一层层了解网络通信协议
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发布时间：2022-09-18 21:40
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时间：2023-10-23 10:07
互联网的实现，分为好几层，每一层都有自己特有的功能，而且每一层都靠下一层支持。用户接触到的，只是最上面的一层，我们称为应用层，要理解互联网，必须从最下层开始，自下而上的理解每一层的功能。
我们常见的网络模型，有以下三种：
它们之间的关系如下图所示
其中， 理论五层模型 是综合 OSI七层 和 TCP/IP四层 的优点，采用的一种原理体系结构。我们接下来的探讨也是基于 理论五层模型 来展开的。
理论五层模型 的结构如下图
各层的作用如下：
简单说，越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户。
每一层都是为了完成某一种功能。为了实现这些功能，需要遵守一些共同的规则，这些规则就是 协议(protocol) 。
互联网的每一层，都定义了很多协议。这些协议的总称，叫做 互联网协议(Internet Protocol Suite) ，它们是互联网的核心。
下面的内容中，我们通过每一层的功能的介绍，对每一层中的主要协议所起作用进行讲解。
电脑要进行联网，需要把电脑通过各种设备连接进网络，设备有光缆、电缆、双绞线、无限电波等方式。
物理层是用于传输信号的介质，它传输的是 0和1 的电信号。但是关于电信号如何分组,每个信号位有何意义并没有规定。
这就是 数据链路层 的功能，它在 物理层 的上方，确定了0和1的分组方式，用于两个设备(同一种数据链路结点)之间进行信息传递。
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) ，每一帧分为两个部分： 标头(Head) 和 数据(Data) 。
MTU是链路层对物理层的*。
由于链路层存在MTU的*，导致网络层的报文如果超过1500字节，就必要要对其进行分片发送。
上面我们提到，以太网数据包的 标头 ，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个十六进制数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。
定义地址只是第一步，后面还有更多的步骤：
上图中，5号计算机向3号计算机 发送一个数据包 ，同一个子网络的1号、2号、3号、4号、6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 接收这个包 ，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。
以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，成都的网卡就可以找到休斯顿的网卡了，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，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。这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。
互联网是无数子网络共同组成的一个巨型网络，很像想象成都和休斯顿的电脑会在同一个子网络，这几乎是不可能的。
因此，必须找到一种方法，能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络，哪些不是。如果是 同一个子网络 ，就采用 广播 方式发送， 否则 就采用 路由 方式发送。（ 路由 的意思，就是指如何向不同的子网络分发数据包，这是一个很大的主题，本文不涉及。）遗憾的是，MAC地址本身无法做到这一点。它只与厂商有关，与所处网络无关。
这就导致了 网络层 的诞生。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。
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协议的第四版和第六版，分别称为IPv4和IPv6。
互联网上的每一台计算机，都会分配到一个IP地址。这个地址分成 两个部分 ， 前一部分代表网络，后一部分代表主机 。比如，IP地址14.215.177.39，这是一个32位的地址，假定它的网络部分是前24位（14.215.177），那么主机部分就是后8位（最后的那个1）。处于同一个子网络的电脑，它们IP地址的网络部分必定是相同的，也就是说14.215.177.2应该与14.215.177.1处在同一个子网络。
但是，问题在于单单从IP地址，我们无法判断网络部分。还是以14.215.177.39为例，它的网络部分，到底是前24位，还是前16位，甚至前28位，从IP地址上是看不出来的。
那么，怎样才能从IP地址，判断两台计算机是否属于同一个子网络呢？这就要用到另一个参数 子网掩码 （subnet mask）。
子网掩码：
我们知道，IPv4的地址只有32位，地球上网民数量已经远远超出这个数字，那么，为啥至今还没出现地址枯竭呢？
因为我们还有一些技术，可以变相的缓解地址不足，比如NAT技术。
NAT（Network Address Translation，网络地址转换）
IPv6拥有128位巨大的地址空间，对于那么大的空间，也不是随意的划分，而是使用按照bit位进行号段划分。
IPv6地址结构如下图
例如 RFC4291 中定义了n=48, m=16，也就是子网和接口ID与各占64位。
IPv6没有子网掩码mask的概念，它支持的是 子网前缀标识方法 。
使用 IPv6地址/前缀长度 表示方法，例如：
可以看到，一个IPv6的地址有子网前缀+接口ID构成，子网前缀由地址分配和管理机构定义和分配，而接口ID可以由各操作系统实现生成。
IPv6是用来解决IPv4 地址枯竭 问题的，IPv4地址为32位，而IPv6地址为 128位
除了地址数量以外，IPv6还有很多优点，例如：
如上所述，IP协议的作用主要有两个：
根据IP协议发送的数据，就叫做 IP数据包 。我们直接把IP数据包直接放进以太网数据包的"数据"部分，不用修改以太网的规格。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。
具体来说，IP数据包也分为 标头 和 数据 两个部分：
其中， 标头 范围为 20-60字节 ( IPv6固定为40字节 )， 整个 数据包的总长度 最大为65535字节 。因此， 理论上 ，一个IP数据包的 数据部分 ， 最长为65515字节 。
如图所示，标头中 20字节是固定不变的 ，它包含了版本、长度、IP地址等信息，另外还有可变部分的标头可选。而数据则是IP数据包的具体内容。
将它放入以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样：
在以太网协议中，以太网数据包的数据部分，最长只有1500字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。
关于网络层，还有最后一点需要说明。因为IP数据包是放在以太网数据包里发送的，所以我们必须同时知道 两个地址 ，一个是对方的 MAC地址 ，另一个是对方的 IP地址 。通常情况下，对方的IP地址是已知的，但是我们 不知道它的MAC地址 。
所以，我们需要一种机制，能够从IP地址得到MAC地址。
这里又可以分成两种情况：
总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络内的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。
ARP攻击是利用ARP协议设计时缺乏安全验证漏洞来实现的，通过伪造ARP数据包来窃取合法用户的通信数据，造成影响网络传输速率和盗取用户隐私信息等严重危害。
ARP攻击主要是存在于局域网网络中，局域网中若有一台计算机感染ARP木马，则感染该ARP木马的系统将会试图通过“ARP欺骗”手段截获所在网络内其它计算机的通信信息，并因此造成网内其它计算机的通信故障。
局域网中比较常见的ARP攻击包括：上网时断时续，拷贝文件无法完成，局域网内的ARP包激增。出现不正常的MAC地址，MAC地址对应多个IP地址，网络数据发不出去了，网上发送信息被窃取，个人PC中毒局域网内MAC地址泛洪使MAC地址缓存表溢出等问题。据包的协议地址不匹配，从而在网络中产生大量的ARP。
在局域网环境中，ARP攻击是主要的安全威胁，在传统网络中主要是通过静态绑定的方式来解决，但是这种方式*了网络扩展的易用性。
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。
接下来的问题是，同一台主机上有许多程序都需要用到网络，比如，你一边浏览网页，一边与朋友在线聊天。当一个数据包从互联网上发来的时候，你怎么知道，它是表示网页的内容，还是表示在线聊天的内容？
也就是说，我们还需要一个参数，表示这个数据包到底供哪个 程序（进程） 使用。这个参数就叫做 端口 （port），它其实是每一个使用网卡的程序的编号。每个数据包都发到主机的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的数据。
端口是0到65535之间的一个整数，正好16个二进制位。0到1023的端口被系统占用，用户只能选用大于1023的端口。不管是浏览网页还是在线聊天，应用程序会随机选用一个端口，然后与服务器的相应端口联系。
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。
现在，我们必须在数据包中加入端口信息，这就需要新的协议。最简单的实现叫做UDP协议，它的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。
UDP数据包，也是由标头和数据两部分组成：
UDP数据包非常简单，标头部分一共只有8个字节，总长度不超过65,535字节，正好放进一个IP数据包。
UDP协议的优点是比较简单，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。为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。这个协议非常复杂，但可以近似认为，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。
因此，TCP协议能够确保数据不会遗失。它的缺点是过程复杂、实现困难、消耗较多的资源。
TCP数据包和UDP数据包一样，都是内嵌在IP数据包的数据部分。 TCP数据包没有长度*，理论上可以无限长 ，但是为了保证网络的效率， 通常 TCP数据包的长度 不会超过IP数据包的长度 ，以确保单个TCP数据包不必再分割。
应用程序收到传输层的数据，接下来就要进行解读。由于互联网是开放架构，数据来源五花八门，必须事先规定好格式，否则根本无法解读。应用层的作用，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：
