深入浅析TCP/IP——TCP/IP五层模型

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一、TCP/IP五层模型

层与协议的关系
        每一层为了完成一种功能，定义了一种规则，这个规则叫作互联网协议

1、实体层

        把电脑连接起来的物理手段，比如用光缆、电缆、双绞线，它主要规定了网络的一些电器特性，负责传送0和1的电信号。

2、链路层

        硬件上的范畴均在链路层的作用范围之内。规定了0和1的解读方式：比如多少个信号算一组，每个信号为有什么意义，这就是链接层的功能

        穿插几个概念，链路层要进行通信要具备下列条件
        数据包、网卡的MAC地址、广播的发送方式，链路层就才可以在多台计算机之间传送数据了。

        以太网协议
        以太网规定一组电信号构成一个数据包，叫作帧，每个帧分成两个部分：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，因此，整个帧最短64字节，最长为1518字节，如果数据很长的话，就会进行分割成多个帧进行发送。

        MAC地址
        以太网数据包的“标头”，包含了发送者和接受者的信息，那么发送者和接受者是如何标识的呢？
以太网规定，炼乳网络的所有设备，都必须具有网卡接口，数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡，网卡的地址就是数据包的发送地址和接收地址，叫作MAC地址。Ip地址通常可以变，但是MAC地址是独一无二的，不会改变。

        广播（同一个子网络才能使用）
        通过ARP协议一块网卡可以知道另一块网卡的MAC地址，以太网数据包必须知道接收方的MAC地址才能发送。
有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？

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号计算机像2号计算机发送一个数据包，全部计算机都将收到，收到后，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，这种方式叫作广播。

3、网络层

        网络层用来处理在网络上流动的数据包。数据包是网络传输的最小数据单位。该层规定了通过怎样的路径（所谓的传输路线）到达对方计算机，并把数据包传送给对方。如果两台主机在不同的子网络，广播是传不过去的，只能通过路由的方式发送。这就导致了网络层的诞生，网络层出现后每台计算机就有了两个地址，一种是MAC地址，一种是网络地址，两者没有联系，MAC是绑定在网卡上的，网络地址是管理员分配的。

        网络地址（ip地址）帮我们确定了计算机所在的子网络，MAC地址将数据包送到该子网络中的目标网卡，先处理ip地址，在处理mac地址。

IP协议
        网络地址的协议叫作IP协议，它所定义的地址被称为IP地址
通过子网掩码可以两个任意的IP地址是否为同一个子网络，将两个IP地址分别与子网掩码进行AND运算，然后比较结果是否相同，如果是的话，表明所处同一个网络。

IP数据包
        IP协议发送的数据，就叫做IP数据包，其中包含IP地址信息。以太网数据包头只包含MAC地址，而IP数据包直接放入以太网数据包的数据部分。

IP数据包分为“标头”和“数据”

        标头部分主要包括版本、长度、IP地址信息，对数据部分则是IP数据包的具体内容，它放入以太网数据包后就变成了这样。

ARP协议
关于网络层，还需要补充的是。
        IP数据包是放入以太网数据包里发送的，所以我们必须知道两个地址，一个是对方的MAC地址，一个是对方的IP地址，通常IP地址是可知的，MAC地址是未知的，我们需要IP地址得到MAC地址，这就是ARP协议的诞生。

        ARP协议只用在局域网中，它用来将IP地址解析为MAC地址。局域网中的每个主机都有一个ARP缓存，它保存了最近发起的IP地址到MAC地址的映射记录，当该主机要向局域网中的某一主机发送数据时，它会先从自己的缓存中查找，看是否存在目标IP地址，如果找到，就通过映射找到它的MAC地址，从而发送过去，如果没有找到该目的IP地址，它就向该局域网内发送一个广播，广播中包含自己的IP地址、MAC地址和目的主机的IP地址，局域网内的所有主机都会收到该广播，但只有目的IP地址的主机会做出回应，并把自己的MAC地址发送给源主机，源主机收到后，在自己的ARP缓存中增加上该映射，并根据发来的MAC地址将数据发送给目的主机。

         ARP高速缓存中的表项一般都要设置超时值，如果一段时间内没有与某主机通信，就将该主机对应的IP与MAC之间的映射关系去掉，下次在需要通信时，依然发送广播。

         如果ARP请求是从一个网络的主机到另一个网络的主机，那么连接这两个网络的路由器就可以回答该请求，这个过程成为ARP代理。

        有下列两种情况
        1、两台主机不在同一个网络，是没有办法的到对方的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。
        2、如果两台主机在同一个网络，可以使用ARP协议，得到对方的MAC地址。ARP协议是发出一个数据包，其中包含它查询主机的IP地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF::FF::FF::FF::FF::FF::FF，这是一个广播地址。通过广播的形式，它所在的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，与自身的地址相比较，如果两者相同，就会做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

        有了ARP协议，就可以得到同一个子网络内的MAC地址，可以把数据包发送到子网络内的任意一台主机上。

4、传输层

        有了MAC地址和IP地址，我们就可以在互联网上任意两台主机上建立通信端口传来数据包，通过端口给特定的程序来使用。
        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，就能就能实现程序间的交流。因此，UNIX系统就把主机+端口叫作“套接字“，有了它，就可以进行网络应用程序开发。

UDP协议
        现在，我们必须在数据包加入端口信息，这就需要新的协议，最简单的实现叫作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“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，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变成了下面这样：

TCP协议
         UDP协议的优点是比较简单，容易实现，缺点是可靠性比较差，一旦数据包发出来，无法知道对方是否收到，而TCP是可靠的连接，当数据包丢失会重传，而UDP数据包不会。
         它类似于有确认机制的UDP协议，每发出一个数据包都要确认，如果有一个数据包丢失，就收不到确认。
         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，为了保证网络效率不会设置很大，UDP是由长度限制的。

5、应用层

        应用层决定了向用户提供应用服务时通信的活动。

        TCP/IP协议族内预存了各类通用的应用服务，比如FTP和DNS服务就是其中两类，HTTP协议也处于该层。

         应用程序收到传输层的数据，就要进行解读，其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等，那么必须有不同协议规定电子邮件等格式，这些应用程序协议就构成了应用层。

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，以太网数据包就变成了下面这样。

网络同行就是交换数据包实现两台电脑见得通信，数据包的结构如上图

        发送这个包需要知道两个地址，一个是对方的MAC地址，一个是对方的IP地址，有了这两个地址，数据包才能准确送到接受者手中，但是前面说过,MAC地址有局限性，如果两台电脑在不同一个子网络，就无法知道对方的MAC地址，必须通过网关转发。

        如上图中，1号电脑要想往4号电脑发送一个数据包，它先判断4号电脑是否在同一个子网络，如果发现不是，就把这个数据包发到网关A，网关A通过路由协议，发现4号电脑位于网络B，就把数据包有发送给网关B，再让网关B转发到4号电脑。

所以1号电脑把数据包发到网关A，就必须知道网关A的MAC地址，所以有如下两种情况。

必须要下列四个参数才可以连接上网

        DNS协议可以把域名解析为IP地址（也可以把ip地址解析为域名），ARP协议可以把由ip地址知道mac地址。这样就可以知道ip地址和mac地址了。

        mac地址是给定的，ip地址是可以变化的

静态ip地址
         计算机每次开机前都会分到同样的IP地址叫作静态IP解析上网
动态ip地址
         计算机开机后，自动分配到一个IP地址，不用人为设定，它使用的协议叫作DHCP协议。

DHCP
        这个协议规定，每一个子网络，都有一台计算负责管理本网络的所有IP地址，叫作DHCP服务器，新的计算机加入网络，必须向DHCP服务器发送一个DHCP请求数据包，申请IP地址和相关的网络参数。
它是一种应用层协议，建立在UDP协议之上，整个数据包是这样的。

（1）最前面的"以太网标头"，设置发出方（本机）的MAC地址和接收方（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
（2）后面的"IP标头"，设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这两者，本机都不知道。于是，发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255。
（3）最后的"UDP标头"，设置发出方的端口和接收方的端口。这一部分是DHCP协议规定好的，发出方是68端口，接收方是67端口。
（4）这个数据包构造完成后，就可以发出了，以太网是广播发送，接受方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF。看不出是发送给谁的，，必须分析这个包的IP地址，才能取确定发送给谁的。当看到发出方的IP地址是0.0.0.0，接受方式255.255.255.255，于是DHCP服务器知道这个包，其他计算机就丢弃这个包。
（5）接下来，DHCP服务器读出这个包的数据内容，分配好IP地址，发送回去一个"DHCP响应"数据包。这个响应包的结构也是类似的，以太网标头的MAC地址是双方的网卡地址，IP标头的IP地址是DHCP服务器的IP地址（发出方）和255.255.255.255（接收方），UDP标头的端口是67（发出方）和68（接收方），分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分
（6）计算机你收到这个响应，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等参数。

注意区分
        DNS协议、DHCP协议、ARP协议
        DNS协议：是通过域名或者ip地址知道域名或ip地址
        DHCP协议：是新加入的计算机必须向所在的子网的DHCP服务器发送一个DHCP请求的数据包，申请自己的IP地址、子网掩码、等参数
        ARP协议：在子网络的情况下，通过广播的形式寻找MAC地址