我們每天使用互聯(lián)網(wǎng)，你是否想過疾就，它是如何實現(xiàn)的澜术？

全世界幾十億臺電腦，連接在一起猬腰，兩兩通信鸟废。上海的某一塊網(wǎng)卡送出信號，洛杉磯的另一塊網(wǎng)卡居然就收到了姑荷，兩者實際上根本不知道對方的物理位置盒延，你不覺得這是很神奇的事情嗎？

互聯(lián)網(wǎng)的核心是一系列協(xié)議鼠冕，總稱為"互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議"（Internet Protocol Suite）添寺。它們對電腦如何連接和組網(wǎng)，做出了詳盡的規(guī)定懈费。理解了這些協(xié)議计露，就理解了互聯(lián)網(wǎng)的原理。

下面就是我的學習筆記憎乙。因為這些協(xié)議實在太復雜票罐、太龐大，我想整理一個簡潔的框架泞边，幫助自己從總體上把握它們该押。為了保證簡單易懂，我做了大量的簡化繁堡，有些地方并不全面和精確沈善，但是應該能夠說清楚互聯(lián)網(wǎng)的原理。

一椭蹄、概述

1.1 五層模型

互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)闻牡，分成好幾層。每一層都有自己的功能绳矩，就像建筑物一樣罩润，每一層都靠下一層支持。
用戶接觸到的翼馆，只是最上面的一層割以，根本沒有感覺到下面的層金度。要理解互聯(lián)網(wǎng)，必須從最下層開始严沥，自下而上理解每一層的功能猜极。

如何分層有不同的模型，有的模型分七層消玄，有的分四層跟伏。我覺得，把互聯(lián)網(wǎng)分成五層翩瓜，比較容易解釋受扳。

如上圖所示，最底下的一層叫做"實體層"（Physical Layer）兔跌，最上面的一層叫做"應用層"（Application Layer）勘高，中間的三層（自下而上）分別是"鏈接層"（Link Layer）、"網(wǎng)絡層"（Network Layer）和"傳輸層"（Transport Layer）坟桅。越下面的層华望，越靠近硬件；越上面的層桦卒，越靠近用戶立美。

它們叫什么名字，其實并不重要方灾。只需要知道建蹄，互聯(lián)網(wǎng)分成若干層就可以了。

1.2 層與協(xié)議

每一層都是為了完成一種功能裕偿。為了實現(xiàn)這些功能洞慎，就需要大家都遵守共同的規(guī)則。

大家都遵守的規(guī)則嘿棘，就叫做"協(xié)議"（protocol）劲腿。

互聯(lián)網(wǎng)的每一層，都定義了很多協(xié)議鸟妙。這些協(xié)議的總稱焦人，就叫做"互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議"（Internet Protocol Suite）。它們是互聯(lián)網(wǎng)的核心重父，下面介紹每一層的功能花椭，主要就是介紹每一層的主要協(xié)議。

二房午、實體層

我們從最底下的一層開始矿辽。

電腦要組網(wǎng)，第一件事要干什么？當然是先把電腦連起來袋倔，可以用光纜雕蔽、電纜、雙絞線宾娜、無線電波等方式批狐。

這就叫做"實體層"，它就是把電腦連接起來的物理手段前塔。它主要規(guī)定了網(wǎng)絡的一些電氣特性贾陷，作用是負責傳送0和1的電信號。

三嘱根、鏈接層

3.1 定義

單純的0和1沒有任何意義，必須規(guī)定解讀方式：多少個電信號算一組巷懈？每個信號位有何意義该抒？

這就是"鏈接層"的功能，它在"實體層"的上方顶燕，確定了0和1的分組方式凑保。

3.2 以太網(wǎng)協(xié)議

早期的時候，每家公司都有自己的電信號分組方式涌攻。逐漸地欧引，一種叫做"以太網(wǎng)"（Ethernet）的協(xié)議，占據(jù)了主導地位恳谎。
以太網(wǎng)規(guī)定芝此，一組電信號構成一個數(shù)據(jù)包，叫做"幀"（Frame）因痛。每一幀分成兩個部分：標頭（Head）和數(shù)據(jù)（Data）婚苹。

"標頭"的長度廓译，固定為18字節(jié)。"數(shù)據(jù)"的長度债查，最短為46字節(jié)非区，最長為1500字節(jié)。因此攀操，整個"幀"最短為64字節(jié)院仿，最長為1518字節(jié)。如果數(shù)據(jù)很長，就必須分割成多個幀進行發(fā)送歹垫。

3.3 MAC地址

上面提到剥汤，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的"標頭"，包含了發(fā)送者和接受者的信息排惨。那么吭敢，發(fā)送者和接受者是如何標識呢？

以太網(wǎng)規(guī)定暮芭，連入網(wǎng)絡的所有設備鹿驼，都必須具有"網(wǎng)卡"接口。數(shù)據(jù)包必須是從一塊網(wǎng)卡辕宏，傳送到另一塊網(wǎng)卡畜晰。網(wǎng)卡的地址，就是數(shù)據(jù)包的發(fā)送地址和接收地址瑞筐，這叫做MAC地址凄鼻。

每塊網(wǎng)卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的MAC地址聚假，長度是48個二進制位块蚌，通常用12個十六進制數(shù)表示。

3.4 廣播

定義地址只是第一步纱控，后面還有更多的步驟。

首先菜秦，一塊網(wǎng)卡怎么會知道另一塊網(wǎng)卡的MAC地址其徙？

回答是有一種ARP協(xié)議，可以解決這個問題喷户。這個留到后面介紹唾那，這里只需要知道，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包必須知道接收方的MAC地址褪尝，然后才能發(fā)送闹获。

其次，就算有了MAC地址河哑，系統(tǒng)怎樣才能把數(shù)據(jù)包準確送到接收方避诽？

回答是以太網(wǎng)采用了一種很"原始"的方式，它不是把數(shù)據(jù)包準確送到接收方璃谨，而是向本網(wǎng)絡內所有計算機發(fā)送沙庐，讓每臺計算機自己判斷鲤妥，是否為接收方。

上圖中拱雏，1號計算機向2號計算機發(fā)送一個數(shù)據(jù)包棉安，同一個子網(wǎng)絡的3號、4號铸抑、5號計算機都會收到這個包贡耽。它們讀取這個包的"標頭"，找到接收方的MAC地址鹊汛，然后與自身的MAC地址相比較蒲赂，如果兩者相同，就接受這個包刁憋，做進一步處理滥嘴，否則就丟棄這個包。這種發(fā)送方式就叫做"廣播"（broadcasting）至耻。

有了數(shù)據(jù)包的定義氏涩、網(wǎng)卡的MAC地址、廣播的發(fā)送方式有梆，"鏈接層"就可以在多臺計算機之間傳送數(shù)據(jù)了。

四意系、網(wǎng)絡層

4.1 網(wǎng)絡層的由來

以太網(wǎng)協(xié)議泥耀，依靠MAC地址發(fā)送數(shù)據(jù)。理論上蛔添，單單依靠MAC地址痰催，上海的網(wǎng)卡就可以找到洛杉磯的網(wǎng)卡了，技術上是可以實現(xiàn)的迎瞧。

但是夸溶，這樣做有一個重大的缺點。以太網(wǎng)采用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)包凶硅，所有成員人手一"包"缝裁，不僅效率低，而且局限在發(fā)送者所在的子網(wǎng)絡足绅。也就是說捷绑，如果兩臺計算機不在同一個子網(wǎng)絡，廣播是傳不過去的氢妈。這種設計是合理的粹污，否則互聯(lián)網(wǎng)上每一臺計算機都會收到所有包，那會引起災難首量。

互聯(lián)網(wǎng)是無數(shù)子網(wǎng)絡共同組成的一個巨型網(wǎng)絡壮吩，很像想象上海和洛杉磯的電腦會在同一個子網(wǎng)絡进苍，這幾乎是不可能的。

因此鸭叙，必須找到一種方法觉啊，能夠區(qū)分哪些MAC地址屬于同一個子網(wǎng)絡，哪些不是递雀。如果是同一個子網(wǎng)絡柄延，就采用廣播方式發(fā)送，否則就采用"路由"方式發(fā)送缀程。（"路由"的意思搜吧，就是指如何向不同的子網(wǎng)絡分發(fā)數(shù)據(jù)包，這是一個很大的主題杨凑，本文不涉及滤奈。）遺憾的是，MAC地址本身無法做到這一點撩满。它只與廠商有關蜒程，與所處網(wǎng)絡無關。

這就導致了"網(wǎng)絡層"的誕生伺帘。它的作用是引進一套新的地址昭躺，使得我們能夠區(qū)分不同的計算機是否屬于同一個子網(wǎng)絡。這套地址就叫做"網(wǎng)絡地址"伪嫁，簡稱"網(wǎng)址"领炫。

于是，"網(wǎng)絡層"出現(xiàn)以后张咳，每臺計算機有了兩種地址帝洪，一種是MAC地址，另一種是網(wǎng)絡地址脚猾。兩種地址之間沒有任何聯(lián)系葱峡，MAC地址是綁定在網(wǎng)卡上的，網(wǎng)絡地址則是管理員分配的龙助，它們只是隨機組合在一起砰奕。

網(wǎng)絡地址幫助我們確定計算機所在的子網(wǎng)絡，MAC地址則將數(shù)據(jù)包送到該子網(wǎng)絡中的目標網(wǎng)卡提鸟。因此脆淹，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網(wǎng)絡地址沽一，然后再處理MAC地址盖溺。

4.2 IP協(xié)議

規(guī)定網(wǎng)絡地址的協(xié)議，叫做IP協(xié)議铣缠。它所定義的地址烘嘱，就被稱為IP地址昆禽。

目前，廣泛采用的是IP協(xié)議第四版蝇庭，簡稱IPv4醉鳖。這個版本規(guī)定，網(wǎng)絡地址由32個二進制位組成哮内。

習慣上盗棵，我們用分成四段的十進制數(shù)表示IP地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255北发。

互聯(lián)網(wǎng)上的每一臺計算機纹因，都會分配到一個IP地址。這個地址分成兩個部分琳拨，前一部分代表網(wǎng)絡瞭恰，后一部分代表主機。比如狱庇，IP地址172.16.254.1惊畏，這是一個32位的地址，假定它的網(wǎng)絡部分是前24位（172.16.254）密任，那么主機部分就是后8位（最后的那個1）颜启。處于同一個子網(wǎng)絡的電腦，它們IP地址的網(wǎng)絡部分必定是相同的浪讳，也就是說172.16.254.2應該與172.16.254.1處在同一個子網(wǎng)絡缰盏。

但是，問題在于單單從IP地址驻债，我們無法判斷網(wǎng)絡部分。還是以172.16.254.1為例形葬，它的網(wǎng)絡部分合呐，到底是前24位，還是前16位笙以，甚至前28位淌实，從IP地址上是看不出來的。

那么猖腕，怎樣才能從IP地址拆祈，判斷兩臺計算機是否屬于同一個子網(wǎng)絡呢？這就要用到另一個參數(shù)"子網(wǎng)掩碼"（subnet mask）倘感。

所謂"子網(wǎng)掩碼"放坏，就是表示子網(wǎng)絡特征的一個參數(shù)。它在形式上等同于IP地址老玛，也是一個32位二進制數(shù)字淤年，它的網(wǎng)絡部分全部為1钧敞，主機部分全部為0。比如麸粮，IP地址172.16.254.1溉苛，如果已知網(wǎng)絡部分是前24位，主機部分是后8位弄诲，那么子網(wǎng)絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000愚战，寫成十進制就是255.255.255.0。

知道"子網(wǎng)掩碼"齐遵，我們就能判斷寂玲，任意兩個IP地址是否處在同一個子網(wǎng)絡。方法是將兩個IP地址與子網(wǎng)掩碼分別進行AND運算（兩個數(shù)位都為1洛搀，運算結果為1敢茁，否則為0），然后比較結果是否相同留美，如果是的話彰檬，就表明它們在同一個子網(wǎng)絡中，否則就不是谎砾。

比如逢倍，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子網(wǎng)掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網(wǎng)絡景图？兩者與子網(wǎng)掩碼分別進行AND運算较雕，結果都是172.16.254.0，因此它們在同一個子網(wǎng)絡挚币。

總結一下亮蒋，IP協(xié)議的作用主要有兩個，一個是為每一臺計算機分配IP地址妆毕，另一個是確定哪些地址在同一個子網(wǎng)絡慎玖。

4.3 IP數(shù)據(jù)包

根據(jù)IP協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)，就叫做IP數(shù)據(jù)包笛粘。不難想象趁怔，其中必定包括IP地址信息。

但是前面說過薪前，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包只包含MAC地址润努，并沒有IP地址的欄位。那么是否需要修改數(shù)據(jù)定義示括，再添加一個欄位呢铺浇？

回答是不需要，我們可以把IP數(shù)據(jù)包直接放進以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分垛膝，因此完全不用修改以太網(wǎng)的規(guī)格随抠。這就是互聯(lián)網(wǎng)分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構裁着。

具體來說，IP數(shù)據(jù)包也分為"標頭"和"數(shù)據(jù)"兩個部分拱她。

"標頭"部分主要包括版本二驰、長度、IP地址等信息秉沼，"數(shù)據(jù)"部分則是IP數(shù)據(jù)包的具體內容桶雀。它放進以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包就變成了下面這樣唬复。

IP數(shù)據(jù)包的"標頭"部分的長度為20到60字節(jié)矗积，整個數(shù)據(jù)包的總長度最大為65,535字節(jié)。因此敞咧，理論上棘捣，一個IP數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分，最長為65,515字節(jié)休建。前面說過乍恐，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分，最長只有1500字節(jié)测砂。因此茵烈，如果IP數(shù)據(jù)包超過了1500字節(jié)，它就需要分割成幾個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包砌些，分開發(fā)送了呜投。

4.4 ARP協(xié)議

關于"網(wǎng)絡層"，還有最后一點需要說明存璃。

因為IP數(shù)據(jù)包是放在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包里發(fā)送的仑荐，所以我們必須同時知道兩個地址，一個是對方的MAC地址纵东，另一個是對方的IP地址粘招。通常情況下，對方的IP地址是已知的（后文會解釋）篮迎，但是我們不知道它的MAC地址男图。

所以示姿，我們需要一種機制甜橱，能夠從IP地址得到MAC地址。

這里又可以分成兩種情況栈戳。第一種情況岂傲，如果兩臺主機不在同一個子網(wǎng)絡，那么事實上沒有辦法得到對方的MAC地址子檀，只能把數(shù)據(jù)包傳送到兩個子網(wǎng)絡連接處的"網(wǎng)關"（gateway）镊掖，讓網(wǎng)關去處理乃戈。

第二種情況，如果兩臺主機在同一個子網(wǎng)絡亩进，那么我們可以用ARP協(xié)議症虑，得到對方的MAC地址。ARP協(xié)議也是發(fā)出一個數(shù)據(jù)包（包含在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中）归薛，其中包含它所要查詢主機的IP地址谍憔，在對方的MAC地址這一欄，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF主籍，表示這是一個"廣播"地址习贫。它所在子網(wǎng)絡的每一臺主機，都會收到這個數(shù)據(jù)包千元，從中取出IP地址苫昌，與自身的IP地址進行比較。如果兩者相同幸海，都做出回復祟身，向對方報告自己的MAC地址，否則就丟棄這個包涕烧。

總之月而，有了ARP協(xié)議之后，我們就可以得到同一個子網(wǎng)絡內的主機MAC地址议纯，可以把數(shù)據(jù)包發(fā)送到任意一臺主機之上了父款。

五、傳輸層

5.1 傳輸層的由來

有了MAC地址和IP地址瞻凤，我們已經(jīng)可以在互聯(lián)網(wǎng)上任意兩臺主機上建立通信憨攒。

接下來的問題是，同一臺主機上有許多程序都需要用到網(wǎng)絡阀参，比如肝集，你一邊瀏覽網(wǎng)頁，一邊與朋友在線聊天蛛壳。當一個數(shù)據(jù)包從互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)來的時候杏瞻，你怎么知道，它是表示網(wǎng)頁的內容衙荐，還是表示在線聊天的內容捞挥？

也就是說，我們還需要一個參數(shù)忧吟，表示這個數(shù)據(jù)包到底供哪個程序（進程）使用砌函。這個參數(shù)就叫做"端口"（port），它其實是每一個使用網(wǎng)卡的程序的編號。每個數(shù)據(jù)包都發(fā)到主機的特定端口讹俊，所以不同的程序就能取到自己所需要的數(shù)據(jù)垦沉。

"端口"是0到65535之間的一個整數(shù)，正好16個二進制位仍劈。0到1023的端口被系統(tǒng)占用厕倍，用戶只能選用大于1023的端口。不管是瀏覽網(wǎng)頁還是在線聊天贩疙，應用程序會隨機選用一個端口绑青，然后與服務器的相應端口聯(lián)系。

"傳輸層"的功能屋群，就是建立"端口到端口"的通信闸婴。相比之下，"網(wǎng)絡層"的功能是建立"主機到主機"的通信芍躏。只要確定主機和端口邪乍，我們就能實現(xiàn)程序之間的交流。因此对竣，Unix系統(tǒng)就把主機+端口庇楞，叫做"套接字"（socket）。有了它否纬，就可以進行網(wǎng)絡應用程序開發(fā)了吕晌。

5.2 UDP協(xié)議

現(xiàn)在，我們必須在數(shù)據(jù)包中加入端口信息临燃，這就需要新的協(xié)議睛驳。最簡單的實現(xiàn)叫做UDP協(xié)議，它的格式幾乎就是在數(shù)據(jù)前面膜廊，加上端口號乏沸。

UDP數(shù)據(jù)包，也是由"標頭"和"數(shù)據(jù)"兩部分組成爪瓜。

"標頭"部分主要定義了發(fā)出端口和接收端口蹬跃，"數(shù)據(jù)"部分就是具體的內容。然后铆铆，把整個UDP數(shù)據(jù)包放入IP數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分蝶缀，而前面說過，IP數(shù)據(jù)包又是放在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包之中的薄货，所以整個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包現(xiàn)在變成了下面這樣：

UDP數(shù)據(jù)包非常簡單翁都，"標頭"部分一共只有8個字節(jié)，總長度不超過65,535字節(jié)菲驴，正好放進一個IP數(shù)據(jù)包荐吵。

5.3 TCP協(xié)議

UDP協(xié)議的優(yōu)點是比較簡單骑冗，容易實現(xiàn)赊瞬，但是缺點是可靠性較差先煎，一旦數(shù)據(jù)包發(fā)出，無法知道對方是否收到巧涧。

為了解決這個問題薯蝎，提高網(wǎng)絡可靠性，TCP協(xié)議就誕生了谤绳。這個協(xié)議非常復雜占锯，但可以近似認為，它就是有確認機制的UDP協(xié)議缩筛，每發(fā)出一個數(shù)據(jù)包都要求確認消略。如果有一個數(shù)據(jù)包遺失，就收不到確認瞎抛，發(fā)出方就知道有必要重發(fā)這個數(shù)據(jù)包了艺演。

因此，TCP協(xié)議能夠確保數(shù)據(jù)不會遺失桐臊。它的缺點是過程復雜胎撤、實現(xiàn)困難、消耗較多的資源断凶。

TCP數(shù)據(jù)包和UDP數(shù)據(jù)包一樣伤提，都是內嵌在IP數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分。TCP數(shù)據(jù)包沒有長度限制认烁，理論上可以無限長肿男，但是為了保證網(wǎng)絡的效率，通常TCP數(shù)據(jù)包的長度不會超過IP數(shù)據(jù)包的長度却嗡，以確保單個TCP數(shù)據(jù)包不必再分割次伶。

六、應用層

應用程序收到"傳輸層"的數(shù)據(jù)稽穆，接下來就要進行解讀冠王。由于互聯(lián)網(wǎng)是開放架構，數(shù)據(jù)來源五花八門舌镶，必須事先規(guī)定好格式柱彻，否則根本無法解讀。

"應用層"的作用餐胀，就是規(guī)定應用程序的數(shù)據(jù)格式哟楷。

舉例來說，TCP協(xié)議可以為各種各樣的程序傳遞數(shù)據(jù)否灾，比如Email卖擅、WWW、FTP等等。那么惩阶，必須有不同協(xié)議規(guī)定電子郵件挎狸、網(wǎng)頁、FTP數(shù)據(jù)的格式断楷，這些應用程序協(xié)議就構成了"應用層"锨匆。

這是最高的一層，直接面對用戶冬筒。它的數(shù)據(jù)就放在TCP數(shù)據(jù)包的"數(shù)據(jù)"部分恐锣。因此，現(xiàn)在的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包就變成下面這樣舞痰。