作者：[DeppWang](https:/https://img.qb5200.com/download-x/depp.wang)
互联网上的数据能从一台设备发送到另一台设备，整个过程由[互联网协议](https://zh.wikipedia.org/wiki/TCP/IP协议族)（ Internet Protocol Suite）实现的。
对于互联网协议，一直一知半解。知道会分为几层，但为什么分层，分层有什么好处，都不甚理解。通过[阮一峰](www.ruanyifeng.com)的这两篇文章，大概有了一个初步认识，下面是我对互联网协议的理解。
- [互联网协议入门（一）_阮一峰_](http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html)
- [互联网协议入门（二）_阮一峰_](http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html)
## 一、五层模型
我也认为将互联网协议分为五层，可以更好的去理解它，从上往下分别是：应用层、传输层、网络层、（数据）链路层（链接层）和物理层（实体层）。如果死记硬背，往往过几天就忘了，所以需要了解其原理，当我们理解了全文，让我们去说文章的名字，那还不是轻而易举吗！
大多数文章或书籍都是从上往下来讲解互联网协议，但是个人感觉总是没有深入其理，阮一峰**自下而上**的讲解每一层的功能，让人记忆深刻。我也依葫芦画瓢，先自下而上分析一下每一层的功能，再结合 [Wireshark](https://www.wireshark.org/) 抓包工具，来稍稍看看互联网协议的真面目。
### 1.1 层与协议
为什么叫某某层？为什么要分层？层是什么？
我觉得层这个叫法很形象，一层一层，好像平行，各自独立。维基百科的解释是：「**整个通信网络的任务，可以划分成不同的功能区块，即所谓的层级（[layer](https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=Layer&action=edit&redlink=1)）**」，我们可以理解为，每一层是实现了一个功能，有不同的分工。就跟写代码一样，如果把所有功能放一起，改一行代码就可能影响全部，所以根据不同功能拆成不同的方法。我觉得叫什么不重要，可以叫应用块、应用组，等等。**主要知道，每一层是为了完成一个功能就行。**
我们知道，每一层都有自己对应的协议（Protocol），比如，网络层有 IP 协议。那何为协议？跟这个层又有什么关联？维基百科上有这么一句话：「网络层功能由 IP 协议规定和实现，故又称 IP 层」。我们可以看出，每一层的功能其实是协议来规定和实现的。所以，协议可以理解为，**有大家都遵守的规则（规定），并负责去实现这个规则。**
## 二、物理层（Physcial Layer）
我们电脑现在不用插网线就能上网（连 WIFI），但是路由器插网线了，在家里，路由器一般又需要通过一根网线连接入户光纤盒（又称为光猫），光纤盒又需要通过一根光纤连接到其他设备。电脑连接 WiFi，电脑的数据发送到路由器，是通过无线电波。所以传输数据需要物理载体，类似网线、光纤、无线电波。**我们将传输数据的物理载体称为物理层（Physcial Layer）**。为什么我们访问美国的网站就慢一些，因为美国网站的服务器在美国，数据通过海底光缆传输，耗时会久一些。这也是为什么很多公司要在不同城市部署服务器的原因之一吧。
数据在物理载体中传输，传输的是什么呢？**是 0 和 1 组成的电信号**，为什么是 0 和 1 组成的电信号呢？这个吧，姑且通过类比的方式来解释，因为计算机只能识别 0 1 二进制，所以要传输 0 和 1 组成的电信号吧。
## 三、链路层（Link Layer）
物理层只是一个传输载体，没有「自主意识」， 我们需要借助物理层上的[链路层](https://zh.wikipedia.org/wiki/数据链路层)（Link Layer），**链路层的功能：将数据从一处发送到另一处**，链路层在发送方和接收方都有，在发送方：链路层将数据转换为电信号，并将其发送出去；在接收方：链路层收到电信号，并将电信号转换为数据。链路层和物理层之间的关系可以这样表示：
在[局域网](https://zh.wikipedia.org/wiki/局域网)内，将数据从一处发送到另一处需要使用[以太网](https://zh.wikipedia.org/wiki/以太网)（Ethernet）。**局域网的通俗理解，连接同一个 [WiFi](https://zh.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi) （路由器 Router）的设备在同一个局域网内。**
### 3.1 以太网
以太网是一种局域网技术，它可以实现局域网内的设备通信，我们现在电脑一般连 WiFi，WiFi 可以认为是「无线以太网」。
我们可以理解为，**在局域网内，链路层的功能其实是由以太网实现的**（局域网外的链路层比较复杂，本文不讨论）。 局域网内的链路层和以太网的关系可以这样表示（物理层作为以太网的传输载体）：
**以太网需要规定电信号的格式，以便双方解读**。以太网规定一组电信号为一个数据包，叫帧（Frame），帧包含两部分，标头（Head）和数据（Data），标头包含发送方地址、接收方地址等信息，数据则是数据包的具体内容。我们一般将帧称为以太网数据包，或者[以太帧](https://zh.wikipedia.org/wiki/以太网帧格式)，以太帧格式类似下面这样：
每台网络设备都有自己的网卡，**以太网是将数据从一块[网卡](https://zh.wikipedia.org/wiki/网卡)发送到另一块网卡**，每块网卡需要有自己的「SFZ号」，叫 [MAC 地址](https://zh.wikipedia.org/wiki/MAC地址)（iPhone 手机的 MAC 地址叫无线局域网地址），由 12 个十六进制数表示：
> MAC地址：（**M**edia **A**ccess **C**ontrol Address），直译为媒体存取控制位址，也称为局域网地址（LAN Address），**以太网地址**（Ethernet Address）或**物理地址**（Physical Address），它是一个用来确认网络设备位置的地址。
所以以太网发送前需要知道接收方网卡的 MAC 地址，即标头的接收方地址，但正常情况下，不知道接收方 MAC 地址，需要使用 [ARP 协议](https://zh.wikipedia.org/wiki/地址解析协议)得到（这个本文后面解释）
假设已经知道了 MAC 地址，那么在局域网内，以太网可以根据 MAC 地址，将数据发送给对方。但如果对方没有在一个局域网内，如何发送给对方呢？此时，就需要[网络层](https://zh.wikipedia.org/wiki/网络层)（Network Layer）出马了！
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以太网在 Windows 中的体现：
在 macOS 的体现： [PPPoE](https://zh.wikipedia.org/wiki/PPPoE)（英语：**P**oint-to-**P**oint **P**rotocol **o**ver **E**thernet），以太网上的点对点协议。
## 四、网络层（Network Layer）
首先，我们要区分接收方是否在一个局域网，使用 MAC 地址不能区分，需要设备有另外一个地址，能代表它所处的具体是哪个网络（局域网），我们称这个地址为「**网络地址**」。
**网络层的作用，就是根据网络地址找到目的主机处于哪一个局域网**。实现这一功能的协议称为网络协议，即 [IP 协议](https://zh.wikipedia.org/wiki/网际协议) 。网络地址用于 IP 协议，所以网络地址也可以叫它 IP 地址。**注意**：我们叫 IP 协议，是一种习惯，其实 IP(**I**nternet **P**rotocol) 本身就有协议的意思。
如果设备连 WiFi，路由器会为设备分配一个 IP 地址。
### 4.1 IP 协议
> **IP** 协议：英语全称为：**I**nternet **P**rotocol，即**网络协议**，也称**网际协议**。
现在大部分使用的还是 IP 协议第四版，简称 IPv4，IP 地址为 32 位（4*8，二进制）。
有了 IP 地址，网络层可以通过 IP 地址来区分是否处于一个局域网。如何根据 IP 地址判断设备是否处于同一个局域网？答案是利用[子网掩码](https://zh.wikipedia.org/wiki/子网#网络掩码)。IP 地址分为两部分，网络部分和主机部分，如果子网掩码为 `255.255.255.0`（二进制表示：`11111111.11111111.11111111.00000000`），表示前 24 位代表网络部分，如果两个 IP 地址前 24 位相同，则代表是在同一个局域网中。
### 4.2 IP 数据包
数据经过网络层，IP 协议为数据加上包含发送方 IP 地址和接收方 IP 地址的标头，包装为 IP 数据包：
IP 数据包到达链路层时，直接作为作为以太帧的数据部分，嵌入以太帧。此时的以太帧的格式如下：
如果通过子网掩码判断接收方在一个局域网，就通过以太网发送，此时需要得到其 MAC 地址，前面说，需要 ARP 协议得到其 MAC 地址，何为 ARP 协议？
### 4.3 ARP 协议
ARP 协议，英语全称为：**A**ddress **R**esolution **P**rotocol，即地址解析协议，是一种通过 IP 地址得到 MAC 地址的协议。默认情况，发送方知道接收方的 IP 地址（通过 [DNS](https://zh.wikipedia.org/wiki/域名系统) 得到，这个又后面解释），所以发送方使用「广播」（broadcasting）的方式给当前局域网所有主机发送一个以太帧，包含对方的 IP 地址，对方 MAC 地址设为 `ff:ff:ff:ff:ff:ff`，接收方根据接收者 IP 地址判断自己是否为接收者，是，就发送一个数据包告诉对方自己的 MAC 地址，不是，就丢弃这个包。
通过这种方式，发送方就可以通过接收方的 IP 地址得到 MAC 地址。
如果通过子网掩码判断接收方不在一个局域网，通过 APR 协议就得不到对方的 MAC 地址，那就要使用[路由](https://zh.wikipedia.org/wiki/路由)（Route）的方式发送了。
### 4.4 路由
路由，简单来说，就是得到路由器的 MAC 地址，数据先发送到[路由器](https://zh.wikipedia.org/wiki/路由器)（Router），由路由器来发送下一个路由器，通过一系列路由中转，最后发给目标主机。
其实就像发送快递一样，在快递上写上收件人的地址，由快递点发送给下一个中转站，再中转，最后收件人收到快递。
一个简单的路由器，需要实现 IP 协议和链路层协议。
如果把上面的过程说的仔细一点，以太网是将以太帧发送给路由器链路层，路由器链路层将数据包发送给路由器网络层，路由器有一个路由表，网络层在路由表找到跟当前路由器相连的、离目的主机最近的路由器，路由器通过 ARP 协议，得到下一个路由器的 MAC 地址，让路由器链路层根据 MAC 地址，发送给下一个路由器。通过一系列中转，来到目的主机所在的路由器。使用同样的方式，通过以太网将以太帧发送给目的主机。整个过程大概是这样：
我们常说，网络层负责寻址和路由，寻址就是寻找最近的 IP 地址，路由就是找到最近的路由 MAC 地址（我这么理解，不一定正确）。我们可以理解为：整个通信过程中的网络层负责寻址和路由，发送方的网络层其实负责它自己的寻址和路由。
## 五、传输层（Transport Layer）
网络层和链路层实现了互联网任意两台主机之间的网络通信，此时还有两个问题，**1、设备不止一个程序，具体发送给哪一个程序？2、没有保证数据包能发送成功。**
这时候就需要[传输层](https://zh.wikipedia.org/wiki/传输层)（Transport Layer），**传输层的功能是保证数据能可靠传输到对方主机的应用程序上。**
应用是进程，**每个进程使用网卡时，需要有一个编号，这个编号就是端口**。系统默认占用 0 到 1023 的端口，系统会为软件随机分配 1024 到 65535 之间的端口。 常见术语套接字（Socket）就是 IP 地址 + 端口的组合称谓。
传输层要为发送的数据包中增加发送方和接收方的端口号。
传输层功能实现一般有两种协议，1 是 [TCP 协议](https://zh.wikipedia.org/wiki/传输控制协议)，2 是 [UDP 协议](https://zh.wikipedia.org/wiki/用户数据报协议)。
### 5.1 TCP 协议
> **TCP** 协议，英语全称为：**T**ransmission **C**ontrol **P**rotocol，即，**传输控制协议**
TCP 协议使用用三次握手来保证线路的可靠，失败后，有失败重传机制，它是一个很复杂的协议，传输层的称谓，也是来源于 TCP 这个 **传输控制协议**。
TCP 协议发送的数据包叫 TCP 数据包，它的标头包含发送方端口和接收方端口，
它发送数据包给网络层，网络层将 TCP 数据包作为 IP 数据包的数据部分，再发给链路层。此时以太帧格式如下：
因为以太帧有长度限制，TCP 协议没有规定数据的长度，所以当 TCP 数据包过长时，以太帧装不下，此时 TCP 数据包需要切分为多个 TCP 数据包。我们常常看到有的书籍说：传输层负责「请求报文」的分割。这就是传输层为什么要分割「请求报文」的缘故。
传输层保证数据的「可靠传输」，这句话常常被我们误解为，是由传输层传输数据，现在我们知道，传输数据的其实是链路层，传输层其实只是失败重传（当然不止这一个功能，这里这么说是为了方便理解）。所以这句话的重点在于**可靠**，不在传输。
### 5.2 UDP 协议
> **UDP 协议**，英语全称为： **U**ser **D**atagram **P**rotocol，即**用户数据包协议**
传输层有一种简单的协议，叫 UDP 协议，UDP 协议只是为数据简单的加上包含发送方端口和接收方端口的标头，就将 UDP 数据包扔给网络层，它不保证是否能成功的发送给接收方，它是一种不可靠的传输协议。因为简单，减少了时间开销，常用于对时间有较高要求的应用程序。
## 六、应用层（Application Layer）
链路层、网络层、传输层实现了数据包能从主机应用发送到目的主机应用。正常情况下，网络上主要传输的数据是应用产生的。传输的数据各种各样，有网络请求，有电子邮件等等。数据需要由[应用层](https://zh.wikipedia.org/wiki/应用层)（Application Layer）封装，即规定数据的格式。
规定「网络请求数据」格式的是 [HTTP 协议](https://zh.wikipedia.org/wiki/超文本传输协议)。可以说，HTTP 协议是应用层的一种实现。
### 6.1 HTTP 协议
> **HTTP 协议**：英文全称为：H**yper**T**ext **T**ransfer **P**rotocol，即超文本转移（传输）协议
当我们打开百度首页时，输入的就是一个网址 `www.baidu.com`，这是一个 GET 请求，HTTP 协议将请求封装为应用层数据包。这样，百度的服务器应用层就可以根据 HTTP 协议来解析数据包。
HTTP 请求的数据包一般称为请求报文，分为报文首部和报文主题，报文首部即为请求头，请求头格式如下：
包含的应用层数据包的以太帧格式如下：
### 6.2 DNS
> **DNS**：英语全称为： **D**omain **N**ame **S**ystem，即**域名系统**
类似 `www.baidu.com` 这样的网址域名，是为了用户方便记忆，网络通信时，需要将域名转换为 IP 地址，这是由 [DNS](https://zh.wikipedia.org/wiki/域名系统) 负责的，它也属于应用层。
## 七、WireShark 抓包分析
当 Mac 连 WIFI 后，可以在「设置->网络」中看见下面这些内容：
此时电脑，有自己的 IP 地址、MAC 地址、还知道路由器的 IP 地址、DNS 服务器地址（由路由器负责域名解析，所以 DNS 地址其实就是 IP 地址）和当前的子网掩码。还可以看出，路由器动态分配 IP 地址是由 [DHCP](https://zh.wikipedia.org/wiki/动态主机设置协议) 实现的。
通过打开百度首页，结合抓包工具 Wireshark 来看看网络通信过程中的数据包的内容。
关于如何使用 Wireshark，请看 [使用 wireshark 学习网络协议](https://juejin.im/post/5c87059ae51d452f3f64b110)。通过 `ping www.baidu.com` 得到百度的 IP 地址为 `61.135.169.121`，在 Wireshark 中配置过滤条件后，通过使用命令 `curl www.baidu.com` 来模拟打开百度首页：
此时在 Wireshark 中可以看出，TCP 协议发送了以太帧，以太帧的格式是：Ethernet II 标头 + IP 4 标头 + TCP 标头 + TCP 数据，TCP 标头显示源端口为 53732，目的地端口为 80；IP 标头显示源 IP 地址为 `192.168.31.206`，目的地 IP 地址为 `61.135.169.121`；以太网标头显示源 MAC 地址为 `f0:18:98:46:bf:65`，目的地 MAC 地址为 `28:6c:07:9d:e2:8e`（小米路由器地址）。帧的长度为 78 字节，TCP 数据包的长度为 44 个字节。
这与我们前面说的相符合，目的主机不在同一个局域网，通过以太网发送以太帧给路由器，再由路由器负责路由发送。
前三个数据包为 TCP 的 3 次握手，接着发送了 HTTP 数据包，HTTP 数据包包含了请求的内容：
整个过程：先使用 TCP 协议完成了 3 次握手，然后使用 HTTP 协议发送了 GET 请求，接收到了百度的 HTTP 响应，最后使用 TCP 协议完成了 4 次挥手。
## 八、总结
互联网协议整个网络通信过程可以用下面这张图描述：
对于发送方的数据处理，**这个过程像是一个俄罗斯套娃的过程**：
如果用发快递来类比一下：
```
应用层：将物体打包为快递
|
传输层：为快递填上收件人门牌号；如果快递丢失重新发送
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网络层：为快递填上收件人小区地址；并根据收件人小区地址，找到下一个快递中转站的地址，最终找到整个线路
|
链路层：为快递填上下一个中转地地址；并负责将快递发往到下一个中转站
|
物理层：运快递的车
```
在互联网协议中，因为 TCP/IP 协议最重要，所以互联网协议也可以叫做 「**TCP/IP 协议族**」。
此文只是个人对互联网协议的浅显理解，毕竟没有深入研究，可能有诸多不当处，欢迎留言指出。
最后我想说一句，阮一峰牛逼。有的知识点是知道怎么回事，就是不能正确的表达出来，遣词排句真的很需要功力，真的需要常年累月的积累。
## 九、延伸阅读
- [互联网协议入门（一）_阮一峰_](http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/05/internet_protocol_suite_part_i.html)
- [互联网协议入门（二）_阮一峰_](http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/06/internet_protocol_suite_part_ii.html)
- [使用wireshark学习网络协议](https://juejin.im/post/5c87059ae51d452f3f64b110)
