互聯網協議入門-筆記（day2）

接互聯網協議入門-筆記（day1）
上一篇文章分析了互聯網的總體構思，自下而上。分析了每一層的設計思想，這是從設計者的角度想問題，這一篇將切換到用戶的角度，看下用戶是如何自上而下與這些協議互動的。

總結上一篇

我們已經知道，網絡通信就是交換數據包。電腦A向電腦B發送一個數據包，後者收到了，回覆一個數據包，從而實現兩臺電腦之間的通信。數據包的結構，基本上如圖：

發送這個數據包，需要知道兩個地址：對方的MAC地址和IP地址；
有了這兩個地址，數據包才能準確的送到接受者手中。但是，前面說過，MAC地址有侷限性，如果兩臺電腦不在同一個子網絡，就無法知道MAC 地址，必須通過網關（gateway）轉發。

上圖，1號電腦要向4號電腦發送一個數據包。它要先判斷4號電腦是否和自己在同一個子網絡，結果發現不是（後文介紹判斷方法），於是就把這個數據包發送到網關A。網關A通過路由協議，發現4號電腦在子網絡B，又把數據包發送給網關B，網關B再轉發給4號電腦；
1號電腦把數據包發送給網關A，就必須要知道網關A的MAC地址，所以，數據包的目標地址，實際上分成兩種情況：

場景	數據包地址
同一個子網絡	對方的MAC地址，對方的IP地址
非同一個子網絡	網關的MAC地址，對方的IP地址

發送數據包之前，電腦必須判斷對方是否在同一子網絡，然後選擇相應的MAC地址。接下來，我們就來看實際使用中，這個過程是如何完成的。

用戶的上網設置

1.靜態IP地址

你買了一臺新電腦，插上網線，開機，這時電腦就可以上網嗎？
通常你需要做一些設置，有時，管理員（或者ISP）會告訴你四個參數，你把他們填入操作系統，計算機就能連上網了：

• 本機的IP地址
• 子網掩碼
• 網關的IP地址
• DNS的IP地址
  下圖是Windows系統的設置窗口
  
  這四個參數缺一不可，後文會解釋爲什麼需要知道他們才能上網。由於他們是給定的，計算機每次開機都會分到同樣的IP地址，所以這種情況被稱爲“靜態IP地址上網”。
  但是，這樣的設置很專業，普通用戶望而生畏，而且如果一臺電腦的IP地址保持不變，其他電腦就不能使用這個地址，不夠靈活。出於這個原因，大多數用戶使用“動態IP地址上網”。

動態IP地址上網

所謂“動態IP地址”，是指計算機開機之後，會自動分配到一個IP地址，不用人爲設定。他使用的協議叫做DHCP協議；
這個協議規定，每一個子網絡中，有一臺計算機負責管理本網絡的所有IP地址，它叫做”DHCP服務器”。新的計算機加入網絡，必須向”DHCP服務器”發送一個”DHCP請求”數據包，申請IP地址和相關的網絡參數。
前面說過，如果兩臺計算機在同一個子網絡，必須知道對方的MAC地址和IP地址，才能發送數據包。但是，新加入的計算機不知道這兩個地址，怎麼發送數據包呢？
DHCP協議做了一些巧妙的規定

DHCP協議

首先，它是一種應用層協議，建立在UDP協議之上，所以整個數據包是這樣的：

（1）最前面的”以太網標頭”，設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP服務器）的MAC地址。前者就是本機網卡的MAC地址，後者這時不知道，就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

（2）後面的”IP標頭”，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，對於這兩者，本機都不知道。於是，發出方的IP地址就設爲0.0.0.0，接收方的IP地址設爲255.255.255.255。

（3）最後的”UDP標頭”，設置發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。

這個數據包構造完成後，就可以發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每臺計算機都收到了這個包。因爲接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，所以每臺收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP地址，才能確定是不是發給自己的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，於是DHCP服務器知道”這個包是發給我的”，而其他計算機就可以丟棄這個包。
接下來，DHCP服務器讀出這個包的數據內容，分配好IP地址，發送回去一個”DHCP響應”數據包。這個響應包的結構也是類似的，以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的端口是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地址和本網絡的具體參數則包含在Data部分。
新加入的計算機收到這個響應包，於是就知道了自己的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等等參數。

以上部分主要記住一點：不管是“靜態IP地址”，還是“動態IP地址”，電腦上網的首要步驟，是確定四個參數：

• 本機的IP地址
• 子網掩碼
• 網關的IP地址
• DNS的IP地址
  有了這幾個數值，電腦就可以上網了，接下來我們看一個實例：當用戶訪問頁面的時候，互聯網協議是怎麼運作的：

一個“訪問網頁”的實例

1.本機參數

我們假定，經過以上步驟，用戶設置好了自己的網絡參數

• 本機的IP地址：192.168.1.100
• 子網掩碼：255.255.255.0
• 網關的IP地址：192.168.1.1
• DNS的IP地址：8.8.8.8

然後他打開谷歌瀏覽器，在地址欄輸入了網址：www.google.com

這就意味着，瀏覽器要向google發送一個網頁請求的數據包

2.DNS協議

我們知道，發送數據包，必須知道對方的IP地址，但是現在，我們只知道網址www.google.com，並不知道他的IP地址；
DNS協議可以幫助我們，將這個網址轉換成IP地址，已知DNS服務器爲8.8.8.8，於是，我們向這個地址發送一個數據包（53端口）。

然後，DNS服務器做出響應，告訴我們谷歌的IP地址是172.194.72.105.於是。我們就知道了對方的IP地址；

3.子網掩碼

接下來，我們要判斷這個IP地址是不是在同一個子網絡下，這就用到了子網掩碼。
已知子網掩碼是255.255.255.0，本機用它對自己的IP地址192.168.1.100，做一個二進制的ADN運算，計算結果爲192.168.1.0；然後對谷歌的IP地址172.194.72.105也做一個ADN計算，計算結果爲172.194.72.0，這兩個結果不相等，所以結論是Google和本機不在同一個子網絡；
因此，我們向谷歌發數據包，就必須通過網關192.168.1.1轉發，也就是說，接受方的MAC地址將是網關的MAC地址；

4.應用層協議

瀏覽網頁用的是HTTP協議，它的整個數據包構造是這樣的：

HTTP部分的內容，類似於下面這樣

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: ... 

我們假定這個部分的長度是4960字節，它會被嵌套在TCP數據包之中；

5.TCP協議

TCP數據包需要設置端口，接收方（Google）的HTTP端口默認是80，發送方（本機）的端口是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定爲51775；
TCP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入的HTTP的數據包，總長度變爲4980字節；

IP協議

然後，TCP數據包再嵌入IP數據包。IP數據包需要設置雙方的IP地址，這是已知的，發送方是192.168.1.100（本機），接受方是172.194.72.105（Google）；
IP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入的TCP數據包，總長度變爲5000字節；

以太網協議

最後，IP數據包要嵌入以太網數據包，以太網數據包需要設置雙方的MAC地址，發送方爲本機的網卡MAC地址，接受方位網關192.168.1.1的MAC地址（通過ARP協議得到）；
以太網數據包的數據部分，最大長度爲1500字節，而現在的IP數據包長度爲5000字節。因此，IP數據包必須分割成四個包。因爲每個包都有自己的IP標頭（20字節），所以四個包的IP數據包的長度分別爲1500、1500、1500、560。

服務器端響應

經過多個網關的轉發，Google的服務器172.194.72.105，收到了這四個以太網數據包。
根據IP標頭的序號，Google將四個包拼起來，取出完整的TCP數據包，然後讀出裏面的”HTTP請求”，接着做出”HTTP響應”，再用TCP協議發回來。
本機收到HTTP響應以後，就可以將網頁顯示出來，完成一次網絡通信。

這個例子就到此爲止，雖然經過了簡化，但它大致上反映了互聯網協議的整個通信過程。