全世界幾十億臺電腦，連接在一起，兩兩通信。上海的某一塊網(wǎng)卡送出信號，洛杉磯的另一塊網(wǎng)卡居然就收到了，兩者實(shí)際上根本不知道對方的物理位置，你不覺得這是很神奇的事情嗎？
五層模型?；ヂ?lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就像建筑物一樣，每一層都靠下一場支持。
用戶接觸到的，只是最上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要理解互聯(lián)網(wǎng)，必須從最下層開始，自下而上理解每一層的功能。
如何分層有不同的模型，有的模型分七層，有的分四層。我覺得，把互聯(lián)網(wǎng)分層五層，比較容易解釋。
應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈接層、實(shí)體層。
她們叫什么名字，其實(shí)并不重要。只需要知道，互聯(lián)網(wǎng)分成若干層就可以了。
層與協(xié)議： 每一層都是為了完成一種功能。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，就需要大家都遵守共同的規(guī)則（協(xié)議）。
1、實(shí)體層
：電腦要組網(wǎng)，第一件事要干什么？當(dāng)然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式
這就叫做“實(shí)體層”，她就是把電腦連接起來的物理手段。她主要規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)的一些電器特性，作用是負(fù)責(zé)傳送0和1的電信號。
2、鏈接層
： 單純的0和1沒有任何意義，必須規(guī)定解讀方式：多少個電信號算一組？每個信號位有何意義？
這就是“鏈接層”的功能，她在實(shí)體層的上方，確定了0和1的分組方式。
以太網(wǎng)協(xié)議
： 早期的時候，每家公司都有自己的電信號分組方式。逐漸的，一種叫做“以太網(wǎng)”（Ethernet）的協(xié)議，占據(jù)了主導(dǎo)地位。
以太網(wǎng)規(guī)定，一組電信號構(gòu)成一個數(shù)據(jù)包，叫做“幀”（Frame）。每一幀分成兩個部分：標(biāo)頭（head）和數(shù)據(jù)（data）
“標(biāo)頭”包含數(shù)據(jù)包的一些說明項(xiàng)，比如發(fā)送者、接受者、數(shù)據(jù)類型等等，“數(shù)據(jù)”則是數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。
“標(biāo)頭”的長度，固定為18字節(jié)?！皵?shù)據(jù)”的長度，最短為46字節(jié)，最長為1500字節(jié)。因此，整個幀最短為64字節(jié)，
最長為1518字節(jié)。如果數(shù)據(jù)很長，就必須分割成多個幀進(jìn)行發(fā)送。
MAC地址
上面提到，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的標(biāo)頭，包含了發(fā)送者和接受者的信息。那么，發(fā)送者和接受者是如何標(biāo)識呢？
以太網(wǎng)規(guī)定，連入網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備，都必須具有“網(wǎng)卡”接口。數(shù)據(jù)包必須是從一塊網(wǎng)卡，傳送到另一塊網(wǎng)卡。
網(wǎng)卡的地址，就是數(shù)據(jù)包的發(fā)送地址和接收地址，這叫做MAC地址。
每塊網(wǎng)卡出廠的時候，都有一個全世界獨(dú)一無二的MAC地址，長度是48個二進(jìn)制位，通常用12個十六進(jìn)制數(shù)
表示。
前6個十六進(jìn)制數(shù)是廠商編號，后6個是該廠商的網(wǎng)卡流水號。
有了MAC地址，就可以定位網(wǎng)卡和數(shù)據(jù)包的路徑了。
廣播
定義地址只是第一步，后面還有更多的步驟。
首先，一塊網(wǎng)卡怎么會知道另一塊網(wǎng)卡的MAC地址？
回答是有一種ARP（address resolution protocol地址解析協(xié)議）協(xié)議，可以解決這個問題。這個留到后面介紹，這里只需要知道，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包必須知道接收方的MAC地址，然后才能發(fā)送。
其次，就算有了MAC地址，系統(tǒng)怎樣才能把數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確送到接收方？
回答是以太網(wǎng)采用了一種很“原始”的方式，她不是把數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確的送到接收方，而是向本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有計算機(jī)發(fā)送，讓每臺計算機(jī)自己判斷，是否為接收方。
上圖中，1號計算機(jī)向2號計算機(jī)發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，同一個子網(wǎng)絡(luò)的3號、4號、5號計算機(jī)都會收到這個包。她們
讀取這個包的“標(biāo)頭”，找到接收方的MAC地址，然后與自身的MAC地址相比較，如果兩者相同，就接受這個包，
做進(jìn)一步處理，否則就丟棄這個包。這種發(fā)送方式就叫做“廣播”
有了數(shù)據(jù)包的定義、網(wǎng)卡的MAC地址、廣播的發(fā)送方式，“鏈接層”就可以在多臺計算機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)了。
3、網(wǎng)絡(luò)層：
以太網(wǎng)協(xié)議，依靠MAC地址發(fā)送數(shù)據(jù)。理論上，單單依靠MAC地址，上海的網(wǎng)卡就可以找到洛杉磯的網(wǎng)卡了，技術(shù)上是可以實(shí)現(xiàn)的。（只要她們處于同一個“子”網(wǎng)絡(luò)“這是由物理層決定的”，接收方可以接收廣播。局域網(wǎng)吧？）
但是，這樣做有一個重大的缺點(diǎn)。以太網(wǎng)采用廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，所有成員人手一“包”，不僅效率低，而且局限在發(fā)送者所在的子網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)？局域網(wǎng)屬于子網(wǎng)絡(luò)）。
也就是說，如果兩臺計算機(jī)不在同一個子網(wǎng)絡(luò)，廣播是傳不過去的。這種設(shè)計是合理的，否則互聯(lián)網(wǎng)上每一臺計算機(jī)都會收到所有包（再分辨是不是發(fā)送給自己的），那會引起災(zāi)難。
互聯(lián)網(wǎng)是無數(shù)子網(wǎng)絡(luò)共同組成的一個巨型網(wǎng)絡(luò)，很難想象上海和洛杉磯的電腦會在同一個子網(wǎng)絡(luò)，這幾乎是不可能的。
因此，必須找到一種方法，能夠區(qū)分哪些MAC地址屬于同一個子網(wǎng)絡(luò)，哪些不是。如果是同一個子網(wǎng)絡(luò)，就采用
廣播方式發(fā)送，否則就采用“路由”方式發(fā)送。（路由的意思，就是指如何向不同的子網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)包，這是一個很大的主題，本文不涉及。）遺憾的是，MAC地址本身無法做到這一點(diǎn)。她只與廠商有關(guān)，與所處網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。
這就導(dǎo)致了“網(wǎng)絡(luò)層”的誕生。她的作用是引進(jìn)一套新的地址，使得我們能夠區(qū)分不同的計算機(jī)是否屬于同一個子網(wǎng)絡(luò)。這套地址就叫做“網(wǎng)絡(luò)地址”，簡稱“網(wǎng)址”。
于是，網(wǎng)絡(luò)層出現(xiàn)之后，每臺計算機(jī)有了兩種地址，一種是MAC地址，另一種是網(wǎng)絡(luò)地址。兩種地址之間沒有任何聯(lián)系，MAC地址是綁定在網(wǎng)卡上的，網(wǎng)絡(luò)地址則是管理員分配的，她們只是隨機(jī)組合在一起。
網(wǎng)絡(luò)地址幫助我們確定（計算機(jī)所在的）子網(wǎng)絡(luò)，MAC地址則將數(shù)據(jù)包送到（該子網(wǎng)絡(luò)中的）目標(biāo)網(wǎng)卡。
因此，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網(wǎng)絡(luò)地址，然后再處理MAC地址。
網(wǎng)絡(luò)層，之ip協(xié)議。
規(guī)定網(wǎng)絡(luò)地址的協(xié)議，叫做ip協(xié)議。她所定義的地址，就被稱為ip地址。
目前，廣泛采用的是ip協(xié)議第四版，簡稱ipv4.這個版本規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)地址由32個二進(jìn)制位組成。
習(xí)慣上，我們用分成四段的十進(jìn)制數(shù)表示ip地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。
互聯(lián)網(wǎng)上的每一臺計算機(jī)，都會分配到一個ip地址。這個地址分成兩個部分，前一部分代表網(wǎng)絡(luò)，后一部分代表主機(jī)。比如，ip地址172.16.254.1，這是一個32位的地址，假定她的網(wǎng)絡(luò)部分是前24位（172.16.254），那么主機(jī)部分就是后8位（最后那個1）。
處于同一個子網(wǎng)絡(luò)的電腦，她們ip地址的網(wǎng)絡(luò)部分必定是相同的。
也就是說172.16.254.2應(yīng)該與172.16.254.1處在同一個子網(wǎng)絡(luò)。
但是，問題在于單單從ip地址，我們無法判斷網(wǎng)絡(luò)部分。還是以172.16.254.1為例，她的網(wǎng)絡(luò)部分，到底是前24位，還是前16位，甚至前28位，從ip地址上是看不出來的。
那么，怎樣才能從ip地址，判斷兩臺計算機(jī)是否屬于同一個子網(wǎng)絡(luò)呢？這就要用到另一個參數(shù)“子網(wǎng)掩碼”（subnet mask）
所謂子網(wǎng)掩碼，就是表示子網(wǎng)特征的一個參數(shù)。她在形式上等同于ip地址，也是一個32位二進(jìn)制數(shù)字，她的網(wǎng)絡(luò)
部分全部為1，主機(jī)部分全部為0.比如，ip地址172.16.254.1，如果已知網(wǎng)絡(luò)部分是前24位，主機(jī)部分是后8位，
那么子網(wǎng)掩碼就是1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000，寫成十進(jìn)制就是255.255.255.0.
知道子網(wǎng)掩碼，我們就能判斷，任意兩個ip地址是否處在同一個子網(wǎng)絡(luò)。方法是將兩個ip地址與子網(wǎng)掩碼分別進(jìn)行
AND運(yùn)算（兩個數(shù)位都為1，運(yùn)算結(jié)果為1，否則為0），然后比較結(jié)果是否相同，如果是的話，就表面她們在同一個子網(wǎng)絡(luò)中，否則就不是。
比如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子網(wǎng)掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網(wǎng)絡(luò)？兩者與子網(wǎng)掩碼分別進(jìn)行AND運(yùn)算，結(jié)果都是172.16.254.0，因此它們在同一個子網(wǎng)絡(luò)。
總結(jié)一下，ip協(xié)議的作用主要有兩個，
一個是為每一臺計算機(jī)分配ip地址。
另一個是確定哪些地址在同一個子網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)層，之ip數(shù)據(jù)包。
根據(jù)ip協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)，就叫做ip數(shù)據(jù)包。不難想象，其中必定包括ip地址信息。
但是前面說過，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包只包含MAC地址，并沒有ip地址的欄位。那么是否需要修改數(shù)據(jù)定義，再添加一個欄位呢？
回答是不需要，我們可以把ip數(shù)據(jù)包直接放進(jìn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的“數(shù)據(jù)”部分，因此完全不用修改以太網(wǎng)的規(guī)格。這就是互聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)的好處：上層的變動完全不涉及下層的結(jié)構(gòu)。
具體來說，ip數(shù)據(jù)包也分為“標(biāo)頭”和“數(shù)據(jù)”兩個部分。
"標(biāo)頭"部分主要包括版本、長度、ip地址等信息，“數(shù)據(jù)”部分則是ip數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。
她放進(jìn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包變成了下面這樣。
ip數(shù)據(jù)包的“標(biāo)頭”部分的長度為20到60字節(jié)，整個數(shù)據(jù)包的總長度最大為65535字節(jié)。因此，理論上，一個ip數(shù)據(jù)包的“數(shù)據(jù)”部分，最長為65535-20=65515字節(jié)。前面說過，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的“數(shù)據(jù)”部分，最長只有1500字節(jié)。
因此，如果ip數(shù)據(jù)包超過了1500字節(jié)，她就需要分割成幾個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，分開發(fā)送了。
網(wǎng)絡(luò)層，之ARP協(xié)議。
因?yàn)閕p數(shù)據(jù)包是放在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包里發(fā)送的，所以我們必須同時知道兩個地址，一個是對方的MAC地址，另一個是對方的ip地址。通常情況下，對方的ip地址是已知的（后文會解釋），但是我們不知道她的MAC地址。
所以，我們需要一種機(jī)制，能夠從ip地址得到MAC地址。
這里又可以分成兩種情況。
1、如果兩臺主機(jī)不在同一個子網(wǎng)絡(luò)，那么事實(shí)上沒有辦法得到對方的MAC地址，只能把數(shù)據(jù)包傳送到兩個子網(wǎng)絡(luò)連接處的“網(wǎng)關(guān)”（gateway），讓網(wǎng)關(guān)去處理。
2、如果兩臺主機(jī)在同一個子網(wǎng)絡(luò)，那么我們可以用ARP協(xié)議，得到對方的MAC地址。ARP協(xié)議也是發(fā)出一個數(shù)據(jù)包（包含在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中），其中包含她所要查詢主機(jī)的ip地址，在對方的MAC地址這一欄，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示這是一個“廣播”地址。她所在子網(wǎng)絡(luò)的每一臺主機(jī)，都會收到這個數(shù)據(jù)包，與自身的ip地址進(jìn)行比較。如果兩者相同，就做出回復(fù)，向?qū)Ψ桨l(fā)報告自己的MAC地址，否則就丟棄這個包。
總之，有了ARP協(xié)議之后，我們就可以得到同一個子網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)MAC地址，可以把數(shù)據(jù)包發(fā)送到任意一臺主機(jī)之上了。
4、傳輸層
有了MAC地址和ip地址，我們已經(jīng)可以在互聯(lián)網(wǎng)上任意兩臺主機(jī)上建立通信。
接下來的問題是，同一臺主機(jī)上有許多程序都需要用到網(wǎng)絡(luò)，比如，你一邊瀏覽網(wǎng)頁，一邊與朋友在線聊天。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包從互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)來的時候，你怎么知道，她是表示網(wǎng)頁的內(nèi)容，還是表示在線聊天的內(nèi)容？
也就是說，我們還需要一個參數(shù)，表示這個數(shù)據(jù)包到底供哪個程序（進(jìn)程）使用。這個參數(shù)就叫做端口（port），她其實(shí)是每一個使用網(wǎng)卡的程序的編號。每個數(shù)據(jù)包都發(fā)到主機(jī)的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要
的數(shù)據(jù)。
端口是0到65535之間的一個整數(shù)，正好16個二進(jìn)制位。0到1023的端口被系統(tǒng)占用，用戶只能選用大于1023的端口。不管是瀏覽網(wǎng)頁還是在線聊天，應(yīng)用程序會隨機(jī)選用一個端口，然后與服務(wù)器的相應(yīng)端口聯(lián)系。
傳輸層的功能，就是建立“端口到端口”的通信。相比之下，網(wǎng)絡(luò)層的功能是建立“主機(jī)到主機(jī)”的通信。只要確定主機(jī)和端口，我們就能實(shí)現(xiàn)程序之間的交流。因此，Unix系統(tǒng)就把主機(jī)+端口，叫做“套接字socket”。有了她，就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)了。
傳輸層，之UDP協(xié)議。
現(xiàn)在，我們必須在數(shù)據(jù)包中加入端口信息，這就需要新的協(xié)議。最簡單的實(shí)現(xiàn)叫做UDP協(xié)議，她的格式幾乎就是在數(shù)據(jù)前面，加上端口號。
UDP數(shù)據(jù)包，也是有“標(biāo)頭”和“數(shù)據(jù)”兩部分組成
標(biāo)頭部分主要定義了發(fā)出端口和接收端口，數(shù)據(jù)部分就是具體的內(nèi)容。然后，把整個UDP數(shù)據(jù)包放入ip數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分，而前面說過，ip數(shù)據(jù)包又是放在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包之中的，所以整個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包現(xiàn)在變成了下面這樣：
UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包非常簡單，“標(biāo)頭”部分一共只有8個字節(jié)，總長度不超過65535字節(jié)，正好放進(jìn)一個ip數(shù)據(jù)包。
傳輸層，之TCP協(xié)議。
UDP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是缺點(diǎn)是可靠性較差，一旦數(shù)據(jù)包發(fā)出，無法知道對方是否收到。
為了解決這個問題，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，TCP協(xié)議就誕生了。這個協(xié)議非常復(fù)雜，但可以近似人為，她就是有確認(rèn)機(jī)制的UDP協(xié)議，每發(fā)出一個數(shù)據(jù)包都要求確認(rèn)。如果有一個數(shù)據(jù)包遺失，就收不到確認(rèn)，發(fā)出方就知道有必要重發(fā)這個數(shù)據(jù)包了。
因此，TCP協(xié)議能夠確保數(shù)據(jù)不會遺失。她的缺點(diǎn)是過程復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)困難、消耗較多的資源。
TCP數(shù)據(jù)包和UDP數(shù)據(jù)包一樣，都是內(nèi)嵌在ip數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分。TCP數(shù)據(jù)包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網(wǎng)絡(luò)的效率，通常TCP數(shù)據(jù)包的長度不會超過ip數(shù)據(jù)包的長度，以確保單個TCP數(shù)據(jù)包不必再分割。
5、應(yīng)用層
http協(xié)議
應(yīng)用程序收到“傳輸層”的數(shù)據(jù)，接下來就要進(jìn)行解讀。由于互聯(lián)網(wǎng)是開放架構(gòu)，數(shù)據(jù)來源五花八門，必須事先規(guī)定好格式，否則根本無法解讀。
應(yīng)用層的作用，就是規(guī)定應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)格式。
舉例來說，TCP協(xié)議可以為各種各樣的程序傳遞數(shù)據(jù)，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必須有不同協(xié)議規(guī)定電子郵件、網(wǎng)頁、FTP數(shù)據(jù)的格式，這些應(yīng)用程序協(xié)議就構(gòu)成了“應(yīng)用層”。
這是最高的一層，直接面對用戶。她的數(shù)據(jù)就放在TCP數(shù)據(jù)包的“數(shù)據(jù)”部分。因此，現(xiàn)在的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包就變成下面這樣。
至此，整個互聯(lián)網(wǎng)的五層結(jié)構(gòu)，自下而上全部講完了。這是從系統(tǒng)的角度，解釋互聯(lián)網(wǎng)是如何構(gòu)成的。
