前言
在大學學習了計算機網絡，已經複習好幾遍了，依然會忘記一些內容，雖然每次複習的時候都能重新認識到新的知識，但腦海中沒有形成一個大致的框架，在複習的時候會沒有查漏補缺的效果。
筆者打算寫一篇學習筆記，初步總結計算機網絡的知識框架，從總體把握，讀者們大致能清楚計算機網絡協議之間的關係。
主要參考了阮一峯老師的文章：互聯網協議入門（一），寫得很棒。本文在這基礎上加入了筆者自己的理解，後續也會對文章中提到的協議進行適當補充。
概述
計算機網絡是由好幾層結構的組成，每一層相對獨立又相互聯繫，像建築物一樣，每一層都爲下一層提供了支持。每一層都是爲了完成一種功能，爲了能夠讓各層之間相互適配，需要各層都遵守共同的規則，這規則就叫做“協議”。
計算機網絡的每一層都定義了很多協議，它們是計算機網絡的核心。
對於計算機網絡分層模型，許多書如《計算機網絡：自頂向下方法(原書第6版)》是按照五層模型來解釋，本文也是將計算機網絡按五層來進行介紹。
用戶接觸到的只是最高層的應用層，對其下的層根本沒有感覺。而且，越下面的層，越靠近硬件；越上面的層，越靠近用戶。
爲什麼要將計算機網絡分層次呢？
封裝對相鄰層的變化。
開發的小夥伴們都知道：實現一個複雜、多功能的程序，爲了便於維護和擴展，各模塊功能之間應該是解耦的。分層次，不僅可以讓各層專注於自己的“任務”，只需要正常提供服務即可；還可以實現技術的變化不會對其他層乃至整個系統的工作產生影響。
接下來介紹每一個層的功能及其主要的協議。
1、物理層
電腦之間能通信，首先得是先把電腦連接起來。可以通過使用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式將若干部電腦連接起來。
這就是“物理層”，是將電腦連接起來的物理手段，作用是負責傳送0和1的電信號。
物理層解決的是如何在連接好的各種計算機之間傳輸數據比特流，所以這一階段的任務是確定傳輸媒體的接口的特性：機械特性（接口類型）、電氣特性（電壓範圍）、功能特性（如-5V代表0，+5V代表1）、過程特性（各部件的工作步驟）。
2、數據鏈路層
然而，單純的0和1是沒有意義的，這串電信號需要有特定的解讀方式：多少個電信號算一組？每個信號位有何意義？
數據鏈路層在物理層的上方，確定了0和1的分組方式。比特流在傳輸的過程中肯定會存在誤差，數據鏈路層會採用差錯檢測、差錯控制、流量控制等方法，向上一層提供高質的數據傳輸服務。
2.1. 以太網協議
早期每家公司都有自己的電信號分組方式，後來有一種叫做“以太網（Ethernet）”的協議佔據了主導地位。以太網規定，一組電信號構成一個“幀（Frame）”，每一個幀分成兩個部分：標頭（Head）和數據（Data）。
標頭：包含數據包的一些說明項，比如發送者、接收者、數據類型等等；
數據：數據包中的具體內容。
標頭的長度固定爲18字節；數據的長度最短爲46字節，最長爲1500字節。所以整個幀最短爲64字節，最長爲1518字節。如果數據很長，就必須分割成多個幀進行發送。
2.2. MAC地址
按照以太網協議的幀發送數據，幀中的標頭包含了發送者和接收者的信息，那麼發送者和接收者的信息是如何標識的呢？
以太網規定，連入網絡的所有設備，都必須具有“網卡“接口。幀必須是從一個網卡，傳送到另一塊網卡。而網卡的地址，就是幀的發送地址和接收地址，這個就叫做MAC地址。
每塊網卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的MAC地址，長度是48個二進制位，通常用12個六進制數表示。在Windows系統中可以通過命令來查看：
ipconfig/all
前6個十六進制數是廠商編號，後6個是該廠商的網卡流水號。有了MAC地址，就可以定位網卡和數據包的路徑了。
雖然說MAC地址是獨一無二的，但是其實是可以修改本地的MAC地址的，有興趣的朋友可以去試下。
2.3. 廣播
上面我們介紹了，一塊網卡有獨一無二的MAC地址，而且以太網幀必須知道接收方的MAC，才能發送。
系統是怎麼將幀準確送到接收方？
以太網採用一種“廣播”的方式，它並不將數據包準確地送到接收方，而是向本網絡內所有計算機發送，讓每臺計算機自己判斷，是否爲接收方。
如圖，1號計算機向2號計算機發送一個數據包，在同一個網絡端的3號、4號、5號計算機都會收到這個包。它們讀取這個包的“標頭”，找到接收方的MAC地址，然後與自身的MAC地址相比較，如果兩者相同，就接受這個包，做進一步處理，否則就丟棄這個包。這種發送方式就是"廣播（Broadcasting）"。
3、網絡層
理論上，僅僅依靠MAC地址，兩部電腦相互之間就可以發送數據了。但是這麼做有一個重大缺陷。以太網採用廣播方式發送數據包，所有成員人手一個數據包，不僅效率低下，而且僅侷限於發送者所在的子網絡。
也就是說，如果兩臺計算機不在同一個子網絡，採用廣播的方式是無法傳輸的。而這種設計是合理的，否則互聯網上的所有計算機都會收到所有的包，不說信息安不安全，光是包數量都互聯網來說就是災難了。
計算機網絡是無數個字網絡共同組成的一個巨型網絡，所以，需要區分哪些MAC地址屬於同一個子網絡，哪些不是。
如果是同一個子網絡，就採用廣播方式發送，否則就採用“路由”方式發送（路由，就是指如何向不同的字網絡分成數據包，這個知識點比較龐大，留坑）。然而，MAC地址本身無法做到這點，因爲MAC地址只跟廠商有關，與所處網絡無關。
所以“網絡層”就誕生了，它的作用是引進一套新的地址制度，使得我們能夠區分不同的計算機是否屬於同一個子網絡，這套地址就叫做“網絡地址”。
於是，每臺計算機都有兩種地址，一種是MAC地址，另一種是網絡地址，二者之間沒有任何聯繫，MAC地址是由廠商綁定在網卡上的，網絡地址是由管理員分配的，它們只是隨機組合在一起。
網絡地址確定計算機所在的子網絡，MAC地址則將數據包送到該子網絡中的目標網卡。從邏輯上推斷，應該是先處理網絡地址，再處理MAC地址。
3.1. IP協議
規定網絡地址的協議，叫做IP協議。它所定義的地址，就被稱爲IP地址。IP協議有兩個版本，IPv4和IPv6，在IPv4中規定，網絡地址由32個二進制位組成。但是，目前IPv4已經全部分配完畢，所以IPv6的時代即將來臨了。
本文爲了方便，還是使用了IPv4的版本來進行介紹。習慣上，我們用分成四段的十進制數表示IP地址，從0.0.0.0~255.255.255。互聯網上的每一臺計算機，都會分配到一個IP地址。這個地址分爲兩部分，前部分是網絡段，後部分代表主機。處在同一子網絡的電腦，它們IP地址的網絡部分必定是相同的。
請聽題：請判斷172.16.252.1和172.16.254.3這兩個IP地址之間的關係。
答案是，無法判斷。因爲不知道網絡部分是前24位，還是前16位，這從IP地址上是看不出來的。
這時候需要一個參數來表示子網絡特徵，這就是“子網掩碼”。子網掩碼的形式等同於IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分全部爲1，主機部分全部爲0。知道了子網掩碼，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處於同一個子網絡。
方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都爲1，運算結果爲1，否則爲0），然後比較結果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網絡中，否則就不是。
請聽題：假如172.16.252.1和172.16.254.3這兩個IP地址的子網掩碼都是255.255.255.0，那它們在同一個子網絡嗎？
如果子網掩碼是255.255.240呢？
所以，IP協議的作用主要有兩個，一個是爲每臺計算機分配IP地址，爲數據包的傳送提供地址，另一個作用是確定哪些地址在同一個子網絡。
3.2. IP數據包
根據IP協議發送的數據，就叫IP數據包，其中必定包括IP地址信息。而我們之前說過，以太網數據寶只包含MAC地址，並沒有IP地址的欄位，那麼IP數據包放在那裏呢？
IP數據包可以直接放進以太網數據包的“數據”部分，這樣就完全不用修改以太網的規格。這就是計算機網絡分層的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構。
標頭：包括版本、長度、IP地址等信息；
數據：IP數據包的具體內容。
將IP數據包放入以太網數據包後，以太網數據包就變成下面這樣：
IP數據包的標頭部分的長度爲20到60字節，整個數據包的總長度最大爲65535字節。因此，理論上，一個IP數據包的數據部分，最長爲65515字節。在上文說過，以太網數據包的數據部分最長也就1500字節。因此，如果IP數據包超過了1500字節，那麼就需要分割成幾個以太網數據包，分開發送了。
3.3. ARP協議
上文提到了，IP數據包的傳送中我們必須知道兩種地址：IP地址和MAC地址。通常我們會知道對方的IP地址（後文會解釋），但是我們並不知道它的MAC地址。
所以需要一種機制，可以從IP地址得到MAC地址。
在這裏需要分兩種情況。第一種，如果兩臺主機不在同一個子網絡，這就沒有辦法得到對方的MAC地址，只能把數據包傳送到兩個子網絡連接處的“網關（Gateway）”，讓網關去處理。
如圖，1號電腦向4號電腦發送一個數據包。它先判斷4號電腦是否在同一個子網絡，結果發現不是（後文會介紹），於是就把這個數據發送都網關A。網關A通過路由協議，發現4號電腦位於子網絡B，又把數據包發給網關B，網關B再轉發到4號電腦。
第二種情況，如果兩臺主機在同一個子網絡，那麼我們可以使用ARP協議，得到對方的MAC地址。ARP協議也是發出一個數據包（包含在以太網數據包中），其中包含它所要查詢主機的IP地址，在目的MAC地址填入FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示這是一個“廣播”地址。這樣，它所在子網絡的每一臺主機都會收到這個數據包，從中取出IP地址，與自身的IP地址進行比較。如果兩者相同，都做出回覆，向對方報告自己的MAC地址，否則就丟棄這個包。
總結上述，可以得到下面這種表：
| 場景 | 數據報地址 |
|---|---|
| 同一個子網絡 | 對方的MAC地址，對方的IP地址 |
| 非同一個字網絡 | 網關的MAC地址，對方的IP地址 |
對於ARP的應用，有興趣的朋友可以去了解一下：ARP欺騙，很有意思的。
4、傳輸層
有了MAC地址和IP地址，我們已經可以在互聯網上任意兩臺主機上建立通信。
但是，如果你一邊瀏覽網頁，一邊與朋友在線聊天。當一個數據包從互聯網上發來的時候，怎麼判斷這數據包裏是表示網頁的內容，還是表示在線聊天的內容？
所以我們還需要一個參數，表示這個數據包到底供哪個程序（進程）使用。這個參數叫做“端口（Port）”，它是每個使用網卡的程序的編號。每個數據包都發到主機的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的數據。
“端口”是0到65535之間的一個整數，正好16個二進制位。0到1023的端口被系統佔用，用戶只能選用大於1023的端口。所以應用程序會隨機選用一個端口，然後與服務器的相應端口聯繫。可以在windows中的命令提示符來查看：
netstat -ano
可以看到，PID所代表的服務的端口是“本地地址”裏:後的數字。
“傳輸層”的功能，就是建立“端口到端口”的通信。相比之下，“網絡層”的功能是建立“主機到主機”的通信。只要確定主機和端口，我們就能實現程序之間的交流。因此，Unix系統就把主機+端口，叫做“套接字（socket）”。有了它，就可以進行網絡應用程序開發了。
4.1. UDP協議
上文中我們提到了如果要識別數據包是發送給哪個程序，就需要加入端口信息，這就需要新的協議。最簡單的實現是叫做UDP協議，它的格式幾乎就是在數據前面，加個端口號。UDP數據包，也是由“標頭”和“數據”兩部分組成。
標頭：定義了發出端口和接收端口；
數據：具體的內容。
然後，將整個UPD數據包放入IP數據包的數據部分，而前文提到，IP數據包放在以太網數據包之中，所以整個以太網數據包現在變成了下面這樣：
UDP數據包非常簡單，標頭部分只有8個字節，總長度不超過65535字節，正好放進一個IP數據包。
4.2. TCP協議
UDP協議的優點是結構簡單，容易實現，但缺點是可靠性比較差，一旦數據包發出，無法知道對方是否收到。所以爲了提高網絡可靠性，TCP協議就誕生了。
這個協議很複雜，後續會專門寫一篇關於TCP協議的文章。此處可以簡單認爲，它就是有確認機制的UDP協議，每發出一個數據包都要求確認。如果有一個數據包遺失，就收不到確認，發出方就知道有必要重發這個數據包了。
因此，TCP協議能確保數據不會遺失，但它的缺點是過程複雜、實現困難、消耗較多資源.
TCP數據包和UDP數據包一樣，都是內嵌在IP數據包的數據部分。TCP數據包沒有長度限制，理論上可以無限長。但爲了保證網絡效率，通常TCP數據包的長度不會超過IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包不再分割。
5、應用層
當應用程序收到“傳輸層”的數據之後，下一步是要對其中內容進行解讀，但是傳過來的數據五花八門，除非事先規定好格式，否則根本無法解讀。而應用層的作用，就是規定應用程序的數據格式。
舉個栗子，TCP協議可以爲各種各樣的程序傳遞數據，比如Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了“應用層”。這是最高的一層，直接面對用戶，所以它的數據就放在TCP數據包的數據部分，因此，現在的以太網的數據包就變成這樣了：
接下來用打開Baidu主頁作爲栗子。
我們知道，如果要上網，就得先設置好這幾個參數：
- 本機的IP地址
- 子網掩碼
- 網關的IP地址
- DNS的IP地址
這四個參數缺一不可，由於它們是給定的，每次計算機開機的時候，都會分到同樣的IP地址，所以這種情況被稱作“靜態IP地址上網”。
但是這種方式對於普通用戶來說，有點“看起來好難的樣子”，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。所以大多數用戶使用“動態IP地址上網”。動態IP地址，是指計算機開機後，會自動分配到一個IP地址，不用人爲設定。它使用的協議叫做DHCP協議。
5.1. DHCP協議
DHCP協議規定，每一個子網絡中，有一臺計算機**“DHCP服務器”負責管理本網絡的所有IP地址**。新的計算機加入網絡，必須向DHCP服務器發送到一個“DHCP請求”數據包，申請IP地址和相關的網絡參數。
前面說過，兩臺計算機在同一個子網絡，必須要知道對方的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別的計算機的MAC地址和IP地址，怎麼發送數據包？
DHCP協議是建立在UDP協議上的應用層協議，其數據包如下：
- 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。
- IP標頭，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時對於兩者，都是一個位置信息。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。
- UDP標頭，設置發出方的端口和接收方的端口。這部分是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，所以也看不出是發給誰的。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，接受方是255.255.255.255，於是DHCP服務器才知道“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，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。
所以，新加入的計算機收到這個響應包，於是就可以知道自己的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等參數。
5.2. DNS協議
一般我們打開瀏覽器，輸入網址打開網頁。從上文我們可以知道，如果我們想發送數據包請求資源，必須要先知道對方的IP地址。但是我們只知道網址如www.baidu.com，不知道它的IP地址。
DNS協議可以幫助我們，將這個網址轉爲IP地址。已知DNS服務器爲8.8.8.8，於是我們想這個地址發送一個DNS數據包（53端口）。
然後，DNS服務器做出響應，告訴我們Baidu的IP地址是14.215.177.39。於是，我們知道了對方的IP地址。
接下來，我們要判斷這個IP地址是不是與本機在不在同一個子網絡，這就需要用到子網掩碼。用子網掩碼分別與Baidu的IP地址和本機的IP地址進行AND運算。如果這兩個結果相等，說明在同一個子網絡；如果結果不相同，則Baidu與本機不在同一個子網絡，需要由網關來處理。
因此，我們如果要向Baidu發送數據包，必須通過網關轉發，也就是說，以太網標頭的接收方MAC地址將是網關的MAC地址。
5.3. HTTP協議
我們要瀏覽網頁，使用的協議是HTTP協議，其數據包結構如下：
HTTP部分的內容，類似於：
GET … HTTP/1.1
Host: www.baidu.com
Connection: keep-alive
Accept: application/json, text/javascript, /; q=0.01
Sec-Fetch-Dest: empty
User-Agent: Mozilla/5.0 …
Sec-Fetch-Site: same-origin
Sec-Fetch-Mode: cors
Referer: https://www.baidu.com/
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.9
Cookie: …
我們假定這部分的長度爲4960字節，他會被嵌入TCP數據包中。
- TCP協議
TCP數據包需要設置端口，接收方（Baidu）的HTTP端口假設爲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42341。
TCP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入HTTP的數據包，總長度爲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，發送方是本機IP地址，接收方是Baidu的IP地址。
IP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入的TCP數據包，總長度爲5000字節。
- 以太網協議
最後，IP數據包嵌入以太網數據包。以太網數據包需要設置雙方的MAC地址，發送方位本機的網卡MAC地址，通過ARP協議+網關的IP地址，可以得到網關的MAC地址，所以接收方爲網關的MAC地址。
因爲，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數據包必須分成4個包。且每個包都有自己的IP標頭（20字節），所以4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，Baidu的服務器14.215.177.39，收到了這四個以太網數據包。
根據IP標頭的序號，Baidu將四個包拼接起來，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響應後，就可以將網頁顯示出來，完成一次網絡通信。
到這裏，計算機網絡的五層模塊就介紹完啦~
結語
阮一峯老師這篇文章互聯網協議入門（一）寫的真的很棒，博主小菜雞一隻，只能借這篇文章複習下框架，後續會根據複習的內容，將文章裏的內容慢慢充實起來。
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參考資料：