目录
[1. 网络的出现](#1. 网络的出现)
[2. 协议](#2. 协议)
[2.1 何为协议](#2.1 何为协议)
[2.2 协议分层](#2.2 协议分层)
[3. OSI七层模型](#3. OSI七层模型)
[4. TCP/IP四层(五层)协议](#4. TCP/IP四层(五层)协议)
[5. 为何要有TCP/IP协议](#5. 为何要有TCP/IP协议)
[6. 网络传输](#6. 网络传输)
[6.1 局域网通信](#6.1 局域网通信)
[6.2 数据包包装和分用](#6.2 数据包包装和分用)
[6.3 IP地址](#6.3 IP地址)
[6.4 跨网段传输](#6.4 跨网段传输)
1. 网络的出现
在计算机技术的早期阶段，这些精密的设备主要被科学家们用于复杂的计算任务。然而，科学研究往往需要团队合作，而团队协作则意味着数据的共享是必不可少的。为了实现有效的合作，科学家们必须找到将数据从一台计算机传输到另一台计算机的方法，由此催生了网络互联的初步构想。
最初，两台主机之间的通信相对简单，只需通过数据线直接连接即可完成数据传输。然而，随着网络规模的扩大，主机数量增多，多台主机同时发送消息时，数据冲突和碰撞现象频发，这导致了数据传输的丢失和效率低下。为此，交换机应运而生，有效地解决了这一问题。而当主机之间的距离逐渐拉大，为确保数据能够准确无误地抵达目的地，路由器便承担起了定位和指引数据传输路径的重任。交换机和路由器将多台主机连接起来，形成了我们所说的局域网。
局域网的普及和发展，进一步推动了网络的扩展。广域网便是由若干个较大的局域网相互连接而成的网络体系，它跨越了地理界限，实现了更大范围的数据交换和资源共享。
2. 协议
2.1 何为协议
何为协议？协议是经过谈判、协商而制定的共同承认的约定或者标准。例如，摩斯电码便是一种早期的通信协议。
摩斯电码是一种基于时间序列的信号编码系统，它通过点（短信号）、划（长信号）以及它们之间的间隔（空格）来编码字母和数字。这种编码方式使得信息可以通过电报线路进行传输，构成了一种早期的电报通信协议。然而，如果使用摩斯电码传输的是中文和英文这两种不同的语言，因为上层通信语言协议不相同，编码和解码参照系不同，即便有摩斯电码的辅助，信息的传递也会遇到障碍。
在计算机通信领域，数据可以通过光纤以光信号的形式，或通过电缆以电信号的形式进行传输。由于计算机数据存储采用二进制系统，无论是光信号还是电信号，最终都需要将数据转换为0和1的形式。
- 光信号和电信号可以通过不同的频率和强度来表示二进制的0和1。因此，通信双方必须就数据传输的格式达成一致。
- 首先，处理光电信号的硬件设备，如交换机和路由器，其信号处理方式需要保持统一。
- 其次，计算机上的软件和硬件，包括操作系统、CPU、内存、显卡和网卡等，都需要就数据格式进行协定。例如，大端序和小端序的机器之间如何进行数据格式的转换，这类问题都需要明确的协议来规范。
硬件制作厂商有许多家，软件操作系统也有好几类，导致每台主机类型不尽相同。因此，网络协议，需要有若干个硬件协议和软件协议构成。那么需要具有广泛认可的国际组织或者有威望的大公司站出来，牵头制定网络协议。
- ISO，即国际标准化组织，它标准定义了开放系统互连（OSI）参考模型，OSI模型定义网络通信的七层协议结构。虽然OSI模型没有得到广泛的应用，但在学术和理论研究中占有重要地位
- IETF（互联网工程任务组）制定和维护TCP/IP协议栈的核心部分。TCP/IP协议公有五层协议结构，并且在实际应用中更普遍。
2.2 协议分层
协议本质上也是软件，软件架构纵向往往采用分层策略，横向是模块化策略。通过合理的分层结构，可以实现不同功能之间的解耦合，从而提升整个系统的稳定性和扩展性。当系统面临新的需求或变化时，只需在现有架构的基础上增加一个新的软件层，确保系统持续稳定运行。
以操作系统为例，其架构通常可以分为多个层次：
- 用户界面层：这一层直接与用户交互，提供了命令行、图形用户界面等操作方式，允许用户进行各种操作和管理任务。
- 系统调用接口层：位于用户界面层之下，为上层应用提供了访问操作系统核心功能的途径。这包括文件管理、进程控制、内存管理等基本服务。
- 内核层：这是操作系统的核心部分，负责处理最底层的资源管理和调度工作，如内存分配、设备驱动管理等。
- 硬件抽象层：介于内核层和物理硬件之间，运用类似于面向对象语言的多态特性，屏蔽了不同类型硬件的差异，使得上层软件可以以一种统一的方式与硬件交互。
下面是摩斯电码传输信息的过程。电报机设备负责接收信号，内部有解码器，可以做信号和信息之间的转换。在这个过程中，总共有三个协议。我们变动任何一层协议都会导致通信失败。
在实际的网络通信中，设计会更加复杂，需要分更多的层。
我们可以得出一个结论：
- 不懂技术的使用者会认为同层协议，直接通信。不会关心下层的功能。
- 而工程师会认为同层协议，不直接通信。这是各层使用下层提供的能力，完成通信。
3. OSI七层模型
OSI模型，开放式系统互联通信参考模型（Open Systems Interconnection Model），是由国际标准化组织（ISO）在1984年发布的一个概念性框架，用于理解和设计网络体系结构。OSI模型将网络通信的过程抽象为七个层次，每一层都负责处理不同的通信任务，并且为上层提供服务。
但正如之前所说，它既复杂又不实用，实际通信中会采用TCP/IP协议，下面会着重介绍。
4. TCP/IP四层(五层)协议
TCP/IP协议族是一组网络通信协议的集合，它是互联网的基础。该协议族由多个不同的协议组成。TCP/IP通讯协议采用4层的层级结构，每一层都呼叫塔下一层所提供的功能来完成该层需求。其中网络接口层也会被分为数据链路层和物理层，那么此时TCP/IP协议是5层结构。
- 应用层（Application Layer）:TCP/IP模型的最高层，它包含了为用户提供服务的应用程序和协议。这一层的主要作用是为用户提供网络服务和访问方法。常见的应用层协议包括万维网的数据传输（HTTP）、文件传输（FTP）、电子邮件传输（SMTP）、域名转换为IP地址（DNS）等。
- 传输层（Transport Layer）:负责端到端的通信，它确保数据包能够从源主机正确地传送到目的主机。这一层提供了两种主要的协议：TCP协议提供可靠的、面向连接的数据传输服务，UDP协议提供不可靠的、无连接的数据传输服务，速度较快但可靠性较低。
- 网络层（Internet Layer）：负责路由选择和数据包转发，它使数据能够在不同的网络之间传输。该层的主要协议是IP协议，其负责逻辑寻址并为数据包选择到达目的地的最佳路径。
- 数据链路层（Link Layer）：负责节点之间的数据帧传输，它定义了如何在相邻节点间传输数据。这一层通常由硬件来实现，如网卡和交换机。ARP协议将IP地址解析为MAC地址，RARP协议将MAC地址解析为IP地址。
- 物理层（Physical Layer）：物理层规定了数据的实际传输方式，包括电压信号、电缆类型等。这一层涉及实际的硬件设备和介质。
- 对于一台主机, 它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容;
- 对于一台路由器, 它实现了从网络层到物理层;
- 对于一台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;
- 对于集线器, 它只实现了物理层;
5. 为何要有TCP/IP协议
计算机普遍遵循冯诺依曼架构设计，CPU和内存通过总线直接进行数据交互，而磁盘，网卡等外设，则无法直接与CPU进行通信，它们必须通过内存作为中介来完成数据的传输。
- 设想这样一个场景：现在，张三携带CPU北上坐车到俄罗斯，李四拿着磁盘向南前往东南亚某国，王五拿着内存向东行进，赵六拿着输出设备往西边走了。他们四个人分布在中国的东西南北四个方向。假设连接线线是可以无限延展的，那么我们会发现整个计算机就是一个小型的网络结构。
- 那么我们在单机的情况下，为什么不谈网络结构呢？因为CPU和内存的距离可能不到10厘米，磁盘和内存的距离可能有几十厘米，这些距离十分短。通过主板上的总线连接，数据传输和处理能够迅速且高效地完成，不容易出现问题。
如下图，主机A想要发送消息给主机D，但是他们相隔千里。物理上距离变长，就会带来许多问题，有问题产生，那么就要解决问题，解决问题就需要新的协议。
- 主机A发送消息，得先发送给路由器，如何发送呢？
- 网络上这么多台主机，怎么定义并找到目标主机呢？
- 如果发出去的数据丢失了，怎么办？
- 最后确保数据的传输，不是目的，如何使用数据才是目的。那么主机D怎么处理我发出去的数据呢？
所以，为何要有TCP/IP协议族呢？本质上就是通信主机之间的距离变远了。
6. 网络传输
6.1 局域网通信
局域网通常指的是一个局限在较小地理范围内的网络，如家庭、办公室或校园内的网络。局域网内部设备可以直接通信。
原理类似于线下上课。老师在台上点名张三，最后只有张三站起来答话。在这个过程中，所有人都听见了老师的声音，再判断是否是点自己的名。
而在局域网中标识每台主机的唯一性的值是Mac地址。MAC地址（Media Access Control address）是烧录在网卡上的一个唯一序列号，一般网卡出厂就确定一个MAC地址。
MAC地址是一个48比特位的（6个字节）地址，通常以十六进制格式表示，并用冒号(:)或短横线(-)分隔，例如：00:1A:2B:3C:4D:5E。
如下图所示，五台主机连通在一个局域网内。主机A发送"hello"消息给主机E，会附上源MAC地址和目标MAC地址，可以先让其他主机判断该数据是否发送给自己，目标主机接送到还可以通过源MAC地址知道是谁发的。局域网通信仅在物理层和数据链路层就能实现。
6.2 数据包包装和分用
实际上，不是主机A要发送消息给主机E，而是某个用户发送消息。以下是在同一局域网内，两台主机间消息传递的详细过程。
想象一下，张三在网上购买了一件商品。当快递员准备派送时，他会将商品放入一个盒子中，并在盒子上贴上快递单。这张单子上记录了重要的信息，如发货地址和收货地址。虽然张三最终只想要商品本身，而非盒子和快递单，但快递单的存在却是他和快递员之间的一种默契和共识。
而在网络通信的世界里，用户发送信息，会向下层交付，每一层都会增添特定的数据。发送的信息相当于张三购买的商品，增添的数据相当于快递单。
- 用户A发消息"hello"，向下层交付。应用层会在消息后加上应用层的报头，继续向下交付。传输层会在应用层报文前加上传输层的报头，直到数据链路层加完链路层报头，最后交给网卡。
- 其中每一层的报文由报头和有效载荷组成，以数据链路层为例，链路层报头为该层报头，而有效载荷则包含了从上层传递下来的实际数据。
- 当数据到达目标主机时，网卡接收到数据，向上层交付给数据链路层。数据链路层解析数据中的报头部分，以判断这条信息是否确实应该由该主机接收。确认无误后，它将有效载荷部分继续向上传递给网络层，这个过程不断重复，直至信息到达最终的应用层，这就是所谓的解包和分用过程。
- 每一层的报头数据，实质上是该层协议定义的结构体类型数据。这些结构体类型数据包含了众多属性，它们为接收方的主机同层提供了必要的信息，以便进行详细的分析和判断。这个过程，就像是将快递单上的信息一一解读，确保货物能够准确无误地送达张三手中。
所以，对于协议，我们可以有个朴素的理解。协议本质上是通信双方都认识的结构化数据类型，或者是一段代码。
6.3 IP地址
当两台主机处于不同局域网，就要通过IP地址，让路由器进行路由并定位，实现通信。
IP协议有两个版本IPv4和IPv6，我们以IPv4为例详细介绍。
- IP地址，即互联网协议地址（Internet Protocol Address），是分配给每一台连接到互联网的设备的数字标签。
- IP地址有两个主要的功能：一是标识主机的网络地址，二是定位主机在网络中的位置。
- IPv4地址是一个32位的二进制数字，通常被分为四个8位的字节（也称为八位组）。
- 使用点分十进制表示。例如，一个典型的IPv4地址可能看起来像这样：192.168.1.1。
MAC地址与IP地址之间的区别，可以通过一个形象的例子来加以阐述。
假设张三计划从香港长途跋涉至北京。他首先到达深圳，并向当地的老人询问前往北京的路线。老人会询问他的出发地和目的地，张三回答是从香港出发，目的地是北京。基于这些信息，老人为张三指明了方向，建议他前往长沙作为中途的休息和换乘点。当张三抵达长沙后，他会再次向当地的路人打听接下来的路线，同时再次告知他们自己的出发地和目的地。在这个旅程中，张三的起始地和目的地始终保持不变，但他的中转站却可能多次更换。
- 将这个例子类比到网络数据传输的过程中，我们可以发现，那些始终如一的"出发地和目的地"信息，就相当于网络中的IP地址。当主机A向主机B发送数据时，数据的源IP地址是主机A的IP，而目标IP地址则是主机B的IP。
- 然而，与这些不变的IP地址相比，数据包在传输过程中可能会经过多个不同的网络节点，这些节点就相当于张三在旅途中经过的中转站。这些转发过程中所使用的地址，就是MAC地址。
- 在这个过程中，路由器起到了类似于路人的角色。它们根据数据包中的IP地址信息，将数据包从源地址路由到目标地址。同时，路由器还会根据当前的网络环境和路由表，选择最佳的传输路径，并将数据包转发到下一个网络节点。值得注意的是，MAC地址的适用范围仅限于局域网内。
6.4 跨网段传输
当用户在主机上发送消息"hello"时，这个消息首先被封装在网络层的数据包中，并向下传递至数据链路层。在这个过程中，网络层 会在数据包的头部添加目标IP地址和源IP地址等信息。当主机的网络层检查目标IP地址时，它发现这个地址并不属于当前局域网的地址范围，因此需要将数据包发送到路由器，以实现跨网段的传输。
接下来，数据包被传递到主机的数据链路层 ，这里会添加目标MAC地址和源MAC地址。目标MAC地址是路由器网卡的MAC地址，因为数据包需要通过路由器转发。主机底层的硬件网卡将这个数据包转换为电信号，并通过物理媒介（如以太网电缆）发送给路由器。
路由器收到这个数据包后，其数据链路层会首先检查数据包的帧头，确认MAC地址是否与自己的网卡地址匹配。一旦确认，数据链路层会将数据包向上传递至网络层。网络层会解析数据包的IP头部，提取出目标IP地址，并根据路由表来确定下一个跳转的目的地 。这个过程称为路由选择。
在确定了下一个跳转的目的地后，路由器会将数据包再次向下传递至数据链路层，以便进行下一跳的传输。此时，数据链路层会为数据包添加新的目标MAC地址，这个地址是下一跳路由器或目标网络的网关的MAC地址。然后，数据包通过路由器的硬件网卡发送出去，继续其在网络中的旅程。
这个过程会一直重复，直到数据包到达目标网络。在目标网络中，最终的路由器会将数据包转发到目标主机。目标主机的数据链路层检查数据包的MAC地址，确认地址匹配后，将数据包传递给网络层。网络层检查IP地址，如果地址匹配，最终将数据包传递给传输层，然后是应用层，最终用户接收到的"hello"消息。
在整个过程中，无论数据包穿越了多少个网段，每个网段的数据链路层协议（如以太网或令牌环网） 都负责确保数据包在该网段内的正确传输。而网络层则负责跨网段的寻址和路由，确保数据包能够跨越不同的网络，最终到达目的地。路由器在这个过程中扮演着至关重要的角色，它不仅要能够处理各种数据链路层协议，还要能够识别并正确转发基于IP地址的数据包。
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