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我們每天使用網際網路，你是否想過，它是如何實作的?
全世界幾十億台電腦，連接配接在一起，兩兩通信。上海的某一塊網卡送出信号，洛杉矶的另一塊網卡居然就收到了，兩者實際上根本不知道對方的實體位置，你不覺得這是很神奇的事情嗎?
網際網路的核心是一系列協定，總稱為”網際網路協定”(Internet Protocol Suite)。它們對電腦如何連接配接群組網，做出了詳盡的規定。了解了這些協定，就了解了網際網路的原理。
下面就是我的學習筆記。因為這些協定實在太複雜、太龐大，我想整理一個簡潔的架構，幫助自己從總體上把握它們。為了保證簡單易懂，我做了大量的簡化，有些地方并不全面和精确，但是應該能夠說清楚網際網路的原理。
一、概述
1.1 五層模型
網際網路的實作，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就像建築物一樣，每一層都靠下一層支援。
使用者接觸到的，隻是最上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要了解網際網路，必須從最下層開始，自下而上了解每一層的功能。
如何分層有不同的模型，有的模型分七層，有的分四層。我覺得，把網際網路分成五層，比較容易解釋。
如上圖所示，最底下的一層叫做”實體層”(Physical Layer)，最上面的一層叫做”應用層”(Application Layer)，中間的三層(自下而上)分别是”連結層”(Link Layer)、”網絡層”(Network Layer)和”傳輸層”(Transport Layer)。越下面的層，越靠近硬體;越上面的層，越靠近使用者。
它們叫什麼名字，其實并不重要。隻需要知道，網際網路分成若幹層就可以了。
1.2 層與協定
每一層都是為了完成一種功能。為了實作這些功能，就需要大家都遵守共同的規則。
大家都遵守的規則，就叫做”協定”(protocol)。
網際網路的每一層，都定義了很多協定。這些協定的總稱，就叫做”網際網路協定”(Internet Protocol Suite)。它們是網際網路的核心，下面介紹每一層的功能，主要就是介紹每一層的主要協定。
二、實體層
我們從最底下的一層開始。
電腦要組網，第一件事要幹什麼?當然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式。
這就叫做”實體層”，它就是把電腦連接配接起來的實體手段。它主要規定了網絡的一些電氣特性，作用是負責傳送0和1的電信号。
三、連結層
3.1 定義
單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個電信号算一組?每個信号位有何意義?
這就是”連結層”的功能，它在”實體層”的上方，确定了0和1的分組方式。
3.2 以太網協定
早期的時候，每家公司都有自己的電信号分組方式。逐漸地，一種叫做“以太網”(Ethernet)的協定，占據了主導地位。
以太網規定，一組電信号構成一個資料包，叫做”幀”(Frame)。每一幀分成兩個部分：标頭(Head)和資料(Data)。
“标頭”包含資料包的一些說明項，比如發送者、接受者、資料類型等等;”資料”則是資料包的具體内容。
“标頭”的長度，固定為18位元組。”資料”的長度，最短為46位元組，最長為1500位元組。是以，整個”幀”最短為64位元組，最長為1518位元組。如果資料很長，就必須分割成多個幀進行發送。
3.3 MAC位址
上面提到，以太網資料包的”标頭”，包含了發送者和接受者的資訊。那麼，發送者和接受者是如何辨別呢?
以太網規定，連入網絡的所有裝置，都必須具有”網卡”接口。資料包必須是從一塊網卡，傳送到另一塊網卡。網卡的位址，就是資料包的發送位址和接收位址，這叫做MAC位址。
每塊網卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的MAC位址，長度是48個二進制位，通常用12個十六進制數表示。
前6個十六進制數是廠商編号，後6個是該廠商的網卡流水号。有了MAC位址，就可以定位網卡和資料包的路徑了。
3.4 廣播
定義位址隻是第一步，後面還有更多的步驟。
首先，一塊網卡怎麼會知道另一塊網卡的MAC位址?
回答是有一種ARP協定，可以解決這個問題。這個留到後面介紹，這裡隻需要知道，以太網資料包必須知道接收方的MAC位址，然後才能發送。
其次，就算有了MAC位址，系統怎樣才能把資料包準确送到接收方?
回答是以太網采用了一種很”原始”的方式，它不是把資料包準确送到接收方，而是向本網絡内所有計算機發送，讓每台計算機自己判斷，是否為接收方。
上圖中，1号計算機向2号計算機發送一個資料包，同一個子網絡的3号、4号、5号計算機都會收到這個包。它們讀取這個包的”标頭”，找到接收方的MAC位址，然後與自身的MAC位址相比較，如果兩者相同，就接受這個包，做進一步處理，否則就丢棄這個包。這種發送方式就叫做”廣播”(broadcasting)。
有了資料包的定義、網卡的MAC位址、廣播的發送方式，”連結層”就可以在多台計算機之間傳送資料了。
四、網絡層
4.1 網絡層的由來
以太網協定，依靠MAC位址發送資料。理論上，單單依靠MAC位址，上海的網卡就可以找到洛杉矶的網卡了，技術上是可以實作的。
但是，這樣做有一個重大的缺點。以太網采用廣播方式發送資料包，所有成員人手一”包”，不僅效率低，而且局限在發送者所在的子網絡。也就是說，如果兩台計算機不在同一個子網絡，廣播是傳不過去的。這種設計是合理的，否則網際網路上每一台計算機都會收到所有包，那會引起災難。
網際網路是無數子網絡共同組成的一個巨型網絡，很像想象上海和洛杉矶的電腦會在同一個子網絡，這幾乎是不可能的。
是以，必須找到一種方法，能夠區分哪些MAC位址屬于同一個子網絡，哪些不是。如果是同一個子網絡，就采用廣播方式發送，否則就采用”路由”方式發送。(”路由”的意思，就是指如何向不同的子網絡分發資料包，這是一個很大的主題，本文不涉及。)遺憾的是，MAC位址本身無法做到這一點。它隻與廠商有關，與所處網絡無關。
這就導緻了”網絡層”的誕生。它的作用是引進一套新的位址，使得我們能夠區分不同的計算機是否屬于同一個子網絡。這套位址就叫做”網絡位址”，簡稱”網址”。
于是，”網絡層”出現以後，每台計算機有了兩種位址，一種是MAC位址，另一種是網絡位址。兩種位址之間沒有任何聯系，MAC位址是綁定在網卡上的，網絡位址則是管理者配置設定的，它們隻是随機組合在一起。
網絡位址幫助我們确定計算機所在的子網絡，MAC位址則将資料包送到該子網絡中的目标網卡。是以，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網絡位址，然後再處理MAC位址。
4.2 IP協定
規定網絡位址的協定，叫做IP協定。它所定義的位址，就被稱為IP位址。
目前，廣泛采用的是IP協定第四版，簡稱IPv4。這個版本規定，網絡位址由32個二進制位組成。
習慣上，我們用分成四段的十進制數表示IP位址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。
網際網路上的每一台計算機，都會配置設定到一個IP位址。這個位址分成兩個部分，前一部分代表網絡，後一部分代表主機。比如，IP位址172.16.254.1，這是一個32位的位址，假定它的網絡部分是前24位(172.16.254)，那麼主機部分就是後8位(最後的那個1)。處于同一個子網絡的電腦，它們IP位址的網絡部分必定是相同的，也就是說172.16.254.2應該與172.16.254.1處在同一個子網絡。
但是，問題在于單單從IP位址，我們無法判斷網絡部分。還是以172.16.254.1為例，它的網絡部分，到底是前24位，還是前16位，甚至前28位，從IP位址上是看不出來的。
那麼，怎樣才能從IP位址，判斷兩台計算機是否屬于同一個子網絡呢?這就要用到另一個參數”子網路遮罩”(subnet mask)。
所謂”子網路遮罩”，就是表示子網絡特征的一個參數。它在形式上等同于IP位址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分全部為1，主機部分全部為0。比如，IP位址172.16.254.1，如果已知網絡部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。
知道”子網路遮罩”，我們就能判斷，任意兩個IP位址是否處在同一個子網絡。方法是将兩個IP位址與子網路遮罩分别進行AND運算(兩個數位都為1，運算結果為1，否則為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。
比如，已知IP位址172.16.254.1和172.16.254.233的子網路遮罩都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網絡?兩者與子網路遮罩分别進行AND運算，結果都是172.16.254.0，是以它們在同一個子網絡。
總結一下，IP協定的作用主要有兩個，一個是為每一台計算機配置設定IP位址，另一個是确定哪些位址在同一個子網絡。
4.3 IP資料包
根據IP協定發送的資料，就叫做IP資料包。不難想象，其中必定包括IP位址資訊。
但是前面說過，以太網資料包隻包含MAC位址，并沒有IP位址的欄位。那麼是否需要修改資料定義，再添加一個欄位呢?
回答是不需要，我們可以把IP資料包直接放進以太網資料包的”資料”部分，是以完全不用修改以太網的規格。這就是網際網路分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構。
具體來說，IP資料包也分為”标頭”和”資料”兩個部分。
“标頭”部分主要包括版本、長度、IP位址等資訊，”資料”部分則是IP資料包的具體内容。它放進以太網資料包後，以太網資料包就變成了下面這樣。
IP資料包的”标頭”部分的長度為20到60位元組，整個資料包的總長度最大為65,535位元組。是以，理論上，一個IP資料包的”資料”部分，最長為65,515位元組。前面說過，以太網資料包的”資料”部分，最長隻有1500位元組。是以，如果IP資料包超過了1500位元組，它就需要分割成幾個以太網資料包，分開發送了。
4.4 ARP協定
關于”網絡層”，還有最後一點需要說明。
因為IP資料包是放在以太網資料包裡發送的，是以我們必須同時知道兩個位址，一個是對方的MAC位址，另一個是對方的IP位址。通常情況下，對方的IP位址是已知的(後文會解釋)，但是我們不知道它的MAC位址。
是以，我們需要一種機制，能夠從IP位址得到MAC位址。
這裡又可以分成兩種情況。第一種情況，如果兩台主機不在同一個子網絡，那麼事實上沒有辦法得到對方的MAC位址，隻能把資料包傳送到兩個子網絡連接配接處的”網關”(gateway)，讓網關去處理。
第二種情況，如果兩台主機在同一個子網絡，那麼我們可以用ARP協定，得到對方的MAC位址。ARP協定也是發出一個資料包(包含在以太網資料包中)，其中包含它所要查詢主機的IP位址，在對方的MAC位址這一欄，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示這是一個”廣播”位址。它所在子網絡的每一台主機，都會收到這個資料包，從中取出IP位址，與自身的IP位址進行比較。如果兩者相同，都做出回複，向對方報告自己的MAC位址，否則就丢棄這個包。
總之，有了ARP協定之後，我們就可以得到同一個子網絡内的主機MAC位址，可以把資料包發送到任意一台主機之上了。
五、傳輸層
5.1 傳輸層的由來
有了MAC位址和IP位址，我們已經可以在網際網路上任意兩台主機上建立通信。
接下來的問題是，同一台主機上有許多程式都需要用到網絡，比如，你一邊浏覽網頁，一邊與朋友線上聊天。當一個資料包從網際網路上發來的時候，你怎麼知道，它是表示網頁的内容，還是表示線上聊天的内容?
也就是說，我們還需要一個參數，表示這個資料包到底供哪個程式(程序)使用。這個參數就叫做”端口”(port)，它其實是每一個使用網卡的程式的編号。每個資料包都發到主機的特定端口，是以不同的程式就能取到自己所需要的資料。
“端口”是0到65535之間的一個整數，正好16個二進制位。0到1023的端口被系統占用，使用者隻能選用大于1023的端口。不管是浏覽網頁還是線上聊天，應用程式會随機選用一個端口，然後與伺服器的相應端口聯系。
“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。隻要确定主機和端口，我們就能實作程式之間的交流。是以，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式開發了。
5.2 UDP協定
現在，我們必須在資料包中加入端口資訊，這就需要新的協定。最簡單的實作叫做UDP協定，它的格式幾乎就是在資料前面，加上端口号。
UDP資料包，也是由”标頭”和”資料”兩部分組成。
“标頭”部分主要定義了發出端口和接收端口，”資料”部分就是具體的内容。然後，把整個UDP資料包放入IP資料包的”資料”部分，而前面說過，IP資料包又是放在以太網資料包之中的，是以整個以太網資料包現在變成了下面這樣：
UDP資料包非常簡單，”标頭”部分一共隻有8個位元組，總長度不超過65,535位元組，正好放進一個IP資料包。
5.3 TCP協定
UDP協定的優點是比較簡單，容易實作，但是缺點是可靠性較差，一旦資料包發出，無法知道對方是否收到。
為了解決這個問題，提高網絡可靠性，TCP協定就誕生了。這個協定非常複雜，但可以近似認為，它就是有确認機制的UDP協定，每發出一個資料包都要求确認。如果有一個資料包遺失，就收不到确認，發出方就知道有必要重發這個資料包了。
是以，TCP協定能夠確定資料不會遺失。它的缺點是過程複雜、實作困難、消耗較多的資源。
TCP資料包和UDP資料包一樣，都是内嵌在IP資料包的”資料”部分。TCP資料包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網絡的效率，通常TCP資料包的長度不會超過IP資料包的長度，以確定單個TCP資料包不必再分割。
六、應用層
應用程式收到”傳輸層”的資料，接下來就要進行解讀。由于網際網路是開放架構，資料來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。
“應用層”的作用，就是規定應用程式的資料格式。
舉例來說，TCP協定可以為各種各樣的程式傳遞資料，比如Email、WWW、FTP等等。那麼，必須有不同協定規定電子郵件、網頁、FTP資料的格式，這些應用程式協定就構成了”應用層”。
這是最高的一層，直接面對使用者。它的資料就放在TCP資料包的”資料”部分。是以，現在的以太網的資料包就變成下面這樣。
至此，整個網際網路的五層結構，自下而上全部講完了。這是從系統的角度，解釋網際網路是如何構成的。下一篇，我反過來，從使用者的角度，自上而下看看這個結構是如何發揮作用，完成一次網絡資料交換的。
這是從設計者的角度看問題，今天我想切換到使用者的角度，看看使用者是如何從上至下，與這些協定互動的。
七、一個小結
先對前面的内容，做一個小結。
我們已經知道，網絡通信就是交換資料包。電腦A向電腦B發送一個資料包，後者收到了，回複一個資料包，進而實作兩台電腦之間的通信。資料包的結構，基本上是下面這樣：
發送這個包，需要知道兩個位址：
有了這兩個位址，資料包才能準确送到接收者手中。但是，前面說過，MAC位址有局限性，如果兩台電腦不在同一個子網絡，就無法知道對方的MAC位址，必須通過網關(gateway)轉發。
上圖中，1号電腦要向4号電腦發送一個資料包。它先判斷4号電腦是否在同一個子網絡，結果發現不是(後文介紹判斷方法)，于是就把這個資料包發到網關A。網關A通過路由協定，發現4号電腦位于子網絡B，又把資料包發給網關B，網關B再轉發到4号電腦。
1号電腦把資料包發到網關A，必須知道網關A的MAC位址。是以，資料包的目标位址，實際上分成兩種情況：
場景資料包位址
同一個子網絡對方的MAC位址，對方的IP位址
非同一個子網絡網關的MAC位址，對方的IP位址
發送資料包之前，電腦必須判斷對方是否在同一個子網絡，然後選擇相應的MAC位址。接下來，我們就來看，實際使用中，這個過程是怎麼完成的。
八、使用者的上網設定
8.1 靜态IP位址
你買了一台新電腦，插上網線，開機，這時電腦能夠上網嗎?
通常你必須做一些設定。有時，管理者(或者ISP)會告訴你下面四個參數，你把它們填入作業系統，計算機就能連上網了：
下圖是Windows系統的設定視窗。
這四個參數缺一不可，後文會解釋為什麼需要知道它們才能上網。由于它們是給定的，計算機每次開機，都會分到同樣的IP位址，是以這種情況被稱作”靜态IP位址上網”。
但是，這樣的設定很專業，普通使用者望而生畏，而且如果一台電腦的IP位址保持不變，其他電腦就不能使用這個位址，不夠靈活。出于這兩個原因，大多數使用者使用”動态IP位址上網”。
8.2 動态IP位址
所謂”動态IP位址”，指計算機開機後，會自動配置設定到一個IP位址，不用人為設定。它使用的協定叫做DHCP協定。
這個協定規定，每一個子網絡中，有一台計算機負責管理本網絡的所有IP位址，它叫做”DHCP伺服器”。新的計算機加入網絡，必須向”DHCP伺服器”發送一個”DHCP請求”資料包，申請IP位址和相關的網絡參數。
前面說過，如果兩台計算機在同一個子網絡，必須知道對方的MAC位址和IP位址，才能發送資料包。但是，新加入的計算機不知道這兩個位址，怎麼發送資料包呢?
DHCP協定做了一些巧妙的規定。
8.3 DHCP協定
首先，它是一種應用層協定，建立在UDP協定之上，是以整個資料包是這樣的：
(1)最前面的”以太網标頭”，設定發出方(本機)的MAC位址和接收方(DHCP伺服器)的MAC位址。前者就是本機網卡的MAC位址，後者這時不知道，就填入一個廣播位址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
(2)後面的”IP标頭”，設定發出方的IP位址和接收方的IP位址。這時，對于這兩者，本機都不知道。于是，發出方的IP位址就設為0.0.0.0，接收方的IP位址設為255.255.255.255。
(3)最後的”UDP标頭”，設定發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協定規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。
這個資料包構造完成後，就可以發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每台計算機都收到了這個包。因為接收方的MAC位址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，是以每台收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP位址，才能确定是不是發給自己的。當看到發出方IP位址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP伺服器知道”這個包是發給我的”，而其他計算機就可以丢棄這個包。
接下來，DHCP伺服器讀出這個包的資料内容，配置設定好IP位址，發送回去一個”DHCP響應”資料包。這個響應包的結構也是類似的，以太網标頭的MAC位址是雙方的網卡位址，IP标頭的IP位址是DHCP伺服器的IP位址(發出方)和255.255.255.255(接收方)，UDP标頭的端口是67(發出方)和68(接收方)，配置設定給請求端的IP位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，于是就知道了自己的IP位址、子網路遮罩、網關位址、DNS伺服器等等參數。
8.4 上網設定：小結
這個部分，需要記住的就是一點：不管是”靜态IP位址”還是”動态IP位址”，電腦上網的首要步驟，是确定四個參數。這四個值很重要，值得重複一遍：
有了這幾個數值，電腦就可以上網”沖浪”了。接下來，我們來看一個執行個體，當使用者通路網頁的時候，網際網路協定是怎麼運作的。
九、一個執行個體：通路網頁
9.1 本機參數
我們假定，經過上一節的步驟，使用者設定好了自己的網絡參數：
然後他打開浏覽器，想要通路Google，在位址欄輸入了網址：www.google.com。
這意味着，浏覽器要向Google發送一個網頁請求的資料包。
9.2 DNS協定
我們知道，發送資料包，必須要知道對方的IP位址。但是，現在，我們隻知道網址www.google.com，不知道它的IP位址。
DNS協定可以幫助我們，将這個網址轉換成IP位址。已知DNS伺服器為8.8.8.8，于是我們向這個位址發送一個DNS資料包(53端口)。
然後，DNS伺服器做出響應，告訴我們Google的IP位址是172.194.72.105。于是，我們知道了對方的IP位址。
9.3 子網路遮罩
接下來，我們要判斷，這個IP位址是不是在同一個子網絡，這就要用到子網路遮罩。
已知子網路遮罩是255.255.255.0，本機用它對自己的IP位址192.168.1.100，做一個二進制的AND運算(兩個數位都為1，結果為1，否則為0)，計算結果為192.168.1.0;然後對Google的IP位址172.194.72.105也做一個AND運算，計算結果為172.194.72.0。這兩個結果不相等，是以結論是，Google與本機不在同一個子網絡。
是以，我們要向Google發送資料包，必須通過網關192.168.1.1轉發，也就是說，接收方的MAC位址将是網關的MAC位址。
9.4 應用層協定
浏覽網頁用的是HTTP協定，它的整個資料包構造是這樣的：
HTTP部分的内容，類似于下面這樣：
我們假定這個部分的長度為4960位元組，它會被嵌在TCP資料包之中。
9.5 TCP協定
TCP資料包需要設定端口，接收方(Google)的HTTP端口預設是80，發送方(本機)的端口是一個随機生成的1024-65535之間的整數，假定為51775。
TCP資料包的标頭長度為20位元組，加上嵌入HTTP的資料包，總長度變為4980位元組。
9.6 IP協定
然後，TCP資料包再嵌入IP資料包。IP資料包需要設定雙方的IP位址，這是已知的，發送方是192.168.1.100(本機)，接收方是172.194.72.105(Google)。
IP資料包的标頭長度為20位元組，加上嵌入的TCP資料包，總長度變為5000位元組。
9.7 以太網協定
最後，IP資料包嵌入以太網資料包。以太網資料包需要設定雙方的MAC位址，發送方為本機的網卡MAC位址，接收方為網關192.168.1.1的MAC位址(通過ARP協定得到)。
以太網資料包的資料部分，最大長度為1500位元組，而現在的IP資料包長度為5000位元組。是以，IP資料包必須分割成四個包。因為每個包都有自己的IP标頭(20位元組)，是以四個包的IP資料包的長度分别為1500、1500、1500、560。
9.8 伺服器端響應
經過多個網關的轉發，Google的伺服器172.194.72.105，收到了這四個以太網資料包。
根據IP标頭的序号，Google将四個包拼起來，取出完整的TCP資料包，然後讀出裡面的”HTTP請求”，接着做出”HTTP響應”，再用TCP協定發回來。
本機收到HTTP響應以後，就可以将網頁顯示出來，完成一次網絡通信。
這個例子就到此為止，雖然經過了簡化，但它大緻上反映了網際網路協定的整個通信過程。
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