互联网协议入门-笔记（day2）

接互联网协议入门-笔记（day1）
上一篇文章分析了互联网的总体构思，自下而上。分析了每一层的设计思想，这是从设计者的角度想问题，这一篇将切换到用户的角度，看下用户是如何自上而下与这些协议互动的。

总结上一篇

我们已经知道，网络通信就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包，后者收到了，回复一个数据包，从而实现两台电脑之间的通信。数据包的结构，基本上如图：

发送这个数据包，需要知道两个地址：对方的MAC地址和IP地址；
有了这两个地址，数据包才能准确的送到接受者手中。但是，前面说过，MAC地址有局限性，如果两台电脑不在同一个子网络，就无法知道MAC 地址，必须通过网关（gateway）转发。

上图，1号电脑要向4号电脑发送一个数据包。它要先判断4号电脑是否和自己在同一个子网络，结果发现不是（后文介绍判断方法），于是就把这个数据包发送到网关A。网关A通过路由协议，发现4号电脑在子网络B，又把数据包发送给网关B，网关B再转发给4号电脑；
1号电脑把数据包发送给网关A，就必须要知道网关A的MAC地址，所以，数据包的目标地址，实际上分成两种情况：

场景	数据包地址
同一个子网络	对方的MAC地址，对方的IP地址
非同一个子网络	网关的MAC地址，对方的IP地址

发送数据包之前，电脑必须判断对方是否在同一子网络，然后选择相应的MAC地址。接下来，我们就来看实际使用中，这个过程是如何完成的。

用户的上网设置

1.静态IP地址

你买了一台新电脑，插上网线，开机，这时电脑就可以上网吗？
通常你需要做一些设置，有时，管理员（或者ISP）会告诉你四个参数，你把他们填入操作系统，计算机就能连上网了：

• 本机的IP地址
• 子网掩码
• 网关的IP地址
• DNS的IP地址
  下图是Windows系统的设置窗口
  
  这四个参数缺一不可，后文会解释为什么需要知道他们才能上网。由于他们是给定的，计算机每次开机都会分到同样的IP地址，所以这种情况被称为“静态IP地址上网”。
  但是，这样的设置很专业，普通用户望而生畏，而且如果一台电脑的IP地址保持不变，其他电脑就不能使用这个地址，不够灵活。出于这个原因，大多数用户使用“动态IP地址上网”。

动态IP地址上网

所谓“动态IP地址”，是指计算机开机之后，会自动分配到一个IP地址，不用人为设定。他使用的协议叫做DHCP协议；
这个协议规定，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，它叫做”DHCP服务器”。新的计算机加入网络，必须向”DHCP服务器”发送一个”DHCP请求”数据包，申请IP地址和相关的网络参数。
前面说过，如果两台计算机在同一个子网络，必须知道对方的MAC地址和IP地址，才能发送数据包。但是，新加入的计算机不知道这两个地址，怎么发送数据包呢？
DHCP协议做了一些巧妙的规定

DHCP协议

首先，它是一种应用层协议，建立在UDP协议之上，所以整个数据包是这样的：

（1）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。

（2）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。

（3）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”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。

以上部分主要记住一点：不管是“静态IP地址”，还是“动态IP地址”，电脑上网的首要步骤，是确定四个参数：

• 本机的IP地址
• 子网掩码
• 网关的IP地址
• DNS的IP地址
  有了这几个数值，电脑就可以上网了，接下来我们看一个实例：当用户访问页面的时候，互联网协议是怎么运作的：

一个“访问网页”的实例

1.本机参数

我们假定，经过以上步骤，用户设置好了自己的网络参数

• 本机的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

然后他打开谷歌浏览器，在地址栏输入了网址：www.google.com

这就意味着，浏览器要向google发送一个网页请求的数据包

2.DNS协议

我们知道，发送数据包，必须知道对方的IP地址，但是现在，我们只知道网址www.google.com，并不知道他的IP地址；
DNS协议可以帮助我们，将这个网址转换成IP地址，已知DNS服务器为8.8.8.8，于是，我们向这个地址发送一个数据包（53端口）。

然后，DNS服务器做出响应，告诉我们谷歌的IP地址是172.194.72.105.于是。我们就知道了对方的IP地址；

3.子网掩码

接下来，我们要判断这个IP地址是不是在同一个子网络下，这就用到了子网掩码。
已知子网掩码是255.255.255.0，本机用它对自己的IP地址192.168.1.100，做一个二进制的ADN运算，计算结果为192.168.1.0；然后对谷歌的IP地址172.194.72.105也做一个ADN计算，计算结果为172.194.72.0，这两个结果不相等，所以结论是Google和本机不在同一个子网络；
因此，我们向谷歌发数据包，就必须通过网关192.168.1.1转发，也就是说，接受方的MAC地址将是网关的MAC地址；

4.应用层协议

浏览网页用的是HTTP协议，它的整个数据包构造是这样的：

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: ... 

我们假定这个部分的长度是4960字节，它会被嵌套在TCP数据包之中；

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；

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），接受方是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；

以太网协议

最后，IP数据包要嵌入以太网数据包，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，接受方位网关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。

服务器端响应

经过多个网关的转发，Google的服务器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响应以后，就可以将网页显示出来，完成一次网络通信。

这个例子就到此为止，虽然经过了简化，但它大致上反映了互联网协议的整个通信过程。