# 互联网是如何工作的
互联网始于 1960 年美国军方资助的研究项目，是网络与网络之间所串连成的庞大网络。随着时间的变化，各种各样的技术支持着互联网的发展，但是它的工作方式却没有改变多少：将若干个电子计算机网络相互连接而成更大的网络。
目前世界上最大的互联网是因特网。
# 基础网络
连成互联网的计算机网络(computer network)，通常也简称网路，是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件实现网络的硬件、软件及资源共享和信息传递的系统。
当计算机网络中两台电脑需要通信的时候，首先需要将它们连接起来，连接的方式主要包括有线连接和无线连接。
通常一个网络不仅限于两台电脑。我们把在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，称为局域网。局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。
与局域网相对于的是广域网，又称外网、公网。是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。
在网络中，当一台电脑向另一台电脑发送数据时，数据在网络传输介质中进行传递。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，最后会导致接收错误。
为了解决这个问题，我们引入了中继器。
# 中继器
中继器(RP repeater)是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。
中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。
通常，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。总的来说它具有以下优点：
- 扩大了通信距离，但代价是增加了一些存储转发延时。
- 增加了节点的最大数目。
- 各个网段可使用不同的通信速率。
- 提高了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段。
- 性能得到改善。
缺点：
- 由于中继器对收到被衰减的信号再生（恢复）到发送时的状态，并转发出去，增加了延时。
- CAN 总线的 MAC 子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，可能因中继器中缓冲区的存储空间不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。
- 中继器若出现故障，对相邻两个子网的工作都将产生影响。
中继器是局域网环境下用来延长网络距离的，但是它不属于网络互联设备，操作在 OSI 模型 的物理层，中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能，用于扩展相同的局域网网段的长度。
另外网络中有一个名叫多端口中继器的设备，可作为多个网段的转接设备，我们通常称它为集线器。
# 集线器
集线器(Hub)：对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。
集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，它在发送数据时都是没有针对性的，而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的节点，而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。
举例来说，如果一个具有 4 个端口的集线器，共连接了 4 台电脑。通过集线器对信号进行转发，4 台电脑之间可以互连互通。如果其中一台计算机要将一条信息发送给另一台计算机，当信息通过传输介质送到集线器上时，集线器并不会直接将信息送给目的计算机，它会将信息进行“广播”——将信息同时发送给 4 个端口，当 4 个端口上的计算机接收到这条广播信息时，会对信息进行检查，如果发现该信息是发给自己的，则接收，否则不予理睬。
由于集线器基本上不具有"智能记忆"能力和"学习"能力，所以逐渐的被一种新的设备所代替，也就是交换机。
# 交换机
交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路，主要目的是解决通信网络中带宽不足的问题。。
交换机工作在 OSI 模型 第二层(数据链路层)，根据 MAC 地址 进行数据转发。集线器所有端口属于一个冲突域，而交换机的每一个端口都属于一个冲突域。
交换机通过分析 Ethernet 包 的包头信息(其中包含了源 MAC 地址、目标 MAC 地址、信息长度等)，取得目标 MAC 地址 后，查找交换机中存储的地址对照表(MAC 地址对应的端口)，确认具有此 MAC 地址的网卡连接在哪个端口上，然后将信包送到对应端口，有效的抑制 IP 广播风暴。并且信息包处于并行状态，效率较高。
如果目的 MAC 地址 不存在，交换机将广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。
这里我们已在提及的 MAC 地址，也就是网卡的物理地址。
# 网卡
网卡(NIC-Network Interface Card)：是工作在链路层的网络组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。
网卡主要包括以太网卡和无线网卡，每个网卡都拥有一个全球唯一的物理地址，也被称为 MAC 地址。MAC 地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个全球唯一的 MAC 地址。
在网络底层的物理传输过程中，是通过物理地址来识别主机的。
MAC 地址 专注于数据链路层，将一个数据帧从一个节点传送到相同链路的另一个节点。如果想要进行跨网段的传输信息就需要先经过网关。
# 网关
网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器，是一种充当转换重任的计算机系统或设备，使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。
事实上网关是一个大概念，不具体特指一类产品，只要连接两个不同的网络的设备都可以叫网关。由于网关通常是安装在路由器内部的。所以，常将路由器和网关两个概念混用。
现在，通常所说的默认网关是一个 IP 地址，当主机找不到可用的网关时，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。因此，只有设置好网关的 IP 地址，TCP/IP 协议才能实现不同网络之间的相互通信。
那么这个 IP 地址是哪台机器的 IP 地址呢？网关的 IP 地址是具有路由功能的设备的 IP 地址，具有路由功能的设备有路由器、启用了路由协议的服务器（实质上相当于一台路由器）、代理服务器（也相当于一台路由器）。
那么什么是路由器呢？
网关能在不同协议间移动数据，而路由器是在不同网络间移动数据，相当于传统所说的 IP 网关。
# 路由器
路由器（router）是一种电讯网络设备，用于连接多个逻辑分开的网络，在信息包传递时提供“路由和传送功能”。
在网络之中如果要相互联系的电脑通过网线两两相连，那么网线和电脑接口都是一个很大的问题，为了解决这个问题，于是网络上的每台电脑一般都链接到路由器上。当然一个路由器也不可能连接成千上万台电脑，因此整个网络中就需要多个路由器进行相连。
另一方面，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径，这个过程称为路由。将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端(在路由器内部进行)，这称为转送。
名字带有“猫”的设备代表它有调制解调的功能，也就是能把电话信号（或者光纤信号）和网络信号相互转换。而路由器的功能是组建局域网（有线或者无线）以及当作一个中转站（使局域网内的终端可以访问外网）。不过现在很多厂商都把这两个功能做到同一设备。
正如我们刚才所说，在内网之间通过物理地址来识别主机，而在外网中，只有通过 IP 地址 来确定起始地址和目的地。
# IP 地址
互联网协议地址(Internet Protocol Address，又译为网际协议地址)，是 IP Address 的缩写。IP 地址 是 IP 协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
每台连入网络的计算机都需要有一个全球唯一的网络中的地址，IPv4 代表 IP 地址的第 4 版本，其由 32 位二进制数组成(以 4 组十进制数表示，各组之间通过点号分隔)，在 IPv6 下由 128 位二进制数组成，现在主要还是使用的第 4 版本，所以这里以 IPv4 为例进行描述。
IP 地址由网络号和主机好两部分组成，主要分为五大类，其中每个网段的 .255.255.255 代表当前网络的广播地址，.0.0.0 代表网络本身，不能分配。
| IP 地址类别 | 二进制地址最高位 | 第一字节十进制范围 | 地址结构 | 可用网络地址数 | 可用主机地址数 | 其中私网 IP 地址 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0 | 0-127 | 网.主.主.主 | 126(2^7-1) | 16777214(2^24-2) | 10.0.0.0-10.255.255.255 |
| B | 10 | 128-191 | 网.网.主.主 | 16384(2^14) | 65534(2^16-2) | 172.16.0.0-172.31.255.255 |
| C | 110 | 192-223 | 网.网.网.主 | 2097152(2^21) | 254(2^8-2) | 192.168.0.0-192.168.255.255 |
| D | 1110 | 224-239 | 组播地址 | |||
| E | 1111 | 240-255 | 研究和实验地址 | |||
值得注意的是，IP 地址不能单独存在，它必须结合子网掩码一起使用。
# 子网掩码
子网掩码(subnet mask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是一种用来指明一个 IP 地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。
其表示方法为：网络号与子网好置 1，主机号置 0。
也就是说：子网掩码只有一个作用，就是将某个 IP 地址划分成网络地址和主机地址两部分。
子网掩码在寻址时通过子网掩码对 IP 地址进行屏蔽运算，先找出网络部分，再确定子网中的主机地址。
子网掩码某位为 1，表示该位所对应 IP 地址中的一位是网络地址部分中的一位，若某位为 0，则表示它对应的 IP 地址中的一位是主机地址部分中的一位。
| 类别 | 标准子网掩码 |
|---|---|
| A | 255.0.0.0 |
| B | 255.255.0.0 |
| C | 255.255.255.0 |
IP 地址与对应的子网掩码进行“与”运算就会得到网络地址，屏蔽 IP 地址中的网络部分，就可以得到主机地址。
在互联网中，通过 IP 地址来进行通信，由于 IP 地址用二进制数表示，对于用户来说记忆起来比较困难，所以我们需要使用域名。
# 域名
网域名称(Domain Name)，简称域名、网域，是由一串用点分隔的名字组成的 Internet 上某一台计算机或计算机组的名称，用于在数据传输时标识计算机的电子方位(有时也指地理位置)。
在域名系统的层次结构中，各种域名都隶属于域名系统根域的下级。域名的第一级是顶级域，它包括通用顶级域以及国家和地区顶级域。最初创立的通用顶级域:
| 通用顶级域 | 用途 |
|---|---|
.com | 商业机构；现无限制 |
.edu | 供教育机构使用 |
.gov | 供美国政府的联邦、州及地方各级部门使用 |
.mil | 供美国军事机构使用 |
.net | 原供网络服务供应商使用；现无限制 |
.org | 原供不属于其他通用顶级域类别的组织使用；现无限制 |
顶级域名下一层是二级域名，它位于顶级域名的左侧，而二级域名下面是三级域名，它位于二级域名的左侧。
域名的结尾有时候还有一点，这是保留给根节点的，书写时通常省略。
在互联网中使用 IP 地址通信，而人们使用的却是域名，进而引发了域名和地址相互转换的问题。为了解决这个问题，就有了网域名称系统。
# DNS 解析
网域名称系统(DNS，Domain Name System，有时也简称为域名)是因特网的一项核心服务，它作为可以将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的 IP 地址数串。
例如，我们在地址栏中输入域名：www.anani.com，客户端就向本地域名服务器发起请求，询问该域名映射的 IP 地址。如果该域名服务器知道就会告诉客户端（默认会对查询到的 IP 地址保存三天），如果它不知道，他就会去询问根 DNS 服务器。
根 DNS 服务器并不知道全球所有的 IP 地址，但是它知道顶级域的权威域名服务器地址。所以，本地域名服务器拿到根 DNS 服务器返回的顶级域的域名服务器地址后，就回去询问它(.com)，然后又会得到二级域（.anani.com）的权威域名服务器地址。
最后 DNS 服务器向得到的二级域的权威域名服务器发送查询报文，得到主机 wwww 的主机记录，存入自身缓存并返回给客户端。
在上面的例子中涉及到了两种查询方式：
- 递归查询：如果客户机所询问的本地域名服务器不知道被查询的域名的 IP 地址，那么本地域名服务器就以 DNS 客户的身份，向其它根域名服务器继续发出查询请求报文，最终将返回查询结果给客户机，其结果要么是在该 DNS 服务器上查找到的结果，要么是查询失败。
- 迭代查询：客户端发出一次请求，对方如果没有授权回答，它就会返回一个能解答这个查询的其它名称服务器列表，客户端会再向返回的列表中发出请求，直到找到最终负责所查域名的名称服务器，从它得到最终结果。
客户机向域名服务器的查询采用的是递归查询，而迭代查询是发生在 DNS 服务器之间的查询。
在 Windows 系统中的 C:\Windows\System32\drivers\etc 目录下的 hosts 文件中，我们可以在一行中的左边书写 IP 地址，右边配置域名，当我们再 ping 配置的域名时也就会 ping 配置的对应的 IP 地址，也就是说 hosts 文件具有配置静态 IP 地址和域名的配置，其优先级高于 DNS 解析。
现在我们通过 DNS 服务器拿到 IP 地址，知道了去处，那么如何将我们的信息从我们的网络发送到我们想要送到的地方呢，为了做这些，我们需要把我们的网络连接到互联网服务商（ISP）。
# 互联网服务商
互联网服务提供商（Internet Service Provider, 简称 ISP）指的是面向公众提供下列信息服务的经营者：
- 接入服务：帮助用户接入 Internet。
- 导航服务：帮助用户在 Internet 上找到所需要的信息。
- 信息服务：建立数据服务系统，收集、加工、存储信息，定期维护更新，并通过网络向用户提供信息内容服务。
通俗来讲，ISP 是家可以管理一些特殊的路由器的公司，这些路由器连接其他 ISP 的路由器. 互联网就是由这些所有的网络设施所组成的。
通过 ISP 提供的服务，我们的网络消息可以被 ISP 捕获到并发送到相应的网络。
通常网络消息在网络传输介质中传递的格式并不被计算机所识别，所以我们需要一些设备来对数据的格式进行一些转化，比如调制解调器。
# 调制解调器
调制解调器是 Modulator（调制器）与 Demodulator（解调器）的简称，中文称为调制解调器，根据 Modem 的谐音，我们亲昵地称之为“猫”。
我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而 PC 机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入 Internet 时，就必须"翻译"两种不同的信号。
调制解调器就是这样一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号，而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。
连入 Internet 后，当 PC 机向 Internet 发送信息时，用调制解调器来把数字信号"翻译"成模拟信号，这个过程叫做"调制"。而相反的过程叫作“解调”。总的来说就称为“调制解调”。
随着网络传输介质的发展，我们现在大部分使用频带更宽、容量更大的光纤进行通信。与之对应的，要实现光通信就必须进行光的调制解调，也就是需要光调制解调器。
# 光调制解调器
光调制解调器（Optical modem），也就是光猫，同时也被称为单端口光端机，是针对特殊用户环境而研发的一种三件一套的光纤传输设备。
基带调制解调器由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数据终端设备以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电平送入发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终端设备。
光调制解调器是一种类似于基带调制解调器的设备，和基带调制解调器不同的是接入的是光纤专线，是光信号。
现在，数据被转换成了计算机能够识别的数据，但是一台计算机上通常同时存在多个服务，那么最后应该将消息交给谁来处理呢？这就涉及到了端口。
# 网络端口
在网络技术中，端口(Port)大致有两种意思：
- 物理意义上的端口：比如，ADSL Modem、集线器、交换机、路由器用于连接其他网络设备的接口。
- 逻辑意义上的端口：一般是指 TCP/IP 协议中的端口，端口号的范围从 0 到 65535。
端口有什么用呢？我们知道，一台拥有 IP 地址的主机可以提供许多服务，这些服务完全可以通过 1 个 IP 地址来实现。那么，主机是怎样区分不同的网络服务呢？
实际上，服务器一般都是通过知名端口号来识别的。其中一些知名端口号由 Internet 号分配机构（InternetAssignedNumbersAuthority,IANA）来管理。比如常见端口号：
| 服务（协议） | 端口号 |
|---|---|
| FTP（文件传输协议 ） | 端口号：20（数据传递）/21（登录/传输页面） |
| SSH（安全 shell 协议） | 端口号：22 |
| telnet（远程登录协议） | 端口号：23（明文传递，不建议使用） |
| DNS | 端口号：53 |
| HTTP（超文本传输协议） | 端口号：80 |
| SMTP（简单邮件传输协议） | 端口号：25 |
| POP3（邮件协议 3 代） | 端口号：110 |
通常，大多数 TCP/IP 实现给临时端口分配 1024 ～ 5000 之间的端口号。大于 5000 的端口号是为其他服务器预留的。
客户端通常对它所使用的端口号并不关心，只需保证该端口号在本机上是唯一的就可以了。客户端口号又称作临时端口号（即存在时间很短暂）。这是因为它通常只是在用户运行该客户程序时才存在，而服务器则只要主机开着的，其服务就运行。