1.4.1　网络协议

网络上传递的二进制数据是分层的。经典的模型有TCP/IP的四层网络协议、OSI的七层网络协议[16]。

网络协议分层的结果，是在应用层数据包前面，附加若干协议头，如图1-16所示，括号内数字为该部分通常所占的字节数。

MAC地址与MAC头

互联网由主机（Host）、路由器（Router）和网关（Gateway）等设备连接而成。

计算机和手机终端通过自带的网卡连接到某个路由器，从而获得与互联网的物理连接。

有线网卡使用有线连接路由器，最常见的物理层协议为802.3以太网协议。

无线网卡使用无线电信号（Wi-Fi），最常见的物理层协议为802.11协议族。

为了区分每个物理层的网卡设备，在链路层，为每个网卡都定义了一个MAC（Media Access Control）地址，又叫网卡的物理地址。

MAC地址是一个6字节的数值，前3字节定义了厂商，后3字节由厂商定义设备。

一个典型的MAC地址为00-01-6C-06-A6-29。

任意网络包的最前面通常都包含一个MAC头，这是一个14字节的数据。

MAC头定义了一对物理连接主机，同时定义了上层协议的类型，如表1-6所示。

IP地址与IP头

MAC头标识了相邻主机之间的传输，我们需要解决的是互联网上任意两台主机之间的传输。如何定义互联网上任意的机器地址呢？这就是IP（Internet Protocol）层要解决的问题。我们为每个网络中的主机都分配一个IP地址。

早期的IP地址是4字节的，通常称为IPv4。一个典型的IPv4地址为：10.83.241.172，每个部分为0～255的数字。

根据适用网络的大小，IP地址可分为A～E共5类，比如C类地址可有254台主机。

IP头通常是一个20字节的数据块，IP头的格式如表1-7所示。

在局域网中，已知对方的IP地址，想知道其MAC地址，需要查询本机上的ARP（Ad dress Resolution Protocol）表。

在Windows上使用命令arp-a；在macOS/UNIX上使用命令arp-n。

若ARP表为空，则该工具会发送ARP广播收集各个主机的MAC地址。

如果已知MAC地址，想要反查其IP地址，也可以通过此表实现。

若要查看本机的IP地址，在Windows上使用ipconfig命令，在macOS/UNIX上使用ifconfig命令。这个命令在macOS下也可以看到MTU（Maxinum Trasnsmission Unit）值，当MTU值为1500的时候，IP层是不需要分段（Fragment）的。

IP层有两个有用的工具，都基于ICMP（Internet Control Message Protocol）包实现。

·想要看到一个IP网络是否通畅，可以使用ping命令。

·想要看到一个IP路径上会经过哪几个路由器，可以使用tracert命令。它实际上是从步长1开始，连续发TTL=1，2，3，…的ICMP包，让沿路节点返回TTL过期的回应，从而得到对应的IP地址。

随着IPv4地址的枯竭，IPv6技术应运而生。每个IPv6地址都使用128位16字节表示。一个典型的IPv6地址为ff1：ce00：1285：869：2052：be84：e6e0。

UDP和TCP

IP层解决了任意两台主机之间的连通性问题，然而两台主机之间应该会有很多要通信的内容类型，有的涉及网络诊断，有的涉及应用数据。在传输层，我们通过定义2字节的端口（Port）来区分服务，端口号的范围是0～65535。

最简单的传输层是UDP（User Datagram Protocol），它只有8字节，如表1-8所示。

UDP只保证包能发出，并不确保对方一定能收到。发出去的UDP包，只会层层路由到目的地址，不会有任何回应。

为了保证应用层的可靠传输，人们设计了TCP（Transmission Control Protocol）。TCP的协议头至少有20字节，如表1-9所示。

为了确保对方一定能收到包，TCP做了以下3件事。

（1）每个发出去的包都有一个编号SEQ，对方收到后会回应ACK=SEQ+1的回包。

（2）如果长时间（具体见下文）没有收到回应包，则TCP会选择超时重发。

（3）如果超时重发还是没收到回应包，则TCP会将等待时长翻倍，并再次重发。

TCP将一个包从发出到收到回应的时间，定义为往返时间（Round Trip Time，RTT）。

每个TCP连接都会动态维护一个RTT数值。每新收到一个回包，就用式（1.1）更新。

其中，0≤α＜1，且α越小，对延迟变化越灵敏，通常取α=0.125。

对于超时重发时间（Retransmission Time Out，RTO），有RTO=β×RTT，通常取β=2。

例如，如果RTT=0.5s，则超时重发时间点通常为2×RTT=1s，之后每次翻倍，为2s，4s，8s，…这里采用指数级退避算法，是为了保证网络不被拥堵。

TCP使用三次握手，提前为通信双方保留必要的资源。包类型为SYN包、SYN+ACK包和ACK包。在断开连接时，双方分别发送FIN包，响应FIN+ACK包，共四次挥手。

TCP使用了滑动窗口，来对每个发出去待确认的包进行加窗式队列管理，这增大了同时等待回包的并发数。

为了提高数据包的负载效率，TCP会使用Nagle算法，等若干包积累一段时间后再一起发送，可以使用TCP_NODELAY选项关闭该特性。

加密与解密

网络中未加密的数据都是明文传输的，想要保密就必须加密。常见的加密算法分为两类：对称加密和非对称加密，如图1-17所示。

所谓对称加密，就是加密用的密钥（Key）和解密用的密钥是同一个。密钥通常是一个很短的字节码，比如16字节或32字节，它是加密算法得到不同加密结果的关键。

非对称加密则使用不同的公钥和私钥。公钥是公开的，人人都可以获取使用；私钥只有自己知道。

由于非对称加密比较慢，在SSL或TLS之类的加密方法中，通常使用非对称加密来传递对称加密的密钥，再进行对称加密传输。

常见的非对称加密算法有RSA、DSA、ECDSA等。

常见的对称加密算法有DES、3DES、AES等。

另外有一类消息摘要算法，它们将输入的任意长度字节转换为固定长度字节。如MD5固定输出16字节，SHA-1固定输出20字节。这种转换是不可逆的，我们常用这类算法来提取一段字节的特征，用作密钥生成、内容校验等。

接下来，我们将介绍如何进行UDP和TCP编程。