互联网协议学习笔记

互联协议学习笔记

参考互联网协议入门（一）、互联网协议入门（二）这两篇文章还有一些其他的网络文章，整理出一个简洁的框架，希望能够一目了然方便今后的查阅与深入。

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OSI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。

TCP/IP协议组的体系结构

TCP/IP协议组的体系结构如图：

互联网协议的通信过程

为了简化，将OSI模型中的5层、6层和7层合在一起称为应用层。简化后的通信过程如下图：

下面一步一步来解释。

设置上网参数

假设你新买了一台电脑，插上网线，开机，打开浏览器，这时候还不能访问网页，需要设置四个参数：

• 本机的IP地址
• 子网掩码
• 网关的IP地址
• DNS的IP地址

这四个参数如何设置呢？有两个方法：

静态IP地址

在Windows操作系统下设置静态IP地址，这样每次上网都使用同样的IP地址。

动态IP地址

电脑开机后使用DHCP协议自动分配IP地址，这样每次上网都使用不同的IP地址。

DHCP协议规定，每一个子网络中，有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址，叫做DHCP服务器。新的计算机加入网络，必须向DHCP服务器发送DHCP请求数据包，申请IP地址和相关网络参数。

DHCP应用层协议，建立在UDP协议之上。

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。
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。
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”DHCP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。

HTTP请求数据（Data）

网络设置好了以后就可以开始访问网页了，打开浏览器输入网址www.google.com回车。这意味这要使用HTTP协议向Google发送一个网页请求数据（Data）。

HTTP请求数据的部分内容类似于下面这样：

GET / HTTP/1.1Host: www.google.comConnection: keep-aliveUser-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ......Accept:text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8Accept-Encoding: gzip,deflate,sdchAccept-Language: zh-CN,zh;q=0.8Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3Cookie: ... ...

TCP段（Segments）

HTTP协议是建立在TCP协议之上的，所以要将网页请求数据（Data）嵌入到TCP段（Segments）中。TCP标头需要设置端口，HTTP端口默认是80，发送方端口是一个随机数字。

UDP段（Segments）的标头为8字节，总长度最大为65535字节。
TCP段（Segments）的标头为20字节，总长度没有长度限制。

IP包（Packets）

将TCP报文（Segments）嵌入到IP包（Packets）中。IP标头需要设置双方的IP地址，本机的IP地址已知，接收方的IP地址未知，此时需要通过DNS协议获取接收方的IP地址。已知DNS服务器的IP地址192.168.0.1，于是我们向这个地址发送一个DNS数据（Data），然后DNS服务器会返回Google的IP地址172.194.72.105。

DNS应用层协议，建立在UDP协议之上，端口默认是53。
IP包（Packets）的标头为20字节到60字节，总长度最大为65535字节。如果TCP段（Segments）过长，需要将TCP段（Segments）进行分割。

以太网帧(Frames)

将IP包（Packets）嵌入到以太网帧(Frames)中。以太网标头需要设置双方的MAC地址，本机的MAC地址已知，接收方的MAC地址未知，此时先通过子网掩码判断接收方与本机是否在同一子网络，如果在同一子网络可直接设置接收方的MAC地址，如果不在同一子网络接收方的MAC地址需设置为网关的MAC地址。

已知子网掩码255.255.255.0，本机的IP地址192.168.0.198，做一个二进制的AND运算得出网络地址为192.168.0.0；Google的IP地址172.194.72.105，做一个二进制的AND运算得出网络地址为172.194.72.0。

网络地址不同所以Google与本机不在同一个子网络。因此，我们要向Google发送数据包必须通过网关的转发，即在以太网标头中接收方的MAC地址设置为网关的MAC地址。网关的MAC地址通过ARP协议获得。

ARP协议是网络层协议，可以获取同一子网络中其他主机的MAC地址。根据以太网协议，本机通过广播的方式向同一子网络的所有主机发送ARP数据包，目标主机收到包后返回自己的MAC地址。

以太网帧(Frames)的标头固定为18字节，数据为46字节到1500字节。如果IP包（Packets）过长，需要将IP包（Packets）进行分割。

发送请求并接受HTTP响应

数据包准备好后，经过多个网关的转发，Google的服务器收到数据包。根据IP标头的序号，Google将包拼起来，取出TCP报文（Segments），读出里面的HTTP请求数据（Data），接着做出HTTP响应，再用TCP协议发过来。本机浏览器收到HTTP响应后就可以将网页显示出来，至此网络通信完成。