【ZZ】互聯網協議入門（二）

上一篇文章分析了互聯網的整體構思，從下至上，每一層協議的設計思想。

這是從設計者的角度看問題，今天我想切換到用戶的角度，看看用戶是如何從上至下，與這些協議互動的。

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互聯網協議入門（二）

做者：阮一峯

7、一個小結

先對前面的內容，作一個小結。

咱們已經知道，網絡通訊就是交換數據包。電腦A向電腦B發送一個數據包，後者收到了，回覆一個數據包，從而實現兩臺電腦之間的通訊。數據包的結構，基本上是下面這樣：

發送這個包，須要知道兩個地址：

* 對方的MAC地址
* 對方的IP地址

有了這兩個地址，數據包才能準確送到接收者手中。可是，前面說過，MAC地址有侷限性，若是兩臺電腦不在同一個子網絡，就沒法知道對方的MAC地址，必須經過網關（gateway）轉發。

上圖中，1號電腦要向4號電腦發送一個數據包。它先判斷4號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），因而就把這個數據包發到網關A。網關A經過路由協議，發現4號電腦位於子網絡B，又把數據包發給網關B，網關B再轉發到4號電腦。

1號電腦把數據包發到網關A，必須知道網關A的MAC地址。因此，數據包的目標地址，實際上分紅兩種狀況：

發送數據包以前，電腦必須判斷對方是否在同一個子網絡，而後選擇相應的MAC地址。接下來，咱們就來看，實際使用中，這個過程是怎麼完成的。

8、用戶的上網設置

8.1 靜態IP地址

你買了一臺新電腦，插上網線，開機，這時電腦可以上網嗎？

一般你必須作一些設置。有時，管理員（或者ISP）會告訴你下面四個參數，你把它們填入操做系統，計算機就能連上網了：

下圖是Windows系統的設置窗口。

這四個參數缺一不可，後文會解釋爲何須要知道它們才能上網。因爲它們是給定的，計算機每次開機，都會分到一樣的IP地址，因此這種狀況被稱做"靜態IP地址上網"。

可是，這樣的設置很專業，普通用戶望而生畏，並且若是一臺電腦的IP地址保持不變，其餘電腦就不能使用這個地址，不夠靈活。出於這兩個緣由，大多數用戶使用"動態IP地址上網"。

8.2 動態IP地址

所謂"動態IP地址"，指計算機開機後，會自動分配到一個IP地址，不用人爲設定。它使用的協議叫作DHCP協議。

這個協議規定，每個子網絡中，有一臺計算機負責管理本網絡的全部IP地址，它叫作"DHCP服務器"。新的計算機加入網絡，必須向"DHCP服務器"發送一個"DHCP請求"數據包，申請IP地址和相關的網絡參數。

前面說過，若是兩臺計算機在同一個子網絡，必須知道對方的MAC地址和IP地址，才能發送數據包。可是，新加入的計算機不知道這兩個地址，怎麼發送數據包呢？

DHCP協議作了一些巧妙的規定。

8.3 DHCP協議

首先，它是一種應用層協議，創建在UDP協議之上，因此整個數據包是這樣的：

（1）最前面的"以太網標頭"，設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP服務器）的MAC地址。前者就是本機網卡的MAC地址，後者這時不知道，就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

　　（2）後面的"IP標頭"，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，對於這二者，本機都不知道。因而，發出方的IP地址就設爲0.0.0.0，接收方的IP地址設爲255.255.255.255。

　　（3）最後的"UDP標頭"，設置發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。

這個數據包構造完成後，就能夠發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每臺計算機都收到了這個包。由於接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，因此每臺收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP地址，才能肯定是否是發給本身的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，因而DHCP服務器知道"這個包是發給個人"，而其餘計算機就能夠丟棄這個包。

接下來，DHCP服務器讀出這個包的數據內容，分配好IP地址，發送回去一個"DHCP響應"數據包。這個響應包的結構也是相似的，以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的端口是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地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，因而就知道了本身的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等等參數。

（1）最前面的"以太網標頭"，設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP服務器）的MAC地址。前者就是本機網卡的MAC地址，後者這時不知道，就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

（2）後面的"IP標頭"，設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，對於這二者，本機都不知道。因而，發出方的IP地址就設爲0.0.0.0，接收方的IP地址設爲255.255.255.255。

（3）最後的"UDP標頭"，設置發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。

這個數據包構造完成後，就能夠發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每臺計算機都收到了這個包。由於接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，因此每臺收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP地址，才能肯定是否是發給本身的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，因而DHCP服務器知道"這個包是發給個人"，而其餘計算機就能夠丟棄這個包。

接下來，DHCP服務器讀出這個包的數據內容，分配好IP地址，發送回去一個"DHCP響應"數據包。這個響應包的結構也是相似的，以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的端口是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地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，因而就知道了本身的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等等參數。

8.4 上網設置：小結

這個部分，須要記住的就是一點：不論是"靜態IP地址"仍是"動態IP地址"，電腦上網的首要步驟，是肯定四個參數。這四個值很重要，值得重複一遍：

有了這幾個數值，電腦就能夠上網"衝浪"了。接下來，咱們來看一個實例，當用戶訪問網頁的時候，互聯網協議是怎麼運做的。

9、一個實例：訪問網頁

9.1 本機參數

咱們假定，通過上一節的步驟，用戶設置好了本身的網絡參數：

而後他打開瀏覽器，想要訪問Google，在地址欄輸入了網址：www.google.com。

這意味着，瀏覽器要向Google發送一個網頁請求的數據包。

9.2 DNS協議

咱們知道，發送數據包，必需要知道對方的IP地址。可是，如今，咱們只知道網址www.google.com，不知道它的IP地址。

DNS協議能夠幫助咱們，將這個網址轉換成IP地址。已知DNS服務器爲8.8.8.8，因而咱們向這個地址發送一個DNS數據包（53端口）。

而後，DNS服務器作出響應，告訴咱們Google的IP地址是172.194.72.105。因而，咱們知道了對方的IP地址。

9.3 子網掩碼

接下來，咱們要判斷，這個IP地址是否是在同一個子網絡，這就要用到子網掩碼。

已知子網掩碼是255.255.255.0，本機用它對本身的IP地址192.168.1.100，作一個二進制的AND運算（兩個數位都爲1，結果爲1，不然爲0），計算結果爲192.168.1.0；而後對Google的IP地址172.194.72.105也作一個AND運算，計算結果爲172.194.72.0。這兩個結果不相等，因此結論是，Google與本機不在同一個子網絡。

所以，咱們要向Google發送數據包，必須經過網關192.168.1.1轉發，也就是說，接收方的MAC地址將是網關的MAC地址。

9.4 應用層協議

瀏覽網頁用的是HTTP協議，它的整個數據包構造是這樣的：

HTTP部分的內容，相似於下面這樣

咱們假定這個部分的長度爲4960字節，它會被嵌在TCP數據包之中。

9.5 TCP協議

TCP數據包須要設置端口，接收方（Google）的HTTP端口默認是80，發送方（本機）的端口是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定爲51775。

TCP數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入HTTP的數據包，總長度變爲4980字節。

9.6 IP協議

而後，TCP數據包再嵌入IP數據包。IP數據包須要設置雙方的IP地址，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數據包的標頭長度爲20字節，加上嵌入的TCP數據包，總長度變爲5000字節。

9.7 以太網協議

最後，IP數據包嵌入以太網數據包。以太網數據包須要設置雙方的MAC地址，發送方爲本機的網卡MAC地址，接收方爲網關192.168.1.1的MAC地址（經過ARP協議獲得）。

以太網數據包的數據部分，最大長度爲1500字節，而如今的IP數據包長度爲5000字節。所以，IP數據包必須分割成四個包。由於每一個包都有本身的IP標頭（20字節），因此四個包的IP數據包的長度分別爲1500、1500、1500、560。

9.8 服務器端響應

通過多個網關的轉發，Google的服務器172.194.72.105，收到了這四個以太網數據包。

根據IP標頭的序號，Google將四個包拼起來，取出完整的TCP數據包，而後讀出裏面的"HTTP請求"，接着作出"HTTP響應"，再用TCP協議發回來。

本機收到HTTP響應之後，就能夠將網頁顯示出來，完成一次網絡通訊。

這個例子就到此爲止，雖然通過了簡化，但它大體上反映了互聯網協議的整個通訊過程。