网络协议

一．互联网协议

一台计算机装上操作系统和软件便可以正常使用，但是要想将多台计算机连接起来，使人与人之间可以通过计算机交流，就要使计算机与互联网连接起来，计算机与计算机之间的交流通过互联网进行。就如普通话和英语等人类交流通用语一样，计算机也有它自己的交流通用语——互联网协议。
互联网的本质就是一系列的协议，总称为“互联网协议”（Internet Protocol Suite）。
互联网协议的功能：定义计算机如何接入Internet，以及接入Internet的计算机通信的标准。

二．osi五层模型

1.互联网按协议不同分为osi七层或tcp/ip五层或tcp/ip四层：

每层运行常见物理设备：

五层模型将应用层、表示层和会话层合并为应用层，越上面的层越靠近用户，越下面的层越靠近硬件。搞清楚每层的主要协议，就能理解整个互联网的通信原理。
2.物理层：计算机要互通，第一件事就是要把计算机组网，用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式把电脑连起来，这就是物理层。
物理层功能：主要是根据电器特性发送高低电压（电信号），高电压对应数字1，低电压对应数字0。
3.数据链路层：单纯的电信号（1和0）没有任何意义，必须规定多少位一组，每组什么意义。这就是数据链路层的功能，即定义了电信号的分组方式。
早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式，后来逐渐形成了统一的标准，即以太网协议（Ethernet）。
（1）Ethernet规定：
一组电信号构成一个数据包，叫做“帧”。
每一数据帧分成报头head和数据data两部分。

Head Data

Head（固定18个字节）包含：
发送者/源地址，6个字节
接收者/目标地址，6个字节
数据类型/6个字节
Data（最短46字节，最长1500字节）包含：数据包的具体内容。
所以每一数据帧最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送。
（2）MAC地址：
Head中包含的源地址和目标地址的由来：Ethernet规定接入Internet的设备都必须具备网卡，发送端和接收端的地址就是指网卡的地址，即mac地址。
每块网卡出厂时都会被烧制上一个世界唯一的mac地址，长度为48位2进制，通常由12位16进制数表示（前六位是厂商编号，后六位是流水线号）
注：mac地址其实不是世界上独一无二的，只是其散列足够大，使得在同一个子网中两块网卡mac地址相同的几率很小很小而已。mac相同有两个方法解决： 1、网卡厂商提供有配置程序，可以直接改硬件mac。如果使用二层网络系统就只能用此法解决， 2、各种操作系统也都提供伪造mac地址的方式来解决三层系统中MAC冲突的问题。
（3）广播：
Ethernet通过最原始的方式——广播的方式进行通信，即计算机通信基本靠吼。一台主机通过ARP协议获取另一台主机的mac地址，同一网络内的两台主机通过mac地址就可以通信。
4.网络层：
如果所有的通信都采用以太网的方式广播，那么一台主机发送的包全世界都会收到，不仅仅效率低，更会造成灾难。
因此，必须找到一种方法，能够区分那些mac地址属于同一个网络，哪些不是，如果是同一个网络，就采用广播的方式发送，否则就采用“路由”（向不同广播域/子网分发数据包）的方式发送。而mac地址无法区分，它只跟厂商有关。
网络层功能：引入一套新的地址来区分不同的广播域/子网，这套地址即网络地址。
（1）IP协议：
规定网络地址的协议叫IP协议，它定义的地址称之为IP地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位二进制表示。
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。
范围：0.0.0.0到255.255.255.255
一个IP地址通常写成四段十进制数，例如：172.16.10.1
（2）IP地址分成两部分：
网络部分：标识子网
主机部分：标识主机
注意：单纯的IP地址段只是标识了IP地址的种类，从网络部分或主机部分都无法辨识一个IP所处的子网。例如：172.16.10.1和172.16.10.2并不能确定二者处于同一子网。
（3）子网掩码：
子网掩码指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172.16.10.1，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，如果相同的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。
（4）IP数据包：
IP数据包也分为Head和Data部分，无需为IP包定义单独的栏位，直接将之放入以太网包的Data部分即可。
Head：长度为20到60字节。
Data：最长为65515字节。
而以太网数据包的Data部分最长只有1500字节，因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成多个以太网数据包，分开发送了。

以太网头 IP头 IP数据

（5）ARP协议：
ARP协议由来：所有上层的包到最后都要封装上以太网头，然后通过以太网协议发送，在谈及以太网协议时候，我们了解到通信是基于mac的广播方式实现，计算机在发包时，获取自身的mac是容易的，如何获取目标主机的mac，就需要通过ARP协议。
（6）ARP协议功能：广播的方式发送数据包，获取目标主机的mac地址。
协议工作方式：每台主机的IP都是已知的。
例如：主机172.16.10.10/24访问172.16.10.11/24
首先通过IP地址和子网掩码区分出自己和目标主机所处的子网：

场景 数据包地址 同一子网 目标主机mac，目标主机IP 不同子网 网关mac，目标主机IP

分析172.16.10.10/24和172.16.10.11/24是否处于同一网络（如果不是同一网络，那么下表中目标IP为172.16.10.1，即通过ARP获取网关的mac）

源mac 目标mac 源IP 目标IP 数据部分 发送端主机 发送端mac FF:FF:FF:FF:FF:FF 172.16.10.10/24 172.16.10.11/24 数据

这个包会以广播的方式在发送端所处的子网内传输，所有该子网内的主机接收后拆包，发现目标IP为自己的，就响应，并返回自己的mac。

5.传输层：
传输层由来：一台主机上有很多应用程序，我们通过IP和mac找到了一台特定的主机，如何标识这台主机上的应用程序，答案是端口。端口即应用程序和网卡关联的编号。
传输层功能：建立端口到端口的通信。
补充：端口范围0-65535，0-1023为系统占用端口。
TCP协议：可靠传输，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。

以太网头 IP头 TCP头 数据

UDP协议：不可靠传输，Head部分一共只有8个字节，总长度不超过65535字节，正好放进一个IP数据包。

以太网头 IP头 UDP头 数据

TCP三次握手和四次挥手：

6.应用层：
应用程序收到“传输层”的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放性架构，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：规定应用程序的数据格式。
举例来说，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”。
7.Socket
我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提是能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的IP地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用IP地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。
能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。

三．用户上网流程

1.网络通信实现
要想实现网络通信，每台主机需具备四要素：
（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
获取这四要素分两种方式
（1）静态获取
即手动配置
（2）动态获取
通过DHCP获取

以太网头 IP头 UDP头 DHCP 数据包

最前面的”以太网标头”，设置发出方（本机）的MAC地址和接收方（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
后面的”IP标头”，设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这两者，本机都不知道。于是，发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255。
最后的”UDP标头”，设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口。
这个数据包构造完成后，就可以发出了。以太网是广播发送，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，所以每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服务器知道这个包是发给我的，而其他计算机就可以丢弃这个包。
接下来，DHCP服务器读出这个包的数据内容，分配好IP地址，发送回去一个“DHC响应”数据包。这个响应包的结构也是类似的，以太网标头的mac地址是双方的网卡地址，IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址（发出方）和255.255.255.255（接收方），UDP标头的端口是67（发出方）和68（接收方），分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。
新加入的计算机收到这个响应包，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。
2.网络通信流程
（1）本机获取：
本机IP地址：192.168.1.100
子网掩码：255.255.255.0
网关的IP地址：192.168.1.1
DNS的IP地址：8.8.8.8
（2）打开浏览器，输入网址，假设想要访问Google，在地址栏输入：www.google.com
（3）DNS协议（基于UDP协议）：

13台根DNS：
A.root-servers.net 198.41.0.4美国
B.root-servers.net 192.228.79.201美国（另支持IPv6）
C.root-servers.net 192.33.4.12法国
D.root-servers.net 128.8.10.90美国
E.root-servers.net 192.203.230.10美国
F.root-servers.net 192.5.5.241美国（另支持IPv6）
G.root-servers.net 192.112.36.4美国
H.root-servers.net 128.63.2.53美国（另支持IPv6）
I.root-servers.net 192.36.148.17瑞典
J.root-servers.net 192.58.128.30美国
K.root-servers.net 193.0.14.129英国（另支持IPv6）
L.root-servers.net 198.32.64.12美国
M.root-servers.net 202.12.27.33日本（另支持IPv6）
顶级域名：以.com、.net、.org、.cn等等属于国际顶级域名，根据目前的国际互联网域名体系，国际顶级域名分为两类：类别顶级域名(gTLD)和地理顶级域名(ccTLD)两种。类别顶级域名是以”COM”、”NET”、”ORG”、”BIZ”、”INFO”等结尾的域名，均由国外公司负责管理。地理顶级域名是以国家或地区代码为结尾的域名，如”CN”代表中国，”UK”代表英国。地理顶级域名一般由各个国家或地区负责管理。
二级域名：二级域名是以顶级域名为基础的地理域名，比喻中国的二级域有.com、.cn、.net、.cn、.org、.cn、.gd、.cn等。子域名是其父域名的子域名，比如父域名是abc.com,子域名就是www.abc.com或者.abc.com.一般来说，二级域名是域名的一条记录，比如alidiedie.com是一个域名，www.alidiedie.com是其中比较常用的记录，一般默认是用这个，但是类似.alidiedie.com的域名全部称作是alidiedie.com的二级域名
（4）HTTP部分的内容，类似于下面这样：
GET / HTTP/1.1
Host: www.google.com
Connection: keep-alive
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ……
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,/;q=0.8
Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
Cookie: ……
这个部分会被嵌在TCP数据包之中，假定其长度为4960字节。
（5）TCP协议
TCP数据包需要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的HTTP的数据包，总长度变为4980字节。
（6）IP协议
然后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。
IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。
（7）以太网协议
最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡mac地址，接收方为网关192.168.1.1的mac地址（通过ARP协议得到）。
以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而现在的IP数据包长度为5000字节。因此，IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头（20字节），所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。
（8）服务器响应
经过多个网关的转发，Google服务器172.194.72.105收到了这四个以太网数据包。
根据IP标头的序号，Google将四个包拼接起来，取出完整的TCP数据包，然后读出里面的“HTTP请求”，接着做出“HTTP响应”，再用TCP协议发回来。
本机收到“HTTP响应”之后，就可以将网页显示出来，完成一次网络通信。