数据包发送到任意一台主机之上了.