计算机网络原型——网络协议从顶往下看原创

MiLai

23人赞赏了该文章 774次浏览编辑于2020年07月17日 10:41:35

从网络协议从底往上看，数据经过一层一层的传递中，通过MAC，IP，端口找到对应的主机，打开请求链接。1号电脑把数据包发到网关A，必须知道网关A的MAC地址。所以，数据包的目标地址，实际上分成两种情况：1.同一个子网络下，需要对方的MAC地址，对方的IP地址；2.非同一个子网络，网关的MAC地址，对方的IP地址。
发送数据包之前，电脑必须判断对方是否在同一个子网络，然后选择相应的MAC地址。接下来，我们就来看，实际使用中，这个过程是怎么完成的。

静态IP地址

一台新电脑，插上网线，开机，这时电脑能够上网吗？通常你必须做一些设置。有时，管理员（或者ISP）会告诉你下面四个参数，你把它们填入操作系统，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

这四个参数缺一不可，后文会解释为什么需要知道它们才能上网。由于它们是给定的，计算机每次开机，都会分到同样的IP地址，所以这种情况被称作"静态IP地址上网"。但是，这样的设置很专业，普通用户望而生畏，而且如果一台电脑的IP地址保持不变，其他电脑就不能使用这个地址，不够灵活。出于这两个原因，大多数用户使用"动态IP地址上网"。

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。它使用的协议叫做DHCP协议。这个协议规定，每一个子网络中，有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址，它叫做"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，如果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。但是，新加入的计算机不知道这两个地址，怎么发送数据包呢？DHCP协议做了一些巧妙的规定。

DHCP协议

首先，它是一种应用层协议，建立在UDP协议之上，所以整个数据包是这样的：

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。
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，对于这两者，本机都不知道。于是，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。
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，就可以发出了。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。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，所以每台收到这个包的计算机，还必须分析这个包的IP地址，才能确定是不是发给自己的。当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服务器知道"这个包是发给我的"，而其他计算机就可以丢弃这个包。

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类似的，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，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。

冲浪

用户设置好了自己的网络参数，同时打开浏览器，想要访问cnblogs，在地址栏输入了网址：www.cnblogs.com。这意味着，浏览器要向cnblogs发送一个网页请求的数据包。

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

DNS协议

我们知道，发送数据包，必须要知道对方的IP地址。但是，现在只知道网址www.cnblogs.com，不知道它的IP地址。DNS协议可以帮助我们，将这个网址转换成IP地址。已知DNS服务器为8.8.8.8，于是我们向这个地址发送一个DNS数据包（53端口）。然后，DNS服务器做出响应，告诉我们cnblogs的IP地址是114.55.205.139。于是，我们知道了对方的IP地址。

接下来，我们要判断，这个IP地址是不是在同一个子网络，这就要用到子网掩码。已知子网掩码是255.255.255.0，本机用它对自己的IP地址192.168.1.100，做一个二进制的AND运算（两个数位都为1，结果为1，否则为0），计算结果为192.168.1.0；然后对cnblogs的IP地址114.55.205.139也做一个AND运算，计算结果为114.55.205.0。这两个结果不相等，所以结论是，cnblogs与本机不在同一个子网络。

因此，我们要向cnblogs发送数据包，必须通过网关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。

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，类似于下面这样：我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。

　　GET / HTTP/1.1
　　Host: www.cnblogs.com
　　Connection: keep-alive
　　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: ... ...

TCP协议

TCP数据包需要设置端口，接收方（cnblogs）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。

IP协议

然后，TCP数据包再嵌入IP数据包。IP数据包需要设置双方的IP地址，这是已知的，发送方是192.168.1.100（本机），接收方是114.55.205.139。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。

以太网协议

最后，IP数据包嵌入以太网数据包。以太网数据包需要设置双方的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（通过ARP协议得到）。

以太网数据包的数据部分，最大长度为1500字节，而现在的IP数据包长度为5000字节。因此，IP数据包必须分割成四个包。因为每个包都有自己的IP标头（20字节），所以四个包的IP数据包的长度分别为1500、1500、1500、560。

服务器端响应

经过多个网关的转发，服务器114.55.205.139，收到了这四个以太网数据包。根据IP标头的序号，cnblogs将四个包拼起来，取出完整的TCP数据包，然后读出里面的"HTTP请求"，接着做出"HTTP响应"，再用TCP协议发回来。本机收到HTTP响应以后，就可以将网页显示出来，完成一次网络通信。