网络模型

国际标准组织(ISO)制定了OSI模型。这个模型把网络通信的工作分为7层。1至4层被认为是低层,这些层与数据移动密切相关。5至7层是高层,包含应用程序级的数据。每一层负责一项具体的工作,然后把数据传送到下一层。 而在我们实际应用中分为五层,如上图tcp/ip就是分了五层,越往上就越靠近用户,越往下越靠近硬件。

层与协议

每一层都完成一种功能,为了完成这些功能,就需要共同遵守 一些规则,而这些规则就叫做“协议”(protocol)

网络的每一层,都定义了很多协议。这些协议的总称,叫“TCP/IP协议”。它是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础,由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。这里需要注意,TCP/IP协议是一个大家族,不仅仅只有TCP和IP协议,它还包括其它的协议,如下图:

物理层

两台计算机进行通讯 ,首先要做的就是将两台计算机进行连接 。物理层主要作用是将两台计算机通过有线介质(双绞线、光纤)或无线介质(无线电、微波、激光、红外线)进行连接,物理层传输的数据 只有0和1

链路层

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“物理层”的上方,确定了 0 和 1 的分组方式。

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。

MAC 地址

上文提到标头里存者发送者和接收者信息,那么发送者和接收者是如何标识的呢?

以太网规定,连接网络的所有设备,都必须具有“网卡”接口。数据包必须从一个网卡传输到另一个网卡。通过网卡能够使不同的计算机之间连接,从而完成数据通信等功能。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。

MAC地址,用于标识网络设备,类似于身份证号。每块网卡出厂的时候,都有一个全世界独一无二的 MAC 地址(理论上全球唯一),长度是 48 个二进制位,通常用 12 个十六进制数表示。

网络层

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,北京的网卡就可以找到深圳的网卡了,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(广播风暴)。

互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络,很像想象北京和深圳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”就相当于现象生活中的路标,规定这些数据包的走向,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。

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。这个版本规定,网络地址由 32 个二进制位组成。