我們每天使用網際網路，你是否想過，它是如何實作的？
全世界幾十億台電腦，連接配接在一起，兩兩通信。上海的某一塊網卡送出信号，洛杉矶的另一塊網卡居然就收到了，兩者實際上根本不知道對方的實體位置，你不覺得這是很神奇的事情嗎？
網際網路的核心是一系列協定，總稱為"網際網路協定"（internet protocol suite）。它們對電腦如何連接配接群組網，做出了詳盡的規定。了解了這些協定，就了解了網際網路的原理。
下面就是我的學習筆記。因為這些協定實在太複雜、太龐大，我想整理一個簡潔的架構，幫助自己從總體上把握它們。為了保證簡單易懂，我做了大量的簡化，有些地方并不全面和精确，但是應該能夠說清楚網際網路的原理。
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網際網路協定入門
作者：阮一峰
一、概述
1.1 五層模型
網際網路的實作，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就像建築物一樣，每一層都靠下一層支援。
使用者接觸到的，隻是最上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要了解網際網路，必須從最下層開始，自下而上了解每一層的功能。
如何分層有不同的模型，有的模型分七層，有的分四層。我覺得，把網際網路分成五層，比較容易解釋。
如上圖所示，最底下的一層叫做"實體層"（physical layer），最上面的一層叫做"應用層"（application layer），中間的三層（自下而上）分别是"連結層"（link layer）、"網絡層"（network layer）和"傳輸層"（transport layer）。越下面的層，越靠近硬體；越上面的層，越靠近使用者。
它們叫什麼名字，其實并不重要。隻需要知道，網際網路分成若幹層就可以了。
1.2 層與協定
每一層都是為了完成一種功能。為了實作這些功能，就需要大家都遵守共同的規則。
大家都遵守的規則，就叫做"協定"（protocol）。
網際網路的每一層，都定義了很多協定。這些協定的總稱，就叫做"網際網路協定"（internet protocol suite）。它們是網際網路的核心，下面介紹每一層的功能，主要就是介紹每一層的主要協定。
二、實體層
我們從最底下的一層開始。
電腦要組網，第一件事要幹什麼？當然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式。
這就叫做"實體層"，它就是把電腦連接配接起來的實體手段。它主要規定了網絡的一些電氣特性，作用是負責傳送0和1的電信号。
三、連結層
3.1 定義
單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個電信号算一組？每個信号位有何意義？
這就是"連結層"的功能，它在"實體層"的上方，确定了0和1的分組方式。
3.2 以太網協定
以太網規定，一組電信号構成一個資料包，叫做"幀"（frame）。每一幀分成兩個部分：标頭（head）和資料（data）。
"标頭"包含資料包的一些說明項，比如發送者、接受者、資料類型等等；"資料"則是資料包的具體内容。
"标頭"的長度，固定為18位元組。"資料"的長度，最短為46位元組，最長為1500位元組。是以，整個"幀"最短為64位元組，最長為1518位元組。如果資料很長，就必須分割成多個幀進行發送。
3.3 mac位址
上面提到，以太網資料包的"标頭"，包含了發送者和接受者的資訊。那麼，發送者和接受者是如何辨別呢？
以太網規定，連入網絡的所有裝置，都必須具有"網卡"接口。資料包必須是從一塊網卡，傳送到另一塊網卡。網卡的位址，就是資料包的發送位址和接收位址，這叫做mac位址。
每塊網卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的mac位址，長度是48個二進制位，通常用12個十六進制數表示。
前6個十六進制數是廠商編号，後6個是該廠商的網卡流水号。有了mac位址，就可以定位網卡和資料包的路徑了。
3.4 廣播
定義位址隻是第一步，後面還有更多的步驟。
首先，一塊網卡怎麼會知道另一塊網卡的mac位址？
回答是有一種arp協定，可以解決這個問題。這個留到後面介紹，這裡隻需要知道，以太網資料包必須知道接收方的mac位址，然後才能發送。
其次，就算有了mac位址，系統怎樣才能把資料包準确送到接收方？
回答是以太網采用了一種很"原始"的方式，它不是把資料包準确送到接收方，而是向本網絡内所有計算機發送，讓每台計算機自己判斷，是否為接收方。
上圖中，1号計算機向2号計算機發送一個資料包，同一個子網絡的3号、4号、5号計算機都會收到這個包。它們讀取這個包的"标頭"，找到接收方的mac位址，然後與自身的mac位址相比較，如果兩者相同，就接受這個包，做進一步處理，否則就丢棄這個包。這種發送方式就叫做"廣播"（broadcasting）。
有了資料包的定義、網卡的mac位址、廣播的發送方式，"連結層"就可以在多台計算機之間傳送資料了。
四、網絡層
4.1 網絡層的由來
以太網協定，依靠mac位址發送資料。理論上，單單依靠mac位址，上海的網卡就可以找到洛杉矶的網卡了，技術上是可以實作的。
但是，這樣做有一個重大的缺點。以太網采用廣播方式發送資料包，所有成員人手一"包"，不僅效率低，而且局限在發送者所在的子網絡。也就是說，如果兩台計算機不在同一個子網絡，廣播是傳不過去的。這種設計是合理的，否則網際網路上每一台計算機都會收到所有包，那會引起災難。
網際網路是無數子網絡共同組成的一個巨型網絡，很像想象上海和洛杉矶的電腦會在同一個子網絡，這幾乎是不可能的。
是以，必須找到一種方法，能夠區分哪些mac位址屬于同一個子網絡，哪些不是。如果是同一個子網絡，就采用廣播方式發送，否則就采用"路由"方式發送。（"路由"的意思，就是指如何向不同的子網絡分發資料包，這是一個很大的主題，本文不涉及。）遺憾的是，mac位址本身無法做到這一點。它隻與廠商有關，與所處網絡無關。
這就導緻了"網絡層"的誕生。它的作用是引進一套新的位址，使得我們能夠區分不同的計算機是否屬于同一個子網絡。這套位址就叫做"網絡位址"，簡稱"網址"。
于是，"網絡層"出現以後，每台計算機有了兩種位址，一種是mac位址，另一種是網絡位址。兩種位址之間沒有任何聯系，mac位址是綁定在網卡上的，網絡位址則是管理者配置設定的，它們隻是随機組合在一起。
網絡位址幫助我們确定計算機所在的子網絡，mac位址則将資料包送到該子網絡中的目标網卡。是以，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網絡位址，然後再處理mac位址。
4.2 ip協定
規定網絡位址的協定，叫做ip協定。它所定義的位址，就被稱為ip位址。
目前，廣泛采用的是ip協定第四版，簡稱ipv4。這個版本規定，網絡位址由32個二進制位組成。
習慣上，我們用分成四段的十進制數表示ip位址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。
網際網路上的每一台計算機，都會配置設定到一個ip位址。這個位址分成兩個部分，前一部分代表網絡，後一部分代表主機。比如，ip位址172.16.254.1，這是一個32位的位址，假定它的網絡部分是前24位（172.16.254），那麼主機部分就是後8位（最後的那個1）。處于同一個子網絡的電腦，它們ip位址的網絡部分必定是相同的，也就是說172.16.254.2應該與172.16.254.1處在同一個子網絡。
但是，問題在于單單從ip位址，我們無法判斷網絡部分。還是以172.16.254.1為例，它的網絡部分，到底是前24位，還是前16位，甚至前28位，從ip位址上是看不出來的。
那麼，怎樣才能從ip位址，判斷兩台計算機是否屬于同一個子網絡呢？這就要用到另一個參數"子網路遮罩"（subnet mask）。
所謂"子網路遮罩"，就是表示子網絡特征的一個參數。它在形式上等同于ip位址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分全部為1，主機部分全部為0。比如，ip位址172.16.254.1，如果已知網絡部分是前24位，主機部分是後8位，那麼子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。
知道"子網路遮罩"，我們就能判斷，任意兩個ip位址是否處在同一個子網絡。方法是将兩個ip位址與子網路遮罩分别進行and運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），然後比較結果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網絡中，否則就不是。
比如，已知ip位址172.16.254.1和172.16.254.233的子網路遮罩都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網絡？兩者與子網路遮罩分别進行and運算，結果都是172.16.254.0，是以它們在同一個子網絡。
總結一下，ip協定的作用主要有兩個，一個是為每一台計算機配置設定ip位址，另一個是确定哪些位址在同一個子網絡。
4.3 ip資料包
根據ip協定發送的資料，就叫做ip資料包。不難想象，其中必定包括ip位址資訊。
但是前面說過，以太網資料包隻包含mac位址，并沒有ip位址的欄位。那麼是否需要修改資料定義，再添加一個欄位呢？
回答是不需要，我們可以把ip資料包直接放進以太網資料包的"資料"部分，是以完全不用修改以太網的規格。這就是網際網路分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構。
具體來說，ip資料包也分為"标頭"和"資料"兩個部分。
"标頭"部分主要包括版本、長度、ip位址等資訊，"資料"部分則是ip資料包的具體内容。它放進以太網資料包後，以太網資料包就變成了下面這樣。
ip資料包的"标頭"部分的長度為20到60位元組，整個資料包的總長度最大為65,535位元組。是以，理論上，一個ip資料包的"資料"部分，最長為65,515位元組。前面說過，以太網資料包的"資料"部分，最長隻有1500位元組。是以，如果ip資料包超過了1500位元組，它就需要分割成幾個以太網資料包，分開發送了。
4.4 arp協定
關于"網絡層"，還有最後一點需要說明。
因為ip資料包是放在以太網資料包裡發送的，是以我們必須同時知道兩個位址，一個是對方的mac位址，另一個是對方的ip位址。通常情況下，對方的ip位址是已知的（後文會解釋），但是我們不知道它的mac位址。
是以，我們需要一種機制，能夠從ip位址得到mac位址。
這裡又可以分成兩種情況。第一種情況，如果兩台主機不在同一個子網絡，那麼事實上沒有辦法得到對方的mac位址，隻能把資料包傳送到兩個子網絡連接配接處的"網關"（gateway），讓網關去處理。
第二種情況，如果兩台主機在同一個子網絡，那麼我們可以用arp協定，得到對方的mac位址。arp協定也是發出一個資料包（包含在以太網資料包中），其中包含它所要查詢主機的ip位址，在對方的mac位址這一欄，填的是ff:ff:ff:ff:ff:ff，表示這是一個"廣播"位址。它所在子網絡的每一台主機，都會收到這個資料包，從中取出ip位址，與自身的ip位址進行比較。如果兩者相同，都做出回複，向對方報告自己的mac位址，否則就丢棄這個包。
總之，有了arp協定之後，我們就可以得到同一個子網絡内的主機mac位址，可以把資料包發送到任意一台主機之上了。
五、傳輸層
5.1 傳輸層的由來
有了mac位址和ip位址，我們已經可以在網際網路上任意兩台主機上建立通信。
接下來的問題是，同一台主機上有許多程式都需要用到網絡，比如，你一邊浏覽網頁，一邊與朋友線上聊天。當一個資料包從網際網路上發來的時候，你怎麼知道，它是表示網頁的内容，還是表示線上聊天的内容？
也就是說，我們還需要一個參數，表示這個資料包到底供哪個程式（程序）使用。這個參數就叫做"端口"（port），它其實是每一個使用網卡的程式的編号。每個資料包都發到主機的特定端口，是以不同的程式就能取到自己所需要的資料。
"端口"是0到65535之間的一個整數，正好16個二進制位。0到1023的端口被系統占用，使用者隻能選用大于1023的端口。不管是浏覽網頁還是線上聊天，應用程式會随機選用一個端口，然後與伺服器的相應端口聯系。
"傳輸層"的功能，就是建立"端口到端口"的通信。相比之下，"網絡層"的功能是建立"主機到主機"的通信。隻要确定主機和端口，我們就能實作程式之間的交流。是以，unix系統就把主機+端口，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以進行網絡應用程式開發了。
5.2 udp協定
現在，我們必須在資料包中加入端口資訊，這就需要新的協定。最簡單的實作叫做udp協定，它的格式幾乎就是在資料前面，加上端口号。
udp資料包，也是由"标頭"和"資料"兩部分組成。
"标頭"部分主要定義了發出端口和接收端口，"資料"部分就是具體的内容。然後，把整個udp資料包放入ip資料包的"資料"部分，而前面說過，ip資料包又是放在以太網資料包之中的，是以整個以太網資料包現在變成了下面這樣：
udp資料包非常簡單，"标頭"部分一共隻有8個位元組，總長度不超過65,535位元組，正好放進一個ip資料包。
5.3 tcp協定
udp協定的優點是比較簡單，容易實作，但是缺點是可靠性較差，一旦資料包發出，無法知道對方是否收到。
為了解決這個問題，提高網絡可靠性，tcp協定就誕生了。這個協定非常複雜，但可以近似認為，它就是有确認機制的udp協定，每發出一個資料包都要求确認。如果有一個資料包遺失，就收不到确認，發出方就知道有必要重發這個資料包了。
是以，tcp協定能夠確定資料不會遺失。它的缺點是過程複雜、實作困難、消耗較多的資源。
tcp資料包和udp資料包一樣，都是内嵌在ip資料包的"資料"部分。tcp資料包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網絡的效率，通常tcp資料包的長度不會超過ip資料包的長度，以確定單個tcp資料包不必再分割。
六、應用層
應用程式收到"傳輸層"的資料，接下來就要進行解讀。由于網際網路是開放架構，資料來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。
"應用層"的作用，就是規定應用程式的資料格式。
舉例來說，tcp協定可以為各種各樣的程式傳遞資料，比如email、www、ftp等等。那麼，必須有不同協定規定電子郵件、網頁、ftp資料的格式，這些應用程式協定就構成了"應用層"。
這是最高的一層，直接面對使用者。它的資料就放在tcp資料包的"資料"部分。是以，現在的以太網的資料包就變成下面這樣。