计算机网络：从入门到放弃

前言

1977年，英国标准化协会向国际标准化组织（ISO）提议，为了定义分布处理之间的通信基础设施，需要一个标准的体系结构。于是在1979年，ISO发布了开放系统互联模型的最终版（OSI七层模型），目的是希望不同供应商的网络能够互相协同工作

虽然ISO组织定义了OSI网络模型，但是在实际使用中，人们把会话层和表示层归入应用层，分层少，简化了结构，更具灵活性。而由于传输层的TCP协议和网络层的IP协议是网络中两个最为重要的协议，所以用TCP/IP表示整个的网络结构

OSI分层模型结构作为一种理论上的模型，起着导向的作用。TCP/IP协议才是计算机网络中使用的最广泛的协议

网络模型分层好处：

• 各层独立，封装后只需提供向上或向下的接口即可
• 结构灵活，易于维护
• 易于标准制定

提到标准制定，在Internet整个发展过程中，所有思想和着重点都以一种称为 RFC（Request For Comments）的文档格式记录。针对每一种特定的TCP/IP应用，有相应的 RFC文档。所以，如果你想学习TCP/IP，阅读RFC文档不失为一种方法

网络

很多介绍计算机网络的书籍或文章中，开篇也是像上面这样，介绍OSI七层模型，然后从下往上，分别介绍物理层、数据链路层、网络层等各层的作用和包含的协议

但是这并不符合网络通信的数据传输流程，一条完整的网络报文是从应用层开始，从发送方的TCP/IP协议层层往下，通过该网络的路径，传送到对端的主机，然后从对端的TCP/IP协议层层往上，最终到达接收方的应用层

想要回答什么是网络，我们必须要清楚网络的构成有哪些，以及这些构成元素是如何运作的，知道了这些，也就知道了什么是网络

网络构成

网络是由全世界范围内的设备互联在一起形成的一张巨大的“网”，包括传统的计算机设备（PC和服务器等）和非传统的智能设备（手机、手表、家用电器、眼镜、汽车等）。在计算机网络中，我们把这些设备称为主机或端

虽然这些主机或端设备有几十亿之多，但是它们并不是网络的全部。主机通过物理层链路和分组交换设备连接在一起。物理层链路包括：同轴电缆、光纤、无线电频谱等。分组交换设备包括：交换机和路由器

当一台主机或端设备向另一台端设备发送数据时，发送端将数据从应用层层层封装，形成完整的网络报文，从网络接口卡进入通信链路，经由交换机和路由器选择适合的路径，最终发送到接收端主机

主机、交换机和路由器作为网络通信的参与者，它们遵循最基本的协议规则。这就像是两个不同国家的人用不同的语言进行对话，由于语言不同，对话也就不通

网络运行

前面讨论了构成网络的主要元素，但是网络信息是由分布在主机系统中的应用程序发送和接收，这些应用程序处于网络模型的最上层：应用层。它们采用的协议就是应用层协议

应用程序如何才能向另一台主机上的应用发送信息呢？

在TCP/IP网络模型中，应用层往下是传输层，传输层有两个协议：TCP和UDP。应用程序在应用层形成的数据必须经过传输层，换句话说，必须使用TCP和UDP。同样地，传输层往下是网络层，网络层要么使用IPv4协议，要么使用IPv6协议，没有其他可选项

由此可以看出，应用层由于应用程序的不同，通信方式多样，具有多种协议。而且随着以后科技水平的发展，社会的进步，会出现更多繁杂的应用，制定更多符合应用程序功能的应用层协议。但是，它们只要使用TCP/IP网络模型传输数据，就会使用TCP/UDP、IPv4/IPv6…

相对于应用层协议的多样性，传输层以下（包括传输层）的协议更具确定性和标准性，我们可以把它们认为是基础协议层，它们的协议栈统称为网络协议栈

这样的话，应用层对着的就是一个标准的固定的协议栈。一般标准的固定的功能模块，既要让其他的功能能够访问，又不想在访问时影响自己的内部逻辑，通常会对外提供接口，由接口驱动调用

而TCP/IP协议栈的对外接口就是Socket套接字功能，它是由运行网络协议栈内核的系统提供，向上为应用层协议提供网络支撑

上面是主机系统中应用程序所要经过的协议层和使用的协议，当然，列举的协议并不完全，更多的细节请参考下图

数据从应用层发出，经过协议栈由网卡发送到物理层链路上后，经过交换式设备后，到达目的主机，最终报文被处理后交给接收端的应用程序，这一系列的操作如果想要实现，报文经过的设备必须使用相同的协议

网络协议

什么是协议？

如果拿人类生活中的例子比较，就像是两个人在互相说话交流，他们必须使用相同的语言才能沟通；如果是两个人书面通信，他们必须使用相同的文字

由此可见，协议是双方共同遵守的约定和规范，而为了使数据在网络上能够从源端到目的端，网络通信的参与方必须遵守相同的规则，这就是网络协议。网络协议最终体现为在网络上传输的数据包的格式和处理顺序。

掌握计算机网络领域知识的过程就是理解网络协议的构成、原理和工作方式的过程

应用层

我们说网络协议是通信的基础， 应用才是目的。如果没有应用程序，网络协议存在的意义在哪里！

应用程序的开发和人类的生活习惯息息相关，人类使用它直面它，却无法“拿走”它。作为实现在操作系统中的程序，为了标识它们，系统会给不同的程序分配唯一标识：进程id（pid）

通信中的主机为了能够把网络数据交给正确的应用程序，需要根据应用程序的进程id识别它。这就像是快递员想要把快递交给收件人，也需要问问你的名字一样

上面讨论过，应用程序所在的应用层发送数据时使用socket套接字驱动网络协议栈形成完整报文，接收端应用程序也是通过套接字接收数据，所以套接字如果想要把数据交给正确的应用程序，就必须知道进程id。套接字在创建时会绑定对应pid

socket-------------------pid

套接字作为连接应用层和协议栈的桥梁，协议栈是不是也应该知道数据要交给哪个socket？

TCP/IP协议在传输层定义了端口的概念，和网络层的IP地址还有传输层协议一起，与socket绑定，用来识别套接字

应用程序数据在网络中的处理流程如图所示

一些知名的应用层协议比如HTTP、DNS、DHCP等，在这里就不展开了。用到哪个功能，到时候针对性地学习就可以了

传输层

传输层有两协议一标志，两个协议分别是tcp和udp，一个标志是它的端口号

关于tcp和udp的区别，我们举例说明：

假设创世纪时亚当和夏娃没在一起，他们分隔两个山头，中间是一道无尽的深渊，他们经常互相投送食物，有两种方式

为了符合美国的政治正确，我们用黑人形象

• 靠谱的，tcp传输

• 不靠谱的，udp传输

可以看出：

靠谱的投送（tcp传输），在投送前（传输前），需要先打招呼确认彼此（连接确认，tcp三次握手）

在投送的食物的过程中（传输数据），对方收到后会回复收到确认（ACK确认）。如果在规定的时间内没有回复收到（未回复ACK），会重新扔一个（重发丢失的数据）

彼此食物扔完后（数据传输完毕），会通知对方，最终离开（连接断开，tcp四次挥手）

相比较而言，不靠谱的投送（udp传输），没有打招呼确认（连接确认），也不会回复收到（确认ACK），更不会互告离别（连接断开）

TCP与UDP协议的不同：

一些流行的应用使用的传输层协议：

可以看出：

需要保证数据正确送达的选择tcp，强调实时性的选择udp

完整的TCP通信过程如下：

相比较TCP，UDP报文段的结构更简单，但是它们都有端口号

端口号是传输层协议tcp和udp里的一个字段，2个字节，最大值65535

网络层

网络层最重要的协议就是IPv4协议和IPv6协议，前者是目前全球主流的网络协议，采用IPv4地址格式通信。后者是未来的趋势，采用IPv6地址格式通信

IPv4

IPv4首部格式如下：

从上图可以看出，IPv4地址有32比特，共4个字节。我们习惯的写法是：每个字节用十进制表示，中间用点号分隔开

192.168.10.1

IPv4地址由网络地址和主机地址组成，网络地址表示主机位于哪个局域网内，主机地址表示主机在这个局域网内的唯一标识

有两种表达方式：

• 192.168.10.1/24
• 192.168.10.1，子网掩码：255.255.255.0

根据网络地址和主机地址划分的不同，IPv4地址分为以下几类：

IPv6

IPv6首部格式如下：

从上图可以看出，IPv4地址有128比特，共16个字节。我们习惯的写法是：每两个用16进制表示，中间用冒号分隔开

AD80:0000:0000:0000:ABAA:0000:00C2:0002

如果中间连续有多个零，为了书写方便，可以用两个冒号表示

AD80::ABAA:0000:00C2:0002

当然，除了IP地址和首部格式不同外，一些其他处理逻辑也不同，比如根据IP地址寻址MAC采用的协议，分片方式等

目前我国正在推广从IPv4到IPv6迁移

数据链路层

为了将一个数据报从源主机传输到目的主机，数据报必须通过沿端到端路径上的各段链路传输。在通过特定的链路时，传输节点将数据报封装在链路层帧中，并将该帧传送到链路中

假如我想从上海去往昆明旅游，旅行社给我制定的最便利的方案是：自己开车先去往机场，然后坐飞机飞到昆明，到昆明机场后旅行社用大巴车接我去景点

这次旅行中有三段路，每段路都是直达的，虽然它们使用了不同的交通方式，但是它们都能把我送到相邻的地点

我就好比数据报，每个路段好比一条链路，每种运输方式好比一个链路层协议，而旅行社好比一个路由选择协议

由此可以看出，数据链路层实现的是相邻地点之间的数据传输

如何实现呢？采用数据链路层里的mac地址，它是识别局域网中主机的标识

mac地址，网络接口卡的硬件地址，也叫物理地址，有6个字节，每个字节用16进制表示，中间用冒号分隔开

08:00:20:0A:8C:6D

但是如果仔细回想下，从应用层发送数据时，并没有提供对方mac地址的信息。比如说浏览网站，知道的只有对方的网址（通过dns协议解析ip地址），也就是只知道对方的ip地址，而数据链路层又是如何获取的mac地址呢？

这里就需要一个重要的协议，ARP地址解析协议

顾名思义，根据ip地址解析它的mac地址。ARP协议工作原理如下：

主机A想要知道ip地址为128.1.2.15的主机的mac地址，于是发送一条arp request报文。由于它是一条广播报文，所以同网段内的所有主机都能收到，但是只有ip地址为128.1.2.15的主机E回复arp reply报文，报文里携带自己的mac地址

以太网

以太网技术在20世纪70年代中期由Bob Metcalfe和David Boggs发明，自从以太网发明以后，经过不断的演化和发展，几乎占领着现有的有线局域网市场。 今天，以太网是到目前为止最流行的有线局域网技术，而且到可能预见的将来它可能仍保持这一位置

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容

IEEE 802.3标准指定了统一的以太网的技术标准，不同的以太网制式有不同的名称缩写，比如：10BASE-T、10BASE-2、100BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-LX等

• BASE前面的数字指的是以太网的最大传输速率，10、100、1000代表10Mbps，100Mbps、1000Mbps（1Gbps）
• BASE表示采用基带传输
• 符号“-”后面的部分表示传输介质，T指的是双绞线，TX表示传输介质2对高质量的双绞线

车载以太网与传统以太网的区别

在汽车网络总线中，首先要考虑的是总线的稳定、安全和抗干扰的能力。所以传统以太网如果想迁移到汽车网络架构中，首先要解决的就是以太网总线的抗干扰的问题。

传统以太网线并不具备很强的抗干扰能力，怎么办呢？于是就有了两线制以太网，通过一对双绞线，实现以太网在汽车网络拓扑中的应用。

所以，传统以太网和车载以太网最大的不同，就是物理层的不同，相比较传统以太网采用2对双绞线即4根线，车载以太网只需要两根线，即两线制。

由此也就带来了网络接口的不同，传统以太网的网络接口是RJ45，而车载以太网是两线制接口。

这从它们的命名上可以看出，传统以太网称之为100base/1000base-Tx，车载以太网称之为100base/1000base-T1，这里的Tx和T1代表的就是传统以太网和车载以太网。

当然，物理层还有些细小的差异，了解的不多，这里就不再讨论。

二层，也就是物理链路层以上，包括TCP/IP协议栈，都是一样的，如果要说差别，也有，比如说车载以太网内节点的网卡IP地址通常是固定的，而传统以太网主机的IP地址一般都是DHCP动态分配的，其他还有比如直接广播地址由于会暴露内部IP地址禁止接收响应啊等等。

既然有这些不同，那么在把TCP/IP协议栈移植到到车内节点上使用时，就需要让以太网保持一致。因此，汽车整车和供应商成立了一个联盟，致力于推广以太网在汽车中的应用，这就是OPEN组织联盟，OPEN联盟又成立了很多技术委员会TC，每个委员会负责车载以太网中不同技术标准的制定，比如TC8就负责TCP/IP网络协议栈的一致性测试。