互联网协议入门（二）

做者： 阮一峰

日期： 2012年6月11日

上一篇文章分析了互联网的整体构思，从下至上，每一层协议的设计思想。

这是从设计者的角度看问题，今天我想切换到用户的角度，看看用户是如何从上至下，与这些协议互动的。

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互联网协议入门（二）

做者：阮一峰

（接上文）

7、一个小结

先对前面的内容，作一个小结。

咱们已经知道，网络通讯就是交换数据包。电脑A向电脑B发送一个数据包，后者收到了，回复一个数据包，从而实现两台电脑之间的通讯。数据包的结构，基本上是下面这样：

发送这个包，须要知道两个地址：

　　* 对方的MAC地址

　　* 对方的IP地址

有了这两个地址，数据包才能准确送到接收者手中。可是，前面说过，MAC地址有局限性，若是两台电脑不在同一个子网络，就没法知道对方的MAC地址，必须经过网关（gateway）转发。

上图中，1号电脑要向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，结果发现不是（后文介绍判断方法），因而就把这个数据包发到网关A。网关A经过路由协议，发现4号电脑位于子网络B，又把数据包发给网关B，网关B再转发到4号电脑。

1号电脑把数据包发到网关A，必须知道网关A的MAC地址。因此，数据包的目标地址，实际上分红两种状况：

场景	数据包地址
同一个子网络	对方的MAC地址，对方的IP地址
非同一个子网络	网关的MAC地址，对方的IP地址

发送数据包以前，电脑必须判断对方是否在同一个子网络，而后选择相应的MAC地址。接下来，咱们就来看，实际使用中，这个过程是怎么完成的。

8、用户的上网设置

8.1 静态IP地址

你买了一台新电脑，插上网线，开机，这时电脑可以上网吗？

一般你必须作一些设置。有时，管理员（或者ISP）会告诉你下面四个参数，你把它们填入操做系统，计算机就能连上网了：

　　* 本机的IP地址
　　* 子网掩码
　　* 网关的IP地址
　　* DNS的IP地址

下图是Windows系统的设置窗口。

这四个参数缺一不可，后文会解释为何须要知道它们才能上网。因为它们是给定的，计算机每次开机，都会分到一样的IP地址，因此这种状况被称做"静态IP地址上网"。

可是，这样的设置很专业，普通用户望而生畏，并且若是一台电脑的IP地址保持不变，其余电脑就不能使用这个地址，不够灵活。出于这两个缘由，大多数用户使用"动态IP地址上网"。

8.2 动态IP地址

所谓"动态IP地址"，指计算机开机后，会自动分配到一个IP地址，不用人为设定。它使用的协议叫作DHCP协议。

这个协议规定，每个子网络中，有一台计算机负责管理本网络的全部IP地址，它叫作"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。

前面说过，若是两台计算机在同一个子网络，必须知道对方的MAC地址和IP地址，才能发送数据包。可是，新加入的计算机不知道这两个地址，怎么发送数据包呢？

DHCP协议作了一些巧妙的规定。

8.3 DHCP协议

首先，它是一种应用层协议，创建在UDP协议之上，因此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，对于这二者，本机都不知道。因而，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。

这个数据包构造完成后，就能够发出了。以太网是广播发送，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。由于接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，因此每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能肯定是否是发给本身的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，因而DHCP服务器知道"这个包是发给个人"，而其余计算机就能够丢弃这个包。

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相似的，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。

新加入的计算机收到这个响应包，因而就知道了本身的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。

8.4 上网设置：小结

这个部分，须要记住的就是一点：不论是"静态IP地址"仍是"动态IP地址"，电脑上网的首要步骤，是肯定四个参数。这四个值很重要，值得重复一遍：

　　* 本机的IP地址
　　* 子网掩码
　　* 网关的IP地址
　　* DNS的IP地址

有了这几个数值，电脑就能够上网"冲浪"了。接下来，咱们来看一个实例，当用户访问网页的时候，互联网协议是怎么运做的。

9、一个实例：访问网页

9.1 本机参数

咱们假定，通过上一节的步骤，用户设置好了本身的网络参数：

　　* 本机的IP地址：192.168.1.100
　　* 子网掩码：255.255.255.0
　　* 网关的IP地址：192.168.1.1
　　* DNS的IP地址：8.8.8.8

而后他打开浏览器，想要访问Google，在地址栏输入了网址：www.google.com。

这意味着，浏览器要向Google发送一个网页请求的数据包。

9.2 DNS协议

咱们知道，发送数据包，必需要知道对方的IP地址。可是，如今，咱们只知道网址www.google.com，不知道它的IP地址。

DNS协议能够帮助咱们，将这个网址转换成IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8，因而咱们向这个地址发送一个DNS数据包（53端口）。

而后，DNS服务器作出响应，告诉咱们Google的IP地址是172.194.72.105。因而，咱们知道了对方的IP地址。

9.3 子网掩码

接下来，咱们要判断，这个IP地址是否是在同一个子网络，这就要用到子网掩码。

已知子网掩码是255.255.255.0，本机用它对本身的IP地址192.168.1.100，作一个二进制的AND运算（两个数位都为1，结果为1，不然为0），计算结果为192.168.1.0；而后对Google的IP地址172.194.72.105也作一个AND运算，计算结果为172.194.72.0。这两个结果不相等，因此结论是，Google与本机不在同一个子网络。

所以，咱们要向Google发送数据包，必须经过网关192.168.1.1转发，也就是说，接收方的MAC地址将是网关的MAC地址。

9.4 应用层协议

浏览网页用的是HTTP协议，它的整个数据包构造是这样的：

HTTP部分的内容，相似于下面这样：

　　GET / HTTP/1.1
　　Host: www.google.com
　　Connection: keep-alive
　　User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1) ......
　　Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8
　　Accept-Encoding: gzip,deflate,sdch
　　Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
　　Accept-Charset: GBK,utf-8;q=0.7,*;q=0.3
　　Cookie: ... ...

咱们假定这个部分的长度为4960字节，它会被嵌在TCP数据包之中。

9.5 TCP协议

TCP数据包须要设置端口，接收方（Google）的HTTP端口默认是80，发送方（本机）的端口是一个随机生成的1024-65535之间的整数，假定为51775。

TCP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入HTTP的数据包，总长度变为4980字节。

9.6 IP协议

而后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包须要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是172.194.72.105（Google）。

IP数据包的标头长度为20字节，加上嵌入的TCP数据包，总长度变为5000字节。

9.7 以太网协议

最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包须要设置双方的MAC地址，发送方为本机的网卡MAC地址，接收方为网关192.168.1.1的MAC地址（经过ARP协议获得）。

以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而如今的IP数据包长度为5000字节。所以，IP数据包必须分割成四个包。由于每一个包都有本身的IP标头（20字节），因此四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

9.8 服务器端响应

通过多个网关的转发，Google的服务器172.194.72.105，收到了这四个以太网数据包。

根据IP标头的序号，Google将四个包拼起来，取出完整的TCP数据包，而后读出里面的"HTTP请求"，接着作出"HTTP响应"，再用TCP协议发回来。

本机收到HTTP响应之后，就能够将网页显示出来，完成一次网络通讯。

这个例子就到此为止，虽然通过了简化，但它大体上反映了互联网协议的整个通讯过程。

（完）