原文：http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html
互联网的核心是一系列协议，总称为‘互联网协议’。
五层模型
互联网的实现，分为好几层，每一层都有自己的功能，每一层都靠下一层支持。一般分为五层。分别是：
- 应用层（Application Layer）
- 传输层 （Transport Layer）
- 网络层 （Network Layer）
- 链接层 （Link Layer）
- 实体层 （Physical Layer）
越下面的层越靠近硬件，越上面的层，越靠近用户。每一层都是为了完成每一种功能，为了实现这些功能，就需要大家遵守共同的规则。这些规则，就是‘协议’。这些协议的总称，就叫做‘互联网协议’。
实体层
实体层，是把电脑连起来的物理手段，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号。
链接层
单纯的0和1没有意义，必须规定解读方式；多少个信号算一组，每个信号有何意义？这就是‘链路层’的功能，它在实体层的上方，确定了0和1的分组方式；
以太网协议
早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式，逐渐地，一种叫做‘以太网’的协议，占据了主导地位。
以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做‘帧’，每一帧分为两个部分，标头和数据；
标头包含数据包的一些说明项，比如发送者，接受者，数据类型等。数据则是数据包的具体内容；
标头的长度，固定为18字节。数据的长度，最短为46字节，最长为1500字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送；
MAC地址
以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有网卡接口，数据包必须是从一块网卡传送到另一个网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接受地址，这叫做MAC地址。
每个网卡出厂的时候，都有一个独一无二的MAC地址，长度是48个二进制，通常用12个十六进制表示。
前6个十六进制数是厂商编号，后6个是该厂商的网卡流水号。有了MAC地址，就可以定位网卡和数据包的路径了。
广播
以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，才能发送；通过ARP协议，一个网卡知道了另一个网卡的MAC地址。
那么，知道了网卡地址，数据又是怎么传送到接收方的呢？
答案是广播，以太网不是把数据精确送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，自己是否为接收方。
有了数据包的定义，网卡的MAC地址，广播的发送方式，链接层就可以在多台计算机之间发送数据了。
网络层
理论上，仅仅依靠MAC地址，上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡。但是这样做有一个巨大的缺陷，采用广播的方式发送数据包，所有成员都人手一包，不仅效率低，而且局限在发送方所在的子网络。
互联网的无数子网络共同组成了一个巨型网络。
因此，必须找到一种方法，能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络。如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则，就采用‘路由’方式发送。
这就导致了网络层的诞生，它的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络，这套地址就叫做网络地址，简称网址。
网络层出现以后，每台计算机有了两个地址，一个是MAC地址，另一个是网络地址，两种地址没有任何关系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址是管理员分配的。
网络地址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址则将数据包送到该子网络中的目标网卡。
IP协议
规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所定义的地址，就被称为IP地址。
目前，广泛采用的是IP协议第四版，简称IPV4。这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成。
习惯上，我们用分成四段的十进制数表示IP地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255。
互联网上的每一台计算机，都会被分配到一个IP地址。这个地址分成两部分，一部分代表网络，后一部分代表主机。
比如，IP地址172.16.254.1，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（172.16.254），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的，也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1处在同一个子网络。
但是，问题在于单单从IP地址，我们无法判断网络部分。还是以172.16.254.1为例，它的网络部分，到底是前24位，还是前16位，甚至前28位，从IP地址上是看不出来的。
那么，怎样才能从IP地址，判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另一个参数"子网掩码"（subnet mask）。
所谓"子网掩码"，就是表示子网络特征的一个参数。它在形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，那么子网络掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。
知道"子网掩码"，我们就能判断，任意两个IP地址是否处在同一个子网络。方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。
比如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，结果都是172.16.254.0，因此它们在同一个子网络。
IP协议有两个作用，一个是为每一台计算机分配IP地址，另一个是确定哪些地址在同一个网络。
IP数据包
根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。IP数据包放在以太网数据包的数据部分，因此完全不用修改以太网的规定。这就是互联网分层的好处，上层的变动不涉及下层的结构。
IP数据包也分为标头和数据两个部分。
标头部分主要包括版本，长度，IP地址等信息。
ARP协议
因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以我们必须同时知道两个地址，一个是对方的MAC地址，一个是对方的IP地址。通常情况下，对方的IP地址是已知的（后文会解释），但是我们不知道它的MAC地址。
所以，我们需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。
这里又可以分成两种情况。第一种情况，如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的"网关"（gateway），让网关去处理。
第二种情况，如果两台主机在同一个子网络，那么，我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。
ARP协议也是发送一个数据包，其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址，填写是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个广播地址，它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，从中取出IP地址，和自身IP地址比较，如果相同，则作出回复，向对方报告自己的MAC地址。
总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。
传输层
有了MAC地址和IP地址，我们已经可以在互联网上任意两台主机上建立通信。
接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如一边浏览网页，一边在线聊天，当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容还是在线聊天的内容。
我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序使用。这个参数就是‘端口(port)’,它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。
"端口"是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。
"传输层"的功能，就是建立"端口到端口"的通信。相比之下，"网络层"的功能是建立"主机到主机"的通信。只要确定主机和端口，我们就能实现程序之间的交流。因此，Unix系统就把主机+端口，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以进行网络应用程序开发了。
UDP协议
现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。
UDP数据包，也是由"标头"和"数据"两部分组成。
"标头"部分主要定义了发出端口和接收端口，"数据"部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入IP数据包的"数据"部分，而前面说过，IP数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：
UDP数据包非常简单，"标头"部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。
TCP协议
UDP协议的优点是比较简单，容易实现，但是缺点是可靠性较差，一旦数据包发出，无法知道对方是否收到。
为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，它就是有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要求确认。如果有一个数据包遗失，就收不到确认，发出方就知道有必要重发这个数据包了。
因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。
TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的"数据"部分。TCP数据包没有长度限制，理论上可以无限长，但是为了保证网络的效率，通常TCP数据包的长度不会超过IP数据包的长度，以确保单个TCP数据包不必再分割。
应用层
应用程序收到传输层的数据，接下来就要进行解读。
由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。
"应用层"的作用，就是规定应用程序的数据格式。
举例来说，TCP协议可以为各种各样的程序传递数据，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必须有不同协议规定电子邮件、网页、FTP数据的格式，这些应用程序协议就构成了"应用层"。
这是最高的一层，直接面对用户。它的数据就放在TCP数据包的"数据"部分。因此，现在的以太网的数据包就变成下面这样。
