网络的层次模型 – hxhen的点滴记录

简述互联网的层次模型（此处分为五层）

硬件层，连接电脑的物理手段，规定网络的电气特性，传送 0 和 1 的电信号

以太网协议（Ethernet）：确定 0 和 1 数据的分组，一组电信号构成一帧（Frame），每一帧有两部分：标头（Head）和数据（Data）
- 标头：发送者、接收者、数据类型。长度固定为 18
- 数据：长度为 46~1500

MAC地址：由 48 个二进制数, 即 12 个十六进制数表示（前 6 个为厂商编号，后 6 个为流水号）
广播：在同一个子网络中（我认为这就是局域网(Local Area Network, LAN)），将接收方的 MAC地址放入标头中，向同一网络中所有计算机发送数据包。每台计算机读取标头的 MAC地址与自身的 MAC地址比较，相同则接受，不同则丢弃。

背景：链路层下的以太网协议依靠MAC地址发送数据，只限于同一子网络内传输数据。因此引入一套新的地址，用以区分两台计算机是否处于同一个子网络。这套地址为“网络地址”，简称“网址”。先处理网络地址，再处理MAC地址。
IP 协议：规定网络地址的协议叫做 IP 协议，它定义的地址就叫 IP 地址。以下针对 IPv4 协议，即 IP 协议的第四版。
- 表示：IP 地址分成四段表示，每段为一个 0~255 的十进制数，即 8 位二进制数，因此 IP 地址一共 32 位。
- 分段：IP 地址分成两部分，前一部分代表网络，后一部分代表主机。如果两台处于互联网的主机的 IP 地址网络部分相同，则说明这两台主机位于同一个子网络下。
- 假设：如果用前 24 位代表网络，后 8 位代表主机。则前 24 个二进制位：39.105.208 表示网络，后 8 个二进制位：19 表示主机。若在以上假设下有两台互联网主机的 IP 为 39.105.208.19 和 39.105.208.32 ，则说明这两台主机处于同一个子网络。

那么问题来了，只有一个 IP 地址，我们是没法知道它如何分段的。这时需要引入 子网掩码（Subnet Mask）

子网掩码
- 表示：子网掩码形式上和 IP 地址相同，用 32 个二进制位表示。
- 区别：子网掩码将网络部分的二进制位全部取 1，主机部分的二进制位全部取 0。
- 假设：如果还是用前 24 位代表网络，后 8 位代表主机。则子网掩码为：11111111.11111111.11111111.00000000，十进制表示为：255.255.255.0。若目前已知两个 IP 地址为 39.105.208.19 和 39.105.208.32 ，同时它们的子网掩码为 255.255.255.0 和 255.255.255.0，则说明它们处于同一个子网络。
IP 数据包：根据 IP 协议发送的数据叫 IP 数据包，其中自然需要包含 IP 地址信息。IP 数据包会放入以太网数据包的数据部分，它不会改变以太网数据包的规格。
- IP 数据包标头：包含版本、长度、IP地址等信息。长度为 20~60字节
- IP 数据包数据：长度最大为 65515。故 IP 数据包总长度不超过 65535。
- 由于以太网数据包的数据部分最长为 1500，所以如果整个 IP数据包长度超过了 1500，则要分割成几个以太网数据包分开发送。

ARP 协议：要完成两台主机间的数据传输，就需要知道接收方的 IP地址和 MAC地址。一般是已知对方的 IP 地址，但不知道对方的 MAC 地址。所以需要一种由 IP地址得到MAC 地址的机制。而对于两台主机而言，存在两种情况，一种是不在同一个子网络中，另一种是在同一个子网络内。
- 不在同一个子网络：无法得到对方的 MAC地址，只能将数据包传送到对方子网络的网关处，交由网关（Gateway）处理。（目标地址：网关 MAC 地址+对方 IP 地址）
- 在同一个子网络：使用 ARP 协议得到对方 MAC地址。（目标地址：对方 MAC 地址+对方 IP 地址）
- ARP 协议：发出一个数据包，包含在以太网数据包中，其中对方的 MAC 地址填写 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表明这是一个广播地址。在同一子网络的主机都将收到这一数据包，取出其中的 IP地址信息，和自身 IP地址进行比较，如果相同，则做出回复，向对方报告自己的 MAC 地址，否则将数据包丢弃。

背景：在同一台主机上可能同时有多个应用程序在传输数据，此时，当一个数据包发来的时候如何区分它是哪个应用程序的？因此就需要增加一个参数用来区分数据包的目标应用程序（进程），这个参数就是端口（Port）。
端口：一个 0\~65535 的整数，正好 16 个二进制位。0~1023 的端口号被系统占用，传输数据时，应用程序会随机选择一个端口和服务器的对应端口进行通信。系统占用的如：22 号端口用于 SSH 通信，80 号端口用于传输网页。大于 1023 的端口如： 1080 常用于 SOCKS 代理。
UDP 协议：在数据包中加入端口信息。
数据包：标头主要定义发出端口和接受端口，长度为 8 个字节。整个数据包长度不超过 65535 字节。