作者：[DeppWang](https://depp.wang) 網際網路上的資料能從一臺裝置傳送到另一臺裝置，整個過程由[網際網路協議](https://zh.wikipedia.org/wiki/TCP/IP協議族)（ Internet Protocol Suite）實現的。 對於網際網路協議，一直一知半解。知道會分為幾層，但為什麼分層，分層有什麼好處，都不甚理解。通過[阮一峰](www.ruanyifeng.com)的這兩篇文章，大概有了一個初步認識，下面是我對網際網路協議的理解。 - [網際網路協議入門（一）_阮一峰_](http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html) - [網際網路協議入門（二）_阮一峰_](http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html) ## 一、五層模型 我也認為將網際網路協議分為五層，可以更好的去理解它，從上往下分別是：應用層、傳輸層、網路層、（資料）鏈路層（連結層）和物理層（實體層）。如果死記硬背，往往過幾天就忘了，所以需要了解其原理，當我們理解了全文，讓我們去說文章的名字，那還不是輕而易舉嗎！  大多數文章或書籍都是從上往下來講解網際網路協議，但是個人感覺總是沒有深入其理，阮一峰**自下而上**的講解每一層的功能，讓人記憶深刻。我也依葫蘆畫瓢，先自下而上分析一下每一層的功能，再結合 [Wireshark](https://www.wireshark.org/) 抓包工具，來稍稍看看網際網路協議的真面目。 ### 1.1 層與協議 為什麼叫某某層？為什麼要分層？層是什麼？ 我覺得層這個叫法很形象，一層一層，好像平行，各自獨立。維基百科的解釋是：「**整個通訊網路的任務，可以劃分成不同的功能區塊，即所謂的層級（[layer](https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=Layer&action=edit&redlink=1)）**」，我們可以理解為，每一層是實現了一個功能，有不同的分工。就跟寫程式碼一樣，如果把所有功能放一起，改一行程式碼就可能影響全部，所以根據不同功能拆成不同的方法。我覺得叫什麼不重要，可以叫應用塊、應用組，等等。**主要知道，每一層是為了完成一個功能就行。** 我們知道，每一層都有自己對應的協議（Protocol），比如，網路層有 IP 協議。那何為協議？跟這個層又有什麼關聯？維基百科上有這麼一句話：「網路層功能由 IP 協議規定和實現，故又稱 IP 層」。我們可以看出，每一層的功能其實是協議來規定和實現的。所以，協議可以理解為，**有大家都遵守的規則（規定），並負責去實現這個規則。** ## 二、物理層（Physcial Layer） 我們電腦現在不用插網線就能上網（連 WIFI），但是路由器插網線了，在家裡，路由器一般又需要通過一根網線連線入戶光纖盒（又稱為光貓），光纖盒又需要通過一根光纖連線到其他裝置。電腦連線 WiFi，電腦的資料傳送到路由器，是通過無線電波。所以傳輸資料需要物理載體，類似網線、光纖、無線電波。**我們將傳輸資料的物理載體稱為物理層（Physcial Layer）**。為什麼我們訪問美國的網站就慢一些，因為美國網站的伺服器在美國，資料通過海底光纜傳輸，耗時會久一些。這也是為什麼很多公司要在不同城市部署伺服器的原因之一吧。 資料在物理載體中傳輸，傳輸的是什麼呢？**是 0 和 1 組成的電訊號**，為什麼是 0 和 1 組成的電訊號呢？這個吧，姑且通過類比的方式來解釋，因為計算機只能識別 0 1 二進位制，所以要傳輸 0 和 1 組成的電訊號吧。 ## 三、鏈路層（Link Layer） 物理層只是一個傳輸載體，沒有「自主意識」， 我們需要藉助物理層上的[鏈路層](https://zh.wikipedia.org/wiki/資料鏈路層)（Link Layer），**鏈路層的功能：將資料從一處傳送到另一處**，鏈路層在傳送方和接收方都有，在傳送方：鏈路層將資料轉換為電訊號，並將其傳送出去；在接收方：鏈路層收到電訊號，並將電訊號轉換為資料。鏈路層和物理層之間的關係可以這樣表示：  在[區域網](https://zh.wikipedia.org/wiki/區域網)內，將資料從一處傳送到另一處需要使用[乙太網](https://zh.wikipedia.org/wiki/乙太網)（Ethernet）。**區域網的通俗理解，連線同一個 [WiFi](https://zh.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi) （路由器 Router）的裝置在同一個區域網內。** ### 3.1 乙太網 乙太網是一種區域網技術，它可以實現區域網內的裝置通訊，我們現在電腦一般連 WiFi，WiFi 可以認為是「無線乙太網」。 我們可以理解為，**在區域網內，鏈路層的功能其實是由乙太網實現的**（區域網外的鏈路層比較複雜，本文不討論）。 區域網內的鏈路層和乙太網的關係可以這樣表示（物理層作為乙太網的傳輸載體）：  **乙太網需要規定電訊號的格式，以便雙方解讀**。乙太網規定一組電訊號為一個數據包，叫幀（Frame），幀包含兩部分，標頭（Head）和資料（Data），標頭包含傳送方地址、接收方地址等資訊，資料則是資料包的具體內容。我們一般將幀稱為乙太網資料包，或者[以太幀](https://zh.wikipedia.org/wiki/乙太網幀格式)，以太幀格式類似下面這樣：  每臺網絡裝置都有自己的網絡卡，**乙太網是將資料從一塊[網絡卡](https://zh.wikipedia.org/wiki/網絡卡)傳送到另一塊網絡卡**，每塊網絡卡需要有自己的「身份證號」，叫 [MAC 地址](https://zh.wikipedia.org/wiki/MAC地址)（iPhone 手機的 MAC 地址叫無線區域網地址），由 12 個十六進位制數表示： > MAC地址：（**M**edia **A**ccess **C**ontrol Address），直譯為媒體存取控制位址，也稱為區域網地址（LAN Address），**乙太網地址**（Ethernet Address）或**實體地址**（Physical Address），它是一個用來確認網路裝置位置的地址。 所以乙太網傳送前需要知道接收方網絡卡的 MAC 地址，即標頭的接收方地址，但正常情況下，不知道接收方 MAC 地址，需要使用 [ARP 協議](https://zh.wikipedia.org/wiki/地址解析協議)得到（這個本文後面解釋） 假設已經知道了 MAC 地址，那麼在區域網內，乙太網可以根據 MAC 地址，將資料傳送給對方。但如果對方沒有在一個區域網內，如何傳送給對方呢？此時，就需要[網路層](https://zh.wikipedia.org/wiki/網路層)（Network Layer）出馬了！ --- 乙太網在 Windows 中的體現：  在 macOS 的體現： [PPPoE](https://zh.wikipedia.org/wiki/PPPoE)（英語：**P**oint-to-**P**oint **P**rotocol **o**ver **E**thernet），乙太網上的點對點協議。  ## 四、網路層（Network Layer） 首先，我們要區分接收方是否在一個區域網，使用 MAC 地址不能區分，需要裝置有另外一個地址，能代表它所處的具體是哪個網路（區域網），我們稱這個地址為「**網路地址**」。 **網路層的作用，就是根據網路地址找到目的主機處於哪一個區域網**。實現這一功能的協議稱為網路協議，即 [IP 協議](https://zh.wikipedia.org/wiki/網際協議) 。網路地址用於 IP 協議，所以網路地址也可以叫它 IP 地址。**注意**：我們叫 IP 協議，是一種習慣，其實 IP(**I**nternet **P**rotocol) 本身就有協議的意思。 如果裝置連 WiFi，路由器會為裝置分配一個 IP 地址。 ### 4.1 IP 協議 > **IP** 協議：英語全稱為：**I**nternet **P**rotocol，即**網路協議**，也稱**網際協議**。 現在大部分使用的還是 IP 協議第四版，簡稱 IPv4，IP 地址為 32 位（4*8，二進位制）。  有了 IP 地址，網路層可以通過 IP 地址來區分是否處於一個區域網。如何根據 IP 地址判斷裝置是否處於同一個區域網？答案是利用[子網掩碼](https://zh.wikipedia.org/wiki/子網#網路掩碼)。IP 地址分為兩部分，網路部分和主機部分，如果子網掩碼為 `255.255.255.0`（二進位制表示：`11111111.11111111.11111111.00000000`），表示前 24 位代表網路部分，如果兩個 IP 地址前 24 位相同，則代表是在同一個區域網中。 ### 4.2 IP 資料包 資料經過網路層，IP 協議為資料加上包含傳送方 IP 地址和接收方 IP 地址的標頭，包裝為 IP 資料包：  IP 資料包到達鏈路層時，直接作為作為以太幀的資料部分，嵌入以太幀。此時的以太幀的格式如下：  如果通過子網掩碼判斷接收方在一個區域網，就通過乙太網傳送，此時需要得到其 MAC 地址，前面說，需要 ARP 協議得到其 MAC 地址，何為 ARP 協議？ ### 4.3 ARP 協議 ARP 協議，英語全稱為：**A**ddress **R**esolution **P**rotocol，即地址解析協議，是一種通過 IP 地址得到 MAC 地址的協議。預設情況，傳送方知道接收方的 IP 地址（通過 [DNS](https://zh.wikipedia.org/wiki/域名系統) 得到，這個又後面解釋），所以傳送方使用「廣播」（broadcasting）的方式給當前區域網所有主機發送一個以太幀，包含對方的 IP 地址，對方 MAC 地址設為 `ff:ff:ff:ff:ff:ff`，接收方根據接收者 IP 地址判斷自己是否為接收者，是，就傳送一個數據包告訴對方自己的 MAC 地址，不是，就丟棄這個包。 通過這種方式，傳送方就可以通過接收方的 IP 地址得到 MAC 地址。 如果通過子網掩碼判斷接收方不在一個區域網，通過 APR 協議就得不到對方的 MAC 地址，那就要使用[路由](https://zh.wikipedia.org/wiki/路由)（Route）的方式傳送了。 ### 4.4 路由 路由，簡單來說，就是得到路由器的 MAC 地址，資料先發送到[路由器](https://zh.wikipedia.org/wiki/路由器)（Router），由路由器來發送下一個路由器，通過一系列路由中轉，最後發給目標主機。 其實就像傳送快遞一樣，在快遞上寫上收件人的地址，由快遞點發送給下一個中轉站，再中轉，最後收件人收到快遞。  一個簡單的路由器，需要實現 IP 協議和鏈路層協議。 如果把上面的過程說的仔細一點，乙太網是將以太幀傳送給路由器鏈路層，路由器鏈路層將資料包傳送給路由器網路層，路由器有一個路由表，網路層在路由表找到跟當前路由器相連的、離目的主機最近的路由器，路由器通過 ARP 協議，得到下一個路由器的 MAC 地址，讓路由器鏈路層根據 MAC 地址，傳送給下一個路由器。通過一系列中轉，來到目的主機所在的路由器。使用同樣的方式，通過乙太網將以太幀傳送給目的主機。整個過程大概是這樣：  我們常說，網路層負責定址和路由，定址就是尋找最近的 IP 地址，路由就是找到最近的路由 MAC 地址（我這麼理解，不一定正確）。我們可以理解為：整個通訊過程中的網路層負責定址和路由，傳送方的網路層其實負責它自己的定址和路由。 ## 五、傳輸層（Transport Layer） 網路層和鏈路層實現了網際網路任意兩臺主機之間的網路通訊，此時還有兩個問題，**1、裝置不止一個程式，具體傳送給哪一個程式？2、沒有保證資料包能傳送成功。** 這時候就需要[傳輸層](https://zh.wikipedia.org/wiki/傳輸層)（Transport Layer），**傳輸層的功能是保證資料能可靠傳輸到對方主機的應用程式上。** 應用是程序，**每個程序使用網絡卡時，需要有一個編號，這個編號就是埠**。系統預設佔用 0 到 1023 的埠，系統會為軟體隨機分配 1024 到 65535 之間的埠。 常見術語套接字（Socket）就是 IP 地址 + 埠的組合稱謂。 傳輸層要為傳送的資料包中增加發送方和接收方的埠號。 傳輸層功能實現一般有兩種協議，1 是 [TCP 協議](https://zh.wikipedia.org/wiki/傳輸控制協議)，2 是 [UDP 協議](https://zh.wikipedia.org/wiki/使用者資料報協議)。 ### 5.1 TCP 協議 > **TCP** 協議，英語全稱為：**T**ransmission **C**ontrol **P**rotocol，即，**傳輸控制協議** TCP 協議使用用三次握手來保證線路的可靠，失敗後，有失敗重傳機制，它是一個很複雜的協議，傳輸層的稱謂，也是來源於 TCP 這個 **傳輸控制協議**。 TCP 協議傳送的資料包叫 TCP 資料包，它的標頭包含傳送方埠和接收方埠，  它傳送資料包給網路層，網路層將 TCP 資料包作為 IP 資料包的資料部分，再發給鏈路層。此時以太幀格式如下：  因為以太幀有長度限制，TCP 協議沒有規定資料的長度，所以當 TCP 資料包過長時，以太幀裝不下，此時 TCP 資料包需要切分為多個 TCP 資料包。我們常常看到有的書籍說：傳輸層負責「請求報文」的分割。這就是傳輸層為什麼要分割「請求報文」的緣故。 傳輸層保證資料的「可靠傳輸」，這句話常常被我們誤解為，是由傳輸層傳輸資料，現在我們知道，傳輸資料的其實是鏈路層，傳輸層其實只是失敗重傳（當然不止這一個功能，這裡這麼說是為了方便理解）。所以這句話的重點在於**可靠**，不在傳輸。 ### 5.2 UDP 協議 > **UDP 協議**，英語全稱為： **U**ser **D**atagram **P**rotocol，即**使用者資料包協議** 傳輸層有一種簡單的協議，叫 UDP 協議，UDP 協議只是為資料簡單的加上包含傳送方埠和接收方埠的標頭，就將 UDP 資料包扔給網路層，它不保證是否能成功的傳送給接收方，它是一種不可靠的傳輸協議。因為簡單，減少了時間開銷，常用於對時間有較高要求的應用程式。 ## 六、應用層（Application Layer） 鏈路層、網路層、傳輸層實現了資料包能從主機應用傳送到目的主機應用。正常情況下，網路上主要傳輸的資料是應用產生的。傳輸的資料各種各樣，有網路請求，有電子郵件等等。資料需要由[應用層](https://zh.wikipedia.org/wiki/應用層)（Application Layer）封裝，即規定資料的格式。 規定「網路請求資料」格式的是 [HTTP 協議](https://zh.wikipedia.org/wiki/超文字傳輸協議)。可以說，HTTP 協議是應用層的一種實現。 ### 6.1 HTTP 協議 > **HTTP 協議**：英文全稱為：H**yper**T**ext **T**ransfer **P**rotocol，即超文字轉移（傳輸）協議 當我們開啟百度首頁時，輸入的就是一個網址 `www.baidu.com`，這是一個 GET 請求，HTTP 協議將請求封裝為應用層資料包。這樣，百度的伺服器應用層就可以根據 HTTP 協議來解析資料包。 HTTP 請求的資料包一般稱為請求報文，分為報文首部和報文主題，報文首部即為請求頭，請求頭格式如下：  包含的應用層資料包的以太幀格式如下：  ### 6.2 DNS > **DNS**：英語全稱為： **D**omain **N**ame **S**ystem，即**域名系統** 類似 `www.baidu.com` 這樣的網址域名，是為了使用者方便記憶，網路通訊時，需要將域名轉換為 IP 地址，這是由 [DNS](https://zh.wikipedia.org/wiki/域名系統) 負責的，它也屬於應用層。 ## 七、WireShark 抓包分析 當 Mac 連 WIFI 後，可以在「設定->網路」中看見下面這些內容：    此時電腦，有自己的 IP 地址、MAC 地址、還知道路由器的 IP 地址、DNS 伺服器地址（由路由器負責域名解析，所以 DNS 地址其實就是 IP 地址）和當前的子網掩碼。還可以看出，路由器動態分配 IP 地址是由 [DHCP](https://zh.wikipedia.org/wiki/動態主機設定協議) 實現的。 通過開啟百度首頁，結合抓包工具 Wireshark 來看看網路通訊過程中的資料包的內容。 關於如何使用 Wireshark，請看 [使用 wireshark 學習網路協議](https://juejin.im/post/5c87059ae51d452f3f64b110)。通過 `ping www.baidu.com` 得到百度的 IP 地址為 `61.135.169.121`，在 Wireshark 中配置過濾條件後，通過使用命令 `curl www.baidu.com` 來模擬開啟百度首頁：  此時在 Wireshark 中可以看出，TCP 協議傳送了以太幀，以太幀的格式是：Ethernet II 標頭 + IP 4 標頭 + TCP 標頭 + TCP 資料，TCP 標頭顯示源埠為 53732，目的地埠為 80；IP 標頭顯示源 IP 地址為 `192.168.31.206`，目的地 IP 地址為 `61.135.169.121`；乙太網標頭顯示源 MAC 地址為 `f0:18:98:46:bf:65`，目的地 MAC 地址為 `28:6c:07:9d:e2:8e`（小米路由器地址）。幀的長度為 78 位元組，TCP 資料包的長度為 44 個位元組。  這與我們前面說的相符合，目的主機不在同一個區域網，通過乙太網傳送以太幀給路由器，再由路由器負責路由傳送。 前三個資料包為 TCP 的 3 次握手，接著傳送了 HTTP 資料包，HTTP 資料包包含了請求的內容： 整個過程：先使用 TCP 協議完成了 3 次握手，然後使用 HTTP 協議傳送了 GET 請求，接收到了百度的 HTTP 響應，最後使用 TCP 協議完成了 4 次揮手。  ## 八、總結 網際網路協議整個網路通訊過程可以用下面這張圖描述：  對於傳送方的資料處理，**這個過程像是一個俄羅斯套娃的過程**：  如果用發快遞來類比一下： ``` 應用層：將物體打包為快遞 | 傳輸層：為快遞填上收件人門牌號；如果快遞丟失重新發送 | 網路層：為快遞填上收件人小區地址；並根據收件人小區地址，找到下一個快遞中轉站的地址，最終找到整個線路 | 鏈路層：為快遞填上下一個中轉地地址；並負責將快遞發往到下一個中轉站 | 物理層：運快遞的車 ``` 在網際網路協議中，因為 TCP/IP 協議最重要，所以網際網路協議也可以叫做 「**TCP/IP 協議族**」。 此文只是個人對網際網路協議的淺顯理解，畢竟沒有深入研究，可能有諸多不當處，歡迎留言指出。 最後我想說一句，阮一峰牛逼。有的知識點是知道怎麼回事，就是不能正確的表達出來，遣詞排句真的很需要功力，真的需要常年累月的積累。 ## 九、延伸閱讀 - [網際網路協議入門（一）_阮一峰_](http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html) - [網際網路協議入門（二）_阮一峰_](http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html) - [使用wireshark學習網路協議](https://juejin.im/post/5c87059ae51d452f3f64b110) ![個人公眾號](https://img2020.cnblogs.com/other/1191638/202003/1191638-20200320214840913-1274635