【计算机网络】五层模型及相关协议

参考：http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html

五层模型

自底向上分别为实体层、链接层、网络层、传输层、应用层。每一层都是为了完成一种功能，为了实现这种功能，就需要大家都遵守共同的规则，这个规则就是“协议”。

一、实体层

电脑要组网，首先是把电脑连起来，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。

是把电脑连接起来的物理手段，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。

二、链接层

单纯的0和1没有意义，必须规定解读方式：多少个电信号为一组，每个信号应有何意义。这就是“链路层”的功能。

以太网协议

以太网规定，一组电信号构成一个数据包，叫做帧，每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。

“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。因此，整个帧最短为64字节，最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。

MAC地址

发送者和接受者如何标识呢？

以太网规定，进入网络所有设备，都必须具有“网卡”接口。数据包必须是从一块网卡。传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。

每块网卡出厂的时候，都有一个全世界独一无二的ＭＡＣ地址，长度是４８个二进制位，通常用１２个十六进制数表示。

广播

定义地址只是第一步，后面还有更多步骤。

首先，一块网卡如何知道另一块网卡的ＭＡＣ地址？

ARP协议可以解决这个问题。

有了ＭＡＣ地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？

以太网采用了一种原始的方式，它不是把数据包准确送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方。

上图中，1号计算机向2号计算机发送一个数据包，同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的"标头"，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址相比较，如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做"广播"（broadcasting）。

三、网络层

以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一"包"，不仅效率低，而且局限在发送者所在的子网络。也就是说，如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。

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，哪些不是。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”的方式发送。

这就导致了“网络层”的诞生。他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。

网址帮助我们确定计算机所在的子网络，MAC地址是绑定网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起。

网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。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后在处理MAC地址。

IP协议

IP地址不能直接用来进行通信，在实际网络的链路上传送数据帧必须使用硬件地址。

规定网络地址的协议，叫做IP协议。它所在的地址，被称为IP地址。目前广泛采用的是IP协议第四版，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到255.255.255.255.
IP地址不能直接用来进行通信，在实际网络的链路上传送数据帧必须使用硬件地址。

IP地址由四段组成，每个字段是一个字节，8位，最大值是255.地址分为两个部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。

IP地址的四大类型标识的是网络中的某台主机。IPv4的地址长度为32位，共4个字节，

Ip地址根据网络号和主机号分为A,B,C三类及特殊地址D、E，全0和全1的都保留不用。大多数公司都使用A类网络地址的一大原因，因为它们可使用所有的子网掩码，进行网络设计时的灵活性最大。

• A类：(1.0.0.0-126.0.0.0)（默认子网掩码：255.0.0.0或 0xFF000000）第一个字节为网络号，后三个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“0”，即最大为01111111127，但是127被用作测试使用，所以最大为126，所以地址的网络号取值于1~126之间。一般用于大型网络。

• B类：(128.0.0.0-191.255.0.0)（默认子网掩码：255.255.0.0或0xFFFF0000）前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“10”，1000 0000（128）-1011 1111（191）所以地址的网络号取值于128~191之间。一般用于中等规模网络。

• C类：(192.0.0.0-223.255.255.0)（子网掩码：255.255.255.0或 0xFFFFFF00）前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“110”，1100 0000（192）-1101 1111（223） 所以地址的网络号取值于192~223之间。一般用于小型网络。

• D类：是多播地址。该类IP地址的最前面为“1110”，所以地址的网络号取值于224~239之间。一般用于多路广播用户[1] 。

• E类：是保留地址。该类IP地址的最前面为“1111”，所以地址的网络号取值于240~255之间。

在IP地址3种主要类型里，各保留了3个区域作为私有地址，其地址范围如下：
A类地址：10.0.0.0～10.255.255.255
B类地址：172.16.0.0～172.31.255.255
C类地址：192.168.0.0～192.168.255.255

回送地址：127.0.0.1。 也是本机地址，等效于localhost或本机IP。一般用于测试使用。例如：ping 127.0.0.1来测试本机TCP/IP是否正常。
互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分为两个部分，前一部分代表网络，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，甚至是前28位，从IP地址上是看不出来的。

判断两台计算机属于同一个子网络，需要用到“子网掩码”。

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地址是否处于同一个子网络，方法是将两个IP地址与子网掩码分别进行AND运算，结果相同则说明在同一个子网络中。

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。

总结一下，IP协议的作用主要有两个，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子网络。

IP数据包

根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包，其中包括IP地址信息。

但是以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位。

我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的“数据”部分，因此完全不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。

具体来说，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，“数据”部分则是IP数据包的具体内容。他放进以太网数据包后，以太网数据包变成了下面这样。

IP数据包的“标头”部分长度为20到60字节，整个数据包的总长度最大为65535字节，因此，理论上，一个IP数据包的数据部分，最长为65515字节。前面说过，以太网数据包的数据部分，最长只有1500字节，因此，如果IP数据包超过了1500字节，他就需要分割成几个以太网数据包分开发送。

ARP协议

RARP协议：解决同一个局域网上的主机或路由器的硬件地址和IP地址的映射问题；
APR协议：解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题；

ARP协议和RARP协议是网络层的协议，但是它工作的内容是链路层的。ARP是在仅知道主机的IP地址时确定其物理地址的协议。

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，另一个是对方的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”，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协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含它所要查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF：FF：FF：FF：FF：FF，表示这是一个广播地址，他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，与自身的IP地址进行比较，如果两者相同，都作出回复，想对方报告自己的mac地址，否则就丢弃这个包。

• 工作过程

主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；
主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；
当主机A要与主机B通信时，地址解析协议可以将主机B的IP地址（192.168.1.2）解析成主机B的MAC地址，以下为工作流程：
第1步：根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。
第2步：如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。
第3步：主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。
第4步：主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。
第5步：当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。

RARP协议

RARP是将MAC物理地址转换成IP地址.

四、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，你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。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，还是表示在线聊天的内容？

即我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供那个程序（进程）使用。这个参数就叫做“端口”（port）,他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。

UDP协议

在数据包中加入端口信息，需要新的协议，最简单的实现叫做UDP协议，他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受端口，“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”部分一共有8个字节，总长度不超过65535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。

五、应用层

应用层收到传输层的数据，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。