从网络协议说起：TCP/IP协议

网络协议

七层协议模型：指OSI七层协议模型，主要是：应用层（Application）、表示层（Presentation）、会话层（Session）、传输层（Transport）、网络层（Network）、数据链路层（Data Link）、物理层（Physical）。

四层协议模型(TCP/IP协议）：应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）、数据链路层（Data Link）。

国际标准：七层协议；工业标准：四层协议;

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（协议）。

csdn

1. 链接层

1.1 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"物理层"的上方，确定了0和1的分组方式。

1.2 链接层：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）。

帧

1.3 链接层：MAC地址

上面提到，以太网数据包的"标头"（head），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。

1.4 链接层：arp协议

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址TCP/IP协议。发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址。（这里还可以拓展到ARP欺诈与防护）

1.5 链接层：广播

image

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。

2. 网络层

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"。互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络，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。
网络层: 简化找到目标mac地址过程。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。

2.1 ip地址

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。

子网掩码：用于判断：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。

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。

从IP地址得到MAC地址：

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
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。

重点解析

思路图

3. 传输层

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。

"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。

3.1 UDP协议

UDP包 = Head + Data

Head： 源端口+目的端口+包总长度+校验值（42字节=8字节，2字节=65536，所以记录端口范围0~65535，整个包最大*大小：65535字节）
Data: 理论上可存放：65535-8=65527字节

UDP: UDP协议(非可靠传输)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。

UDP包装入IP数据包

TCP包

TCP： 为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了，实现了可靠性传输。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。

4. 应用层

应用层： 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。