全世界几十亿台电脑，连接在一起，两两通信。上海的某一块网卡送出信号，洛杉矶的另一块网卡居然就收到了，两者实际上根本不知道对方的物理位置，你不觉得这是很神奇的事情吗？

五层模型。互联网的实现，分成好几层。每一层都有自己的功能，就像建筑物一样，每一层都靠下一场支持。

用户接触到的，只是最上面的一层，根本没有感觉到下面的层。要理解互联网，必须从最下层开始，自下而上理解每一层的功能。

如何分层有不同的模型，有的模型分七层，有的分四层。我觉得，把互联网分层五层，比较容易解释。

应用层、传输层、网络层、链接层、实体层。

她们叫什么名字，其实并不重要。只需要知道，互联网分成若干层就可以了。

层与协议： 每一层都是为了完成一种功能。为了实现这些功能，就需要大家都遵守共同的规则（协议）。

1、实体层

：电脑要组网，第一件事要干什么？当然是先把电脑连起来，可以用光缆、电缆、双绞线、无线电波等方式

这就叫做“实体层”，她就是把电脑连接起来的物理手段。她主要规定了网络的一些电器特性，作用是负责传送0和1的电信号。

2、链接层

： 单纯的0和1没有任何意义，必须规定解读方式：多少个电信号算一组？每个信号位有何意义？

这就是“链接层”的功能，她在实体层的上方，确定了0和1的分组方式。

以太网协议

： 早期的时候，每家公司都有自己的电信号分组方式。逐渐的，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）。每一帧分成两个部分：标头（head）和数据（data）

“标头”包含数据包的一些说明项，比如发送者、接受者、数据类型等等，“数据”则是数据包的具体内容。

“标头”的长度，固定为18字节。“数据”的长度，最短为46字节，最长为1500字节。因此，整个帧最短为64字节，

最长为1518字节。如果数据很长，就必须分割成多个帧进行发送。

MAC地址

上面提到，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。

广播

定义地址只是第一步，后面还有更多的步骤。

首先，一块网卡怎么会知道另一块网卡的MAC地址？

回答是有一种ARP（address resolution protocol地址解析协议）协议，可以解决这个问题。这个留到后面介绍，这里只需要知道，以太网数据包必须知道接收方的MAC地址，然后才能发送。

其次，就算有了MAC地址，系统怎样才能把数据包准确送到接收方？

回答是以太网采用了一种很“原始”的方式，她不是把数据包准确的送到接收方，而是向本网络内所有计算机发送，让每台计算机自己判断，是否为接收方。

上图中，1号计算机向2号计算机发送一个数据包，同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。她们

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，就接受这个包，

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”

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。

3、网络层：

以太网协议，依靠MAC地址发送数据。理论上，单单依靠MAC地址，上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了，技术上是可以实现的。（只要她们处于同一个“子”网络“这是由物理层决定的”，接收方可以接收广播。局域网吧？）

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（局域网？局域网属于子网络）。

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（再分辨是不是发送给自己的），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，很难想象上海和洛杉矶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。她只与厂商有关，与所处网络无关。

这就导致了“网络层”的诞生。她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，网络层出现之后，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，她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。

网络层，之ip协议。

规定网络地址的协议，叫做ip协议。她所定义的地址，就被称为ip地址。

目前，广泛采用的是ip协议第四版，简称ipv4.这个版本规定，网络地址由32个二进制位组成。

习惯上，我们用分成四段的十进制数表示ip地址，从0.0.0.0一直到255.255.255.255。

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172.16.254.1，这是一个32位的地址，假定她的网络部分是前24位（172.16.254），那么主机部分就是后8位（最后那个1）。

处于同一个子网络的电脑，她们ip地址的网络部分必定是相同的。

也就是说172.16.254.2应该与172.16.254.1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172.16.254.1为例，她的网络部分，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）

所谓子网掩码，就是表示子网特征的一个参数。她在形式上等同于ip地址，也是一个32位二进制数字，她的网络

部分全部为1，主机部分全部为0.比如，ip地址172.16.254.1，如果已知网络部分是前24位，主机部分是后8位，

那么子网掩码就是1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000，写成十进制就是255.255.255.0.

知道子网掩码，我们就能判断，任意两个ip地址是否处在同一个子网络。方法是将两个ip地址与子网掩码分别进行

AND运算（两个数位都为1，运算结果为1，否则为0），然后比较结果是否相同，如果是的话，就表面她们在同一个子网络中，否则就不是。

比如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子网掩码都是255.255.255.0，请问它们是否在同一个子网络？两者与子网掩码分别进行AND运算，结果都是172.16.254.0，因此它们在同一个子网络。

总结一下，ip协议的作用主要有两个，

一个是为每一台计算机分配ip地址。

另一个是确定哪些地址在同一个子网络。

网络层，之ip数据包。

根据ip协议发送的数据，就叫做ip数据包。不难想象，其中必定包括ip地址信息。

但是前面说过，以太网数据包只包含MAC地址，并没有ip地址的栏位。那么是否需要修改数据定义，再添加一个栏位呢？

回答是不需要，我们可以把ip数据包直接放进以太网数据包的“数据”部分，因此完全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。

"标头"部分主要包括版本、长度、ip地址等信息，“数据”部分则是ip数据包的具体内容。

她放进以太网数据包后，以太网数据包变成了下面这样。

ip数据包的“标头”部分的长度为20到60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65535-20=65515字节。前面说过，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，她就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。

网络层，之ARP协议。

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（后文会解释），但是我们不知道她的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。

1、如果两台主机不在同一个子网络，那么事实上没有办法得到对方的MAC地址，只能把数据包传送到两个子网络连接处的“网关”（gateway），让网关去处理。

2、如果两台主机在同一个子网络，那么我们可以用ARP协议，得到对方的MAC地址。ARP协议也是发出一个数据包（包含在以太网数据包中），其中包含她所要查询主机的ip地址，在对方的MAC地址这一栏，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示这是一个“广播”地址。她所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，与自身的ip地址进行比较。如果两者相同，就做出回复，向对方发报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。

总之，有了ARP协议之后，我们就可以得到同一个子网络的主机MAC地址，可以把数据包发送到任意一台主机之上了。

4、传输层

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，她是表示网页的内容，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），她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”。有了她，就可以进行网络应用程序的开发了。

传输层，之UDP协议。

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，她的格式几乎就是在数据前面，加上端口号。

UDP数据包，也是有“标头”和“数据”两部分组成

标头部分主要定义了发出端口和接收端口，数据部分就是具体的内容。然后，把整个UDP数据包放入ip数据包的数据部分，而前面说过，ip数据包又是放在以太网数据包之中的，所以整个以太网数据包现在变成了下面这样：

UDP协议数据包非常简单，“标头”部分一共只有8个字节，总长度不超过65535字节，正好放进一个ip数据包。

传输层，之TCP协议。

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，但可以近似人为，她就是有确认机制的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。她的缺点是过程复杂、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数据包没有长度限制，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。

5、应用层

http协议

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。她的数据就放在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。

至此，整个互联网的五层结构，自下而上全部讲完了。这是从系统的角度，解释互联网是如何构成的。