互聯(lián)網(wǎng)是什么相信不用在這里贅述，大家平時(shí)“網(wǎng)上沖浪”都離不開它。本篇文章中我們就來翻譯翻譯，什么 ** 的叫 ** 的網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)的概念

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)，我們可能聽過非常多的名詞，比如因特網(wǎng)、萬維網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)。三者的關(guān)系其實(shí)為：

互聯(lián)網(wǎng) > 因特網(wǎng) > 萬維網(wǎng)

那么一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)看起來會(huì)是這樣：

一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)會(huì)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)（AKA 計(jì)算機(jī)）和連接他們的鏈路組成。就好像你家里有 3 臺(tái)電腦，然后它們都相互連接，這樣你家里的 3 臺(tái)電腦就組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)。而所謂的互聯(lián)網(wǎng)，就是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，如下所示：

而不同的網(wǎng)絡(luò)之間可以通過路由器來相互連接，就形成了覆蓋范圍更大的互聯(lián)網(wǎng)。所以總的來說，網(wǎng)絡(luò)連接了許多的計(jì)算機(jī)，而因特網(wǎng)將許多網(wǎng)絡(luò)連接到了一起。因此，因特網(wǎng)也是目前全球最大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

因特網(wǎng)的發(fā)展

第一階段

互聯(lián)網(wǎng)的起源帶有一點(diǎn)戰(zhàn)爭(zhēng)的背景。它起源于 1960s，當(dāng)時(shí)正值冷戰(zhàn)，美國(guó)國(guó)防部開發(fā)了一個(gè)分布式的、預(yù)期能夠抵御核攻擊的通訊網(wǎng)絡(luò)，而這就是世界上第一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的原型 — ARPANET。

在 1983 年，TCP/IP 協(xié)議成為了 ARPANET 上的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，只要是使用了 TCP/IP 協(xié)議，計(jì)算機(jī)之間都能夠相互通信。

第二階段

1985 年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)圍繞了 6 個(gè)大型計(jì)算機(jī)中心建設(shè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這一階段的特點(diǎn)是形成了三級(jí)結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)，分別是：主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)、校園網(wǎng)（企業(yè)網(wǎng)）。這個(gè)三級(jí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋了當(dāng)時(shí)全美主要的大學(xué)和研究所。后續(xù)，越來越多的企業(yè)接入了因特網(wǎng)，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)上通信量激增，由于當(dāng)時(shí)的因特網(wǎng)是由政府維護(hù)的，其容量已經(jīng)滿足不了當(dāng)時(shí)的需求了，所以美國(guó)政府決定將主干網(wǎng)轉(zhuǎn)交給私人企業(yè)經(jīng)營(yíng)，并開始收費(fèi)。

第三階段

隨著主干網(wǎng)開始由私人企業(yè)經(jīng)營(yíng)，該階段形成了多層次 ISP 結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)。什么叫 ISP？其實(shí)也就是互聯(lián)網(wǎng)（因特網(wǎng)）服務(wù)的提供商。給你舉個(gè)例子你就知道了，比如咱們國(guó)內(nèi)的三巨頭：中國(guó)聯(lián)通、電信、移動(dòng)，他們就是典型的 ISP。

ISP 其實(shí)也是一層代理，因?yàn)樗麄円彩菑囊蛱鼐W(wǎng)管理機(jī)構(gòu)去申請(qǐng)的一堆 IP 地址，然后我們?nèi)?ISP 那辦理寬帶，支付費(fèi)用，然后我們就能夠在使用期間，用這個(gè) IP 地址上網(wǎng)“沖浪”。

因特網(wǎng)中的協(xié)議

經(jīng)過了這么多年的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)演變成了一個(gè)橫跨全球、極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。這就好像我們每個(gè)城市的內(nèi)部是通過各種道路相互連接的，而城市與城市之間也是相互連接的，而所有這些城市相互連接就組成了這個(gè)大型的“國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)”。連接到互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器可以相互通信，而在“國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)”中的城市也可以相互“通信”。

你說包裹有可能在運(yùn)輸途中丟失嗎？當(dāng)然有可能，這樣的例子還不少。同理，我們發(fā)送出去的數(shù)據(jù)包也有可能丟失。

所以為了保證數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確送達(dá)，互聯(lián)網(wǎng)使用了很多種協(xié)議。例如我們非常熟悉的 TCP/IP。TCP 全稱是 Transmission Control Protocol，IP 全稱是 Internet Protocol。

它們分工明確，IP 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由，讓它從一個(gè)“中轉(zhuǎn)站”跳到下一個(gè)“中轉(zhuǎn)站”，而 TCP 則是確保包裹可靠、準(zhǔn)確、有序的到達(dá)“中轉(zhuǎn)站”。

當(dāng)然，在互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)巨大的概念里，TCP/IP 協(xié)議并不是全部，還有我們非常熟悉的 DNS（Domain Name System）和 HTTP（Hypertext Transfer Protocol）。

不太熟悉 DNS 及其底層原理的可以看看我之前寫的這篇文章你的域名是如何變成 IP 地址的？

還有像 SSL 和 TLS 這樣的網(wǎng)絡(luò)安全加密協(xié)議，讓我們的數(shù)據(jù)能夠安全的在互聯(lián)網(wǎng)上傳播。當(dāng)然，現(xiàn)在 TLS 已經(jīng)將 SSL 給替代了，因?yàn)?TLS 有著更高的安全性和更強(qiáng)的認(rèn)證機(jī)制。

在互聯(lián)網(wǎng)的通信和數(shù)據(jù)交換流程中，協(xié)議扮演了一個(gè)非常關(guān)鍵的角色。這就好像人與人之間要進(jìn)行溝通，語言是非常重要的一樣。語言不通，溝通起來是非常非常困難的。通信的前提也是雙方需要使用一樣的協(xié)議。

而協(xié)議其實(shí)就是一堆的規(guī)則，這些規(guī)則規(guī)定了信息交換的細(xì)節(jié)。就比如咱們的老朋友三次握手、四次揮手就屬于 TCP/IP 協(xié)議的一部分。而規(guī)定使用這些協(xié)議有什么好處？

答案當(dāng)然是標(biāo)準(zhǔn)化，用標(biāo)準(zhǔn)化來屏蔽不通制造商或者不通系統(tǒng)之間的差異。舉個(gè)例子，假設(shè)不同的制造商的制造出來的手機(jī)使用了不同的協(xié)議，那么某個(gè) APP 在制造商 A 上能用，在制造商 B 上又不能用，又或者不同的操作系統(tǒng)之間不能相互通信，這類問題以現(xiàn)在的眼光來看肯定是不能接受的。

再舉個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的例子，像我們用的 Type-C 這種接口的充電線就是一種標(biāo)準(zhǔn)，不管是哪個(gè)廠家生產(chǎn)的，只要遵循了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，消費(fèi)者就能夠正常使用。再舉一個(gè)協(xié)議不同的例子，不同的國(guó)家使用的充電器的標(biāo)準(zhǔn)不同，不同的標(biāo)準(zhǔn)之間要想充電則需要使用轉(zhuǎn)接頭，及其的不方便。

網(wǎng)絡(luò)分層模型

OSI 七層模型

相信大家曾經(jīng)都被問過一個(gè)問題：“請(qǐng)簡(jiǎn)單描述一下 OSI 七層模型”。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型是啥意思？怎么來的？或者說，為什么需要網(wǎng)絡(luò)模型這個(gè)玩意兒？

這是因?yàn)?70 年代，網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展演進(jìn)出了不同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，而由于全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，迫切的需要使在不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)中的用戶相互通信，交換信息。為了達(dá)成這一目的，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在 1977 年成立了專門的機(jī)構(gòu)來研究這個(gè)問題。

而他們的研究成果就是著名的 OSI 模型。在 OSI 模型中總共包含了 7 層（到這里是不是很多人就條件反射的開始全文背誦了），從下至上分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。

但，OSI 模型的設(shè)計(jì)，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。OSI 僅僅取得了理論上的成果，這些專家在設(shè)計(jì)的時(shí)候，并沒有太考慮商業(yè)化，并且，OSI 協(xié)議設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，復(fù)雜則導(dǎo)致其運(yùn)行效率低下，并且 OSI 的層次中有重復(fù)的層次。

所以用一句話來總結(jié) OSI 七層模型就是：既復(fù)雜又不實(shí)用。

TCP/IP  體系

相對(duì)于 OSI 的不實(shí)用，TCP/IP 是一個(gè)四層的體系結(jié)構(gòu)，分別是：應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)際層、網(wǎng)絡(luò)接口層，和 OSI 的對(duì)比如下圖所示：

消息如何發(fā)送

簡(jiǎn)單的了解了一些背景之后，我們來看看網(wǎng)絡(luò)中的消息是如何發(fā)送的。那在一般的認(rèn)知中，所謂的通信是啥樣的呢？可能看起來是這樣：

假設(shè)現(xiàn)在有 A、B 兩臺(tái)機(jī)器，其 IP 地址分別為 1.2.3.4 和 4.3.2.1，它們的 IP 地址都不相同，并且需要通過上圖中的“網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行通信。那如果 A 要發(fā)送消息給 B，這個(gè)消息該如何“傳輸”到 B 呢？當(dāng)然是通過連接到 B 機(jī)器上的網(wǎng)線（假設(shè)是有線），我們知道，線路中傳輸?shù)氖请娦盘?hào)，這套轉(zhuǎn)換的流程當(dāng)然不需要我們手動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，這些功能都內(nèi)置在了計(jì)算機(jī)中，而上面說的轉(zhuǎn)化，則是由協(xié)議棧來完成的，協(xié)議棧的大致工作流程如下：

這樣講有點(diǎn)抽象，比如協(xié)議棧到底是啥，它是通過什么方式來處理的數(shù)據(jù)的，都不知道。關(guān)于協(xié)議棧相關(guān)的概念，以及數(shù)據(jù)包發(fā)送、接收的大致流程，在我之前寫的 數(shù)據(jù)包從發(fā)送到接收，都經(jīng)歷了什么 這篇文章里都有詳細(xì)的介紹，在此不再贅述。

這里我們拿 TCP/IP 協(xié)議棧來舉個(gè)例子，它分為 4 層，大致長(zhǎng)這樣：

• 應(yīng)用層，就比如你看這篇文章所使用到的 HTTP 協(xié)議
• 傳輸層，TCP 協(xié)議
• 網(wǎng)絡(luò)層，IP 協(xié)議
• 硬件層，使用的是以太網(wǎng)協(xié)議，將二進(jìn)制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以及相互轉(zhuǎn)換，就比如網(wǎng)卡

那結(jié)合上面這個(gè)圖，就會(huì)變成這樣：

這個(gè)流程跟上面舉過的網(wǎng)購、快遞包裹的例子非常類似，我們下單了東西，賣家會(huì)將東西層層的包裝，而這個(gè)“打包”的過程跟協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包的處理非常像，從上至下，將數(shù)據(jù)「Hi, there」一步步的處理。而對(duì)于我們收快遞的人來說，我們會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)從外至里的打開這個(gè)包裹，最終拿到我們購買的貨物。而對(duì)于 4.3.2.1 的協(xié)議棧來說，一步步的將電信號(hào)還原成「Hi, there」也是同樣的道理。

而我們將這個(gè)打包的細(xì)節(jié)添加到上圖的話，看起來就會(huì)是這樣，以 HTTP 協(xié)議來說：

可以看到，每一層的包都是由 XX 頭和 XX 數(shù)據(jù)包組成的，通過協(xié)議棧的“層層加碼”，通信所需要的關(guān)鍵的信息也會(huì)被打包進(jìn)去：

• 傳輸層，會(huì)將 HTTP 報(bào)文添加到 TCP 的數(shù)據(jù)包中，并在 TCP 頭中添加發(fā)送方、接收方的端口號(hào)
• 網(wǎng)絡(luò)層，會(huì)將上一層的 TCP 包添加到 IP 數(shù)據(jù)包中，并且在 IP 頭中添加發(fā)送方、接收方的 IP 地址
• 硬件層，會(huì)將 IP 包添加到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中，并在以太網(wǎng)頭中添加發(fā)送方、接收方的 Mac 地址。

那么問題來了，我們現(xiàn)在只知道中間有個(gè)“網(wǎng)絡(luò)”，那從 1.2.3.4 機(jī)器 A 中出發(fā)的數(shù)據(jù)包，是如何找到 4.3.2.1 B 這臺(tái)機(jī)器的呢？A 從一開始就知道該走哪條線路

1.2.3.4 發(fā)送的數(shù)據(jù)，會(huì)經(jīng)過協(xié)議棧從上至下的處理，變成一個(gè)一個(gè)的數(shù)據(jù)包，然后 4.3.2.1 收到數(shù)據(jù)包之后，也會(huì)經(jīng)過協(xié)議棧從下至上的處理，解析出原始的消息。

參考

• How Does the Internet Work?
• 《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》