网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）
1、前言
本文上篇《網絡編程懶人入門(一)：快速理解網絡通信協議（上篇）》分析了互聯網的總體構思，從下至上，每一層協議的設計思想。基于知識連貫性的考慮，建議您先看完上篇后再來閱讀本文。
本文從設計者的角度看問題，今天我想切換到用戶的角度，看看用戶是如何從上至下，與這些協議互動的。
2、系列文章
本文是系列文章中的第1篇，本系列文章的大綱如下：
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- 《網絡編程懶人入門(一)：快速理解網絡通信協議（上篇）》
- 《網絡編程懶人入門(三)：快速理解TCP協議一篇就夠》
3、參考資料
《TCP/IP詳解 - 第11章·UDP：用戶數據報協議》
《TCP/IP詳解 - 第17章·TCP：傳輸控制協議》
《TCP/IP詳解 - 第18章·TCP連接的建立與終止》
《TCP/IP詳解 - 第21章·TCP的超時與重傳》
《通俗易懂-深入理解TCP協議（上）：理論基礎》
《通俗易懂-深入理解TCP協議（下）：RTT、滑動窗口、擁塞處理》
《理論經典：TCP協議的3次握手與4次揮手過程詳解》
《理論聯系實際：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過程》
《計算機網絡通訊協議關系圖（中文珍藏版）》
《高性能網絡編程(一)：單臺服務器并發TCP連接數到底可以有多少》
《高性能網絡編程(二)：上一個10年，著名的C10K并發連接問題》
《高性能網絡編程(三)：下一個10年，是時候考慮C10M并發問題了》
《簡述傳輸層協議TCP和UDP的區別》
《為什么QQ用的是UDP協議而不是TCP協議？》
《移動端即時通訊協議選擇：UDP還是TCP？》
4、一個小結
先對前面的內容，做一個小結（詳見本文上篇《網絡編程懶人入門(一)：快速理解網絡通信協議（上篇）》）。
我們已經知道，網絡通信就是交換數據包。電腦A向電腦B發送一個數據包，后者收到了，回復一個數據包，從而實現兩臺電腦之間的通信。
數據包的結構，基本上是下面這樣：
發送這個包，需要知道兩個地址：
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- * 對方的MAC地址；
- * 對方的IP地址。
有了這兩個地址，數據包才能準確送到接收者手中。但是，前面說過，MAC地址有局限性，如果兩臺電腦不在同一個子網絡，就無法知道對方的MAC地址，必須通過網關（gateway）轉發。
上圖中，1號電腦要向4號電腦發送一個數據包。它先判斷4號電腦是否在同一個子網絡，結果發現不是（后文介紹判斷方法），于是就把這個數據包發到網關A。網關A通過路由協議，發現4號電腦位于子網絡B，又把數據包發給網關B，網關B再轉發到4號電腦。
1號電腦把數據包發到網關A，必須知道網關A的MAC地址。所以，數據包的目標地址，實際上分成兩種情況：
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| 場景 | 數據包地址 |
| 同一個子網絡 | 對方的MAC地址，對方的IP地址 |
| 非同一個子網絡 | 網關的MAC地址，對方的IP地址 |
發送數據包之前，電腦必須判斷對方是否在同一個子網絡，然后選擇相應的MAC地址。接下來，我們就來看，實際使用中，這個過程是怎么完成的。
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5、用戶的上網設置
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5.1靜態IP地址
你買了一臺新電腦，插上網線，開機，這時電腦能夠上網嗎？
通常你必須做一些設置。有時，管理員（或者ISP）會告訴你下面四個參數，你把它們填入操作系統，計算機就能連上網了：
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- * 本機的IP地址；
- * 子網掩碼；
- * 網關的IP地址；
- * DNS的IP地址。
下圖是Windows系統的設置窗口：
這四個參數缺一不可，后文會解釋為什么需要知道它們才能上網。由于它們是給定的，計算機每次開機，都會分到同樣的IP地址，所以這種情況被稱作"靜態IP地址上網"。但是，這樣的設置很專業，普通用戶望而生畏，而且如果一臺電腦的IP地址保持不變，其他電腦就不能使用這個地址，不夠靈活。出于這兩個原因，大多數用戶使用"動態IP地址上網"。
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5.2動態IP地址
所謂"動態IP地址"，指計算機開機后，會自動分配到一個IP地址，不用人為設定。它使用的協議叫做DHCP協議。
這個協議規定，每一個子網絡中，有一臺計算機負責管理本網絡的所有IP地址，它叫做"DHCP服務器"。新的計算機加入網絡，必須向"DHCP服務器"發送一個"DHCP請求"數據包，申請IP地址和相關的網絡參數。
前面說過，如果兩臺計算機在同一個子網絡，必須知道對方的MAC地址和IP地址，才能發送數據包。但是，新加入的計算機不知道這兩個地址，怎么發送數據包呢？DHCP協議做了一些巧妙的規定。
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5.3DHCP協議
首先，它是一種應用層協議，建立在UDP協議之上，所以整個數據包是這樣的：
- 1）最前面的"以太網標頭"：設置發出方（本機）的MAC地址和接收方（DHCP服務器）的MAC地址。前者就是本機網卡的MAC地址，后者這時不知道，就填入一個廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
- 2）后面的"IP標頭"：設置發出方的IP地址和接收方的IP地址。這時，對于這兩者，本機都不知道。于是，發出方的IP地址就設為0.0.0.0，接收方的IP地址設為255.255.255.255。
- 3）最后的"UDP標頭"：設置發出方的端口和接收方的端口。這一部分是DHCP協議規定好的，發出方是68端口，接收方是67端口。
這個數據包構造完成后，就可以發出了。以太網是廣播發送，同一個子網絡的每臺計算機都收到了這個包。因為接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是發給誰的，所以每臺收到這個包的計算機，還必須分析這個包的IP地址，才能確定是不是發給自己的。當看到發出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服務器知道"這個包是發給我的"，而其他計算機就可以丟棄這個包。
接下來，DHCP服務器讀出這個包的數據內容，分配好IP地址，發送回去一個"DHCP響應"數據包。這個響應包的結構也是類似的，以太網標頭的MAC地址是雙方的網卡地址，IP標頭的IP地址是DHCP服務器的IP地址（發出方）和255.255.255.255（接收方），UDP標頭的端口是67（發出方）和68（接收方），分配給請求端的IP地址和本網絡的具體參數則包含在Data部分。
新加入的計算機收到這個響應包，于是就知道了自己的IP地址、子網掩碼、網關地址、DNS服務器等等參數。
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5.4上網設置：小結
這個部分，需要記住的就是一點：不管是"靜態IP地址"還是"動態IP地址"，電腦上網的首要步驟，是確定四個參數。
這四個值很重要，值得重復一遍：
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- * 本機的IP地址；
- * 子網掩碼；
- * 網關的IP地址；
- * DNS的IP地址。
有了這幾個數值，電腦就可以上網"沖浪"了。接下來，我們來看一個實例，當用戶訪問網頁的時候，互聯網協議是怎么運作的。
6、一個實例：訪問網頁
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6.1本機參數
我們假定，經過上一節的步驟，用戶設置好了自己的網絡參數：
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- * 本機的IP地址：192.168.1.100；
- * 子網掩碼：255.255.255.0；
- * 網關的IP地址：192.168.1.1；
- * DNS的IP地址：8.8.8.8。
然后他打開瀏覽器，想要訪問Google，在地址欄輸入了網址：www.google.com。
這意味著，瀏覽器要向Google發送一個網頁請求的數據包。
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6.2DNS協議
我們知道，發送數據包，必須要知道對方的IP地址。但是，現在，我們只知道網址www.google.com，不知道它的IP地址。DNS協議可以幫助我們，將這個網址轉換成IP地址。已知DNS服務器為8.8.8.8，于是我們向這個地址發送一個DNS數據包（53端口）。
然后，DNS服務器做出響應，告訴我們Google的IP地址是172.194.72.105。于是，我們知道了對方的IP地址。
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6.3子網掩碼
接下來，我們要判斷，這個IP地址是不是在同一個子網絡，這就要用到子網掩碼。
已知子網掩碼是255.255.255.0，本機用它對自己的IP地址192.168.1.100，做一個二進制的AND運算（兩個數位都為1，結果為1，否則為0），計算結果為192.168.1.0；然后對Google的IP地址172.194.72.105也做一個AND運算，計算結果為172.194.72.0。這兩個結果不相等，所以結論是，Google與本機不在同一個子網絡。
因此，我們要向Google發送數據包，必須通過網關192.168.1.1轉發，也就是說，接收方的MAC地址將是網關的MAC地址。
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6.4應用層協議
瀏覽網頁用的是HTTP協議，它的整個數據包構造是這樣的：
HTTP部分的內容，類似于下面這樣：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 | GET / HTTP/1.1 Host: [url=http://www.google.com]www.google.com[/url] 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: ... ... |
我們假定這個部分的長度為4960字節，它會被嵌在TCP數據包之中。
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6.5TCP協議
TCP數據包需要設置端口，接收方（Google）的HTTP端口默認是80，發送方（本機）的端口是一個隨機生成的1024-65535之間的整數，假定為51775。TCP數據包的標頭長度為20字節，加上嵌入HTTP的數據包，總長度變為4980字節。
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6.6IP協議
然后，TCP數據包再嵌入IP數據包。IP數據包需要設置雙方的IP地址，這是已知的，發送方是192.168.1.100（本機），接收方是172.194.72.105（Google）。IP數據包的標頭長度為20字節，加上嵌入的TCP數據包，總長度變為5000字節。
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6.7以太網協議
最后，IP數據包嵌入以太網數據包。以太網數據包需要設置雙方的MAC地址，發送方為本機的網卡MAC地址，接收方為網關192.168.1.1的MAC地址（通過ARP協議得到）。
以太網數據包的數據部分，最大長度為1500字節，而現在的IP數據包長度為5000字節。因此，IP數據包必須分割成四個包。因為每個包都有自己的IP標頭（20字節），所以四個包的IP數據包的長度分別為1500、1500、1500、560。
6.8服務器端響應
經過多個網關的轉發，Google的服務器172.194.72.105，收到了這四個以太網數據包。根據IP標頭的序號，Google將四個包拼起來，取出完整的TCP數據包，然后讀出里面的"HTTP請求"，接著做出"HTTP響應"，再用TCP協議發回來。
本機收到HTTP響應以后，就可以將網頁顯示出來，完成一次網絡通信。
這個例子就到此為止，雖然經過了簡化，但它大致上反映了互聯網協議的整個通信過程。
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本文轉載自52im,作者：JackJiang
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