网络传输协议原理透析

网上对OSI参考模型的讲解比较多，但是看起来总还是没法有个完整的记忆。为了全面透析网络传输，遂总结这篇笔记，留后续查阅。

名词解释：开放式系统互联通信参考模型（英语：Open System Interconnection Reference Model，缩写为 OSI），简称为OSI模型（OSI model），是一种概念模型。

讲到协议就得了解下OSI 7层网络模型：
应用层：FTP，WWW，Telnet，NFS，SMTP，Gateway，SNMP
表示层：TIFF，GIF，JPEG，PICT，ASCII，EBCDIC，encryption，MPEG，MIDI，HTML
会话层：RPC，SQL，NFS，NetBIOS，names，AppleTalk，ASP，DECnet，SCP
传输层：TCP，UDP，SPX
网络层：IP，IPX，AppleTalk DDP
数据链路层：Frame Relay，HDLC，PPP，IEEE802.3 / 802.2，FDDI，ATM，IEEE802.5 / 802.2
物理层：EIA / TIA - 232，EIA / TIA - 499，V.35，V.24，RJ45，Ethernet，802.3，802.5，FDDI，NRZI，NRZ，B8ZS

TCP / IP模型：分为 4 层：
应用层：Telnet，FTP，SMTP，SNMP
传输层：TCP，UDP，UGP
网络层： IP，ICMP，IGMP
数据链路层：ARP，RARP

1. 模型介绍

互联网的实现，分成好几层。每一层都有自己的功能，就像建筑物一样，每一层都靠下一层支持。用户接触到的，只是最上面的一层，根本没有感觉到下面的层。要理解互联网，必须从最下层开始，自下而上理解每一层的功能。

1.1 五层模型

为了方便解释，我把互联网分成五层：

如上图所示，最底下的一层叫做"实体层"（Physical Layer），最上面的一层叫做"应用层"（Application Layer），中间的三层（自下而上）分别是"链接层"（Link Layer）、"网络层"（Network Layer）和"传输层"（Transport Layer）。越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。

它们叫什么名字，其实并不重要。只需要知道，互联网分成若干层就可以了。

1.2层与协议

每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能，就需要大家都遵守共同的规则。大家都遵守的规则，就叫做"协议"（protocol）。

互联网的每一层，都定义了很多协议。这些协议的总称，就叫做"互联网协议"（Internet Protocol Suite）。它们是互联网的核心，下面介绍每一层的功能，主要就是介绍每一层的主要协议。

2、实体层

我们从最底下的一层开始。

电脑要组网，第一件事要干什么？当然是先把电脑连起来，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式。

这就叫做"实体层"，它就是把电脑连接起来的物理手段。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。

2、链接层

2.1定义

单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？

这就是"链接层"的功能，它在"实体层"的上方，确定了0和1的分组方式。

2.2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"（Ethernet）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"（Frame）。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。

2.3MAC地址

上面提到，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呢？

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。

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。

2.4 广播

定义地址只是第一步，后面还有更多的步骤：

1）首先：一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址？
回答是有一种ARP协议，可以解决这个问题。这个留到后面介绍，这里只需要知道，以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。
2）其次：就算有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？
回答是以太网采用了一种很"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）。

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传送数据了。

3、网络层

3.1 网络层的由来

以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了，技术上是可以实现的。

但是，这样做有一个重大的缺点。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。这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。

互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络，很像想象上海和洛杉矶的电脑会在同一个子网络，这几乎是不可能的。

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"方式发送。（"路由"的意思，就是指如何向不同的子网络分发数据包，这是一个很大的主题，本文不涉及。）遗憾的是，MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关，与所处网络无关。

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"。

于是，"网络层"出现以后，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，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。因此，从逻辑上可以推断，必定是先处理网络地址，然后再处理MAC地址。

3.2 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。
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，都会分配到一个IP地址。这个地址分成两个部分，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。

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。

3.3 IP数据包

根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。不难想象，其中必定包括IP地址信息。但是前面说过，以太网数据包只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位。那么是否需要修改数据定义，再添加一个栏位呢？

回答是不需要，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。它放进以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样：

IP数据包的"标头"部分的长度为20到60字节，整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此，理论上，一个IP数据包的"数据"部分，最长为65,515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，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

3.4 ARP协议

关于"网络层"，还有最后一点需要说明。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：

1）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；
2）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。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，与自身的IP地址进行比较。如果两者相同，都做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

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。

4、传输层

4.1 传输层的由来

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？

也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个程序（进程）使用。这个参数就叫做"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。

4.2 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。

4.3 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。

5、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：

（摘自原文：原文，有改动）