计算机之间通信是依靠互联网，互联网的核心是一系列协议。
1、协议协议，网络协议的简称，网络协议是通信计算机双方必须共同遵从的一组约定。如怎么样建立连接、怎么样互相识别等。它最终体现为在网络上传输的数据包的格式。
2、分层体系结构协议往往分成几个层次进行定义，分层定义是为了层与层之间解耦，互不影响，职责清晰，提高兼容性，方便技术创新。
OSI参考模型与TCP/IP模型都采用了分层体系结构，将庞大而复杂的问题转化为若干个较小且易于处理的子问题。
OSl参考模型划分7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
TCP/IP参考模型最多划分了5个层次，分别是物理层，数据链路层、网络层、传输层和应用层，将OSI参考模型中的高三层合并为一层统称应用层。
3、层次关系用户感知到的只是最上面一层应用层，自上而下每层都依赖于下一层，所以我们从最下一层开始切入，比较好理解。
4、每层运行常见物理设备 二、物理层 1、物理层的意义电脑要通信，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"物理层"，它就是把电脑连接起来的物理手段。它主要规定了网络的一些电气特性，作用是负责传送0和1的电信号。
2、集线器工作原理网络上不可能只有两台机器在通信，这时候如果加入一台机器，就需要每台机器开两个网口，用一共三根网线，彼此相连。
随着越来越多的机器加入，你发现机器上开的网口越来越多，而且网线密密麻麻，混乱不堪，实际上一台电脑根本开不了这么多网口，所以这种连线只在理论上可行。
于是发明了一个中间设备，你们将网线都插到这个设备上，由这个设备做转发，就可以彼此之间通信了，本质上和原来一样，转换了一种形式，不再那么混乱。我们给它取名叫集线器，它仅仅是无脑将电信号转发到所有出口（广播），因此把集线器定性在了物理层。
由于转发到了所有出口，那 BCDE 四台机器怎么知道数据包是不是发给自己的呢？于是出现了数据链路层。
三、数据链路层 1、数据链路层由来数据链路层由来：单纯的0和1没有任何意义，必须规定电信号多少位一组，每组什么意思。
数据链路层的功能：定义了电信号的分组方式
2、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）。每一帧分成两个部分：标头（Head）和数据（Data）。
Head，固定为18字节，包含：
发送者／源地址，6个字节接收者／目标地址，6个字节数据类型，6个字节
data，最短46字节，最长1500字节，包含：
数据包的具体内容
head长度＋data长度＝最短64字节，最长1518字节，超过最大限制就分片发送
3、MAC地址上面提到，Head包含了发送者和接受者的信息。以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有"网卡"。发送端和接收端的地址便是指网卡的地址，即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。
4、广播有了MAC地址，两台机器就可以进行通信了。以太网采用了一种很"原始"的方式，它不是把数据包准确送到接收方，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，这就是广播。
A 在发送数据包给 B 时，头部Head包含了发送者和接受者的信息，B 在收到数据包后，根据头部的目标 MAC 地址判断这个数据包是发给自己的就收下。其他的 CDE 收到数据包后，根据头部的目标 MAC 地址判断这个数据包并不是发给自己的就丢弃。
虽然集线器使整个布局干净不少，但原来我只要发给电脑 B 的消息，现在却要发给连接到集线器中的所有电脑，既不安全，又浪费网络资源。如果把这个集线器弄得更智能一些，只发给目标MAC地址的电脑，就好了。
5、交换机工作原理虽然只比集线器多了这一点点区别，但看起来似乎有智能了，你把这东西叫做交换机。也正因为这一点点智能，你把它放在了另一个层级，数据链路层。
交换机内部维护一张 MAC 地址表，记录着每一个 MAC 地址的设备，连接在其哪一个端口上。假如你仍然要发给 B 一个数据包，到达交换机时，查找交换机内部的MAC地址表，发现B的MAC地址对应端口1，于是把数据从 1 号端口发给了 B，就结束了。
MAC地址表是如何建立的- 最开始的时候，MAC地址表是空的。现在A给B发送数据，由于这个包从端口 4 进入的交换机，所以此时交换机就可以在 MAC地址表记录第一条数据，MAC：aa-aa-aa-aa-aa-aa-aa端口：4。交换机看目标MAC地址（bb-bb-bb-bb-bb-bb）在地址表中并没有映射关系，于是将此包发给了所有端口，也即发给了所有机器，只有机器B收到了确实是发给自己的包，于是做出了响应，响应数据从端口1进入交换机，于是交换机此时在地址表中更新了第二条数据，MAC：bb-bb-bb-bb-bb-bb端口：1。经过该网络中的机器不断地通信，交换机最终将 MAC 地址表建立完毕。
随着机器数量越多，交换机的端口也不够了，但只要将多个交换机连接起来，这个问题就轻而易举搞定。
你完全不需要设计额外的东西，按照上述的接线方式即可完成所有电脑的互联。但是要注意，上面那根红色的线在 MAC 地址表中可不是一条记录，而是要把 EFGH 这四台机器与该端口（端口6）的映射全部记录在表中。最终，两个交换机将分别记录 A ~ H 所有机器的映射记录。
左边的交换机
右边的交换机
这在只有 8 台电脑甚至只有几百台电脑的时候，都还好，所以这种交换机的设计方式，已经足足支撑一阵子了。但很遗憾，电脑的数量很快就发展到几万，几十万，几百万。交换机已经无法记录如此庞大的映射关系了。
问题的根本在于，连出去的那根红色的网线，后面不知道有多少个设备不断地连接进来，从而使得MAC地址表越来越大，不可控。那我可不可以让那根红色的网线，接入一个新的设备，这个设备就跟电脑一样有自己独立的 MAC 地址，而且同时还能帮我把数据包做一次转发，这样，一个端口对应的MAC就会固定成一个，MAC地址表的大小就是可控的。
这个设备就是路由器，它的功能就是，作为一台独立的拥有MAC地址的设备，并且可以把数据包做一次转发，把它定在了网络层。
路由器的每一个端口，都有独立的 MAC 地址。现在交换机的MAC地址表中，只需要多出一条MAC地址 ABAB 与其端口的映射关系，就可以成功把数据包转交给路由器。
四、网络层 1、网络层由来 为什么要划分子网？有了以太网、MAC地址、广播的发送方式，理论上世界上的计算机就可以彼此通信了，问题是如果所有的通信都采用以太网的广播方式，那么一台机器发送的包全世界都会收到，这就不仅仅是效率低的问题了，这会是一种灾难。
必须将一个巨大的互联网拆分成无数个子网，让广播的范围减小，提高网络效率。必须找出一种方法来区分哪些计算机属于同一广播域，哪些不是，如果是就采用广播的方式发送，如果不是，就采用路由的方式（向不同广播域／子网分发数据包）。
为什么要引入IP地址？MAC地址是无法区分的，它只跟厂商有关，与所处网络无关。如果你希望使用MAC 地址来区分网络，就需要某一子网下统统买一个厂商制造的设备，要么你就需要要求厂商在生产网络设备烧录 MAC 地址时，提前按照你规划好的子网结构来定 MAC 地址，并且日后这个网络的结构都不能轻易改变，这基本是不现实的。
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"网络地址"也叫做"IP地址"。MAC 地址一般是无法修改的，IP地址可以修改。
2、IP协议
规定IP地址的协议叫IP协议，它定义的地址称之为IP地址，广泛采用的v4版本即ipv4，它规定网络地址由32位2进制表示。
范围0.0.0.0-255.255.255.255。
一个IP地址通常写成四段十进制数，例：172.16.10.1。
IP地址分成两个部分，【网络部分（区分不同子网），主机部分（区分子网中的主机）】。
IP数据包根据IP协议发送的数据，就叫做IP数据包。IP数据包也分为head和data部分，无须为IP包定义单独的栏位，直接放入以太网包的data部分。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。
head：长度为20到60字节data：最长为65,515字节。
而以太网数据包的”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。
3、路由器工作原理我们先给上面的组网方式中的每一台设备，加上自己的 IP 地址
现在两个设备之间传输，除了加上数据链路层的头部之外，还要再增加一个网络层的头部。假如 A 给 B 发送数据，由于它们直接连着交换机，所以 A 直接发出如下数据包即可，其实网络层没有体现出作用。
但假如 A 给 C 发送数据，A 就需要先转交给路由器，然后再由路由器转交给 C。由于最底层的传输仍然需要依赖以太网，所以数据包是分成两段的。
A到路由器这段的包如下：
路由器到 C 这段的包如下：
好了，上面说的两种情况（A->B，A->C），相信细心的读者应该会有不少疑问，下面我们一个个来展开。
4、子网掩码A 给 C 发数据包，怎么知道是否要通过路由器转发呢？
答案是子网，如果源IP与目的IP处于一个子网，数据包直接走交换机。不处于一个子网，就走路由器。现在只需要解决怎么判断源IP与目的IP处于一个子网就好了。
单纯的从IP地址无法判断，区分子网需要另一个参数"子网掩码"。子网掩码是表示子网络特征的一个参数，形式上等同于IP地址，也是一个32位二进制数字，它的网络部分全部为1，主机部分全部为0。例如网络长度是24的子网掩码就是11111111.11111111.11111111.00000000，写成十进制就是255.255.255.0。
收发双方两个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，就表明它们在同一个子网络中，否则就不是。
假如某台机器的子网掩码定为 255.255.255.0，比如：
A电脑：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0B电脑：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0C电脑：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0D电脑：192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
那么 A 与 B 在同一个子网，C 与 D 在同一个子网，但是 A 与 C 就不在同一个子网，以此类推。所以如果 A 给 C 发消息， A 和 C 不在同一个子网，于是把包发给路由器。
5、默认网关A如何知道，哪个设备是路由器？
答案是在A上要设置默认网关，A 只能直接把包发给同处于一个子网下的某个 IP 上，所以发给路由器还是发给某个电脑，对 A 来说也不关心，只要这个设备有个 IP 地址就行。所以默认网关，就是 A 在自己电脑里配置的一个 IP 地址，以便在发给不同子网的机器时，发给这个 IP 地址。
6、路由表路由器如何知道C在哪？
答案是路由表，现在 A 要给 C 发数据包，已经成功发到路由器，路由器收到的数据包有目的 IP 也就是 C 的 IP 地址，需要转化成从自己的哪个端口出去，应该有个表，就像 MAC 地址表一样，这个表就叫路由表。
不同于 MAC 地址表的是，路由表并不是一对一这种明确关系，我们下面看一个路由表的结构。
由于子网掩码其实就表示前多少位是子网的网段，所以 192.168.0.0（255.255.255.0）可以简写为 192.168.0.0/24
这个路由表就表示，192.168.0.xxx 这个子网下的，都转发到 0 号端口，192.168.1.xxx 这个子网下的，都转发到 1 号端口。
7、ARP协议上面说的都是 IP 层，但发送数据包的数据链路层需要知道 MAC 地址，可是我只知道 IP 地址该怎么办呢？
答案是ARP协议，可以根据IP地址找到MAC地址，同时机器上会有一张 ARP缓存表，表中记录着 IP 与 MAC 地址的对应关系。
ARP协议工作原理ARP协议使用广播的方式发送数据包，其中包含目标主机的IP地址，在目标主机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。
它所在子网络的每一台主机，都会收到这个数据包，如果目标IP地址与自身的IP地址相同就做出回复，向对方报告自己的MAC地址，否则就丢弃这个包。发送方和目标主机都可以更新本机的ARP缓存表。
这样通过大家不断广播ARP请求，最终所有电脑里面都将 arp 缓存表更新完整。
五、完整过程A 给 F 发送一个数据包的整个过程是怎样的呢？
路由器 1 连接了路由器 2，所以其路由表有了下一条地址这一个概念，所以它的路由表就变成了这个样子。如果匹配到了有下一跳地址的一项，则需要再次匹配，找到其端口，并找到下一跳 IP 的 MAC 地址。最终必须能映射到一个端口号，然后从这个端口号把数据包发出去。
- A（192.168.0.1）通过子网掩码（255.255.255.0）计算出自己与 F（192.168.2.2）并不在同一个子网，于是决定将数据包发送给默认网关（192.168.0.254）。查看其 arp 缓存，找到 默认网关 192.168.0.254 的 MAC 地址（ABAB）将其封装在数据链路层头部，又将源 IP 地址（192.168.0.1）和目的 IP 地址（192.168.2.2）封装在网络层头部，然后发包。交换机 1 收到数据包后，发现目标 MAC 地址是 ABAB，将数据包发给路由器1。路由器 1 收到数据包后，发现其目标 IP 地址是 192.168.2.2，查看其路由表，发现了下一跳的地址是192.168.100.5，再次匹配路由表，发现匹配到了端口为 2，查看其 arp 缓存，找到路由器2 192.168.100.5的MAC 地址为 D2D2，将其封装在数据链路层头部，并从 2 号端口把包发出去。路由器 2 收到数据包后，发现其目标 IP 地址是 192.168.2.2，查询其路由表，匹配到端口号为 1，查看其 arp 缓存，找到目标IP 192.168.2.2的MAC 地址为 FFFF，将其封装在数据链路层头部，并从 1 号端口把包发出去。交换机 3 收到了数据包，发现目的 MAC 地址为 FFFF，查询其 MAC 地址表，匹配到端口号为 6，于是从 6 号端口把数据包发出去。F 最终收到了数据包！并且发现目的 MAC 地址就是自己，于是收下了这个包。
网络层的IP帮我们区分子网，以太网层的MAC帮我们找到主机，但是同一台主机上有许多程序进程，区分不同的程序需要一个新的参数端口，它其实就是给每一个进程的编号，每个数据包都发到主机的特定端口也就是特定的进程。
至此，发送的数据包上，增加了传输层的头部，源端口号与目标端口号。
端口范围0到65535，0-1023的端口被系统占用，用户只能用大于1023的端口。
"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。
2、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。
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，正好能放进一个IP数据包。
3、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。有可能丢包。
为了解决这个问题，提高网络可靠性，TCP协议就诞生了。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，一旦数据包遗失，就收不到确认，发出方就会重发。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。
七、应用层 1、应用层由来应用程序收到"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。
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"。常见的应用层协议有http，ftp，smtp等。
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。
2、ftp协议FTP（File Transfer Protocol）协议，文件传输协议。提供交互式的访问，对传输文件的格式和类型有分类，允许文件具有存取权限。适合异构网络任意计算机的传送。
3、http协议HTTP （HyperText Transfer Protocol），超文本传输协议，基于TCP/IP通信协议。是一种用于分布式、协作式和超媒体信息系统的应用层协议，是因特网上应用最为广泛的一种网络传输协议，所有的 WWW 文件都必须遵守这个标准。
4、socket能够唯一标示网络中的进程后，它们就可以利用socket进行通信了，什么是socket呢？我们经常把socket翻译为套接字，socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的 *** 作抽象为几个简单的接口供应用层调用已实现进程在网络中通信。
socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。
八、访问网页你买了一台新电脑，插上网线，开机，这时电脑能够上网吗？
通常你必须做一些设置。有时，管理员（或者ISP）会告诉你下面四个参数，你把它们填入 *** 作系统，计算机就能连上网了：
本机的IP地址子网掩码网关的IP地址DNS的IP地址
下图是Windows系统的设置窗口，这四个参数缺一不可。
1、静态IP地址由于它们是给定的，计算机每次开机，都会分到同样的IP地址，所以这种情况被称作"静态IP地址上网"。
但是，这样的设置很专业，普通用户望而生畏，而且如果一台电脑的IP地址保持不变，其他电脑就不能使用这个地址，不够灵活。出于这两个原因，大多数用户使用"动态IP地址上网"。
2、动态IP地址所谓"动态IP地址"，指计算机开机后，会自动分配到一个IP地址，不用人为设定。它使用的协议叫做DHCP协议。
3、DHCP协议DHCP协议规定，每一个子网络中，有一台计算机负责管理本网络的所有IP地址，它叫做"DHCP服务器"。新的计算机加入网络，必须向"DHCP服务器"发送一个"DHCP请求"数据包，申请IP地址和相关的网络参数。
前面说过，如果两台计算机在同一个子网络，必须知道对方的MAC地址和IP地址，才能发送数据包。但是，新加入的计算机不知道这两个地址，怎么发送数据包呢？
DHCP协议数据包首先，它是一种应用层协议，建立在UDP协议之上，所以整个数据包如下，DHCP协议做了一些巧妙的规定。
以太网标头：设置发出方（本机）的MAC地址和接收方（DHCP服务器）的MAC地址。前者就是本机网卡的MAC地址，后者这时不知道，就填入一个广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。
IP标头：设置发出方的IP地址和接收方的IP地址。这时，对于这两者，本机都不知道。于是，发出方的IP地址就设为0.0.0.0，接收方的IP地址设为255.255.255.255。
UDP标头：设置发出方的端口68和接收方的端口67，这一部分是DHCP协议规定好的。
DHCP协议工作原理以太网是广播发送数据包，同一个子网络的每台计算机都收到了这个包。因为接收方的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，看不出是发给谁的，必须继续分析这个包的IP地址，当看到发出方IP地址是0.0.0.0，接收方是255.255.255.255，于是DHCP服务器知道"这个包是发给我的"，而其他计算机就可以丢弃这个包。
DHCP服务器分配好IP地址后，响应一个"DHCP"数据包。这个响应包的结构也是类似的，以太网标头设置的MAC地址是双方的网卡地址，IP标头设置的发出方是DHCP服务器IP地址和接收方是255.255.255.255，UDP标头的设置发出方端口是67和接收方端口68，分配给请求端的IP地址和本网络的具体参数则包含在Data部分。
新加入的计算机收到这个响应包，判断出MAC地址和自己相符就收下此包，于是就知道了自己的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器等等参数。
IP地址对于用户来说不方便记忆，于是发明了域名，例如www.baidu.com这是百度的域名，但是互联网通信必须要知道对方的IP地址，很多时候我们只知道域名，不知道它的IP地址。
首先，本机一定要知道DNS服务器的IP地址，否则上不了网。通过DNS服务器，才能知道某个域名的IP地址到底是什么。
DNS服务器的IP地址，有可能是动态的，每次上网时由网关分配，这叫做DHCP机制；也有可能是事先指定的固定地址。Linux系统里面，DNS服务器的IP地址保存在/etc/resolv.conf文件。
域名多如繁星，所以存在一台服务器上是不可能的，域名是按照层级进行划分的，所以域名解析也是分级查询的。
（2）域名的层级举例来说，www.example.com真正的域名是www.example.com.root，简写为www.example.com.。因为，根域名.root对于所有域名都是一样的，所以平时是省略的。
根域名的下一级，叫做"顶级域名"（top-level domain，缩写为TLD），比如.com、.net；再下一级叫做"次级域名"（second-level domain，缩写为SLD），比如www.example.com里面的.example，这一级域名是用户可以注册的；再下一级是主机名（host），比如www.example.com里面的www，又称为"三级域名"，这是用户在自己的域里面为服务器分配的名称，是用户可以任意分配的。
总结一下，域名的层级结构如下。
主机名.次级域名.顶级域名.根域名 #即 host.sld.tld.root（3）DNS解析过程，以Chrome为例
实际的域名解析，除了查询域名服务器，还有各种缓存的使用，用以提高查询性能。
- Chrome浏览器会首先搜索浏览器自身的DNS缓存（缓存时间比较短，大概只有1分钟，且只能容纳1000条缓存），如果有且没有过期则解析结束。我们怎么查看Chrome自身的缓存？可以使用chrome://net-internals/#dns 来进行查看。如果浏览器自身的缓存里面没有找到对应的条目，那么Chrome会搜索 *** 作系统自身的DNS缓存，如果找到且没有过期则解析结束。怎么查看 *** 作系统自身的DNS缓存？以Windows系统为例，可以在命令行下使用 ipconfig /displaydns 来进行查看。如果 *** 作系统的DNS缓存也没有找到，那么尝试读取hosts文件（wondows位于C:WindowsSystem32driversetchosts，linux位于/etc/hosts），如果找到解析结束。如果在hosts文件中也没有找到对应的条目，浏览器就会发起一个DNS的系统调用，向本地配置的首选DNS服务器发起域名解析请求，DNS服务器首先查找自身的缓存，找到则解析结束。DNS服务器自身的缓存没有找到，则DNS服务器首先找到本机内置（几乎不会变更，所以是直接内置的）的13台根域名服务器的IP地址，再从"根域名服务器"查到"顶级域名服务器"IP地址，再从"顶级域名服务器"查到"次级域名服务器"IP地址，再从"次级域名服务器"查出"主机名"的IP地址，则解析结束。
- 在google浏览器输入一个域名回车。浏览器先DNS域名解析成IP地址。将请求信息封装成http数据包，发送给集线器，交换机，路由器最终到达网址对应IP的服务器。服务器接收到请求，进行处理，将返回值封装成http数据包。数据包经过集线器，交换机，路由器最终回到浏览器。浏览器将返回的内容解析成网页内容呈现到你面前。
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